Receptores GPS e padrões NMEA

2024年6月3日 Roberto Magalhães

Os receptores GPS recebem dados de almanaque do satélite e também calculam sua posição calculando sua distância dos satélites visíveis e, em seguida, usando o método de triangulação para calcular sua posição.

Após os dados terem sido recebidos e a posição calculada, os dados são configurados de acordo com os padrões estabelecidos pelo NMEA (Associação Nacional de Eletrônica Marinha) e é transmitido serialmente a uma taxa de transmissão de 4.800 bps.

A Associação Nacional de Eletrônica Marinha (NMEA) desenvolveu padrões que descrevem a interface entre vários equipamentos eletrônicos marítimos. Os padrões permitem que a eletrônica marítima envie informações para computadores e outros equipamentos marítimos.

Os receptores GPS também funcionam nestes Padrões NMEA. A maioria dos programas de computador e dispositivos que fornecem informações de posição e outras informações relacionadas esperam que os dados estejam no formato NMEA.

Os dados fornecidos pelo Receptor GPS inclui muitas informações como posição (latitude e longitude), altitude, velocidade, tempo, etc. Em seus padrões, o NMEA especificou o envio uma série de dados em uma frase. Uma frase específica é totalmente autossuficiente e independente de outras frases. Existem frases padrão para determinados tipos de dados e para diversas categorias de dispositivos. O NMEA também forneceu a funcionalidade para empresas individuais escreverem suas próprias frases.

Figura 1: Imagem mostrando o funcionamento do receptor GPS

Todos os dispositivos padrão possuem um prefixo de duas letras que define o dispositivo para o qual está sendo usado, para receptores GPS o prefixo é GP. O prefixo de duas letras é então seguido por três letras que representam o conteúdo da frase. As frases de proprietário permitidas pela NMEA sempre começam com P e são seguidas por uma sequência de três letras que identifica o código do fabricante e caracteres adicionais para definir o tipo de frase. Por exemplo, uma frase da Garmin começaria com PGRM e a Sony começaria com PSNY.

Cada frase começa com um '$', tem cerca de 80 caracteres e termina com uma sequência de retorno de carro/alimentação de linha. As frases são geralmente enquadradas em linhas únicas (às vezes podem ocupar várias linhas) e os itens de dados em cada frase são separados por vírgulas.

Os dados recebidos são apenas texto ASCII e variam em precisão. Uma frase termina com uma soma de verificação que consiste em um '*' e dois dígitos hexadecimais. Os dígitos da soma de verificação representam um OR exclusivo de 8 bits de todos os caracteres entre, mas não incluindo, o $ e *.

Fig. 2: Imagem mostrando o formato da frase NMEA

As unidades GPS são compatíveis com os padrões NMEA e também com portas seriais usando protocolos RS232. A configuração serial de um receptor GPS é resumida da seguinte forma:

TAXA DE TRANSMISSÃO	Bits de dados	PARADA	PARIDADE	APERTO DE MÃO
4800bps	8	1	Nenhum	Nenhum

Frases GPS

Frases GPS
Algumas das frases do GPS são explicadas abaixo:

1) $GPGA – Dados de correção do sistema de posicionamento global

$GPGGA,132453.970,2651.0138,N,07547.7054,E,1,03,7.1,42.5,M,-42.5,M,,0000*45

onde:

GGA

132453.970

2651.0138,N

07547.7054,E

7.1

42,5,M

46,9,M

Campo vazio

*45

Dados de correção do sistema de posicionamento global

Correção realizada às 13:24:53970 UTC

Latitude 26 graus 51,0138′ N

Longitude 07 graus 54,7054′ E

Corrija a qualidade:

0 = inválido

1 = posição GPS (SPS)

2 = correção DGPS

3 = correção PPS

4 = Cinemática em Tempo Real

5 = RTK flutuante

6 = Estimado (acerto de contas)

7 = Modo de entrada manual

8 = Modo simulação

Número de satélites sendo rastreados

Diluição horizontal da posição

Altitude, metros, acima do nível médio do mar

Altura do geóide (nível médio do mar) acima do elipsóide WGS84

Tempo em segundos desde a última atualização do DGPS

Número de identificação da estação DGPS

Os dados da soma de verificação sempre começam com *

2) $GPGSV – (Satélites à vista)

A frase GPGSV mostra dados sobre os satélites que estão à vista do receptor. Cada sentença GPGSV pode mostrar dados de no máximo quatro satélites, portanto, três sentenças são necessárias para representar dados completos. Todas as 3 frases não precisam aparecer em sequência, pois cada frase pode ser facilmente identificada.

