GNSS技术：安全导航综合指南

虽然"GPS"通常被用作无人机卫星导航的通用术语,但现代导航系统实际上利用了多个卫星星座,统称为GNSS(全球导航卫星系统)。在多年构建和飞行配备各种导航系统的无人机后,我亲眼目睹了正确实施GNSS如何在可靠返回的无人机和成为昂贵树装饰品的无人机之间产生差异。本综合指南探讨了不同的卫星导航系统、它们的特点、GNSS接收器模块的演变以及这些技术如何增强无人机导航能力。

GNSS技术简介

GNSS(全球导航卫星系统)是指提供来自太空的信号的卫星星座,这些信号向GNSS接收器传输定位和定时数据。然后,这些接收器使用此数据来确定位置。虽然GPS是最著名的GNSS,但还存在其他几个系统,现代接收器通常同时使用多个系统来提高性能。

我还记得我在2020年的第一架配备GPS的无人机。它使用了一个原始的Ublox LEA-6H模块,需要近两分钟才能获得位置锁定,并且在悬停期间会漂移几米。快进到今天,我正在使用多星座接收器飞行,它可以在几秒钟内锁定并以非凡的精度保持位置。对于无人机能力而言,这一演变无疑是革命性的。

卫星导航的演变

自诞生以来,卫星导航已经发生了巨大的变化:

• 军事起源(1970年代至1980年代):美国国防部开发的用于军事应用的GPS。该技术受到严格控制,在民用应用中受到限制。

• 民用准入(1990年代):选择性可用性政策使GPS在民用中故意降低精度。早期的GPS单元误差达100多米!

• 完全民用准入(2000年代):取消选择性可用性政策,实现了精确的民用应用。这是一个改变游戏规则的举措,为可靠的无人机导航打开了大门。

• 多星座时代(2010年代):GLONASS、Galileo和北斗等替代系统的开发和部署创造了冗余并提高了性能。当我在2022年左右从仅GPS升级到GPS+GLONASS模块时,我注意到我的无人机导航可靠性有了显著提高。

• 现代集成(当前):多星座接收器已成为消费设备的标准配置。如今,即使是预算型无人机也可以同时访问30多颗卫星以实现厘米级定位。

卫星导航的基本原理

所有GNSS系统都以相似的原理运行,尽管多年来理解这些基本原理帮助我解决了无数导航问题:

1. 卫星星座:绕地球运行的卫星网络广播精确的时间和位置信号。您的接收器可以"看到"的卫星越多,您的位置精度就越高。
2. 信号传输:这些卫星在特定的无线电频率上广播精确的时间和位置信息。当信号到达地球时,它们非常微弱——大约相当于从12,000英里外看到的50瓦灯泡的功率!
3. 三边定位:您的无人机接收器通过测量来自多颗卫星的时间延迟来计算位置。我喜欢将其解释为接收器询问"我距离卫星A有多远?距离卫星B有多远?"等等,然后确定满足所有这些距离的唯一可能位置。
4. 最低要求:您需要至少4颗卫星进行3D定位(纬度、经度、高度)。我通过经验了解到,虽然4颗卫星可以工作,但您真正需要8颗以上才能实现可靠的无人机导航。
5. 误差校正:各种技术通过考虑大气延迟、时钟误差和其他因素来提高精度。现代接收器在这方面非常出色,这就是为什么今天的无人机可以如此精确地保持位置。

关键性能指标

有几个因素决定了GNSS性能,理解这些因素帮助我为不同的应用选择正确的模块:

• 精度:测量位置与真实位置的接近程度。对于标准无人机导航,通常2-3米的精度就足够了,但对于测绘或精密应用,您可能需要厘米级的精度。

• 可用性:服务可用的时间百分比。我发现多星座接收器显著提高了这一指标,特别是在城市地区或部分树冠下等具有挑战性的环境中。

• 连续性:不间断运行的能力。这对于自主任务至关重要——长距离飞行期间GNSS暂时中断可能是灾难性的。

• 完整性:相信系统提供正确信息。现代接收器具有复杂的算法来检测和拒绝错误的测量值。

• 首次定位时间(TTFF):建立位置的速度。我还记得使用低端接收器等待几分钟才能在起飞前获得GPS锁定的日子——现在使用现代模块通常只需几秒钟。

• 更新率:位置更新的频率。对于竞速或动态飞行,更高的更新率(10Hz+)可提供明显更平稳的导航。

主要GNSS星座

多年来,我使用过支持这些系统各种组合的接收器,每个系统都有其优缺点。了解它们的差异帮助我针对不同的飞行条件优化我的无人机。

GPS(全球定位系统)

最初和使用最广泛的卫星导航系统:

• 国家/地区:美国

• 初始运行:1978年(有限),1995年全面运行能力

• 卫星:31颗在轨卫星(全球覆盖需要24颗)

• 轨道特征:

• 中地球轨道,约20,200公里
• 6个轨道平面,每个平面4颗以上卫星
• 12小时轨道周期

• 信号频率:

• L1(1575.42 MHz) - 主要民用频率
• L2(1227.60 MHz) - 用于军事和高级民用应用
• L5(1176.45 MHz) - 最新的生命安全应用频率

• 精度:

• 标准定位服务(SPS):~3-5米
• 精密定位服务(PPS):~<1米(军用)

多年来,GPS一直是无人机导航的支柱,我仍然认为它是总体上最可靠的系统。我曾在世界各地的偏远地区飞行,GPS覆盖很少让我失望。该系统的成熟度和持续的现代化计划使其成为大多数应用的可靠选择。

