NMEAフォーマット（GPSデータ）について

はじめに
NMEAフォーマットの構造
NMEAメッセージのフォーマット
補足1（緯度，経度の表示について）
補足2（衛星番号）
補足3（システム識別番号）
補足4（Signal ID）

はじめに

仕事の関係で飛行機によく乗る友人から，HND-ITM（羽田－伊丹）便で記録したGPSデータをいただきました．というか，キャビン内でうまく受信できるのか？という興味があったのと，別用途でも使いたかった（データを見てみたかった）ので，録ってきて！！とお願いしたら二つ返事で録ってくれました（感謝！）．

受信機で測位演算する前のいわゆるRawデータと，測位結果が記録されたNMEAデータを頂きました．そのうち，NMEAデータの方から位置情報を取り出してLeafletでOpen Street Map上にプロットしたものと，高度の時系列をプロットしたものが下の図になります．結構きれいに録れていると思います．離陸時と着陸時の高度変化の違いが面白いです．

データ解析ツールは探せば何だかんだ出てきますが，DIYがこのブログの趣旨なので，まずはNMEAデータを読んでいきます．今回はNMEAフォーマットについての備忘録です．

ちなみに，上に示したデータで，羽田空港を離陸した直後の21時39分59秒（UTC）には以下のように記録されていました．

$GPZDA,213959.00,23,12,2021,,*60
$GPDTM,W84,,00.0000000,N,00.0000000,E,00.0000000,W84*5F
$GPRMC,213959.00,A,3522.5012666,N,13942.1022598,E,312.1,230.1,231221,7.5,W,A*2E
$GPGGA,213959.00,3522.5012666,N,13942.1022598,E,1,20,0.9,4174.8064,M,39.6262,M,,*5A
$GNGNS,213959.00,3522.5012666,N,13942.1022598,E,AAAA,20,0.9,4174.8064,39.6262,,*6E
$GPVTG,230.12,T,237.66,M,312.15,N,578.09,K,A*20
$GPGSA,A,3,02,06,07,13,20,30,,,,,,,1.6,0.9,1.3*3E
$GPGSA,A,3,69,79,,,,,,,,,,,1.6,0.9,1.3*3F
$GPGSA,A,3,07,13,26,,,,,,,,,,1.6,0.9,1.3*3F
$GPGSA,A,3,01,03,04,16,24,25,26,28,33,,,,1.6,0.9,1.3*30
$GPGST,213959.00,3.434,2.280,0.960,296.304,1.327,2.088,3.095*55
$GPGBS,213959.00,8.940,13.120,18.379,03,0.0001,5.334,6.383*57
$GPGRS,213959.00,1,0.2,0.3,0.7,-0.5,0.0,0.3,,,,,,*66
$GPGRS,213959.00,1,1.2,-1.5,,,,,,,,,,*61
$GPGRS,213959.00,1,-0.3,1.1,-1.2,,,,,,,,,*65
$GPGRS,213959.00,1,2.6,5.3,2.4,4.3,-4.9,-5.2,-4.2,-2.5,-3.4,,,*47
$GPGSV,3,1,11,20,67,046,45,06,17,147,44,29,27,281,,07,24,051,40*7D
$GPGSV,3,2,11,15,32,247,32,11,56,151,,30,41,080,48,05,59,332,26*76
$GPGSV,3,3,11,02,64,173,45,13,66,237,41,18,01,320,*45
$GLGSV,3,1,10,84,51,199,29,79,21,090,43,78,12,039,20,70,44,293,*6C
$GLGSV,3,2,10,85,48,309,,69,42,027,40,80,06,145,,68,03,060,35*65
$GLGSV,3,3,10,71,06,259,23,86,07,336,*64
$GAGSV,2,1,08,26,67,190,43,19,19,245,,13,17,155,42,33,51,307,25*6E
$GAGSV,2,2,08,07,55,038,43,08,07,055,31,30,04,090,39,12,03,324,*67
$BDGSV,4,1,16,33,63,014,41,24,28,102,45,25,14,160,40,02,20,250,*67
$BDGSV,4,2,16,26,15,054,41,27,29,304,,09,17,214,29,06,28,215,31*6F
$BDGSV,4,3,16,04,44,147,42,16,37,214,40,13,52,323,24,03,40,225,37*6F
$BDGSV,4,4,16,14,44,053,,01,49,172,42,28,48,237,43,08,60,332,24*6F
$GQGSV,1,1,04,193,86,009,,199,47,201,36,195,46,200,42,194,07,171,35*75

