面對(duì)LuatOS GNSS定位調(diào)試，新手開發(fā)者常感無從下手。本文將為您梳理從零到一的完整教程，從環(huán)境搭建到代碼調(diào)試，再到定位結(jié)果分析，每一步都細(xì)致講解，確保您能夠順利入門并熟練掌握調(diào)試方法。

一、GPS 工作原理簡(jiǎn)介

1.1 GPS 技術(shù)的發(fā)展歷程

全球定位系統(tǒng)（GPS）起初由美國國防部開發(fā)，用于提供精確的定位和導(dǎo)航信息。隨著時(shí)間推移，它從軍事應(yīng)用擴(kuò)展到商業(yè)和民間領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了全天候、全球范圍內(nèi)的精確地理位置服務(wù)。

1.2 GPS 系統(tǒng)組成

GPS 系統(tǒng)主要由三個(gè)部分構(gòu)成：太空中的衛(wèi)星群、地面控制站和接收器。衛(wèi)星負(fù)責(zé)發(fā)送信號(hào)，地面控制站監(jiān)測(cè)衛(wèi)星運(yùn)行狀態(tài)并進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，而接收器則用于接收信號(hào)并計(jì)算位置信息。

1.3 信號(hào)接收與定位計(jì)算

GPS 接收器通過與至少四顆衛(wèi)星的信號(hào)進(jìn)行交差定位，借助衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)、時(shí)間戳和用戶位置等信息，使用三角測(cè)量法計(jì)算出接收器的精確位置、速度和時(shí)間。

二、不同地球坐標(biāo)系的區(qū)別

WGS-84：是國際標(biāo)準(zhǔn)，GPS 坐標(biāo)（Google Earth 使用、或者 GPS 模塊）

GCJ-02：中國坐標(biāo)偏移標(biāo)準(zhǔn)，Google Map、高德、騰訊使用

BD-09：百度坐標(biāo)偏移標(biāo)準(zhǔn)，Baidu Map 使用

具體解釋：

WGS-84 坐標(biāo)系 即地球坐標(biāo)系，國際上通用的坐標(biāo)系。 設(shè)備一般包含 GPS 芯片或者北斗芯片獲取的經(jīng)緯度為 WGS-84 地理坐標(biāo)系。谷歌地圖采用的是 WGS-84 地理坐標(biāo)系（中國范圍除外,谷歌中國地圖采用的是 GCJ-02 地理坐標(biāo)系）。

GCJ-02 坐標(biāo)系 即火星坐標(biāo)系，WGS-84 坐標(biāo)系經(jīng)加密后的坐標(biāo)系。 出于國家安全考慮，國內(nèi)所有導(dǎo)航電子地圖必須使用國家測(cè)繪局制定的加密坐標(biāo)系統(tǒng)，即將一個(gè)真實(shí)的經(jīng)緯度坐標(biāo)加密成一個(gè)不正確的經(jīng)緯度坐標(biāo)。

BD-09 坐標(biāo)系 即百度坐標(biāo)系，GCJ-02 坐標(biāo)系經(jīng)加密后的坐標(biāo)系。搜狗坐標(biāo)系、圖吧坐標(biāo)系等，估計(jì)也是在 GCJ-02 基礎(chǔ)上加密而成的。

Air8000 使用國際標(biāo)準(zhǔn)WGS-84坐標(biāo)系，所以開發(fā)者在國內(nèi)常見地圖定位時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)與實(shí)際情況有幾十米的誤差。這并非模塊問題， 而是國內(nèi)地圖采用了非標(biāo)坐標(biāo)系所致。 國內(nèi)常見地圖如高德地圖使用GCJ-02坐標(biāo)系， 百度地圖使用BD-09坐標(biāo)系，故此開發(fā)者需要對(duì)模塊輸出的經(jīng)緯度進(jìn)行加偏處理，才能在國內(nèi)的地圖上實(shí)現(xiàn)精確定位。

坐標(biāo)系糾偏的話參考：http://www.openluat.com/GPS-Offset.html

三、GNSS 報(bào)文格式

Air8000 的 GNSS 輸出數(shù)據(jù)報(bào)文符合 NMEA-0183 標(biāo)準(zhǔn)格式。

NMEA（National Marine Electronics Association）是美國國家海洋電子協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議，旨在解決航海電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)互通問題。其核心價(jià)值在于通過統(tǒng)一接口規(guī)范，實(shí)現(xiàn)不同廠商設(shè)備（如 GPS、雷達(dá)、聲吶）的兼容性，提升系統(tǒng)集成效率。

3.1 通用 NMEA 語句類型

3.2 NMEA 語句格式

NMEA 語句格式:

