《最佳实践之》GPS NMEA-0183 协议，解析 $GPRMC 协议

一，了解 GPS NMEA-0183 协议

需要基础物联网对接知识，需要对解析协议有一定认识。
如果不知道怎么连接硬件，请看我的另一篇博客：https://blog.csdn.net/Crazy_Cw/article/details/126613967
这篇文章只说明，如何解析协议。

在这里插入图片描述

NMEA 是 National Marine Electronics Association 的缩写，是美国国家海洋电子协会的简称，现在是 GPS 导航设备统一的 RTCM 标准协议。NMEA-0183 协议是目前 GPS 接收机上使用最广泛的协议，大多数常见的 GPS 接收机、GPS 数据处理软件、导航软件都遵守或者至少兼容这个协议。

如果你使用过 GPS 传感器，那么可能对从串口中冒出了大量以 GPGGA、GPGSA、GPRMC 等开头的数据有印象，它们就是 NMEA-0183 协议数据。
在这里插入图片描述


[14:31:01.842]收←◆$GPGGA,063100.00,3104.39321639,N,12125.30910133,E,5,41,0.5,22.8980,M,11.6136,M,10,9959*55
$GNGLL,3104.39321639,N,12125.30910133,E,063100.00,A,D*79
$GPZDA,063100.00,08,04,2024,,*6A
$GPRMC,063100.00,A,3104.39321639,N,12125.30910133,E,0.005,340.1,080424,6.3,W,D*25
$GPVTG,340.106,T,346.435,M,0.00461,N,0.00853,K,D*28
$GPHDT,337.0082,T*08
$GPGGA,063101.00,3104.39321864,N,12125.30910076,E,5,41,0.5,22.8981,M,11.6136,M,11,9959*52
$GNGLL,3104.39321864,N,12125.30910076,E,063101.00,A,D*7E
$GPZDA,063101.00,08,04,2024,,*6B
$GPRMC,063101.00,A,3104.39321864,N,12125.30910076,E,0.005,309.9,080424,6.3,W,D*27
$GPVTG,309.931,T,316.260,M,0.00521,N,0.00966,K,D*28
$GPHDT,337.0855,T*0A

在这些数据中，包含了位置、速度、时间等信息，通过解析这数据，就可以实时获取物体的位置信息，或者实现时间同步。

二、协议格式

NMEA 0183 通讯协议是以 ASCII 码为基础的，一般格式如下：

$aaaaa,df1,df2,…[CR][LF]

格式说明：
$ 为起始标志；
, 为域分隔符；

为校验和识别符，其后两位数为校验和，代表了 $和 * 之间所有字符的按位异或值（不包括这两个字符）；
\r\n 为终止符（不可见），所有的语句必须以来结束，也就是 ASCII 字符的“回车”（十六进制的 0D）和“换行”（十六进制的 0A）。
NMEA-0183 协议定义的语句非常多，但是常用的或者说兼容性最广的语句只有 GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL 等。下面给出这些常用 NMEA 0183 语句的字段定义解释。

2.1 GPGSA

GPS DOP and Active Satellites（GSA）当前卫星信息

$GPGSA,<1>,<2>,<3>,<3>,<3>,<3>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>

各字段描述如下：

模式：M = 手动， A = 自动。
定位型式 1 = 未定位， 2 = 二维定位， 3 = 三维定位。
PRN 数字：01 至 32 表天空使用中的卫星编号，最多可接收 12 颗卫星信息。
PDOP 位置精度因子（0.5~99.9）
HDOP 水平精度因子（0.5~99.9）
VDOP 垂直精度因子（0.5~99.9）
Checksum（检查位）

2.2 GPGSV

GPS Satellites in View（GSV）可见卫星信息

$GPGSV, <1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,?<4>,<5>,<6>,<7>,<8>

各字段描述如下：

GSV语句的总数
本句GSV的编号
可见卫星的总数，00 至 12。
卫星编号， 01 至 32。
卫星仰角， 00 至 90 度。
卫星方位角， 000 至 359 度。实际值。
讯号噪声比（C/No）， 00 至 99 dB；无表未接收到讯号。
Checksum（检查位）
注意：第 <4>,<5>,<6>,<7> 项个别卫星会重复出现，每行最多有四颗卫星。其余卫星信息会于次一行出现，若未使用，这些字段会空白。

2.3 GPGGA

Global Positioning System Fix Data（GGA）GPS定位信息

$GPGGA,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,M,<10>,M,<11>,<12>*hh