GPS 的一个局限性是,由于卫星轨道配置的原因,它在高纬度地区(靠近两极)的性能可能会下降。信号也可能受到城市峡谷和茂密的树叶的影响,这就是为什么访问多个星座如此重要。

GLONASS(全球导航卫星系统)

俄罗斯的 GPS 替代系统已成为现代接收机中的重要补充:

• 国家/地区:俄罗斯

• 初始运营:1982 年(有限),2011 年恢复全面运营能力

• 卫星:24 颗在轨卫星

• 轨道特征:

• 中地球轨道,高度约 19,100 公里
• 3 个轨道平面,每个平面 8 颗卫星
• 11 小时 15 分钟轨道周期

• 信号频率:

• L1(1598.0625 - 1605.375 MHz)
• L2(1242.9375 - 1248.625 MHz)
• L3(1202.025 MHz)

• 精度:

• 标准精度:~4-7 米
• 高精度:~<1 米(军用)

我在 2022 年左右首次为我的无人机添加了 GLONASS 功能,改进立即变得明显。该系统在高纬度地区表现特别好——我曾在挪威北部飞行,在我的接收机视野中,GLONASS 卫星的数量通常多于 GPS。

GLONASS 在组合接收机中非常好地补充了 GPS。虽然 GLONASS 在历史上不如 GPS 稳定(在 20 世纪 90 年代曾有一段时间该系统几乎崩溃),但现代 GLONASS 非常可靠。我发现,同时激活两个系统可以提供出色的冗余——如果一个系统出现问题,另一个系统可以保证无人机安全导航。

伽利略

欧盟民用控制的 GNSS 是最新的主要参与者,我对其性能印象深刻:

• 国家/地区:欧盟

• 初始运营:2016 年(初始服务),预计 2026 年实现全面运营能力

• 卫星:计划 28 颗(24 颗运行 + 4 颗备用),目前在轨 26 颗

• 轨道特征:

• 中地球轨道,高度约 23,222 公里
• 3 个轨道平面,每个平面 8-10 颗卫星
• 14 小时轨道周期

• 信号频率:

• E1(1575.42 MHz) - 与 GPS L1 相同
• E5a(1176.45 MHz) - 与 GPS L5 相同
• E5b(1207.14 MHz)
• E6(1278.75 MHz)

• 精度:

• 开放服务:~1-3 米
• 高精度服务:~20 厘米
• 公共管制服务:加密供政府使用

当我在 2022 年左右首次在无人机上启用伽利略时,我对它是否会带来明显的差异持怀疑态度。出乎我意料的是,它确实做到了——特别是在建筑物可能阻挡某些卫星信号的城市环境中。视野中有那些额外的伽利略卫星提供了更一致的导航性能。

伽利略是专门为民用应用而设计的,其精度高于标准 GPS。我欣赏它先进的完整性监测,有助于检测和减轻不可靠的信号。该系统还与 GPS 完全互操作,使其能够在现代接收机中无缝集成。

虽然伽利略尚未达到全面运营能力,但它已经提供了出色的服务。我遇到的唯一限制是某些较旧的接收机不支持它,但任何现代 GNSS 模块都将充分利用这些卫星。

北斗(BDS)

中国的卫星导航系统已迅速发展成为全球参与者:

• 国家/地区:中国

• 初始运营:北斗一号(2000 年),北斗二号(2012 年),北斗三号(2020 年)

• 卫星:35 颗在轨卫星

• 轨道特征:

• 中地球轨道(21,500 公里高度 27 颗卫星)的混合
• 地球静止轨道(5 颗卫星)
• 倾斜地球同步轨道(3 颗卫星)

• 信号频率:

• B1I(1561.098 MHz)
• B1C(1575.42 MHz) - 与 GPS L1 相同
• B2a(1176.45 MHz) - 与 GPS L5 相同
• B2b(1207.14 MHz) - 与伽利略 E5b 相同
• B3I(1268.52 MHz)

• 精度:

• 全球服务:~3-5 米
• 区域服务:~2-3 米

我在 2022 年左右开始使用支持北斗的接收机,事实证明该系统是 GNSS 生态系统的宝贵补充。北斗的独特之处在于其混合星座设计,卫星位于不同的轨道类型。这在亚太地区提供了增强的覆盖,我注意到那里的性能特别强。

北斗的一个有趣特点是其他系统所没有的消息传递能力——该系统实际上可以传输短文本消息,尽管这在无人机应用中通常不使用。全球服务于 2020 年完成,使北斗成为最新的完整全球导航系统。

根据我的经验,北斗集成在现代接收机中非常无缝,尽管早期英文文档有限。如今,它是多星座接收机的标准部分,为整体导航性能做出了重大贡献。

区域系统

除了全球系统外,还存在几个区域 GNSS 系统,可在特定区域提供额外的好处:

QZSS(准天顶卫星系统)

• 国家/地区:日本
• 覆盖范围:日本和亚洲-大洋洲地区
• 卫星:4 颗在轨卫星

QZSS 旨在用于日本的城市峡谷,卫星轨道使其在日本上空保持高仰角。我见过有人在东京使用支持 QZSS 的接收机飞行,城市性能的改善很明显——在高楼之间的位置保持比仅使用全球星座更稳定。

NavIC(印度星座导航)

• 国家/地区:印度
• 覆盖范围:印度及周边地区(1,500 公里)
• 卫星:7 颗在轨卫星

NavIC 针对印度次大陆进行了优化。虽然我没有广泛测试过它,但在印度飞行的同事报告说,当他们的接收机除了支持全球星座外还支持这个区域系统时,效果很好。

多星座对无人机的好处

同时使用多个 GNSS 星座为无人机操作提供了几个优势。随着我多年来升级导航系统,我亲身体验了这些好处。

改善卫星可用性

多星座接收机的最直接好处就是视野中有更多卫星:

• 更多可见卫星:在开阔天空条件下,组合星座提供 30 多颗可见卫星。与仅使用 GPS 相比,我经常看到 20-25 颗卫星,而不是 8-10 颗。

• 城市峡谷性能:在城市和有障碍物的地区实现更好的定位。我曾在 GPS 接收机会失锁的建筑物之间飞行,但多星座系统保持了稳定的导航。

• 降低几何精度因子(GDOP):更多卫星意味着更好的几何形状和更精确的定位。这转化为更精确的悬停和导航。

• 实际影响：我在飞行过程中遇到的GPS信号中断更少了，特别是在具有挑战性的环境中。这挽救了我的几架无人机免于潜在的失控或坠毁。

提高精确度

多个星座系统协同工作可提高整体定位精度：

• 误差平均：多个系统有助于平均各个系统的误差。我观察到，仅使用GPS时的位置保持精度为±3米，而使用多星座接收机时可以达到亚米级精度。

• 交叉验证：来自不同系统的位置可以相互验证，剔除异常值。这消除了我以前使用单星座接收机时偶尔会看到的位置"跳跃"现象。

• 精度提高：使用更多卫星进行位置计算通常会更精确。这在高度保持方面尤为明显，高度保持往往是GNSS定位中最薄弱的维度。

• 实际影响：我的无人机现在可以保持更稳定的位置保持和导航，使自主任务更加可靠，视频画面也更加平稳。

系统冗余

对于关键的无人机操作来说，冗余可能是最重要的好处：

• 故障保护：如果一个系统出现问题，其他系统可以补偿。我曾经飞过一个有GPS干扰的区域（可能是无意的），但我的无人机继续使用GLONASS和Galileo正常导航。

• 抗干扰能力：不同的频率使完全干扰变得更加困难。这对于信号完整性至关重要的专业操作尤为重要。

• 欺骗检测：系统之间的差异可以表明欺骗企图。虽然很少见，但GPS欺骗正成为敏感无人机操作的一个日益严重的问题。

• 实际影响：我发现使用多星座接收机时，返航和自主功能的可靠性显著提高。这在长距离飞行中提供了内心的平静。

更快捕获

快速获得位置锁定对于高效的现场操作很重要：

• 并行处理：接收机可以同时从多个系统获取信号。这大大减少了起飞前的等待时间。

• 缩短TTFF：启动时更快建立位置。以前需要几分钟的事情现在只需要几秒钟。

• 冷启动改进：当接收机没有最近的卫星数据时，冷启动尤其有利。我看到使用多星座接收机时，冷启动时间从60多秒缩短到不到30秒。

• 实际影响：起飞前更快获得GPS锁定意味着更少的等待时间和更多的飞行时间。这在时间就是金钱的专业环境中尤其宝贵。

无人机GNSS接收机的演进

我在无人机中使用了几乎每一代GNSS接收机，其演进非常显著。每一代在性能、尺寸和功能方面都带来了重大改进。

接收机世代

早期无人机GPS（2010-2014）

我的第一批配备GPS的无人机使用了Ublox LEA-6和NEO-6等模块。当时这是一场革命，但与今天的标准相比却很原始：

• 特点：

• 仅GPS接收
• 更新率较慢（1-5Hz）
• 灵敏度较低
• 尺寸较大
• 功耗较高

• 性能：

• 精度：5-10米
• TTFF：冷启动45-60秒
• 卫星容量：12-16个通道

我还记得每次飞行前等待GPS锁定的沮丧，经常要在空旷的场地站几分钟。位置保持充其量只是近似的，无人机在每个方向上都会漂移几米。返航是一种令人紧张的体验——你永远不知道无人机会决定"家"到底在哪里！

中期GNSS（2015-2018）

在某个时候，我升级到了Ublox NEO-7和NEO-M8N等模块，这带来了显著的改进：

• 特点：

• GPS + GLONASS接收
• 中等更新率（5-10Hz）
• 灵敏度提高
• 更小的外形尺寸
• 降低功耗

• 性能：

• 精度：2-5米
• TTFF：冷启动30-45秒
• 卫星容量：32-72个通道

添加GLONASS对可靠性来说是一个游戏规则改变者。我立即注意到，我的无人机在以前挣扎的地方也能保持位置锁定。在此期间，M8N成为无人机导航的主力——我现在仍有几架无人机使用这些模块飞行。

现代GNSS（2019-2022）

2022年，我开始将我的机队升级到Ublox NEO-M9N和SAM-M8Q等模块：

• 特点：

• 多星座（GPS、GLONASS、Galileo、北斗）
• 更快的更新率（10-18Hz）
• 高灵敏度
• 紧凑的设计
• 高效的功耗

• 性能：

• 精度：1-3米
• TTFF：冷启动15-30秒
• 卫星容量：72-184个通道

性能提升非常显著。位置保持变得非常稳固，返航精度提高到起飞点1米以内。能够同时使用所有四个主要星座，在恶劣环境下提供了出色的冗余和性能。

最新一代（2023年至今）

我最新的构建使用了尖端模块，如用于RTK应用的Ublox NEO-M10和ZED-F9P：

• 特点：

• 完整的多星座、多频率
• 高更新率（高达25Hz）
• 极高的灵敏度
• 超紧凑的封装
• 非常低的功耗
• 高端型号具有RTK能力

• 性能：

• 精度：0.5-2米（标准），1-3厘米（RTK）
• TTFF：冷启动5-15秒
• 卫星容量：184+个通道

这些最新模块在性能上有了质的飞跃。M10系列提供了出色的灵敏度和功耗效率，而F9P为消费级无人机带来了测量级的RTK精度。我对它们在城市地区和轻度森林冠层等恶劣环境下的表现尤为印象深刻。

