Sciences Numériques et Informatiques

Lycée Edmé Bouchardon
Stéphane Jouaire

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Localisation, cartographie et mobilité

III. Le protocole NMEA

Romain a un logiciel de cartographie sur son ordinateur mais pas de gps. Il est parti pour une randonnée avec ses parents et se trouve au départ de la randonnée, sur un parking encaissé dans une vallée où aucun réseau mobile ne passe. Et pour ne rien arranger ses parents se demandent s'ils sont sur le bon parking ! Pour couper court à la discussion qui commence à s'envenimer entre ses parents il leur lance : "Je connecte mon ordi à mon téléphone en bluetooth, j'utilise le GPS de mon téléphone avec le protocole NMEA et dans moins de 5 minutes je vous dis où on est exactement !"

Afin de ne pas oublier de question, vous pouvez télécharger ce fichier au format docx ou pdf

1. Présentation du protocole NMEA

D'après Wikipedia que veut dire l'acronyme NMEA ?

Voici une trame (on parle aussi de phrase) NMEA est une succession de caractères ASCII: $GNRMC,152845.00,A,4808.950234,N,00521.520252,E,0.0,,260420,1.1,W,A*13. terminée par deux caractères spéciaux : CR (retour chariot) et LF (retour à la ligne). Ces données sont transmises par le GPS à la vitesse de 4800 bauds.

A quoi sert le codage ascii ?

Expliquer ce que veut dire : " à une vitesse de 4800 bauds

Quel caractère commence la trame NMEA ? Quel caractère sépare les différents champs de la trame ?

2. Signification du premier champ

Le premier champ est un champ de 5 caractères. LEs deux premières lettres identifient l'origine du signal GPS :

• GP : GPS (américain)
• GL : GLONASS (russe)
• GA : GALILEO (européen)
• BD : BEIDOU (chinois)
• GN : GPS et GLONASS

Les 3 lettres suivantes permettent de connaître le type de signal transmis :

• GGA : Données de positionnement sur le globe
• GLL : Position géographique, latitude / longitutde
• RMC : Données GPS spécifiques minimales
• GSV : Satellites GPS visibiles
• GSA : Données de réception et satellites actifs
• VTG : Chemin suivi et vitesse

Les champs qui suivent dépendent du type de trame envoyé. Nous allons nous penchés sur les trames GSV (satellites visibles), RMC (données gps minimales) et GGA (données de positionnement sur le globe).

3. Significations des autres champs, exemple des trames GSV, RMC et GGA

a. Trame GSV (satellites visibles)

Voici un exemple de trames GSV :

$GPGSV,3,1,11,18,49,057,19,20,37,130,13,21,59,061,20,26,67,184,15*75
$GPGSV,3,2,11,27,38,281,17,07,00,000,,08,07,275,,10,15,157,*75
$GPGSV,3,3,11,16,66,291,,29,12,084,,31,07,199,*44

• Le premier chiffre 3 indique le nombre de lignes de trames
• Le chiffre suivant 1 indique le numéro de ligne de la trame
• Ensuite on trouve 11 : c'est le nombre de satellites visibles
• Ensuite la répétition de 4 champs : numéro du satellite, son élévation, son azimut,la force de son signal
• Pour finir un chiffre en hexadecimal : le checksum pour vérifier s'il y a ou non des erreurs sur la ligne lors de la transmission
• Un GPS peut voir jusqu'à 12 satellites, une ligne étant limitée à 82 caractères, on peut avoir au maximum 4 satellites sur 3 lignes

Rechercher ce qu'est l'élévation et l'azimut d'un satellite.

Donner les numéros des satellites de la deuxième ligne et l'intensité de leur signal.

b. Trame RMC (données GPS minimales)

Voici un exemple de trames RMC :

$GNRMC,152827.00,A,4806.6377,N,00508.8569,E,0.0,,260420,1.1,W,A*14

• Le premier champ indique l'heure (temps universel = -2h par rapport à l'heure d'été) : 152827.00 = 15h28min27.00s
• La lettre suivante indique l'état du logiciel de navigation : A = OK, V = Alerte
• Ensuite on trouve 2 champs pour la latitude : la valeur 4806.6377 = 48°06,6377' (' = minutes) et N pour Nord (ou S pour Sud)
• Puis 2 champs pour la longitude : la valeur 00508.8569=005°08,8569' et E pour Est (ou W pour Ouest) du méridien de Greenwinch
• Le champ suivant est pour la vitesse du récepteur par rapport au sol, en noeud
• Le champ suivant donne la date : 260420=26/04/2020
• Les deux derniers champs donnent la déclinaison magnétique : son angle 1,1° et sa direction (W= ouest)