" $ ”為語句起始標(biāo)志；

“ , "為域分隔符；

“ * ”為校驗(yàn)和標(biāo)識(shí)符，其后面的兩位數(shù)為校驗(yàn)和，校驗(yàn)和等于$和*之間所有字符的按位異或。

NMEA-0183 協(xié)議采用 ASCII 碼來傳遞 GPS 定位信息，我們稱之為幀。

幀格式形如：$aaccc,ddd,ddd,…,ddd*hh(CR)(LF)

1、“$”：幀命令起始位

2、aaccc：地址域，前兩位為識(shí)別符（aa），后三位為語句名（ccc）

3、ddd…ddd：數(shù)據(jù)

4、“*”：校驗(yàn)和前綴（也可以作為語句數(shù)據(jù)結(jié)束的標(biāo)志）

5、hh：校驗(yàn)和（check sum），$ 與*之間所有字符 ASCII 碼的校驗(yàn)和（各字節(jié)做異或運(yùn)算，得到校驗(yàn)和后，再轉(zhuǎn)換 16 進(jìn)制格式的 ASCII 字符）

6、(CR)(LF)：幀結(jié)束，回車和換行符

核心語句和字段解析可參考下方擴(kuò)展知識(shí)。

四、Air8000 無法定位情況分析

在使用模組的過程中總會(huì)有很多客戶遇到無法定位的情況，現(xiàn)在此總結(jié)下一般遇到無法定位的情況。

4.1 在室內(nèi)做 GNSS 定位

為什么開發(fā)板不能在室內(nèi)使用 gps 定位？

為什么手機(jī)可以定位，模塊無法定位呢？

這究竟是為什么呢？

很多開發(fā)者在測(cè)試 GPS 的時(shí)候，總是發(fā)覺無法定位，甚至無法搜星。經(jīng)過技術(shù)支持的解答才明白，只有戒掉懶癌，去室外測(cè)試，才能有良好的效果。究其原因，還是 GPS 的原理所致。

以最簡(jiǎn)單的幾何來說，兩點(diǎn)確定一條線，三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)面；那么逆推一下，就是三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)位置（基站定位的原理）；四個(gè)點(diǎn)確定精確位置（含高程）：

導(dǎo)航衛(wèi)星不斷地向地球發(fā)射導(dǎo)航電文（衛(wèi)星的速度、角速度、空間相對(duì)位置等信息）

GPS 芯片收到不同衛(wèi)星的數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解算，就能得到當(dāng)前接收器在地球的絕對(duì)位置了。根據(jù)三點(diǎn)定位的原理，同時(shí)使用 3 顆衛(wèi)星，可以實(shí)現(xiàn) 2D FIX（不含高程）；只有同時(shí)使用 4 顆或以上的衛(wèi)星，才能實(shí)現(xiàn) 3D FIX（含高程）。

不過凡事都有例外，如果開發(fā)者在飄窗進(jìn)行測(cè)試，會(huì)搜到衛(wèi)星，甚至超過 4 顆，但是仍然無法定位。這是為什么呢？這是因?yàn)?GPS 天線的“可視角”有限，而這片星域的衛(wèi)星角度相距太近，間隔太小，無法精確解算，故此無法實(shí)現(xiàn)定位。

GPS 衛(wèi)星運(yùn)行在距地 36000KM 的軌道上，信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)弱（GPS 衛(wèi)星的功率有多大？）。GPS 的民用 C/A 碼從衛(wèi)星發(fā)出來的時(shí)候信號(hào)只有 27W 左右，達(dá)到地球的時(shí)候在-158.5dBW 以上。用對(duì)數(shù)形式表示可能不直觀，換算成十進(jìn)制等于將近 0.0000000000000001W，相當(dāng)小。所以，只有室外開闊的、無遮擋、晴好的地方，才能搜到更多的衛(wèi)星，SNR 值更高（陰天都會(huì)有影響哦），GPS 芯片才能更快、更好的實(shí)現(xiàn)定位。

而室內(nèi)是沒有 GPS 信號(hào)的，所以不論開發(fā)者如何調(diào)整代碼、修正天線，都無法實(shí)現(xiàn) GPS 定位。

不過，有的開發(fā)者肯定要反駁我：為什么我的手機(jī)在室內(nèi)就能定位，而且特別準(zhǔn)呢？

這個(gè)問題的答案很簡(jiǎn)單，手機(jī)使用的是多重定位，如果要單純的測(cè)試手機(jī)的 GPS 定位，需要這樣做：首先“三清”，僅打開 GPS，然后拔卡，飛行模式，再用專業(yè)軟件如 GPS Test+ 試一試，你就明白啦~~