Uma sentença GPGSV pode mostrar um maior número de satélites do que uma sentença GPGGA, pois também mostra os satélites que não estão em solução. O SNR (Relação Sinal-Ruído) pode ser usado como intensidade bruta do sinal e fica entre 0 e 99. Zero é a intensidade do sinal do satélite que está sendo visualizado, mas não rastreado.

$GPGSV,3,1,12,18,57,291,40,21,56,346,45,26,23,043,46,29,57,174,25*71  
$GPGSV,3,2,12,22,28,259,16,27,13,107,,09,11,130,,16,09,288,25*79  
$GPGSV,3,3,12,30,08,210,33,06,08,320,22,25,02,188,26,14,01,203,21*7B

onde:

GSV

291

*75

Satélites à vista

Número de frases para dados completos

Frase 1

Número de satélites visíveis

Número PRN do satélite (ruído pseudoaleatório)

Elevação, graus

Azimute, graus

SNR (Relação sinal-ruído) – quanto maior, melhor

Para até 4 satélites por frase

Os dados da soma de verificação sempre começam com *

1	Número total de mensagens deste tipo neste ciclo
2	Número da mensagem
3	Número total de SVs visualizados
4	Número SV PRN
5	Elevação em graus, máximo de 90
6	Azimute, graus do norte verdadeiro, 000 a 359
7	SNR, 00-99 dB (nulo quando SV está visível, mas não rastreado)
8-11	Informações sobre o segundo SV, iguais ao campo 4-7
12-15	Informações sobre o terceiro SV, iguais ao campo 4-7
16-19	Informações sobre o quarto SV, iguais ao campo 4-7

3) $GPRMC – Dados mínimos específicos recomendados de GPS/Trânsito

$GPRMC,132455.970,A,2651.0145,N,07547.7051,E,0.50,342.76,301010,,,A*64

onde:

RMC

132455.970

2651.0145,N

07547.7051,E

0,50

342,76

301010

Campo vazio (xxx.x, y)

*64

Frase mínima recomendada C

Correção realizada às 13:24:55.970 UTC

Status A=Ativo ou V=Vazio.

Latitude 26 graus 51,0145′ N

Longitude 075 graus 47,7051′ E

Velocidade no solo em nós

Ângulo de rastreamento em graus Verdadeiro

Data: 30 de outubro de 2010

Variação Magnética

Os dados da soma de verificação sempre começam com *

4) $GPVTG –

$GPVTG,054.7,T,034.4,M,005.5,N,010.2,K*48

onde:

VTG

054.7, T

034.4,M

005,5,N

010.2,K

*48

Pista boa e velocidade de solo

Trilha verdadeira boa (graus)

Trilha magnética bem feita

Velocidade de solo, nós

Velocidade no solo, Quilômetros por hora

Os dados da soma de verificação sempre começam com *

1	Pista bem feita
2	O texto fixo 'T' indica que a trilha correta é relativa ao norte verdadeiro
3	Trilha magnética bem feita
4	O texto fixo 'N' indica graus magnéticos
5	Velocidade sobre o solo em nós
6	O texto fixo 'N' indica a velocidade no solo em nós
7	Velocidade sobre o solo em quilômetros/hora
8	O texto fixo 'K' indica que a velocidade no solo está em quilômetros/hora
9	Soma de verificação

5) $GPGSA –

Esta frase mostra a diluição de precisão (DOP) e PRN de satélites ativos. DOP mostra o efeito da geometria do satélite na precisão da correção. DOP é um número e para correção 3D usando quatro satélites, um DOP de 1,0 é perfeito.

$GPGSA,A,2,26,21,18,,,,,,,,,,7.1,7.1,1.0*3C

onde:

GSA

26, 21, 18…

7.1

1,0

*3C

Estado do satélite

Seleção automática de correção 2D ou 3D (M = manual)

Correção 2D

onde:

1 = sem correção

2 = correção 2D

3 = correção 3D

PRNs de satélites usados para correção (espaço para 12)

PDOP (diluição de precisão)

Diluição horizontal de precisão (HDOP)

Diluição vertical de precisão (VDOP)

Os dados da soma de verificação sempre começam com *

Sentenças Proprietárias

Sentenças Proprietárias
NMEA permite frases proprietárias para empresas privadas e elas podem ser usadas para controlar informações ou como saída de GPS. As sentenças proprietárias sempre começam com P seguido por um código do fabricante de três caracteres e caracteres adicionais para determinar o tipo de sentença.