Quelle vitesse représente 1 noeud (rappel : le GPS est un système américain)

La position GPS d'un lycée est : latitude N 48°6'22,44" et longitude E 5°8'50,84". Quelle serait la trame RMC d'un GPS se trouvant au lycée le 11/05/2020 à 7h55 ? (On ne s'intéressera pas à la déclinaison magnétique qu'on laissera vide)

c. Trame GGA (données GPS minimales)

Voici un exemple de trames GGA :

$GPGGA,152837.00,4806.6377,N,00508.8569,E,1,06,1.4,334.0,M,48.0,M,,*6C

• Le premier champ indique l'heure (temps universel = -2h par rapport à l'heure d'été) : 152827.00 = 15h28min27.00s
• Ensuite on trouve 2 champs pour la latitude :la valeur 4806.6377 = 48°06,6377' (' = minutes) et N pour Nord (ou S pour Sud)
• Puis 2 champs pour la longitude : la valeur 00508.8569=005°08,8569' et E pour Est (ou W pour Ouest) du méridien de Greenwinch
• Le champ suivant donne la qualité de la localisation : 0 = mauvais, 1 = GPS, 2 = DGPS
• Le champ suivant indique le nombre de satellites en poursuites
• Puis la valeur de la Dilution of Position (DOP), sorte de précision de la position : ici 1,4
• L'altitude en m (ici 334)
• M, 48 : correction de la hauteur de la géoïde en Mètres par rapport à l'ellipsoïde WGS84 : ici 48 m
• 2 champs vides puis le checksum de vérification

4. Afficher les trames NMEA sous python

Le but de cette partie est de récupérer les trames NMEA d'un téléphone portable et de les afficher via python sur un PC

a. Côté téléphone

Le plus simple est d'installer une appli permettant de partager via bluetooth les données GPS du portable. Sous Android j'utilise GPS2Bluetooth. Il n'y a plus qu'à lancer l'application et cliquer sur start. Pour ceux qui ne pourraient pas connecter leur PC à leur téléphone et voir les trames, on peut utiliser le logiciel NMEA tools et sous IOS on devra se limiter à un logiciel comme NMEA gps. Ces 2 logiciels permettent d'enregistrer les données du GPS au format NMEA dans un fichier. Un mode d'emploi de ces 2 logiciels extrait du site snt de l'académie de Toulouse est disponible ici. Il est conseillé de se placer en extérieur ou à un balcon/fenêtre pour faciliter l'acquisition des satellites.

b. Côté ordi

La première chose à faire est d'apparier votre téléphone android à votre ordinateur si ce n'est fait. Dans les paramètres, chercher "Appareils bluetooth et autres" puis dans "paramètres associés" (en bas de la page ou à droite) cliquer sur "paramètres bluetooth avancés". Se placer sur le deuxième onglet "Ports Com" et chercher le numéro du portable sortant qui s'appelle "nom_du_téléphone_GPS2BT2". Noter ce numéro de port. Dans la suite je prendrai pour exemple le port COM7 mais il faudra remplacer ce port par celui que vous venez de relever !

Le plus dur est fait. Il reste à ouvrir une console python (winpython ou à défaut edupython et à copier le code suivant :

# -*- coding: utf-8 -*- """ Created on Sat Feb 22 14:02:41 2020 @author: stephe """ #Ce code permet d'afficher les 1000 premières lignes transmises par un téléphone #diffusant en bluetooth sur le port com7 les trames NMEA import serial #la librairie pour la gestion du port, si erreur importer la bibliothèque pyserial with serial.Serial('COM7', baudrate=4800, timeout=1) as ser: # ouverture du port à 4800 bauds pour un gps, adapter pour un arduino # read 1000 lines from the serial output for i in range(1000): line = ser.readline().decode('ascii', errors='replace') #lecture des lignes reçues if line.find("\r\n") != -1 : #si on trouve les caractères de fin de ligne CR+LF line = line.strip() #suppression des caractères spéciaux print(line) #on affiche la ligne

Essayer de faire tourner ce programme. A défaut relever à l'aide des applications les coordonnées GPS de votre domicile.

Dans le mode d'emploi fourni, il y a des coordonnées gps dans une trame nmea. Localiser l'endroit où se trouvait le gps quand l'acquisition a été faite (région / ville / rue)

(c)Stéphane Jouaire, SNT 2019