跳转至

GPS定位调试方法

一、GPS 工作原理简介

1.1 GPS 技术的发展历程

全球定位系统（GPS）起初由美国国防部开发，用于提供精确的定位和导航信息。随着时间推移，它从军事应用扩展到商业和民间领域，实现了全天候、全球范围内的精确地理位置服务。

1.2 GPS 系统组成

GPS 系统主要由三个部分构成：太空中的卫星群、地面控制站和接收器。卫星负责发送信号，地面控制站监测卫星运行状态并进行数据修正，而接收器则用于接收信号并计算位置信息。

1.3 信号接收与定位计算

GPS 接收器通过与至少四颗卫星的信号进行交差定位，借助卫星轨道数据、时间戳和用户位置等信息，使用三角测量法计算出接收器的精确位置、速度和时间。

二、不同地球坐标系的区别

  • WGS-84：是国际标准，GPS 坐标（Google Earth 使用、或者 GPS 模块）
  • GCJ-02：中国坐标偏移标准，Google Map、高德、腾讯使用
  • BD-09：百度坐标偏移标准，Baidu Map 使用

具体解释：

  • WGS-84 坐标系 即地球坐标系，国际上通用的坐标系。 设备一般包含 GPS 芯片或者北斗芯片获取的经纬度为 WGS-84 地理坐标系。谷歌地图采用的是 WGS-84 地理坐标系（中国范围除外,谷歌中国地图采用的是 GCJ-02 地理坐标系。)
  • GCJ-02 坐标系 即火星坐标系，WGS-84 坐标系经加密后的坐标系。 出于国家安全考虑，国内所有导航电子地图必须使用国家测绘局制定的加密坐标系统，即将一个真实的经纬度坐标加密成一个不正确的经纬度坐标。
  • BD-09 坐标系 即百度坐标系，GCJ-02 坐标系经加密后的坐标系。搜狗坐标系、图吧坐标系等，估计也是在 GCJ-02 基础上加密而成的。

Air8000 使用国际标准 WGS-84 坐标系，所以开发者在国内常见地图定位时，会发现与实际情况有几十米的误差。这并非模块问题， 而是国内地图采用了非标坐标系所致。 国内常见地图如高德地图使用 GCJ-02 坐标系， 百度地图使用 BD-09 坐标系，故此开发者需要对模块输出的经纬度进行加偏处理，才能在国内的地图上实现精确定位。

坐标系纠偏的话参考：http://www.openluat.com/GPS-Offset.html

三、GNSS 报文格式

Air8000 的 GNSS 输出数据报文符合 NMEA-0183 标准格式。

NMEA（National Marine Electronics Association）是美国国家海洋电子协会制定的标准通信协议，旨在解决航海电子设备间的数据互通问题。其核心价值在于通过统一接口规范，实现不同厂商设备（如 GPS、雷达、声呐）的兼容性，提升系统集成效率。

3.1 通用 NMEA 语句类型

3.2 NMEA 语句格式

NMEA 语句格式:"$”为语句起始标志，“,"为域分隔符，“”为校验和标识符，其后面的两位数为校验和，校验和等于$和之间所有字符的按位异或。

NMEA-0183 协议采用 ASCII 码来传递 GPS 定位信息，我们称之为帧。

帧格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)

1、“$”：帧命令起始位

2、aaccc：地址域，前两位为识别符（aa），后三位为语句名（ccc）

3、ddd…ddd：数据

4、“*”：校验和前缀（也可以作为语句数据结束的标志）

5、hh：校验和（check sum），$ 与*之间所有字符 ASCII 码的校验和（各字节做异或运算，得到校验和后，再转换 16 进制格式的 ASCII 字符）

6、(CR)(LF)：帧结束，回车和换行符

核心语句和字段解析可参考下方扩展知识。

四、Air8000 无法定位情况分析

在使用模组的过程中总会有很多客户遇到无法定位的情况，现在此总结下一般遇到无法定位的情况。

4.1 在室内做 GNSS 定位

为什么开发板不能在室内使用 gps 定位？

为什么手机可以定位，模块无法定位呢？

这究竟是为什么呢？

很多开发者在测试 GPS 的时候，总是发觉无法定位，甚至无法搜星。经过技术支持的解答才明白，只有戒掉懒癌，去室外测试，才能有良好的效果。究其原因，还是 GPS 的原理所致。

以最简单的几何来说，两点确定一条线，三个点确定一个面；那么逆推一下，就是三个点确定一个位置（基站定位的原理）；四个点确定精确位置（含高程）：

导航卫星不断地向地球发射导航电文（卫星的速度、角速度、空间相对位置等信息）

GPS 芯片收到不同卫星的数据后，进行解算，就能得到当前接收器在地球的绝对位置了。根据三点定位的原理，同时使用 3 颗卫星，可以实现 2D FIX（不含高程）；只有同时使用 4 颗或以上的卫星，才能实现 3D FIX（含高程）。