各字段描述如下：

UTC 时间，hhmmss（时分秒）格式
纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
纬度半球 N（北纬）或 S（南纬）
经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
经度半球 E（东经）或 W（西经）
GPS 状态：0=未定位，1=非差分定位，2=差分定位，6=正在估算
正在使用解算位置的卫星数量（00~12）（前面的 0 也将被传输）
HDOP 水平精度因子（0.5~99.9）
海拔高度（-9999.9~99999.9）
地球椭球面相对大地水准面的高度
差分时间（从最近一次接收到差分信号开始的秒数，如果不是差分定位将为空）
差分站 ID 号 0000~1023（前面的 0 也将被传输，如果不是差分定位将为空）

2.4 GPRMC

Recommended Minimum Specific GPS/TRANSIT Data（RMC）推荐定位信息

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

各字段描述如下：

UTC 时间，格式 hhmmss.ssss，代表时分秒.毫秒
定位状态，A=有效定位，V=无效定位
纬度 ddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
纬度半球 N（北纬）或 S（南纬）
经度 dddmm.mmmm（度分）格式（前面的 0 也将被传输）
经度半球 E（东经）或 W（西经）
地面速率（000.0~999.9 节，前面的 0 也将被传输）
地面航向（方位角），等效于二维罗盘（000.0~359.9 度，以真北为参考基准，前面的 0 也将被传输）
UTC 日期，DDMMYY（日月年）格式
磁偏角（000.0~180.0 度，前面的 0 也将被传输）
磁偏角方向，E（东）或 W（西）
模式指示（仅 NMEA0183 3.0 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）
最后两个字节是校验和
注意：

如果字段 4 的值等于 N，则字段 3 的值等于 ddmm.mmmmmm
如果字段 4 的值等于 S，则字段 3 的值等于 -ddmm.mmmmmm
如果字段 6 的值等于 E，则字段 5 的值等于 ddmm.mmmmmm
如果字段 6 的值等于 W，则字段 5 的值等于 -ddmm.mmmmmm
十进制北纬度数 = dd + mm.mmmmmm/60
十进制南纬度数 = -(dd + mm.mmmmmm/60)
十进制东经度数 = ddd + mm.mmmmmm/60
十进制西经度数 = -(ddd + mm.mmmmmm/60)

2.5 GPVTG

Track Made Good and Ground Speed（VTG）地面速度信息

$GPVTG,<1>,T,<2>,M,<3>,N,<4>,K,<5>*hh

各字段描述如下：

以真北为参考基准的地面航向（000~359 度，前面的 0 也将被传输）
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）
地面速率（000.0~999.9 节，前面的 0 也将被传输）
地面速率（0000.0~1851.8 公里/小时，前面的0也将被传输）
模式指示（仅 NMEA 0183 3.0 版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效）

三、实践解析DEMO

解析GPRMC，实践

3.1 创建一个接收对象

package com.joyaiot.vehiclemonitor.netty.handler.carprotocol.entiy;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

import java.sql.Time;
import java.time.LocalDate;
import java.time.LocalDateTime;
import java.util.Date;

/**
* 功能描述: TODO 方法描述
*
* @Author keLe
* @Date 2024/4/8
*/
@Data
@AllArgsConstructor
@NoArgsConstructor
public class GPRMCData {

  /**UTC时间*/
  private Time utcTime;

  /**
   * GPS状态
   * A=有效，V=无效
   */
  private  String status;

  /**
   * 纬度，DDDMM.MMMMM
   */
  private  double latitude;

  /**
   * 纬度，DDDMM.MMMMM
  */
  private  double longitude;

  /**
   * 速度，Knots
   */
  private  double speedKnots;

  /**
   * 地面速度，节（nautical miles per hour）
   */
  private  double courseDegrees;

  /**日期*/
  private  Date date;

  /**
   * 磁偏角
   */
  private  double magneticVariation;

  /**
   * 磁变方向，W=西变，E=东变
   */
  private  String magneticVariationDir;

  /**
   * 模式，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效
   * */
  private  String modeIndicator;

}

3.2 解析协议工具类

package com.joyaiot.vehiclemonitor.netty.util;

import cn.hutool.core.date.DatePattern;
import cn.hutool.core.date.DateTime;
import cn.hutool.core.date.DateUtil;
import com.fast.api.base.util.StringUtil;
import com.joyaiot.vehiclemonitor.netty.handler.carprotocol.entiy.GPRMCData;
import com.joyaiot.vehiclemonitor.utils.DecimalUtils;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.sql.Time;
import java.util.Date;
import java.util.regex.Matcher;
import java.util.regex.Pattern;

/**
 * 功能描述: GPRMC协议解析
 * 协议格式：$GPRMC,075704.00,A,3104.39326987,N,12125.30904175,E,0.007,286.4,070424,6.3,W,D*29
 * @see  <p>https://blog.csdn.net/Crazy_Cw/article/details/137515699</p>
 *
 * @Author keLe
 * @Date 2024/4/8
 */
@Slf4j
public class GPRMCParser {