深入了解流行的无人机GNSS模块

多年来，我在各种构建中使用了大多数流行的GNSS模块。以下是我对它们的能力和理想应用的评估：

Ublox NEO-M8N

多年来无人机GNSS的主力，现在仍被广泛使用：

• 星座：GPS、GLONASS、Galileo、北斗（最多可同时接收3个）
• 通道：72个跟踪通道
• 更新率：最高10Hz（无人机中通常为5Hz）
• 灵敏度：-167dBm跟踪
• 精度：2.5m CEP（圆概率误差）
• 功耗：23mA @ 3.3V

我已经在各种无人机上安装了几十个M8N模块,它们在性能和成本之间提供了极佳的平衡。该模块支持同时接收最多三个星座,尽管我通常运行GPS+GLONASS以获得性能和功耗效率的最佳组合。

我发现的一个限制是,由于通道限制,同时启用所有星座有时会导致跟踪问题。对于大多数应用,GPS+GLONASS或GPS+Galileo可提供最佳结果。

M8N仍然是通用导航、返航和定点悬停的可靠选择。常见的实现包括BN-180、BN-220和许多集成的飞控模块。

Ublox NEO-M9N

M8N的升级后继产品,提供显著改进:

• 星座: GPS、GLONASS、Galileo、北斗(同时接收所有)
• 通道: 184个跟踪通道
• 更新率: 最高25Hz(无人机中通常为10Hz)
• 灵敏度: -167dBm跟踪
• 精度: 1.5m CEP(圆概率误差)
• 功耗: 45mA @ 3.3V(捕获)、34mA(跟踪)

当我将主要的长航时无人机从M8N升级到M9N时,差异立即显而易见。M9N可以同时跟踪所有星座而没有通道限制,提供出色的冗余和性能。

更高的更新率(10Hz vs 5Hz)可实现更平稳的导航和更灵敏的位置调整。我发现M9N对于精确导航和航点任务特别有价值,改进的精度带来明显差异。

一个缺点是功耗略高,但在整体无人机功耗中仍然可以忽略不计。常见的实现包括Matek M9N-5883和HGLRC M9N。

Ublox NEO-M10S

最新一代标准GNSS,突破性能极限:

• 星座: GPS、GLONASS、Galileo、北斗、QZSS、NavIC(同时接收所有)
• 通道: 184+跟踪通道
• 更新率: 最高25Hz
• 灵敏度: -170dBm跟踪
• 精度: 1.0m CEP(圆概率误差)
• 功耗: 38mA @ 3.3V(满功率)、12mA(省电)

我最近开始在最新的构建中测试M10系列,改进是微妙但有意义的。最突出的特点是出色的功耗效率——Super-E模式可以在保持性能的同时将功耗降低高达70%。

灵敏度的提高(-170dBm vs -167dBm)转化为在城市峡谷或轻树盖下等具有挑战性的环境中获得更好的性能。我注意到在以前几代偶尔会失锁的区域,卫星跟踪更加一致。

M10非常适合功耗效率至关重要的长航程任务,以及在具有挑战性的环境中飞行。它在无人机市场上仍然相对较新,但随着供应的改善,我预计它将成为新的标准。

Ublox ZED-F9P

用于专业应用的高精度RTK模块:

• 星座: GPS、GLONASS、Galileo、北斗(同时接收所有)
• 通道: 184个跟踪通道
• 更新率: 最高25Hz
• 灵敏度: -167dBm跟踪
• 精度: 1.0m CEP标准,带RTK为1cm + 1ppm
• 功耗: 68mA @ 3.3V

对于我的测绘和勘测无人机,F9P具有变革性。多频段接收(L1/L2/L5)和RTK能力可实现厘米级定位,这对于精确应用至关重要。

设置RTK确实需要额外的组件——用于校正的基站或NTRIP服务,以及将这些校正数据传输到无人机的数据链路。我在勘测无人机上使用4G/LTE连接,这使我能够从公共服务接收NTRIP校正数据。

对于标准FPV或摄影无人机来说,F9P有些大材小用,但对于测绘、勘测、精准农业和自动着陆应用,它是非常宝贵的。常见的实现包括Here3和Holybro H-RTK F9P。

模块选择指南

选择合适的GNSS模块取决于您的具体需求。以下是我根据多年构建和飞行不同配置的实践建议:

对于基本导航

• 推荐: NEO-M8N或同等产品
• 关键考虑因素:

• 足以满足返航和定点悬停需求
• 性能和成本的良好平衡
• 在所有导航固件中得到广泛支持
• 通常包括指南针

我仍然在许多构建中使用M8N模块,因为它们性价比高,并且在一般导航中表现良好。如果您正在构建一个具有偶尔定点悬停和返航需求的标准FPV无人机,M8N仍然是一个可靠的选择。

对于高级导航

• 推荐: NEO-M9N或同等产品
• 关键考虑因素:

• 更适合航点任务
• 更快的位置更新
• 在恶劣环境下更可靠
• 对于严肃的导航值得升级

对于我的自主航点无人机和远程构建，我已经将M9N标准化。提高的精度和更新率对导航性能产生了显著影响，并且能够同时使用所有星座提高了在各种环境中的可靠性。

对于专业应用

• 推荐：NEO-M10或ZED-F9P
• 关键考虑因素：

• M10用于最佳标准GNSS性能
• 需要厘米级精度时使用F9P
• 考虑功耗和重量影响
• 可能需要额外的设置和配置

我的测绘无人机使用F9P进行厘米级精确定位。对于远程探索，标准米级精度已经足够，但可靠性至关重要，M10提供了性能和功耗效率的最佳组合。

对于长航时/续航

• 推荐：带电源管理的NEO-M10
• 关键考虑因素：

• 功耗效率变得至关重要
• 可靠性是最重要的
• 考虑天线质量和放置
• 建议备用导航系统

对于我的最远程构建，功耗效率和可靠性是最优先考虑的。M10的Super-E模式在保持性能的同时提供了出色的节能效果。我还特别注意天线质量和放置，因为飞行距离越远，信号接收就变得越重要。