這種情況下，室內(nèi)，手機(jī)也是無法定位的。

所以說，手機(jī)在室內(nèi)之所以可以定位，實(shí)際上是它不僅使用了 GPS，還使用了很多其他的輔助定位技術(shù)，如 LBS（基站定位）、Wi-Fi（wifi 定位）、BLE（藍(lán)牙）等

至此，開發(fā)者應(yīng)該可以明白為什么手機(jī)可以定位，而開發(fā)板無法定位了。

PS：如果有手機(jī)同樣的預(yù)算，開發(fā)板也能做到同樣的“室內(nèi)定位”效果

4.2 天線使用問題

1. 有源/無源天線混淆

有部分開發(fā)者經(jīng)常遇到，自己去了戶外，按理說應(yīng)該在 35S 左右就能定位成功了啊，怎么自己一兩分鐘都沒幾顆星，等了 10 多 20 分鐘依舊還是定位不成功，同步對(duì)比手機(jī)，發(fā)現(xiàn)差距不止一點(diǎn)點(diǎn)，此時(shí)應(yīng)該先檢查 GNSS 天線設(shè)計(jì)問題，看看自己是不是將有源天線插給了無源天線預(yù)留的底座，或者無源天線插給了有源天線預(yù)留的底座。

注意：Air8000 核心板的 GPS 天線是無源天線。

2. 天線設(shè)計(jì)問題

更多遇到的，不是戶外定位不到，而是戶外定位速度極其的慢的問題，常見于無源天線(因?yàn)闊o源天線對(duì)結(jié)構(gòu)、PCB、走線要求都比較高)，如果自己設(shè)計(jì)沒有注意下面幾點(diǎn)，是很有可能定位不到/定位極其的慢的。

3. GPS 天線選型建議

在終端結(jié)構(gòu)空間容許，能夠統(tǒng)一保證 GPS 天線面朝上的安裝使用狀態(tài)；并且周邊沒有大的金屬物件遮擋的情況下，建議使用 GPS 陶瓷天線，在空間容許的情況下盡量選擇大尺寸的陶瓷天線。

在不能保證終端使用狀態(tài)，且空間受限：比如手機(jī)，帶定位功能的胸牌；建議使用 FPC 天線

在明確終端安裝環(huán)境惡劣，并且對(duì) GPS 性能有較高要求的；建議使用 GPS 有源天線

在不能保證安裝使用狀態(tài)，但是空間不受限制，也可以選擇類似于 GSM 的外置棒狀天線。

4. 對(duì)天線廠家的要求

1、VSWR：GPS 天線電壓駐波比一般要求調(diào)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：一般天線廠大多不具備 GPS 天線 OTA 測(cè)試環(huán)境，天線調(diào)試好后可以以實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)做標(biāo)準(zhǔn)來衡量；一般我們 GPS 實(shí)測(cè)時(shí)要求是：可用于定位衛(wèi)星顆數(shù)大于 6 顆以上，最強(qiáng)的信號(hào)在 45 dB/Hz 左右，要有 3 顆衛(wèi)星信號(hào)大于 40 dB/Hz。

4.3 星系切換問題

有很多遇到過，模組默認(rèn)固件，只打開 GNSS 電源，35S 左右就能定位到了，但是切換成單北斗，就需要 2 分鐘多甚至更長(zhǎng)時(shí)間才能定位成功。

首先明確一點(diǎn)，大多數(shù)模組，均使用的單頻(L1)GNSS 芯片，所以內(nèi)部能搜到的北斗衛(wèi)星，只有 B1C 或者 B1I，這兩個(gè)頻段的北斗衛(wèi)星，由于北斗衛(wèi)星為高軌衛(wèi)星，在同一片區(qū)域內(nèi)，衛(wèi)星數(shù)可能不會(huì)很多，實(shí)測(cè)在筆者附近的廣場(chǎng)上，單頻(L1)GNSS 芯片，只能搜到這幾顆北斗衛(wèi)星。

所以，在明確自己是真正需要單北斗/單 GPS 或者其他星系前，盡量不要將模塊切換為單星系狀態(tài)，如果對(duì)單北斗需求非常明確，建議選擇真正的單北斗芯片，杜絕后患，因?yàn)楹芏鄦伪倍窇?yīng)用是需要進(jìn)實(shí)驗(yàn)室過多項(xiàng)認(rèn)證的，使用多星系 GNSS 芯片，有極大概率過不去單北斗的認(rèn)證。

