GPS硬件基础
- 卫星信号接收模块：无人机搭载支持GPS（全球定位系统）或GLONASS（俄罗斯）、Galileo（欧盟）、北斗（中国）等全球导航卫星系统的接收器，通过天线接收多颗卫星的信号。
- 天线设计：通常为全向或定向天线，需具备高灵敏度和抗干扰能力，以应对复杂电磁环境。
- 处理芯片：内置低功耗微处理器，负责解析卫星信号并计算位置、速度和时间（PVT）。
信号接收与处理
- 多卫星协同定位：无人机同时接收至少4颗卫星的信号（L1/L2频点），通过三角测量计算三维坐标（经度、纬度、高度）和速度。
- 伪距与载波相位测量：
- 伪距：卫星信号传播时间与理论时间的差值，结合光速计算距离。
- 载波相位：卫星信号载波频率与接收器本地振荡器的相位差，用于提高定位精度。
- 差分GPS（DGPS）：通过地面基站修正卫星信号误差，提升定位精度至厘米级（RTK技术）。
数据处理与滤波
- 卡尔曼滤波：结合运动模型和观测数据，平滑定位结果，减少噪声和抖动。
- 动态校准：实时调整天线方向和接收灵敏度，适应飞行姿态变化（如俯冲、爬升）。
- 冗余设计：部分无人机配备双天线或多接收器，提高抗干扰能力。
关键参数与校准
- WGS-84坐标系：GPS默认使用WGS-84（世界大地坐标系），需与无人机导航系统（如IMU、视觉传感器）对齐。
- 坐标转换：将GPS坐标转换为无人机本地坐标系（如ECEF或ENU），便于路径规划。
- 垂直定位优化：通过气压计或激光雷达辅助，提升高度测量精度。
典型应用场景
- 农业植保：利用RTK技术实现厘米级定位，精准喷洒农药。
- 物流配送：结合视觉SLAM，在GPS信号弱的环境（如城市峡谷）中继续作业。
- 测绘与测绘：通过无人机集群协同，快速生成高精度地形图。
常见问题与解决
- 信号遮挡：在建筑物、树林或地下环境中，GPS信号可能丢失，解决方案包括：
- 启用视觉/红外避障传感器。
- 使用RTK或PPP（精密单点定位）技术增强信号。
- 多路径效应：信号反射导致定位偏差，可通过调整天线角度或使用增强型接收器解决。
- 延迟与漂移：高频更新（如10Hz）可减少漂移，但需平衡计算负载。
未来趋势
- 5G/卫星直连：利用5G基站或低轨卫星（如Starlink）提升信号覆盖和精度。
- AI融合：通过机器学习优化信号处理，适应复杂环境。
- 能源优化：低功耗接收器和算法，延长无人机续航。
通过以上流程,无人机的GPS系统能够在多种环境下实现稳定定位，为飞行控制、任务执行和安全保障提供基础支持。