    /**
     * 正则表达式
     *  验证协议 $GPRMC,075704.00,A,3104.39326987,N,12125.30904175,E,0.007,286.4,070424,6.3,W,D*29
     */
    private static final Pattern GPRMC_PATTERN = Pattern.compile(
            "\\$GPRMC,(\\d+\\.?\\d*),([AV]),(\\d+\\.\\d+),(N|S),(\\d+\\.\\d+),(E|W)," +
                    "(\\d+\\.\\d+),(\\d+\\.\\d+)?,(\\d+)?,(\\d+\\.\\d+)?,(E|W)?,(A|D|E|N)\\*\\w+");

    /**
     * 1节等于1.852公里/小时（km/h） (单位换算)
     */
    private static final double KNOTS_TO_KILOMETERS_PER_HOUR = 1.852;

    /**
     * 1km = 1000m (单位换算)
     */
    private static final double KILOMETERS_TO_METERS = 1000;

    /**
     * 1小时等于3600秒 (单位换算)
     */
    private static final double HOURS_TO_SECONDS = 3600.0;

    /**
     * 功能描述: 协议解析
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  gprmcString 协议字符串
     * @return com.joyaiot.vehiclemonitor.netty.handler.carprotocol.entiy.GPRMCData 协议解析结果
     */
    public static GPRMCData parse(String gprmcString) {
        GPRMCData data = new GPRMCData();
        Matcher matcher = isValidGPRMCFormat(gprmcString);
        // 校验GPRMC格式
        if (null == matcher) {
            log.error("Invalid GPRMC format");
            return null;
        }

        try {
            // 解析UTC时间
            String utcTime = parseUTCTime(matcher,gprmcString);
            data.setUtcTime(parseUTCTimeToDate(utcTime));

            // 解析状态
            data.setStatus(parseStatus(matcher,gprmcString));

            // 解析纬度
            double latitude = parseLatitude(matcher,gprmcString);
            data.setLatitude(latitude);

            // 解析经度
            double longitude = parseLongitude(matcher,gprmcString);
            data.setLongitude(longitude);

            // 解析速度
            double speedKnots = parseSpeed(matcher,gprmcString);
            data.setSpeedKnots(convertKnotsToMetersPerSecond(speedKnots));

            // 解析航向
            data.setCourseDegrees(parseCourse(matcher,gprmcString));

            // 解析日期
            data.setDate(parseDate(matcher,gprmcString, utcTime));

            // 解析磁偏角
            data.setMagneticVariation(parseMagneticVariation(matcher,gprmcString));

            // 解析磁偏角方向
            data.setMagneticVariationDir(parseMagneticVariationDir(matcher,gprmcString));

            // 解析模式指示
            data.setModeIndicator(parseModeIndicator(matcher,gprmcString));
        }catch (Exception e){
            log.error("GPRMC parse error:{}", e.getMessage());
            return null;
        }

        return data;
    }

    /**
     * 校验GPRMC格式是否有效
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param gprmcString GPRMC字符串
     * @return Matcher 匹配器
     */
    private static Matcher isValidGPRMCFormat(String gprmcString) {
        Matcher matcher = GPRMC_PATTERN.matcher(gprmcString);
        return matcher.matches() ? matcher : null;
    }

    /**
     * 解析UTC时间
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param gprmcString GPRMC字符串
     * @return String UTC时间
     */
    private static String parseUTCTime(Matcher matcher,String gprmcString) {
        String utcTimeStr = matcher.group(1);
        int hours = Integer.parseInt(utcTimeStr.substring(0, 2));
        int minutes = Integer.parseInt(utcTimeStr.substring(2, 4));
        String seconds = utcTimeStr.substring(4);
        String[] split = seconds.split("\\.");
        return hours + ":" + minutes + ":" + split[0] + "." + split[1];
    }

    /**
     * 将UTC时间字符串转换为Date对象
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param utcTimeStr UTC时间字符串
     * @return Date UTC时间对应的Date对象
     */
    private static Time parseUTCTimeToDate(String utcTimeStr) {
        try {
            DateTime parse = DateUtil.parse(utcTimeStr, "HH:mm:ss.ssss");
            return new Time(parse.getTime());
        } catch (Exception e) {
            log.error("Failed to parse UTC time:{}, 报错原因：{}", utcTimeStr, e.toString());
            return null;
        }
    }

    /**
     * 解析状态
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param gprmcString GPRMC字符串
     * @return String 状态
     */
    private static String parseStatus(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return matcher.group(4).equals("A") ? "有效" : "无效";
    }

    /**
     * 解析纬度
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param gprmcString GPRMC字符串
     * @return double 纬度
     */
    private static double parseLatitude(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return parseCoordinate(matcher.group(3), matcher.group(4), 2);
    }

    /**
     * 解析经度
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param gprmcString GPRMC字符串
     * @return double 经度
     */
    private static double parseLongitude(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return parseCoordinate(matcher.group(5), matcher.group(6), 3);
    }

