使用 PyNMEA2 解析 NMEA 0183 协议

NMEA 0183 是一套定义接收机输出的标准协议,有几种不同的格式,每种都是独立的、逗点隔开文本数据。它们包含了可见的卫星、卫星状态、定位状态以及接收机速度等信息。NMEA 0183 实际上已成为所有的 GPS 接收机最通用的数据输出格式,同时它也被用于与 GPS 接收机接口的大多数的软件包里。

pynmea2 是一个用来处理 NMEA 0183 协议的第三方模块,本文将介绍该模块的安装与使用方法。

简介

pynmea2 模块兼容 Python 2 和 Python 3,能够解析 GSA、GGA、GSV、RMC、VTG、GLL 等 NMEA 0183 协议定义的各类数据,功能强大。该模块目前以 MIT 协议开源并托管在 Github 网站上。

安装与导入

pynmea2 包已被 PyPI 索引,你只需执行以下命令即可安装 pynmea2:

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$ pip install pynmea2

安装成功后,你就可以导入和使用 pynmea2,本文之后的示例代码都假设你已通过如下代码导入了该模块:

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>>> import pynmea2

从字符串解析

解析字符串中 NMEA 0183 协议的数据,可以使用 pynmea2.parse(data, check=False) 方法,其中的 check 参数指定是否对消息中的检校字段进行检查。

示例代码演示解析 GGA 数据(数据来自维基百科):

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>>> line = '$GPGGA,092750.000,5321.6802,N,00630.3372,W,1,8,1.03,61.7,M,55.2,M,,*76'
>>> record = pynmea2.parse(line)
>>> record
<GGA(timestamp=datetime.time(9, 27, 50), lat='5321.6802', lat_dir='N', lon='00630.3372', lon_dir='W', gps_qual=1, num_sats='8', horizontal_dil='1.03', altitude=61.7, altitude_units='M', geo_sep='55.2', geo_sep_units='M', age_gps_data='', ref_station_id='')>

解析完成后,你就可以通过属性来访问记录中的各个字段了:

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>>> print('GPS Quality Indicator:', record.gps_qual)
GPS Quality Indicator: 1
>>> print('Horizontal Dilution of Precision:', record.horizontal_dil)
Horizontal Dilution of Precision: 1.03
>>> print('Latitude:', record.lat)
Latitude: 5321.6802
>>> print('Latitude Direction:', record.lat_dir)
Latitude Direction: N
>>> print('Number of Satellites:', record.num_sats)
Number of Satellites: 8
>>> record.timestamp
datetime.time(9, 27, 50)

除了按照协议约定格式对数据进行解析之外,pynmea2.parse() 函数还做了一些必要的数据转换工作,将经纬度坐标转换为 Python 中的 float 类型:

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>>> print('Latitude:', record.latitude)
Latitude: 53.361336666666666
>>> print('Longitude:', record.longitude)
Longitude: -6.50562

此外,解析方法还为输出结果添加了额外的属性:latitude_minuteslatitude_secondslongitude_minuteslongitude_seconds,它们存储了大地坐标的分、秒各部分。因此你可以方便地对坐标进行格式化输出:

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>>> print('Latitude: {:02d}°{:02d}′{:07.4f}″'.format(int(record.latitude), int(record.latitude_minutes), record.latitude_seconds))
Latitude: 53°2140.8120
>>> print('Longitude: {:02d}°{:02d}′{:07.4f}″'.format(int(record.longitude), int(record.longitude_minutes), record.longitude_seconds))
Longitude: -6°3020.2320
>>> print('Altitude: {:.3f}'.format(record.altitude))
Altitude: 61.700

从文件中解析

NMEA 0183 协议数据经常存储在文件中,对于这种应用场景,pynmea2 创建了 pynmea2.NMEAFile 类。你可以使用这个类对遵守 NMEA 0183 协议的文件进行处理,只需传入目标文件的路径:

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>>> nmea_file = pynmea2.NMEAFile('data/demo.gga')
>>> nmea_file.readline()
<GSA(mode='A', mode_fix_type='3', sv_id01='01', sv_id02='20', sv_id03='19', sv_id04='13', sv_id05='', sv_id06='', sv_id07='', sv_id08='', sv_id09='', sv_id10='', sv_id11='', sv_id12='', pdop='40.4', hdop='24.4', vdop='32.2')>

以上代码只是为了演示 pynmea2.NMEAFile 类最基本的使用方式。实际使用中不需要这样,该类已经实现了迭代器和上下文管理器接口。上下文管理器可以帮你打理好文件的打开与关闭,迭代器则可以让循环操作的代码更清晰易读。因此更 Pythonic 的使用姿势为:

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>>> records = []
>>> with pynmea2.NMEAFile('data/demo.gga') as nmea_file:
... for record in nmea_file:
... records.append(record)
...
>>> print('Count of records:', len(records))
Counts of records: 12
>>> print('The last record:', repr(records[-1]))
The last record: <RMC(timestamp=datetime.time(9, 27, 51), status='A', lat='5321.6802', lat_dir='N', lon='00630.3371', lon_dir='W', spd_over_grnd=0.06, true_course=31.66, datestamp=datetime.date(2011, 5, 28), mag_variation='', mag_var_dir='') data=['A']>

从数据流解析

pynmea2 还能够直接处理 NMEA 0183 协议的数据流,你可以使用 pynmea2.NMEAStreamReader 类来解析数据流:

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>>> streamreader = pynmea2.NMEAStreamReader(input_stream)
>>> while 1:
... for record in streamreader.next():
... print(repr(record))
...
<GSV(num_messages='3', msg_num='1', num_sv_in_view='11', sv_prn_num_1='10', elevation_deg_1='63', azimuth_1='137', snr_1='17', sv_prn_num_2='07', elevation_deg_2='61', azimuth_2='098', snr_2='15', sv_prn_num_3='05', elevation_deg_3='59', azimuth_3='290', snr_3='20', sv_prn_num_4='08', elevation_deg_4='54', azimuth_4='157', snr_4='30')>
<VTG(true_track=89.68, true_track_sym='T', mag_track=None, mag_track_sym='M', spd_over_grnd_kts=Decimal('0.00'), spd_over_grnd_kts_sym='N', spd_over_grnd_kmph=0.0, spd_over_grnd_kmph_sym='K')>
<GLL(lat='4250.5589', lat_dir='S', lon='14718.5084', lon_dir='E', timestamp=datetime.time(9, 22, 4, 999000), status='A')>
...

生成 NMEA 0183 数据

上文介绍过了数据解析,你还可以使用 pynmea2 包来编码生成符合 NMEA 0183 协议的数据,只需使用合适的数据来实例化 pynmea2 中对应的类。

示例,使用下面的代码生成 GGA 数据(使用 pynmea2.GGA 类),传入的参数依次为数据源(talker)、类型(type)和字段记录(fields):

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>>> record = pynmea2.parse('$GPGGA,020249.20,3511.49986189,N,11922.42306087,E,0,04,4.1,-2.285,M,4.514,M,,*7E')
>>> print(record.data)
['020249.20', '3511.49986189', 'N', '11922.42306087', 'E', '0', '04', '4.1', '-2.285', 'M', '4.514', 'M', '', '']
>>> sentence = pynmea2.GGA('GP', 'GGA', ('020249.20', '3511.49986189', 'N', '11922.42306087', 'E', '0', '04', '4.1', '-2.285', 'M', '4.514', 'M', '', ''))
>>> str(sentence)
'$GPGGA,020249.20,3511.49986189,N,11922.42306087,E,0,04,4.1,-2.285,M,4.514,M,,*7E'

异常处理

pynmea2 在数据解析失败时会抛出 pynmea2.nmea.ParseError 异常,在需要的时候,你可以捕获并处理它。示例:

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>>> try:
... gga_msg = pynmea2.parse('at^sisw=1,1500,0,0')
... except pynmea2.nmea.ParseError:
... print('Warning: a line parsing failed!')
...
Warning: a line parsing failed!
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