NMEAフォーマットの構造

National Marine Electronics Association (NMEA；米国海洋電子機器協会) のフォーマットで，GNSS以外にも海洋関連の計測システムの情報伝達に使われるフォーマットが規定されています．正式な規定は販売されていますが大変高価で日曜DIYには手が出ません．しかし，GNSS関連部分については，色々なGNSS受信機のマニュアルやオープンソースのソフトウェア等を見ると，その内容が分かります．

センテンスの構造
（例）$GPRMC,213959.00,A,3522.5012666,N,13942.1022598,E,312.1,230.1,231221,7.5,W,A*2E

1つのセンテンスは，「＄」ではじまり，改行コード「\r\n;　CR LF;　0x0d 0x0a」で終わる．
センテンス内のデータはカンマ「,」区切り
最後の2文字（＊より後ろ）はチェックサム

Talker ID
（例）$GPRMC,213959.00,A,3522.5012666,N,13942.1022598,E,312.1,230.1,231221,7.5,W,A*2E

$に続く2文字（例では，GP）をTalker IDといい，どのGNSSシステムに関するデータであるかを特定する手がかりとなる．Talker IDの種類は以下の通り．

Talker ID	GNSSシステム	備考
GP	GPS	ver2.3以上
GL	GLONASS	ver2.3以上
GA	Galileo	ver4.10以上
GB	BeiDou	ver4.11以上
GQ	QZSS	ver4.11以上（4.10以下ではGPが使われる）
GN	上記の組合せ

Talker IDの後ろ3文字（例ではRMC）でセンテンスの種類を表す．

チェックサムの計算方法
（例）$GPRMC,213959.00,A,3522.5012666,N,13942.1022598,E,312.1,230.1,231221,7.5,W,A*2E

チェックサムは「＄」の後ろから「＊」までの範囲に対して計算する
0x00を初期値として，左から右へ，各文字コードのXORをとったものがチェックサムとなる
チェックサムの値を16進表記した文字列がセンテンスの末尾に記録されている（例では2E）
サンプルプログラム（C#）を以下に示す．実行すると2Eが表示される

string sentence = "GPRMC,213959.00,A,3522.5012666,N,13942.1022598,E,312.1,230.1,231221,7.5,W,A*";
byte[] data = System.Text.Encoding.ASCII.GetBytes(sentence);
byte cs = 0x00;
for (int i = 0; i < data.Length - 1; i++)
{    
    cs ^= data[i];
}
Console.WriteLine(string.Format("{0:X2}", cs));

NMEAメッセージのフォーマット

RMCメッセージ（Recommended minimum data）
（例）$GPRMC,213959.00,A,3522.5012666,N,13942.1022598,E,312.1,230.1,231221,7.5,W,A*2E

番号	例		意味	読み取り結果
1	213959.00	hhmmss.ss	UTC時刻	21時39分59.00秒
2	A	char	測位状況ステータス　A: Valid，V: Invalid	Valid
3	3522.5012666	ddmm.mmmmmmm	緯度（補足1）	35度22.5012666分
4	N	char	北緯（North）／南緯（S）	北緯
5	13942.1022598	dddmm.mmmmmmm	経度（補足1）	139度42.1022598分
6	E	char	東経（E）／西経（W）	東経
7	312.1	numeric	対地速度（knots）	312.1ノット
8	230.1	numeric	対地方位（度）	230.1度
9	231221	ddmmyy	日付（UTC）	21年12月23日
10	7.5	numeric	磁気偏角（真北と磁北のずれ）（度）	7.5度
11	W	E／W	磁気偏角の方向	西
12	A	char	測位モードステータス N：No fix， E：Estimated/Dead Reckoning， F：RTK Float（ver4.10以降） R：RTK Fixed（ver4.10以降）Ａ／Ｄ：GNSS Fix バージョン間で若干意味が異なる部分がある．必要に応じて確認する
13	2E	string	チェックサム	0x2E
14	\r\n	char	センテンス終端

緯度，経度は受信機の測地系設定に依存する．通常，デフォルトではWGS84になっているはずなので，そのままGoogleEarthや地理院地図等で利用可能．

GGAメッセージ（Global positioning system fix data）
（例）$GPGGA,213959.00,3522.5012666,N,13942.1022598,E,1,20,0.9,4174.8064,M,39.6262,M,,*5A