不过凡事都有例外，如果开发者在飘窗进行测试，会搜到卫星，甚至超过 4 颗，但是仍然无法定位。这是为什么呢？这是因为 GPS 天线的“可视角”有限，而这片星域的卫星角度相距太近，间隔太小，无法精确解算，故此无法实现定位。

GPS 卫星运行在距地 36000KM 的轨道上，信号强度相当弱（GPS 卫星的功率有多大？）。GPS 的民用 C/A 码从卫星发出来的时候信号只有 27W 左右，达到地球的时候在-158.5dBW 以上。用对数形式表示可能不直观，换算成十进制等于将近 0.0000000000000001W，相当小。所以，只有室外开阔的、无遮挡、晴好的地方，才能搜到更多的卫星，SNR 值更高（阴天都会有影响哦），GPS 芯片才能更快、更好的实现定位。

而室内是没有 GPS 信号的，所以不论开发者如何调整代码、修正天线，都无法实现 GPS 定位。如果开发者懒癌爆发，不想去室外测试怎么办呢？不用担心，万能的淘宝给大家带来了福音：

不过，有的开发者肯定要反驳我：为什么我的手机在室内就能定位，而且特别准呢？

这个问题的答案很简单，手机使用的是多重定位，如果要单纯的测试手机的 GPS 定位，需要这样做：首先“三清”，仅打开 GPS，然后拔卡，飞行模式，再用专业软件如 GPS Test+ 试一试，你就明白啦~~

这种情况下，室内，手机也是无法定位的。

所以说，手机在室内之所以可以定位，实际上是它不仅使用了 GPS，还使用了很多其他的辅助定位技术，如 LBS（基站定位）、Wi-Fi（wifi 定位）、BLE（蓝牙）等

至此，开发者应该可以明白为什么手机可以定位，而开发板无法定位了。

PS：如果有手机同样的预算，开发板也能做到同样的“室内定位”效果

4.2 天线使用问题

1. 有源/无源天线混淆

有部分开发者经常遇到，自己去了户外，按理说应该在 35S 左右就能定位成功了啊，怎么自己一两分钟都没几颗星，等了 10 多 20 分钟依旧还是定位不成功，同步对比手机，发现差距不止一点点，此时应该先检查 GNSS 天线设计问题，看看自己是不是将有源天线插给了无源天线预留的底座，或者无源天线插给了有源天线预留的底座。注意：Air8000 核心板的 GPS 天线是无源天线。

2. 天线设计问题

更多客户遇到的，不是户外定位不到，而是户外定位速度极其的慢的问题，常见于无源天线(因为无源天线对结构、PCB、走线要求都比较高)，如果自己设计没有注意下面几点，是很有可能定位不到/定位极其的慢的。

GPS 天线设计参考下面这篇文章：GPS 天线设计指导 - luatos@air8000 - 合宙模组资料中心

3. GPS 天线选型建议

  1. 在终端结构空间容许，能够统一保证 GPS 天线面朝上的安装使用状态；并且周边没有大的金属物件遮挡的情况下，建议使用 GPS 陶瓷天线，在空间容许的情况下尽量选择大尺寸的陶瓷天线。
  2. 在不能保证终端使用状态，且空间受限：比如手机，带定位功能的胸牌；建议使用 FPC 天线
  3. 在明确终端安装环境恶劣，并且对 GPS 性能有较高要求的；建议使用 GPS 有源天线
  4. 在不能保证产品安装使用状态，但是空间不受限制，也可以选择类似于 GSM 的外置棒状天线。

4. 对天线厂家的要求

  1. VSWR：GPS 天线电压驻波比一般要求调到 1.5 左右.
  2. Efficiency：效率一般要求在 40% 左右
  3. Average Gain：平均增益要求在-0.5dB
  4. OTA：一般天线厂大多不具备 GPS 天线 OTA 测试环境，天线调试好后可以以实际测试数据做标准来衡量；一般我们 GPS 实测时要求是：可用于定位卫星颗数大于 6 颗以上，最强的信号在 45 dB/Hz 左右，要有 3 颗卫星信号大于 40 dB/Hz。

4.3 星系切换问题

有很多客户遇到过，模组默认固件，只打开 GNSS 电源，35S 左右就能定位到了，但是切换成单北斗，就需要 2 分钟多甚至更长时间才能定位成功。

首先明确一点，合宙的大多数模组，均使用的单频(L1)GNSS 芯片，所以内部能搜到的北斗卫星，只有 B1C 或者 B1I，这两个频段的北斗卫星，由于北斗卫星为高轨卫星，在同一片区域内，卫星数可能不会很多，实测在我家附近的广场上，单频(L1)GNSS 芯片，只能搜到这几颗北斗卫星