4.4 外部干擾源問題

此種情況不能說常見，但是確實(shí)客觀存在，之前有部分就遇到了，在他們公司附近一直定位不到，但是放在自己小區(qū)前面廣場(chǎng)上就能定位成功，查看地圖得知，公司附近，有"中國軍工"單位，不只是 GNSS 定位不到，偶爾自己的手機(jī) 5G/4G 信號(hào)也沒有，此種情況定位不到的原因不言而喻了。

不過還有少量遇到的干擾源還是比較明顯，例如只針對(duì) GPS 頻段發(fā)射的干擾源，此時(shí)切換為單北斗模式，即使是單頻模組，在部分情況下，還是能夠正常定位成功的。

以上四點(diǎn)是最為常見的四種無法定位的情況，如果你使用的 GNSS 模組排除了這四點(diǎn)，依舊無法定位，歡迎你來找我們，我們將會(huì)竭力為您排查您所遇到的問題。

五、Air8000 的 GNSS 測(cè)試環(huán)境

有部分需要測(cè)試 Air8000 內(nèi)部 GNSS 的穩(wěn)定性，但因?yàn)?Air8000 UART2(也就是 GPS 對(duì)應(yīng)的串口)RX 不能直接和外部通訊，只能通過 cat.1 主控給它發(fā)指令控制，所以使用我們提供的測(cè)試工具，不能直接測(cè)試 100 次或者 1000 次冷熱啟動(dòng)，需要使用 LUA 腳本控制模塊對(duì)接 PC 端測(cè)試工具，如果只是想看看，CN 值、當(dāng)前位置，那可以直接接 uart2 的 TX 出來對(duì)接 PC 端工具

5.1 軟件環(huán)境

1. 燒錄工具Luatools；

2. 內(nèi)核固件文件（底層 core 固件文件）：LuatOS-SoC_V2005_Air8000；此頁面有新版本固件的話選用最新版本固件。

3. LuatOS 需要的腳本和資源文件：https://gitee.com/openLuat/LuatOS/tree/master/module/Air8000/demo/GPS

4. lib 腳本文件：使用 Luatools 燒錄時(shí)，勾選 添加默認(rèn) lib 選項(xiàng)，使用默認(rèn) lib 腳本文件；

準(zhǔn)備好軟件環(huán)境之后，接下來查看如何燒錄項(xiàng)目文件到 Air8000 開發(fā)板中，將本篇文章中演示使用的項(xiàng)目文件燒錄到 Air8000 開發(fā)板中。

5. GNSS PC 端測(cè)試工具：-iNavTool-V4020

5.2 硬件環(huán)境

Air8000 核心板、GPS 天線、TTL 轉(zhuǎn) USB 工具

將設(shè)備組裝好并連接 USB 數(shù)據(jù)線，將 TTL 轉(zhuǎn) USB 連接到 Air8000 的核心板的 uart2 上面。

需要注意的是需要將 TTL 轉(zhuǎn) USB 的 RX 與核心板的 UART2 RX 連接，TX 與和核心板的 UART2 TX 相連接(這是因?yàn)?gps 芯片串口與 cat 1 芯片的串口是交叉相連的，所以 TTL 轉(zhuǎn) USB 的串口只需和 cat 1 的串口 RX 接 RX，TX 接 TX，連接好后如下圖所示：

5.3 測(cè)試現(xiàn)象

下載好的 GNSS PC 端測(cè)試工具為一個(gè)壓縮包，需要解壓后打開如圖所示 EXE 文件。

打開測(cè)試工具后可以看見如下界面:

選擇左上角的"打開串口"后，選擇對(duì)應(yīng)的端口號(hào)以及波特率即可，Air8000 的 gps 對(duì)應(yīng)的波特率為 115200，其他的不用管，默認(rèn)即可。打開端口后，等待片刻，即可看見模塊定位成功輸出的位置信息以及其他信息，左上角為 NMEA 原始數(shù)據(jù)，下面的均為從 NMEA 數(shù)據(jù)中解析出的各種信息(注：此處地圖視圖需要電腦鏈接網(wǎng)絡(luò)才可找到對(duì)應(yīng)經(jīng)緯度的坐標(biāo))，如果沒有輸出經(jīng)緯度，則證明 GNSS 未打開，需要檢查腳本 GPS 電源是否打開，如果長(zhǎng)時(shí)間沒有定位成功，可以參考上一章“Air8000 無法定位情況分析”進(jìn)行排查。

如果連接成功，則可以看到下面的現(xiàn)象：

此工具更多操作可見GNSS 調(diào)試工具使用方法詳細(xì)介紹：https://docs.openluat.com/air8000/luatos/app/gnss/gnss_test/

六、NMEA 擴(kuò)展知識(shí)

下面是常用的 NMEA 報(bào)文語句格式解析：

今天的內(nèi)容就分享到這里了~

審核編輯 黃宇