番号	例		意味	読み取り結果
1	213959.00	hhmmss.ss	UTC時刻	21時39分59.00秒
2	3522.5012666	ddmm.mmmmmmm	緯度（補足1）	35度22.5012666分
3	N	char	北緯（North）／南緯（S）	北緯
4	13942.1022598	dddmm.mmmmmmm	経度（補足1）	139度42.1022598分
5	E	char	東経（E）／西経（W）	東経
6	1	1digit	測位モードステータス 0：No Fix 1：GNSS Fix 2：DGPS Fix 4：RTK Fix 5：RTK Float 6：Estimated or Dead reckoning Fix	GNSS Fix
7	20	numeric	使用衛星数	20
8	0.9	numeric	HDOP（水平方向精度劣化指標）	0.9
9	4174.8064	numeric	高度（平均海水面からの高さ）	4174.8064
10	M	char	上記高度の単位	m（メートル）
11	39.6262	numeric	ジオイド高準拠楕円体からのジオイド（平均海水面）高さジオイド高＋(9)の高度＝楕円体高	39.6262
12	M	char	上記ジオイド高の単位	m（メートル）
13	空白	numeric	Differential補正値のage 最後の有効な補正値受信からの時間［秒］ DGPSモードで無い場合は空白
14	5A	string	チェックサム	0x5A
15	\r\n	char	センテンス終端

（注）緯度，経度は受信機の測地系設定に依存する．

ZDAメッセージ（Time and date）
（例）$GPZDA,213959.00,23,12,2021,,*60

番号	例		意味	読み取り結果
1	213959.00	hhmmss.ss	UTC時刻	21時39分59.00秒
2	23	dd	日付（UTC）	23日
3	12	mm	月（UTC）	12月
4	2021	yyyy	年（UTC）	2021年
5	null	hh	ローカルタイムオフセット（時）-13–13	記録無し
6	null	mm	ローカルタイムオフセット（分）0–59	記録無し
7	60	string	チェックサム	0x60
8	\r\n	char	センテンス終端

DTMメッセージ（Datum reference）
（例）$GPDTM,W84,,00.0000000,N,00.0000000,E,00.0000000,W84*5F

番号	例		意味	読み取り結果
1	W84	string	測地系 W84：WGS84 P90：PZ90 999：ユーザ定義	WGS84
2	null		空フィールド
3	00.0000000	numeric	緯度オフセット（分）	0.0分
4	N	char	N／S（緯度オフセットの方向）	N
5	00.0000000	numeric	経度オフセット（分）	0.0分
6	E	char	E／W（経度オフセットの方向）	E
7	00.0000000	numeric	高度オフセット（m）	0.0m
8	W84	string	基準とする測地系のコード	WGS84
9	5F	string	チェックサム	0x5F
8	\r\n	char	センテンス終端

VTGメッセージ（Course over ground and ground speed）
（例）$GPVTG,230.12,T,237.66,M,312.15,N,578.09,K,A*20

番号	例		意味	読み取り結果
1	230.12	numeric	方位（度）	230.12度
2	T	char	上記方位の単位，T：真方位
3	237.66	numeric	方位（度）	237.66度
4	M	char	上記方位の単位，M：磁方位	N
5	312.15	numeric	対地速度	312.15
6	N	char	上記速度の単位，N：Knots	ノット
7	578.09	numeric	対地速度	578.09
8	K	char	上記速度の単位，K：km/h	km/h
9	A	char	測位モードステータス N：No fix E：Estimated/dead reckoning fix A：GNSS fix D：Differential GNSS fix F：RTK float R：RTK fixed
9	5F	string	チェックサム	0x5F
8	\r\n	char	センテンス終端

GSAメッセージ（GNSS DOP and active satellites）
（例）$GPGSA,A,3,02,06,07,13,20,30,,,,,,,1.6,0.9,1.3*3E

番号	例		意味	読み取り結果
1	A	char	2D／3D測位切り換えモード M：手動切り換え A：自動切り換え	自動
2	3	digit	測位ステータス 1：No fix 2：2D fix 3：3D fix	3D fix
3	02	numeric	衛星番号の1番目（補足2）	02
			3～14まで衛星番号を12回繰り返す
14	null	numeric	衛星番号の12個目	なし
15	1.6	numeric	PDOP（3D位置精度劣化指標）
16	0.9	numeric	HDOP（水平位置精度劣化指標）
17	1.3	numeric	VDOP（垂直位置精度劣化指標）
18	XX	numeric	システム識別番号（補足3），ver4.10以降で記録この例では記録されていない
18	3E	string	チェックサム	0x3E
19	\r\n	char	センテンス終端