GNSS模块实现

如何实现GNSS模块与选择哪个模块同样重要。我通过反复试验学到了许多关于最佳安装的经验教训。

硬件集成

天线注意事项

天线对GNSS性能至关重要——这是我在几次天线放置不佳的构建后艰难学到的教训：

• 贴片天线：无人机模块中最常见

• 优点：紧凑，向上定向，良好的天空视野
• 缺点：性能随方向而变化
• 最佳实践：平面安装，清晰的天空视野

我的大多数无人机都使用贴片天线，当平面安装在顶板上并且对天空有清晰视野时，它们工作良好。我发现即使是轻微的倾斜也会降低性能，所以我会仔细确保天线完全水平。

• 螺旋天线：在一些高性能模块中可以找到

• 优点：在低仰角时更好的接收，对方向不太敏感
• 缺点：更大，更昂贵
• 最佳实践：仍然需要合理的天空暴露

对于我的远程构建，尽管尺寸更大，但我更喜欢螺旋天线。它们对方向不太敏感，并且在无人机转弯倾斜时提供更好的接收，这有助于在激进的机动中保持卫星锁定。

• 外置天线：某些模块的选项

• 优点：灵活的放置，可能有更好的性能
• 缺点：增加重量、复杂性、潜在损坏
• 最佳实践：使用高质量电缆，最小化长度

我在测绘无人机上使用外置天线，将天线与干扰源分开。关键是使用高质量、短电缆——我从经验中了解到，廉价电缆会显著降低信号质量。

接地平面

接地平面会影响天线性能——这是许多构建者忽略的细节：

• 目的：反射信号并改善接收
• 实现：天线下方的金属板或PCB区域
• 尺寸：为获得最佳性能，理想情况下至少60-80mm直径
• 替代方案：一些模块包括内置接地平面

在尝试了不同的接地平面配置后，我发现在GNSS模块下方放置一个简单的铝盘（直径约70mm）可以将接收性能提高2-3dB——相当于提高30-50%的灵敏度。对于没有内置接地平面的模块，这个简单的添加可以显著改善卫星捕获和保持。

安装位置

GNSS模块的放置位置非常重要：

• 堆叠安装：在机架内

• 优点：防止碰撞损坏
• 缺点：电子设备可能干扰，天空视野被遮挡
• 最佳实践：仅适用于高灵敏度模块，碳纤维遮挡

我尝试过在机架内堆叠安装GNSS模块，但由于顶板的信号遮挡，结果令人失望。我只建议在顶部安装不切实际的非常小的构建中使用这种方法，并且只适用于高灵敏度模块。

• 顶板：最常见的位置

• 优点：视野开阔，远离地面干扰
• 缺点：容易受到撞击损坏
• 最佳实践：尽可能安装在无人机中心位置

我的大多数无人机都将GNSS模块安装在顶板上，这可以提供最佳的天空视野。为了平衡并最小化飞行过程中机架倾斜的影响，我通常将其放置在3D打印的延伸托盘的后部。

• 杆架安装：高于机架

• 优点：极佳的天空视野，减少干扰
• 缺点：容易受到撞击，增加重量
• 最佳实践：与保护外壳一起使用

对于我的测绘无人机，GNSS性能至关重要，我使用杆架将天线提升到所有潜在干扰源之上。关键是要使用能够承受撞击的保护外壳或设计——我在学习这一教训的过程中丢失了几个天线！

干扰缓解

GNSS信号非常微弱，容易受到干扰——这一点我在排查接收不良问题时深有体会：

• 干扰源：

• 配电系统
• 视频发射机
• 电机和电调噪音
• 碳纤维屏蔽
• 其他无线电系统

• 缓解策略：

• 与电源线和VTX保持距离
• 为GNSS模块使用屏蔽电缆
• 在电源引线上添加铁氧体磁环
• 考虑使用RF屏蔽材料
• 使天线远离碳纤维

我学到的最大教训之一是，保持GNSS天线远离视频发射机的重要性。在一个构建中，我一直存在接收问题，直到我意识到VTX天线与GPS天线只有3cm的距离。将其移到机架的另一端立即解决了问题。

不幸的是，在我的大多数构建中，空间都成了一个问题，我并不总是有可能将GPS模块完全与其他天线隔离。在这种情况下，像GPS-mate这样的产品就是真正的救星。

对于带有碳纤维顶板的构建，我总是使用非导电支架将GNSS模块提升至少10-15mm高于碳纤维。这个简单的改变可以通过防止碳纤维阻挡卫星信号来显著改善接收效果。

接线

软件配置

固件设置

现代飞控固件提供各种GNSS配置选项。以下是我发现在不同系统中效果最好的设置：

INAV GNSS 设置

我发现将 GNSS 与气压计数据结合可以提供最稳定的定高。在某些情况下，添加磁力计（UBLOX+BARO+MAG）可以改善位置估计，但它更容易受到干扰。随着 GPS 定位精度的发展，远离磁力计正在成为一种趋势。

