4. GPS/RTK信号丢失与异常
各位同学，咱们今天聊一个飞控系统里最让人头疼的问题——GPS信号丢了怎么办。我做了这么多年飞控，说实话，GPS出问题的概率比电机烧毁高得多。你想想看，一架无人机在天上飞，突然GPS信号没了，或者位置数据开始乱跳，那感觉就像你开车时导航突然黑屏一样。
但无人机比汽车更麻烦。汽车没导航还能靠眼睛看路，无人机没了GPS，姿态不稳、位置漂移，分分钟炸机。所以，这一章我们重点解决三个问题：怎么检测GPS信号丢失、怎么处理GPS漂移和跳变、以及在没有GPS的情况下如何靠惯性导航撑住局面。
4.1 GPS信号丢失检测
先说检测。GPS信号好不好，我一般看两个指标：卫星颗数和HDOP值。卫星颗数少于8颗，或者HDOP大于2.0，基本就可以判定信号不行了。但这里有个坑——卫星颗数多不代表信号就好。我记得有一次在山区测试，卫星显示12颗，但HDOP飙到了3.5，结果飞机直接飘了20米。
核心检测逻辑：
- 卫星颗数阈值： 低于8颗触发警告，低于6颗强制切换
- HDOP阈值： 大于2.0触发警告，大于3.0强制切换
- 连续失效计数： 连续5帧数据异常才判定丢失，避免误触发
我个人习惯在代码里加一个滑动窗口滤波器。什么意思呢？就是取最近10帧的GPS数据做平均，如果当前帧和平均值的偏差超过3倍标准差，我就认为这帧数据有问题。这样能有效过滤掉偶尔的跳变。
// GPS信号质量检测伪代码
bool check_gps_quality(gps_data_t *gps) {
// 卫星颗数检查
if (gps->satellites < 6) {
return false; // 信号太差
}
// HDOP检查
if (gps->hdop > 3.0) {
return false; // 精度太差
}
// 滑动窗口一致性检查
static float history[10];
static int idx = 0;
history[idx % 10] = gps->position;
idx++;
if (idx >= 10) {
float mean = 0, std = 0;
for (int i = 0; i < 10; i++) mean += history[i];
mean /= 10;
for (int i = 0; i < 10; i++) std += pow(history[i] - mean, 2);
std = sqrt(std / 10);
if (fabs(gps->position - mean) > 3 * std) {
return false; // 数据跳变
}
}
return true;
}
我的经验： 别只依赖GPS模块自带的状态标志。有些模块明明信号很差，还给你报"定位有效"。我一般会同时检查卫星信噪比（SNR），低于30dBHz的卫星直接排除。
4.2 GPS漂移与跳变处理
GPS漂移是最隐蔽的问题。它不像信号丢失那么明显，但危害更大。你想想看，飞机明明在悬停，GPS位置却在慢慢飘，飞控以为自己在移动，就会反向修正，结果越修越乱。
怎么处理？我总结了三道防线：
- 速度阈值检测： 如果GPS计算出的地速超过物理极限（比如固定翼超过100m/s，多旋翼超过20m/s），直接丢弃这帧数据。
- 位置突变过滤： 相邻两帧位置差超过5米（10Hz更新率下），判定为跳变。
- 加速度一致性检查： 用IMU的加速度积分出的位移和GPS位移做对比，偏差太大就说明GPS有问题。
注意： 我曾经遇到过一种情况——GPS在低空（10米以下）时，多径效应导致位置缓慢漂移。这种漂移速度很慢，速度阈值检测根本抓不到。后来我加了一个"长时间静止检测"：如果IMU检测到飞机没动，但GPS位置在缓慢变化，就判定为漂移。
说白了，GPS漂移处理的核心就是"交叉验证"。用IMU验证GPS，用磁力计验证航向，用气压计验证高度。任何一个传感器都不能完全相信。
4.3 惯性导航（INS）辅助定位
GPS挂了怎么办？靠INS（惯性导航系统）撑住。INS说白了就是利用IMU（加速度计+陀螺仪）推算位置。但INS有个致命缺点——误差会随时间累积。你想想看，加速度计积分一次得到速度，再积分一次得到位置，任何微小的偏差都会被放大。
所以，INS只能作为短时替代方案。我个人建议：GPS丢失后，INS纯推算时间不要超过30秒。超过这个时间，位置误差可能已经大到无法接受。
INS辅助定位的关键技术：
- 卡尔曼滤波融合： 在GPS正常时，用GPS校正INS的累积误差；GPS丢失后，用最后一次校正后的INS状态继续推算。
- 磁力计辅助航向： 陀螺仪的航向漂移很快，需要用磁力计做长期校正。但磁力计容易受干扰，我一般会加一个"磁力计健康检测"。
- 气压计辅助高度： GPS高度不可靠时，用气压计替代。气压计的短时精度其实比GPS好。
// INS辅助定位简化模型
typedef struct {
vec3_t position; // 位置
vec3_t velocity; // 速度
quaternion_t attitude; // 姿态
} ins_state_t;
void ins_predict(ins_state_t *state, imu_data_t *imu, float dt) {
// 加速度积分得到速度
state->velocity += imu->accel * dt;
// 速度积分得到位置
state->position += state->velocity * dt;
// 陀螺仪积分得到姿态
state->attitude *= quaternion_from_gyro(imu->gyro, dt);
}
void ins_update_with_gps(ins_state_t *state, gps_data_t *gps) {
// 卡尔曼增益计算（简化）
float k = 0.1; // 实际应用中需要动态计算
// 用GPS校正位置和速度
state->position += k * (gps->position - state->position);
state->velocity += k * (gps->velocity - state->velocity);
}
避坑指南： 我曾经在INS初始化时犯过一个错误——没有等待IMU充分预热就直接开始积分。结果前10秒的加速度数据有零偏，导致后续所有位置推算都偏了。现在我的代码里一定会加一个"IMU预热检测"：连续采集100帧数据，计算零偏并补偿。
4.4 应急悬停策略
当GPS彻底失效，INS也撑不住的时候，最后的保命手段就是应急悬停。但这里的"悬停"不是真的悬停——因为没有GPS，飞控不知道自己的绝对位置。所以，应急悬停的本质是"姿态保持+高度保持"。
具体怎么做？
- 姿态模式： 切换到纯姿态模式，用陀螺仪和加速度计保持水平。这时候飞机不会漂移太远，但会随风飘。
- 高度锁定： 用气压计锁定高度。注意气压计受温度影响很大，我一般会加一个温度补偿算法。
- 限速保护： 限制最大倾斜角度（比如15度），防止飞机在姿态模式下失控。
- 自动降落： 如果GPS丢失超过30秒，或者电池电量不足，直接触发自动降落。别犹豫，保飞机要紧。
重要提醒： 应急悬停不是万能的。如果风大，飞机照样会被吹走。我见过最惨的一次，飞机在5级风中GPS丢失，应急悬停模式下被吹出去200多米，最后撞树上了。所以，应急悬停只是争取时间，真正的解决方案是尽快恢复GPS信号或者手动干预。
嗯，这里要注意一点：应急悬停的触发条件不能太灵敏。我见过有些飞控，GPS信号稍微波动一下就切到应急模式，结果飞机频繁切换模式，反而更危险。我的建议是：连续5秒以上GPS不可用，再触发应急悬停。
好了，这一章的内容就这些。GPS信号处理是个系统工程，从检测到处理再到应急，每一步都不能马虎。下一章我们会聊更刺激的话题——传感器故障与冗余切换。到时候见。