測位演算に使用された衛星番号が記録される．1センテンス12衛星まで記録なので，複数回にわたって送信されてくることもある．埋まらない場合はempty．衛星番号は（補足2）を参照．

GSVメッセージ（GNSS satellites in view）
（例）$GPGSV,3,1,11,20,67,046,45,06,17,147,44,29,27,281,,07,24,051,40*7D

番号	例		意味	読み取り結果
1	3	digit(1-9)	送信されるGSVメッセージの数	3
2	1	digit	このメッセージの番号	メッセージ総数3の内の 1番目のメッセージ
3	11	numeric	Talker IDとSignal ID（下記のX番）に対する可視衛星数	11機
4	20	numeric	衛星番号（補足3）	20
5	67	numeric	仰角（度，0-90）	仰角67度
6	046	numeric	方位角（度，0-359）	方位角46度
7	45	numeric	信号強度（C/N0値，0-99）[dBHz]	45
4～19			4～7の内容を4衛星分繰り返す
20	XX	numeric	Signal ID（補足4），ver4.10以降で記録この例では記録されていない
18	7D	string	チェックサム	0x7D
19	\r\n	char	センテンス終端

衛星数に応じて，複数のTalker IDで複数のメッセージが送信されてくる．GSAメッセージと見比べると，信号補足は出来ているが測位に使用していない衛星が分かる．

補足1（緯度，経度の表示について）

（例）$GPGGA,213959.00,3522.5012666,N,13942.1022598,E,1,20,0.9,4174.8064,M,39.6262,M,,*5A

の場合，以下のような読みになります．

北緯35度22.5012666分，東経139度42.1022598分

ちなみに，1度は60分，1分は60秒なので，「度」や，「度・分・秒」で表示したければ以下のようにできます．

「度」で表示したければ，分の部分を60で割って足す
度，分，秒で表現したければ，分の小数部分に60を掛けて秒で表示する

北緯　35 + (22.5012666 / 60) = 35.37502111 ［度］
東経　139 + (42.1022598 / 60) = 139.70170433［度］

北緯　35度22分（0.5012666 ＊ 60）秒　＝　35度22分30.075996秒
東経　139度42分（0.1022598＊60）秒　＝　139度42分6.135588秒

分解能について

日本付近では，だいたい緯度方向1秒が30m，経度方向1秒が25mくらいです（詳細な数値や計算方法は理科年表や国土地理院さんのサイトで紹介されています）．したがって，緯度，経度方向の1分の距離は，1800mと1500m程度になります．

つまり，「分」の小数第3位までで緯度方向1.8m，経度方向1.5m程度の分解能です．
小数第4位で18cmと15cm
小数第5位で1.8cmと1.5cm
小数第6位で1.8mmと1.5mm
になります．通常の受信機では第5位くらいまで出力していると思いますが，高精度測位の場合は桁数を増やして出力しないと正確な評価が出来ない可能性があります．

補足2（衛星番号）

NMEA Ver.	GPS	GLONASS	Galileo	QZSS	BeiDou	SBAS
ver.2.3-4.0	1-32	65-96	301-336	193-202	401-437	33-64 152-158
ver4.10	1-32	65-96	1-36	193-202	1-37	33-64 152-158
ver.4.11	1-32	65-96	1-36	1-10	1-37	33-64 152-158

補足3（システム識別番号）

NMEA Ver.	GPS	GLONASS	Galileo	QZSS	BeiDou	SBAS
ver.2.3-4.0	1	2	N/A	N/A	N/A	1
ver4.10	1	2	3	N/A	N/A	1
ver.4.11	1	2	3	5	4	1

補足4（Signal ID）

Signal	NMEA Ver. 4.10 System ID	NMEA Ver. 4.10 Signal ID	NMEA Ver.4.11 System ID	NMEA Ver.4.11 Signal ID
GPS L1 C/A	1	1	1	1
GPS L2 CL	1	6	1	6
GPS L2 CM	1	5	1	5
SBAS L1 C/A	1	1	1	1
Galileo E1C	3	7	3	7
Galileo E1B	3	7	3	7
Galileo E5B I	3	2	3	2
Galileo E5B Q	3	2	3	2
BeiDou B1I D1	—	—	4	1
BeiDou B1I D2	—	—	4	1
BeiDou B2I D1	—	—	4	11
BeiDou B2I D2	—	—	4	11
QZSS L1 C/A	—	—	5	1
QZSS L1S	—	—	5	4
QZSS L2 CM	—	—	5	5
QZSS L1 CL	—	—	5	6
GLONASS L1	2	1	2	1
GLONASS L2	2	3	2	3