所以，在明确自己是真正需要单北斗/单 GPS 或者其他星系前，尽量不要将模块切换为单星系状态，如果客户对单北斗需求非常明确，建议选择真正的单北斗芯片，杜绝后患，因为很多单北斗应用是需要进实验室过多项认证的，使用多星系 GNSS 芯片，有极大概率过不去单北斗的认证。

4.4 外部干扰源问题

此种情况不能说常见，但是确实客观存在，之前有部分客户就遇到了，在他们公司附近一直定位不到，但是客户放在自己小区前面广场上就能定位成功，查看地图得知，客户的公司附近，有"中国军工"单位，不只是 GNSS 定位不到，偶尔自己的手机 5G/4G 信号也没有，此种情况定位不到的原因不言而喻了。

不过还有少量客户遇到的干扰源还是比较明显，例如只针对 GPS 频段发射的干扰源，此时切换为单北斗模式，即使是单频模组，在部分情况下，还是能够正常定位成功的。

以上四点是最为常见的四种无法定位的情况，如果你使用合宙的 GNSS 模组排除了这四点，依旧无法定位，欢迎你来找合宙，我们将会竭力为您排查您所遇到的问题

五、Air8000 的 GNSS 测试环境

有部分客户，需要测试 Air8000 内部 GNSS 的稳定性，但因为 Air8000 UART2(也就是 GPS 对应的串口)RX 不能直接和外部通讯，只能通过 cat.1 主控给它发指令控制，所以使用合宙提供的测试工具，不能直接测试 100 次或者 1000 次冷热启动，需要使用 LUA 脚本控制模块对接 PC 端测试工具，如果客户只是想看看，CN 值、当前位置，那可以直接接 uart2 的 TX 出来对接 PC 端工具

5.1 软件环境

1. 烧录工具 Luatools；

2. 内核固件文件（底层 core 固件文件）：LuatOS-SoC_V2005_Air8000；此页面有新版本固件的话选用最新版本固件。

3. LuatOS 需要的脚本和资源文件：https://gitee.com/openLuat/LuatOS/tree/master/module/Air8000/demo/GPS

4. lib 脚本文件：使用 Luatools 烧录时，勾选 添加默认 lib 选项，使用默认 lib 脚本文件；

准备好软件环境之后，接下来查看如何烧录项目文件到 Air8000 开发板中，将本篇文章中演示使用的项目文件烧录到 Air8000 开发板中。

5. GNSS PC 端测试工具：- iNavTool-V4020

5.2 硬件环境

Air8000 核心板

淘宝购买链接：Air8000 核心板淘宝购买链接 ；

核心板使用教程参考：Air8000 核心板使用说明

GPS 天线

上面购买链接可以选择套餐三，里面包含一个 gps 天线。

TTL 转 USB 工具

将设备组装好并连接 USB 数据线，将 TTL 转 USB 连接到 Air8000 的核心板的 uart2 上面。

需要注意的是需要将 TTL 转 USB 的 RX 与核心板的 UART2 RX 连接，TX 与和核心板的 UART2 TX 相连接(这是因为 gps 芯片串口与 cat 1 芯片的串口是交叉相连的，所以 TTL 转 USB 的串口只需和 cat 1 的串口 RX 接 RX，TX 接 TX)，连接好后如下图所示：

5.3 测试现象

  1. 下载好的 GNSS PC 端测试工具为一个压缩包，需要解压后打开如图所示 EXE 文件

打开测试工具后可以看见如下界面:

选择左上角的"打开串口"后，选择对应的端口号以及波特率即可，Air8000 的 gps 对应的波特率为 115200，其他的不用管，默认即可。打开端口后，等待片刻，即可看见模块定位成功输出的位置信息以及其他信息，左上角为 NMEA 原始数据，下面的均为从 NMEA 数据中解析出的各种信息(注：此处地图视图需要电脑链接网络才可找到对应经纬度的坐标)，如果没有输出经纬度，则证明 GNSS 未打开，需要检查脚本 GPS 电源是否打开，如果长时间没有定位成功，可以参考上一章“Air8000 无法定位情况分析”进行排查。

如果连接成功，则可以看到下面的现象：

此工具更多操作可见下篇 GNSS 调试工具使用方法详细介绍。

六、NMEA 扩展知识

下面是常用的 NMEA 报文语句格式解析：

/*以下的XX可能为以下三种情况
BD  北斗模式
GP  GPS模式
GN  双模模式
BD北斗导航系统，中国
GPS（全球定位系统），美国
GLONASS（全球轨道导航卫星系统），前苏联
Galileo-ENSS（欧洲导航卫星系统，即伽利略计划），欧盟
*/