    /**
     * 功能描述: 解析速度
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  matcher  匹配器
     * @param  gprmcString  GPRMC字符串
     * @return java.lang.String
     */
    private static double parseSpeed(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return parseOptionalDouble(matcher.group(7));
    }

    /**
     * 功能描述: 解析时间
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  matcher  匹配器
     * @param  gprmcString  GPRMC字符串
     * @return java.lang.String
     */
    private static double parseCourse(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return parseOptionalDouble(matcher.group(8));
    }

    /**
     * 功能描述: 解析时间
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  matcher  匹配器
     * @param  gprmcString  GPRMC字符串
     * @return java.lang.String
     */
    private static Date parseDate(Matcher matcher,String gprmcString, String utcTime) {
        String yyyy = 2000 + Integer.parseInt(matcher.group(9).substring(4)) + "";
        String MM = matcher.group(9).substring(2, 4);
        String dd = matcher.group(9).substring(0, 2);
        try {
            return DateUtil.parse(yyyy + "-" + MM + "-" + dd + " " + utcTime, DatePattern.NORM_DATETIME_PATTERN);
        } catch (Exception e) {
            log.error("Failed to parse  YYMMDD :{}, 报错原因：{}", matcher.group(9), e.toString());
            return null;
        }
    }

    /**
     * 功能描述: 解析磁偏角
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  matcher  匹配器
     * @param  gprmcString  GPRMC字符串
     * @return java.lang.String
     */
    private static double parseMagneticVariation(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return parseOptionalDouble(matcher.group(10));
    }

    /**
     * 功能描述: 解析磁偏角方向
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  matcher  匹配器
     * @param  gprmcString  GPRMC字符串
     * @return java.lang.String
     */
    private static String parseMagneticVariationDir(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return parseDir(matcher.group(11));
    }

    /**
     * 功能描述: parse Mode
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  matcher  匹配器
     * @param  gprmcString  GPRMC字符串
     * @return java.lang.String
     */
    private static String parseModeIndicator(Matcher matcher,String gprmcString) {
        return parseModel(matcher.group(12));
    }

    /**
     * 功能描述: parse Coordinate
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  degrees 经纬度
     * @param  direction 方向
     * @param  index 截取下标位置
     * @return java.lang.String
     */
    private static double parseCoordinate(String degrees, String direction, int index) {
        double coord = Double.parseDouble(degrees.substring(0, index)) + Double.parseDouble(degrees.substring(index)) / 60.0;
        if (direction.startsWith("S") || direction.startsWith("W")) {
            coord *= -1;
        }
        return coord;
    }

    /**
     * 功能描述: parse Double
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  value 字符串
     */
    private static double parseOptionalDouble(String value) {
        if (value == null || value.isEmpty()) {
            return Double.NaN;
        }
        return Double.parseDouble(value);
    }


    /**
     * Converts speed from knots to meters per second.
     *
     * @param speedInKnots The speed in knots.
     * @return The speed in meters per second.
     */
    public static double convertKnotsToMetersPerSecond(double speedInKnots) {
        if (speedInKnots == 0) {
            return speedInKnots;
        }
        double speedInKilometersPerHour = speedInKnots * KNOTS_TO_KILOMETERS_PER_HOUR * KILOMETERS_TO_METERS;
        return DecimalUtils.preserveDecimal(speedInKilometersPerHour / HOURS_TO_SECONDS, 3);
    }

    /**
     * 功能描述: Mode indication (NMEA0183 version 3.0 output only, A=autonomous positioning,
     *   D=differential, E=estimate, N=invalid data)
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  charStr 模式指示
     * @return java.lang.String
     */
    public static String parseModel(String charStr) {
        String str = "数据无效";
        if (StringUtil.isBlank(charStr)) {
            return str;
        }
        switch (charStr) {
            case "A":
                str = "自主定位";
                break;
            case "D":
                str = "差分";
                break;
            case "E":
                str = "估算";
                break;
            default:
                str = "数据无效";
                break;
        }
        return str;
    }

    /**
     * 功能描述: Magnetic declination direction, E (east) or W (west)
     * @Author keLe
     * @Date 2024/4/8
     * @param  group 磁偏角方向
     * @return java.lang.String
     */
    private static String parseDir(String group) {
        if (StringUtil.isBlank(group)) {
            return "数据无效";
        }
        return group.equals("E") ? "东" : "西";
    }


    public static void main(String[] args) {
        String gprmcString = "$GPRMC,075704.00,A,3104.39326987,N,12125.30904175,E,0.007,286.4,070424,6.3,W,D*29";

        System.out.println("原始报文：" + gprmcString);

        System.out.println("解析报文结果：" + parse(gprmcString));
    }
}