Betaflight GPS 设置

对于我的自由式和竞速版本，具有 GPS 救援功能，我默认使用以下配置：

高级 GNSS 主题

SBAS（基于卫星的增强系统）

根据我的经验，区域系统可以显著提高 GNSS 的精度：

• WAAS（广域增强系统）：北美
• EGNOS（欧洲地球静止导航叠加服务）：欧洲
• MSAS（多功能卫星增强系统）：日本
• GAGAN（GPS 辅助地球静止轨道增强导航）：印度
• SDCM（差分校正和监测系统）：俄罗斯

这些系统提供校正数据，可以将精度从 3-5 米提高到 1-2 米。当我在欧洲使用 EGNOS 和北美使用 WAAS 飞行时，我最明显地注意到了这些好处。校正对高度精度尤其有价值，高度通常是 GNSS 定位中最薄弱的维度。

除了提高精度外，SBAS 系统还提供完整性监测，有助于识别不可靠的卫星信号。对于安全关键型应用，知道何时不信任位置数据与拥有准确的数据同样重要。

RTK（实时动态）

对于我的测绘和勘测无人机，RTK 带来了变革：

基本原理：载波相位测量，实现厘米级精度
组成部分：

• 基站：固定位置参考
• 流动站：无人机上的移动接收器
• 校正链路：无线电或网络连接

精度：在理想条件下通常为 1-3 厘米

设置 RTK 需要更多的组件和复杂性,但对于精确应用来说,结果是值得的。我使用 4G/LTE 连接从公共服务接收 NTRIP 校正数据,这消除了对本地基站的需求。

我遇到的 RTK 的主要限制是:

• 需要清晰的天空视野
• 基站在约 10 公里范围内(尽管网络 RTK 扩展了这一范围)
• 可靠的校正数据链路
• 需要初始化时间

对于大多数休闲飞行,RTK 是不必要的。但对于测绘、测量、精准农业和自动着陆,它是非常宝贵的。以厘米级精度重复返回完全相同位置的能力为许多专业应用开辟了可能性。

PPP(精密单点定位)

对于我的一些 RTK 不实用的偏远探索飞行:

• 基本原理:使用精确的卫星轨道和时钟数据
• 优点:不需要基站
• 缺点:收敛时间更长(几分钟到几小时)
• 精度:分米级(10-30 厘米)

由于收敛时间要求,PPP 在无人机应用中不太常见,但对某些特殊应用来说它是一种宝贵的技术。我将其用于长时间测绘任务,无人机在开始测绘模式之前有时间达到收敛。

多频段接收

最新的高端模块如 ZED-F9P 使用多个频段:

• 单频:大多数无人机 GNSS (L1/E1/B1)
• 双频:高端模块(L1+L5/E5/B2)
• 优点:

• 更好的多路径缓解
• 更快的 RTK 初始化
• 提高精度
• 在挑战性环境中表现更好

区别是显而易见的——我配备 F9P 的测绘无人机比我使用过的旧的单频 RTK 系统更快地实现 RTK 固定。多路径缓解在有反射表面如水或建筑物的环境中特别有价值。

GNSS 问题排查

多年来,我遇到并解决了无数 GNSS 问题。以下是最常见的问题及其解决方案:

卫星接收不良

症状:

• 获取的卫星数量少
• HDOP 值高
• 位置数据不一致
• 频繁 GNSS 丢失

解决方案:

• 改善天线放置——我看到仅将天线移离干扰源几厘米就有显著改善。
• 远离干扰源——特别是视频发射机和电源线。
• 使用多星座模块——更多卫星意味着更多良好接收的机会。
• 检查物理障碍物——碳纤维尤其有问题。
• 验证天线连接——松动的连接可能导致间歇性问题。

我曾花费数小时排查一个新搭建的无人机的接收不良问题,最后发现是碳纤维顶板阻挡了信号。添加一个 15 毫米的支架将模块抬高立即解决了问题。

卫星捕获缓慢

症状:

• 首次定位时间长
• 飞行前 GPS 锁定延迟

解决方案:

• 更新到更新的模块——每一代都改进了捕获时间。
• 启用所有可用星座——更多卫星意味着更快捕获。
• 设置适当的动态模型——将无人机设为"行人"可能会减慢捕获速度。
• 确保电池电压稳定——电压下降可能会重置捕获过程。
• 考虑在挑战性环境中使用外置天线——有时内置天线还不够。

我发现在飞行间隙保持接收机通电(使用小电池)可以通过维持星历数据显著减少捕获时间。

位置漂移

症状:

• 位置保持逐渐移动
• 返航着陆点偏离起飞点
• 航点未准确跟随

解决方案:

• 等待更好的卫星覆盖（更低的 HDOP）– 我总是等到 HDOP < 2.0 才信任位置数据。
• 提高最低卫星要求 – 更多的卫星通常意味着更高的精度。
• 如果可用，启用 SBAS – 校正可以显著减少漂移。
• 检查影响罗盘的磁干扰 – 罗盘问题经常伪装成 GNSS 问题。
• 考虑环境因素（树木、建筑物）– 多路径反射会导致位置误差。

在一次测绘任务中，我注意到无人机逐渐偏离航线。问题原来是校准不良的罗盘受到电机的影响。远离任何金属物体重新校准罗盘解决了这个问题。

GNSS 故障

症状：

• 突然的位置跳跃
• 不稳定的导航行为
• 暂时失去位置

解决方案：

• 调整 GNSS 滤波参数 – 大多数固件都有设置来平滑 GNSS 数据。
• 增加导航平滑度 – 这可以滤除瞬时故障。
• 检查间歇性电气干扰 – 开关电源是常见原因。
• 更新到最新固件 – 许多 GNSS 问题在固件更新中得到解决。
• 考虑升级到新一代硬件 – 新型接收器对虚假信号的抑制能力更强。

