GNSS系统在无人机飞行中的环境优化方案

2025-09-29 理论教育版权反馈

【摘要】：对于爱好者而言最需要注意是在放飞无人机前对环境进行详细排险与规划，分析飞行环境中可能会给GNSS系统带来影响的因素，并进行有针对性的方案制定。在安装无人机时尤其注意安装操作、布局、整体设计中GNSS信号的强弱。

图5.31 GPS系统中的24颗卫星（图片来源：gps.gov）

获取绝对位置状态信息的主要途径是卫星定位系统，在无人机领域常用的几大卫星定位系统包括美国的GPS，全称NAVSTAR GPS（Navigation Satellite Timingand Ranging Global Posi-tion System）；俄罗斯的GLONASS；我国的北斗卫星定位系统。此外，世界上的卫星定位系统还包括欧洲的伽利略系统，日本的准天顶系统，印度的IRNSS等。

卫星定位系统给无人机提供的不仅是三个绝对位置状态信息：经度、维度、高度信息，还包括无人机在当下的三个速度状态向量。而位置与速度是任何运动系统最核心的两类状态信息，整个运动过程都是围绕它们展开的，由此可见卫星定位系统在无人机反馈模块中的重要地位。卫星定位系统在无人机使用上会面对两个问题，一是信号强度，二是定位精度。

任何无人机产品，在正常使用时都需要满足“星数”要求，同时在室内，高架桥下或其他特殊环境中，卫星信号可能会变得非常弱，而由于位置状态和速度状态实在是太重要，一旦无人机丢失掉这两类状态信息，马上会无法控制，而无人机运动速度非常快，根本无法承受哪怕很短暂的外环状态缺失。因此无人机系统的卫星定位硬件往往会在设计上进行多余度准备，如某些卫星定位硬件既支持GPS，也支持GLONASS、北斗系统等，或者同时支持多个频段的卫星信号接收，这就使得在某些情况中，某一种卫星定位系统的某种信号微弱到无法使用时，定位系统可以迅速切换或者直接检测到其他定位系统的信号，保证整个系统持续反馈状态信息。

如果所有卫星定位系统的所有信号都丢失了呢？这种情况在很多行业应用中是无法忽视的存在。在此种情况下无人机必须借助其他辅助传感器，通过相对位置，相对速度来反馈状态信息，实现位置与速度的控制。比如当无人机从室外切入到室内飞行时，卫星定位信号全部丢失，这时就要借助之前提到的相对测距传感器来进行悬停或其他要求下的状态控制。然而当下还没有一种相对定位技术能够完全取代卫星定位技术，这些硬件或者算法在精度与稳定性，实现方式上还有非常大的提升空间。

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图5.32 得益于硬件小型化与低成本，卫星导航已走进普通人的日常生活。上图为集成了卫星导航模块u-blox NEO-M8与强磁计的常见无人机导航单元

在定位精度方面，以GPS为例，由于定位精度太高，在民用领域被加入人为限制，现在开阔地域的定位精度基本可以保持误差在5m左右。这个定位精度加上无人机本身控制器中的滤波与控制算法处理，机械云台稳定控制，基本满足消费产品的使用需求。但在工业领域更高精度的要求下，还可以通过使用差分GPS（DGPS）技术实现更高精度的无人机定位。

但是大家可能会有一个疑问，既然GPS系统能够提供载体的三维数据（经度、纬度、高度），为什么在无人机定高时还要使用气压计、超声波、红外等辅助系统呢？相比于其他两个方向的定位而言，无人机系统的高度定位很“漂”，这是为什么呢？

其实普通的GPS高度定位是非常不可靠的，本质上是由于GPS所测得的数据和坐标系之间的关系。GPS系统可以通过数据转换获取经度纬度，而在地球表面经度纬度的标定是统一的，但高度该怎么算呢？海拔，确实如此，海拔是相对于海平面的高度，但它对于整个地球并不是统一分布的。因此需要结合相对定位数据来直接获取无人机所在位置的海拔高度（气压计）和相对地面高度（超声波、红外等），详细内容会在下一章第二节坐标系数据转换中进行论述。

对于爱好者而言最需要注意是在放飞无人机前对环境进行详细排险与规划，分析飞行环境中可能会给GNSS系统带来影响的因素，并进行有针对性的方案制定。在安装无人机时尤其注意安装操作、布局、整体设计中GNSS信号的强弱。

GNSS系统在无人机飞行中的环境优化方案

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