Alguns exemplos de frases proprietárias são como segue :

S. Não.	Empresa	Frase
1	Garmin	$PGRMME,15,0,M,45,0,M,25,0,M*1C
2	Magalhães	$PMGNST,02.12,3,T,534.05,0,+03327,00*40
3	Rockwell Internacional	$PRWIRID,12.01.83.12/15/97.0003,*42
4	Sony	$PSNY,0,00,05,500,06,06,06,06*14
5	Senhor	$PSRF103,05,00,01,01*20

Todas as frases GPS com uma breve descrição estão tabuladas abaixo:

S. Não.	Frase	Descrição
1	$GPAM	Alarme de chegada ao ponto de referência
2	$GPALM	Dados do Almanaque GPS
3	$GPAPA	Frase do piloto automático “A”
4	$GPAPB	Frase do piloto automático “B”
5	$GPASD	Dados do sistema de piloto automático
6	$GPBEC	Rumo e distância até o ponto de referência, Dead Reckoning
7	$GPBOD	Rolamento, origem ao destino
8	$GPBWC	Rumo e distância até o ponto de referência, Grande Círculo
9	$GPBWR	Rumo e distância até o ponto de referência, linha Rhumb
10	$GPBWW	Rumo, ponto de referência a ponto de referência
11	$GPDBT	Profundidade abaixo do transdutor
12	$GPDCN	Posição Decca
13	$GPPT	Profundidade
14	$GPFSI	Informações de conjunto de frequência
15	$GPGA	Dados de correção do sistema de posicionamento global
16	$GPGLC	Posição geográfica, Loran-C
17	$GPGLL	Posição geográfica, latitude/longitude
18	$GPGSA	GPS DOP e satélites ativos
19	$GPGSV	Satélites GPS à vista
20	$GPGXA	Posição de TRÂNSITO
21	$GPHDG	Rumo, Desvio e Variação
22	$GPDT	Título, Verdadeiro
23	$GPHSC	Comando de Direção de Rumo
24	$GPLCD	Dados do sinal Loran-C
25	$GPMTA	Temperatura do ar (a ser eliminada)
26	$GPMTW	Temperatura da água
27	$GPMWD	Direção do vento
28	$GPMWV	Velocidade e ângulo do vento
29	$GPTTM	Mensagem alvo rastreada
30	$GPVBW	Velocidade Dupla Solo/Água
31	$GPVDR	Definir e deriva
32	$GPROO	Rota ativa do waypoint (não padrão)
33	$GPOLN	Números da pista Omega
34	$GPVHW	Velocidade e rumo da água
35	$GPVLW	Distância percorrida pela água
36	$GPVPW	Velocidade medida paralelamente ao vento
37	$GPVTG	Pista bem feita e velocidade de solo
38	$GPWCV	Velocidade de fechamento do waypoint
39	$GPWNC	Distância, ponto de referência a ponto de referência
40	$GPTRF	Dados de correção de trânsito
41	$ GPSTN	ID de dados múltiplos
42	$GPRMA	Dados mínimos específicos recomendados de Loran-C
43	$GPRMB	Informações mínimas de navegação recomendadas
44	$GPRMC	Dados mínimos específicos recomendados de GPS/TRÂNSITO
45	$GPROT	Rotas
46	$GPSFI	Informações de frequência de varredura
47	$GPOSD	Dados próprios do navio
48	$GPROT	Taxa de giro
49	$GPRPM	Revoluções
50	$GPRSA	Ângulo do sensor do leme
51	$GPRSD	Dados do sistema RADAR
52	$GPWPL	Localização do ponto de passagem
53	$GPXDR	Medições do transdutor
54	$GPXTE	Erro cruzado, medido
55	$GPXTR	Erro de faixa cruzada, cálculo morto
56	$GPZDA	Hora e data
57	$GPZFO	UTC e hora do waypoint de origem
58	$GPZTG	UTC e tempo até o ponto de referência de destino