我发现在 GNSS 模块的电源输入端增加一个电容，有助于减少电源系统电气噪声引起的故障。

诊断工具

U-Center（Ublox 配置软件）

这是我诊断 GNSS 问题的首选工具：

• 用途：配置和监控 Ublox GNSS 接收器
• 功能：

• 实时卫星跟踪
• 信号质量监测
• 配置参数调整
• 固件更新
• 性能分析

我通过 USB 或飞控的 UART 直通连接。卫星信号强度视图对识别干扰问题特别有用 – 你会看到所有卫星的信号强度都降低，而不仅仅是特定的几颗。

https://www.u-blox.com/en/product/u-center-zh/

GNSS 查看器

内置于大多数飞控软件中：

• 用途：可视化 GNSS 性能
• 示例：

• Mission Planner GPS 状态
• INAV GPS 设置界面
• Betaflight GPS 选项卡

我总是在飞行前检查这些，以验证良好的接收。我监控的关键指标是：

• 卫星数（越多越好，对于关键任务我希望看到 14 颗以上）
• HDOP 值（越低越好，我的目标是 < 1.5）
• 定位类型（导航需要 3D，精密应用需要 RTK 浮点/固定）
• 信号强度（表示接收质量和潜在干扰）

黑匣子分析

用于飞行后诊断：

• 用途：回顾飞行期间的 GNSS 性能
• 工具：

• Blackbox Explorer
• Flight Review（ArduPilot）

通过黑匣子分析，我发现了许多飞行中不明显的细微问题。需要检查的关键数据包括：

• 位置精度随时间变化
• Home 点漂移
• 导航性能
• GNSS 信号质量

将 GNSS 数据与其他传感器（如加速度计）进行比较，可以发现影响导航性能的集成问题。

GNSS 技术的未来趋势

根据我使用最新模块和行业发展的经验，以下是我对 GNSS 技术发展方向的看法：

硬件进步

• 多频段标准：双频在消费设备中变得越来越普遍。我预计这将在 2-3 年内达到业余无人机，带来更好的精度和可靠性。

• 小型化：更小、更轻的模块，性能更好。集成化趋势将继续，GNSS、罗盘、气压计甚至 IMU 集成在单个封装中。

• 集成：GNSS、罗盘、气压计和无线电的组合。我已经在一些高端模块中看到了这一点，它简化了布线并减轻了重量。

• 功耗效率：延长电池寿命，用于长距离任务。M10 的 Super-E 模式只是个开始 – 未来的模块可能会进一步降低功耗。

• 天线技术：在更小的封装中改善接收。天线设计不断进步，更小的外形带来更好的性能。

软件创新

• 改进的算法：更好的位置估计和滤波。机器学习方法开始出现在商业系统中，最终将达到业余无人机。

• AI 增强定位：用于挑战性环境的机器学习。我看到早期研究使用神经网络来改善城市峡谷中的定位。

• 传感器融合：与其他导航传感器更紧密集成。GNSS、视觉定位和惯性导航之间的界限将继续模糊。

• 完整性监测：更好地检测不可靠的信号。随着无人机变得更加自主，知道何时不信任 GNSS 数据变得越来越重要。

• 简化设置：更直观的配置。GNSS 设置的复杂性一直是许多用户的障碍，但新系统正变得更加即插即用。

新兴技术

• LEO 卫星导航：低地球轨道星座，提高精度。像 Starlink 这样的系统可能提供比传统 GNSS 更好的城市性能的导航服务。

• 视觉辅助导航：在挑战性环境中增强 GNSS 的摄像头。我已经在一些构建中使用它，其中光流传感器补充 GNSS 以获得更强大的定位。

• 量子传感器：下一代定位技术。仍在研究实验室中，但量子传感器有望在没有外部参考的情况下显著提高精度。

• 高级认证：防止欺骗攻击。随着 GNSS 欺骗变得更加普遍，认证功能对于关键应用将变得更加重要。

• 网状定位：无人机在集群中共享位置数据。我在多无人机设置中进行了实验，无人机可以使用相对定位来增强其绝对位置估计。

常见问题：关于无人机 GNSS 技术的常见问题

GPS、GNSS 和 GLONASS 有什么区别？

这是我在帮助人们构建时最常被问到的问题之一：

• GPS（全球定位系统）：由美国太空部队运营的美国卫星导航系统。它是最初也是使用最广泛的系统。

• GNSS（全球导航卫星系统）：所有卫星导航系统的总称，包括 GPS、GLONASS、Galileo、北斗和区域系统。现代接收器通常同时使用多个 GNSS 星座。

• 格洛纳斯: 俄罗斯的卫星导航系统,与GPS相似,但具有不同的轨道特性和信号结构。它是第二个最古老的全球系统,在高纬度地区提供良好的覆盖。

当有人提到无人机的 "GPS模块" 时,他们通常指的是可以使用多个卫星星座的GNSS接收器,而不仅仅是美国的GPS系统。我总是在帮助新手时澄清这一点,以避免混淆。

升级到新一代GNSS模块是否值得?

根据我升级众多无人机的经验:

• M6/M7升级到M8: 在捕获时间、星座支持和精度方面有显著改善。绝对值得升级。

• M8升级到M9: 在精度、更新率和多星座性能方面有明显改善。对于严肃的导航用途值得升级。

• M9升级到M10: 在灵敏度、功耗和城市性能方面有增量改进。对于专业应用或功率效率至关重要的情况,值得考虑。

对于大多数业余爱好飞行员来说,M8N模块对于基本导航仍然足够,而M9N为更高要求的应用提供出色的性能。M10系列或F9P主要适用于专业或特殊用途。

我将远程探索无人机从M8N升级到M9N,立即注意到获取时间和位置稳定性方面的改进。对于我的自由式四轴飞行器,它们只使用GPS进行返航,我保留了M8N模块,因为它们完全足以满足该目的。

可靠导航需要多少颗卫星?