/*推荐定位信息数据格式 $XXRMC
$GPRMC,030551.000,A,3906.2586,N,11720.3131,E,0.00,138.07,150718,,,A*6B

$XXRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh<CR><LF>
<1> 世界时间UTC时间，hhmmss（时分秒）格式 北京时间（BTC），BTC和UTC差了8个小时
<2> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位
<3> 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）
<4> 纬度半球N（北半球）或S（南半球）
<5> 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）
<6> 经度半球E（东经）或W（西经）
<7> 地面速率（000.0~999.9节，前面的0也将被传输）
<8> 地面航向（000.0~359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输）
<9> UTC日期，ddmmyy（日月年）格式
<10> 磁偏角（000.0~180.0度，前面的0也将被传输）
<11> 磁偏角方向，E（东）或W（西）
<12> 模式指示（仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）

*/

/*
当前卫星信息 $XXGGA        //GPS定位数据

$GPGGA,030551.000,3906.2586,N,11720.3131,E,1,11,0.9,-6.7,M,0.0,M,,*4B

$XXGGA，(1)，(2)，(3)，(4)，(5)，(6)，(7)，(8)，(9)，M，(10)，M，(11)，(12)＊hh(CR)(LF) 　
各部分所对应的含义为： 　　
(1)定位UTC时间：05时09分01秒　　
(2)纬度(格式ddmm.mmmm:即dd度，mm.mmmm分)；　　
(3)N/S(北纬或南纬)：北纬39度31.4449分；　　
(4)经度(格式dddmm.mmmm：即ddd度，mm.mmmm分)；　　
(5)E/W(东经或西经)：东经116度43.5123分；　　
(6)质量因子(0=没有定位，1=实时GPS，2=差分GPS)：1=实时GPS；　　
(7)可使用的卫星数(0～8)：可使用的卫星数=07；　　
(8)水平精度因子(1.0～99.9)；水平精度因子=1.4；　　
(9)天线高程(海平面，－9999.9～99999.9，单位：m)；天线高程=76.2m); 　　
(10)大地椭球面相对海平面的高度(－999.9～9999.9，单位：m):－7.0m; 　　
(11)差分GPS数据年龄，实时GPS时无:无; 　//差分GPS数据期限(RTCMSC-104)，最后设立RTCM传送的秒数量　
(12)差分基准站号(0000～1023)，实时GPS时无:无; 　　
＊总和校验域；　　
hh 总和校验数:65 　　
(CR)(LF)回车，换行。
*/

/*
GPVTG 地面速度信息 　　
$GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh
　　<1> 以正北为参考基准的地面航向(000~359度，前面的0也将被传输)
　　<2> 以磁北为参考基准的地面航向(000~359度，前面的0也将被传输)
　　<3> 地面速率(000.0~999.9节，前面的0也将被传输)
　　<4> 地面速率(0000.0~1851.8公里/小时，前面的0也将被传输)
　　<5> 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效
*/

/*
可见卫星信息 $XXGSV
$XXGSV,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,…<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF>
<1> GSV语句的总数 //总的GSV语句电文数；2;
<2> 本句GSV的编号 //当前GSV语句号:1;
<3> 可见卫星的总数（00~12，前面的0也将被传输）
<4> PRN码（伪随机噪声码）（01~32，前面的0也将被传输）
<5> 卫星仰角（00~90度，前面的0也将被传输）
<6> 卫星方位角（000~359度，前面的0也将被传输）
<7> 信噪比（00~99dB，没有跟踪到卫星时为空，前面的0也将被传输）
注：<4>,<5>,<6>,<7>信息将按照每颗卫星进行循环显示，每条GSV语句最多可以显示4颗卫星的信息。其他卫星信息将在下一序列的NMEA0183语句中输出。
*/

/*
当前卫星信息 $XXGSA
$XXGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>*hh<CR><LF>
<1> 模式，M=手动，A=自动
<2> 定位类型，1=没有定位，2=2D定位，3=3D定位
<3> PRN码（伪随机噪声码），正在用于解算位置的卫星号（01~32，前面的0也将被传输）。
<4> PDOP位置精度因子（0.5~99.9）
<5> HDOP水平精度因子（0.5~99.9）
<6> VDOP垂直精度因子（0.5~99.9）
字段17：VDOP垂直精度因子（0.5 - 99.9）
字段18：校验值
*/

/*
地理定位信息 $XXGLL

$GPGLL,3906.2586,N,11720.3131,E,030551.000,A,A*5B

$XXGLL,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>*hh<CR><LF>
<1> 纬度ddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）
<2> 纬度半球N（北半球）或S（南半球）
<3> 经度dddmm.mmmm（度分）格式（前面的0也将被传输）
<4> 经度半球E（东经）或W（西经）
<5> UTC时间，hhmmss（时分秒）格式
<6> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位
<7> 模式指示（仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）
*/