3、GPS测高原理：高程系统与垂直精度分析
聊到GPS测高，很多同学第一反应就是“卫星定位嘛，高度不就是算出来的？”
嗯，这话没错，但实际做起来，坑比想象中多得多。
我最早做无人机定高的时候，就被GPS高度坑过一次——飞机悬停高度明明设了50米，结果飞控显示高度一直在45到55米之间跳。后来一查，问题出在高程系统上。
说白了，GPS测高不是简单的“算个Z坐标”就完事了。
你得先搞清楚：它算出来的高度，到底是以什么为基准的？
3.1 三个高程系统：大地高、椭球高、正高
这三个概念，我建议你记牢。做飞控定高时，它们会反复出现。
- 大地高：GPS直接输出的高度。以WGS-84椭球面为基准。
- 椭球高：和大地高基本是一回事。只是叫法不同。
- 正高：以大地水准面（平均海平面）为基准。我们平时说的“海拔高度”就是它。
你想想看，GPS卫星测的是你到椭球面的距离。但无人机飞行的相对高度，通常是以起飞点的海拔为参考的。
这两个基准面之间，差了多少？
我做过实测：在华北平原，大地高和正高之间大约差20-30米。到了青藏高原，这个差值能到50米以上。
所以，如果你直接用GPS输出的大地高去做定高控制，飞机很可能“飞偏”。
核心结论：GPS输出的是大地高。飞控里需要做高程系统转换，才能得到可用的正高或相对高度。
3.2 GPS垂直精度分析
GPS的水平定位精度，现在能做到2-3米（单点定位）。
但垂直精度呢？
说实话，差很多。
为什么会这样？
因为卫星的几何分布。GPS卫星都在天上，它们在你头顶方向上的“视线”角度变化范围有限。水平方向上有4颗以上卫星就能解算，但垂直方向上的几何强度（DOP值）通常比水平方向大1.5到2倍。
我习惯用一个经验值：
GPS垂直精度 ≈ 水平精度 × 1.5 ~ 2.5
举个例子：
如果水平精度是3米，那垂直精度可能在4.5米到7.5米之间。
这个误差，对于无人机定高来说，太大了。
| 定位模式 | 水平精度（CEP） | 垂直精度（2σ） |
|---|---|---|
| 单点定位 | 2-5米 | 4-10米 |
| DGPS | 0.5-1米 | 1-2米 |
| RTK | 0.02-0.05米 | 0.05-0.1米 |
你看，单点定位的垂直精度，基本没法直接用。RTK虽然好，但成本高、复杂。
所以，在飞控里，我们通常不会只依赖GPS测高。
我的经验：在消费级无人机上，GPS高度只用来做“长期漂移校正”。短时间的定高，还是靠气压计和IMU融合。
3.3 多路径效应
多路径效应，说白了就是GPS信号不是直接到接收机的。
它可能先打到地面、建筑物、水面，再反射到天线。
反射信号比直达信号多走了路，时间上就有延迟。接收机一算，位置就偏了。
多路径效应对高度的影响，尤其明显。
为什么？
因为反射信号通常来自地面或低角度障碍物。它们会引入一个“虚假的低高度”分量。
我曾经在测试中遇到过：
无人机在湖边悬停，GPS高度突然往下跳了8米，然后又弹回来。
查了半天，发现是湖面反射了卫星信号。水面的反射系数很高，多路径效应特别严重。
避坑指南：
- 天线安装位置要远离机身金属结构
- 避免在大型水面、玻璃幕墙附近飞行
- 使用扼流圈天线或抗多路径天线
- 在飞控软件里加入多路径检测和剔除算法
3.4 知识体系图
下面这张图，帮你理清GPS测高的核心逻辑：
3.5 实际工程中的处理建议
说了这么多理论，最后给点实在的：
- 不要直接用GPS高度做控制。它的噪声和延迟都太大。
- 做高程系统转换。至少要知道你用的高度是大地高还是正高。
- 多路径效应要重视。特别是城市峡谷、水面、雪地这些场景。
- GPS高度适合做“慢速校正”。比如每10秒修正一次气压计的零点漂移。
一个小技巧：在飞控初始化时，记录GPS大地高和气压计高度的差值。飞行过程中，用这个差值来实时修正气压计的零点。这样既保留了气压计的短时精度，又消除了长期漂移。
嗯，GPS测高这块，内容其实不少。但核心就三点：
高程系统要分清、垂直精度要心里有数、多路径效应要防着点。
搞懂了这些，后面做融合定高时，你就能少踩很多坑。