根据我使用数十架配备GNSS的无人机的经验:

• 最低功能: 5-6颗卫星
• 建议最低: 8颗卫星
• 良好性能: 10-14颗卫星
• 出色性能: 15+颗卫星

然而,卫星数量只是等式的一部分。HDOP(水平精度因子)同样重要——较低的HDOP值(理想情况下低于2.0)表示更好的卫星几何形状和更精确的定位。

我遇到过20多颗卫星但HDOP较差的情况,因为所有卫星都聚集在天空的一部分,导致定位效果一般。相反,我也遇到过仅9颗卫星分布在天空中的出色性能,HDOP值很低。

现代多星座接收机在开阔天空条件下通常可以看到20多颗卫星,提供出色的冗余和精度。

使用多个星座会更快耗尽电池吗?

这是一个我经常从担心飞行时间的飞行员那里得到的问题:

使用多个GNSS星座确实会略微增加功耗,但影响相对较小:

• 仅GPS: 基线功耗
• GPS+GLONASS: 比仅GPS多耗电~10-15%
• GPS+GLONASS+Galileo+BeiDou: 比仅GPS多耗电~20-30%

举个例子,典型的M8N模块消耗大约25mA,而完整的多星座配置可能消耗30-35mA。在飞行期间电流消耗为5-20A的无人机上,这种差异可以忽略不计(占总功耗不到0.5%)。

我在远程构建上测量了差异,对飞行时间的影响几乎察觉不到。改进精度、更快捕获和更好可靠性的好处几乎总是超过最小的功率影响。

哪个GNSS星座最准确?

根据我在不同地区的测试:

• GPS: 通常3-5米精度,非常一致和可靠
• GLONASS: 通常4-7米精度,在高纬度地区表现更好
• Galileo: 1-3米精度,为民用精度而设计
• 北斗: 全球3-5米,亚太地区2-3米

然而,最佳性能来自于将多个星座一起使用,因为它们互补彼此的优缺点。在良好条件下,使用所有可用星座的现代接收机通常可以达到1-3米的精度,优于任何单一星座。

根据我的经验,Galileo目前在全球系统中提供最佳的民用精度,但其优势在与其他星座结合使用时最为明显。

我可以在普通无人机上使用RTK吗?

是的,可以在普通无人机上实现RTK,但需要考虑一些因素:

要求:

• 支持RTK的GNSS模块(如ZED-F9P)
• 支持RTK的飞控(ArduPilot, INAV有限制)
• 用于校正的基站或NTRIP服务
• 用于校正传输的数据链路(遥测无线电,4G/LTE)

实际考虑因素:

• 增加的成本(RTK硬件150-300美元)
• 设置复杂性增加
• 需要校正数据源
• 对标准FPV飞行的好处有限

我在几个构建上实现了RTK,虽然厘米级精度令人印象深刻,但对于休闲飞行、竞速或自由式飞行来说通常是不必要的。RTK有意义的地方是测绘、测量、精准农业和自动着陆应用。

对于我的测量无人机,我使用ZED-F9P模块,通过4G连接从公共服务接收NTRIP校正。与标准GNSS实现相比,设置更复杂,但对于专业应用来说,结果是值得的。

环境因素如何影响GNSS性能?

各种环境因素可能显著影响GNSS接收:

• 城市峡谷: 建筑物阻挡和反射信号,精度降低5-10倍。在单星座接收机的密集城市环境中,我观察到20多米的位置误差。

• 茂密的树冠: 树木可以将信号衰减10-30分贝,降低卫星可见度。我发现在森林地区,通常需要飞到树冠上方才能进行可靠导航。

• 水体: 反射会导致多路径误差。在绘制海岸线时,我注意到由于信号反射,在水边会出现位置跳跃。

• 天气: 大雨可能略微降低信号质量(1-2分贝衰减)。根据我的经验,这很少导致明显的性能问题。

• 电离层条件: 太阳活动会影响精度。在太阳风暴期间,我观察到性能略有下降,不过现代接收机可以很好地处理这种情况。

• 干扰源: 附近的射频干扰会阻断接收。我曾经遇到过一架无人机拒绝获得位置锁定,直到我意识到我的无线麦克风系统正在造成干扰。

多星座接收机通过提供更多卫星和频率来缓解这些问题,但没有任何GNSS系统能完全免受环境挑战的影响。对于在恶劣环境中的关键应用,我总是考虑补充导航技术,如光流或视觉定位。

结论

GNSS技术已经从其军事起源发展成为现代无人机系统的重要组成部分。从单星座GPS到多星座GNSS接收机的过渡显著提高了导航性能、可靠性和能力。

了解GPS、GLONASS、伽利略和北斗之间的差异,以及接收机技术从早期模块到最新的M10和F9P一代的演变,使无人机飞行员能够就其导航系统做出明智的决定。无论您是出于娱乐、竞赛、自由式还是专业应用而飞行,选择适当的GNSS技术并正确实施都可以增强无人机的能力和安全性。

随着GNSS技术通过多频段接收、改进的算法以及与其他传感器的集成而不断发展,我们可以期待在挑战性环境中获得更好的性能,并为专业应用提供更精确的定位。通过了解这些发展并理解如何优化当前设置,您可以确保无人机导航系统发挥最佳性能。

参考资料和延伸阅读

• 无人机长距离飞行和扩展FPV操作
• 无人机飞行理论:多旋翼飞行的物理和原理
• 全球无人机法规:合法飞行指南