第三章：GPS与定位技术
各位同学，今天我们来聊聊无人机自主起降中最关键的一环——定位。说白了，无人机要是不知道自己在哪里，那什么自主飞行都是空谈。我这些年调试过的无人机，十有八九的故障都跟定位有关。嗯，咱们一个一个来看。
3.1 全球导航卫星系统（GNSS）原理
GPS、GLONASS、北斗，这些名字大家肯定不陌生。它们的工作原理其实差不多：卫星不停地发信号，说“我是某某卫星，我在某某位置，现在时间是几点几分几秒”。无人机收到信号后，算一下信号飞了多久，就能知道距离这颗卫星有多远。
理论上，收到三颗卫星的信号就能定位。但实际中，我建议至少搜到6颗以上才敢起飞。为什么？因为卫星信号穿过大气层会有延迟，接收机本身也有时钟误差。多几颗卫星，就能用最小二乘法把这些误差给“平均”掉。
核心要点：单点定位精度一般在2-5米。这个精度对于航线飞行够用，但对于自主起降，尤其是降落，远远不够。
我在项目中遇到过一件事：有一次在山区测试，GPS信号被山体遮挡，无人机定位飘了十几米，差点撞树。从那以后，我养成了一个习惯——每次起飞前先看卫星分布图，看看卫星是不是都挤在一个方向。
3.2 RTK差分定位
RTK，全称是实时动态差分定位。说白了，就是在地面放一个已知位置的基准站，它和无人机同时接收卫星信号。基准站算出自己的测量误差，然后把这个误差发给无人机。无人机用这个误差来修正自己的定位。
你想想看，基准站和无人机接收到的信号误差是高度相关的。所以修正之后，精度能从米级直接降到厘米级。我做过实测，RTK固定解状态下，水平精度可以到2厘米，垂直精度3-5厘米。
| 定位方式 | 水平精度 | 垂直精度 | 适用场景 |
|---|---|---|---|
| 单点GPS | 2-5米 | 4-8米 | 航线飞行 |
| RTK差分 | 1-3厘米 | 3-5厘米 | 自主起降、精准作业 |
| PPK后处理 | 1-2厘米 | 2-4厘米 | 测绘、不需要实时定位 |
个人经验：RTK虽然精度高，但有个致命弱点——需要稳定的数据链路。如果基准站和无人机之间的通信断了，RTK会降级为浮点解，精度瞬间掉到分米级。我曾经在楼群密集区飞丢过一架飞机，就是因为数据链路被遮挡了。
3.3 视觉定位（VIO）
VIO，视觉惯性里程计。它用摄像头拍图像，用IMU测加速度和角速度，两者融合来推算位置。为什么需要融合？因为摄像头在快速运动时会模糊，IMU在长时间积分后会漂移。两者互补，效果才好。
VIO的核心流程是这样的：
- 摄像头采集图像，提取特征点（比如角点、边缘）
- IMU测量加速度和角速度，做预积分
- 把图像特征和IMU数据一起丢进优化器，求解位姿
我记得有一次在室内测试，GPS信号完全丢失，全靠VIO撑着。结果无人机飞了10分钟，位置误差才累积了不到20厘米。嗯，这个表现让我对VIO刮目相看。
注意：VIO对光照条件很敏感。在黑暗环境或者纹理稀疏的地方（比如白墙、水面），特征点提取会失败。我建议在室内部署一些视觉标记（比如AprilTag），作为辅助定位。
3.4 光流定位
光流定位，原理很简单：无人机底部的摄像头连续拍照，比较两帧图像中特征点的移动，就能算出无人机相对地面的速度。再对速度积分，就能得到位置。
光流定位的优点是便宜、轻量。一个光流传感器才几十块钱。但缺点也很明显：
- 只能测相对运动，不能测绝对位置
- 高度越高，精度越差（一般建议在10米以下使用）
- 地面纹理变化时容易失效
我在做小型四轴飞行器时，经常用光流+超声波组合来实现室内悬停。光流提供水平速度，超声波提供高度。这个组合在2-3米高度内，悬停精度可以做到10厘米左右。
3.5 室内定位方案对比
室内没有GPS信号，所以需要其他方案。我整理了几种常见的室内定位方案，供大家参考：
| 方案 | 精度 | 成本 | 部署难度 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| UWB（超宽带） | 10-30厘米 | 中 | 需要部署基站 | 仓库、工厂 |
| VIO | 1-5%（距离百分比） | 低 | 无需部署 | 室内巡检 |
| 光流+超声波 | 10-20厘米 | 低 | 无需部署 | 小型无人机悬停 |
| 激光SLAM | 2-5厘米 | 高 | 无需部署 | 建图、导航 |
| 视觉标记（AprilTag） | 1-3厘米 | 极低 | 需要贴标记 | 精准降落 |
我的建议：没有一种方案是万能的。实际项目中，我通常采用多传感器融合。比如室外用RTK+视觉，室内用VIO+UWB。融合的好处是，一个传感器失效了，其他传感器还能顶上。
3.6 知识体系总览
下面这张图，是我自己画的定位技术知识体系。你可以把它当作一个“地图”，看看自己现在在哪个位置，下一步该学什么。
这张图从顶层需求往下拆解，先分室外和室内，再列出具体方案，最后落到多传感器融合。你可以看到，没有任何一种技术是孤立的。实际做项目时，我通常会把RTK作为主定位源，VIO作为辅助，光流作为最后一道防线。
避坑指南：我曾经在一个项目中，只依赖RTK做自主降落。结果降落点附近有金属板，造成多路径效应，RTK定位跳了半米，飞机直接砸在停机坪边上。后来我加了视觉定位做校验，才彻底解决这个问题。
好了，定位技术就讲到这里。记住一句话：定位是无人机的大脑，多一份冗余，多一分安全。
公众号:蓝海资料掘金营，微信deep3321