无人机飞控相关的GPS知识小结

—飞狐—

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出自   知乎专栏  飞控那些事儿
作者   across
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什么是GPS？
通常意义上讲GPS，其实应该是指Global Navigation
Satellite System全球导航卫星系统，即GNSS。主要是用来定位的系统。

GPS的种类？
目前全球定位系统有下面几种：
GLONASS           俄罗斯 格洛纳斯
Galileo-NES        欧洲 伽利略
BDS                    中国 北斗
GPS                    美国 全球定位系统
这里看到，其实GPS只是单指美国的全球定位系统，不过现在习惯上用GPS泛指其他定位系统。

为什么飞控需要GPS？
这是由无人机的操作要求和任务要求决定的。有了GPS后，无人机能够悬停飞行（定点），飞手操作的复杂性大大降低，同时，为了能够执行一些航迹飞行任务，定位信息也是必要的。
简单来说，如果只是姿态自稳的飞行，可以没有GPS，但是随着要求的提高，GPS对飞控、对无人机都是必要的部件。

GPS的工作原理？
首先，宇宙里的卫星会不停的向地面的GPS接收机（常用的GPS模块）广播当前的位置信息，包括该数据包的时间戳，当GPS模块接收到这些信息后，用当前时间减去时间戳的时间，就得到空中传输的时间，乘上传输速度，就得到卫星与GPS模块的距离。
理论来讲，为了确定GPS模块的坐标位置（NEH），3个参数，那只需要3颗卫星与GPS模块的距离就可以计算出来。
但是因为对时间差的要求特别高，由于GPS模块的时钟一般是石英钟，所以认为它的时钟时间与卫星的时间有同步误差，所以加上这个误差作为参数，这样就有4个参数待定，所以一般至少需要4颗卫星进行观测。

飞控上常用的GPS型号？
目前，用于多旋翼无人机中的GPS，常见的是Ublox的NEO-M8系列。


当然，还有其他厂家的高精度GPS模块，比如偌瓦泰，以及这两年广泛使用的差分GPS。

GPS的指标？


这里，有比较重要的几个指标：
速度数据的精度在0.05m/s；
水平的定位精度，如图所示，一般设置在GPS模式时，定位精度为2.5m左右；
输出频率，在GPS模式时，最大输出10hz。

GPS的输出协议？
以M8N模块为例，有NMEA、UBX、RTCM3种。默认NMEA、UBX两种协议都已使能，但是输出的只有NMEA协议，这个协议是ASCII码形式输出，如果与电脑上位机进行通讯时，用这种方式解析比较方便，但如果是嵌入式单片机（飞控一般属于此类）与GPS模块进行通信，一般用UBX协议，其输出格式是二进制。

UBX数据帧结构


前两个字节是同步头，接收模块通过查找这两个同步头，可以确定这包数据按照什么格式进行接收。
CLASS字节表明接收的数据组信息；
IP字节表明接收的数据组里的什么信息；
长度信息用两个字节表示，表明数据包里有多少个数据，且是小端模式（大小端模式，主要是说，比如一个16位的数据在传输过程中，将高8位的数据放在前面还是后面）。
PAYLOAD存放的即数据信息。
CK_A和CK_B是两个字节的校验位，对CLASS到PAYLOAD的数据进行校验，为了确保数据包在传输过程中数据的正确。

GPS模块的设置
为什么需要设置？
设置GPS模块，主要是为了让模块能够输出想要的信息，包括输出频率等。

设置的方法？
1.电脑端上位机设置


用USB转串口模块，将GPS模块与电脑相连，用官方给的u-center上位机进行设置。
优点：嵌入式程序不需要做相应的代码编写；
缺点：需要GPS模块能够保存设置信息，掉电不丢失；

2.嵌入式程序，在上电初始化的时候进行设置（常用方式）。
优点：对GPS模块没有要求，不要求其能够保存设置信息，方便使用；
缺点：飞控程序需要编写相应的初始化设置代码（代码可参考后面给出的链接）；

飞控需要GPS哪些信息（即需要设置哪些参数）？
以开源飞控px4为例：


实际应用中，我们可以不需要解码出这么多信息，常用的如下：
经纬度、海平面高度              lat   lon   alt
锁定类型                              fix_type
水平/垂直精度估计               eph  epv
水平/垂直精度因子               hdop  vdop
GPS噪声值                          noise_per_ms
NED系速度                         vel_n_m_s    vel_e_m_s  vel_d_m_s
卫星数                                satellites_used

如何设置？
以电脑上位机设置示例：
1.连接相应的com口，打开Messages  View窗口


2.点击UBX窗口，因为与飞控之间的通信都是用的UBX协议，所以我们要在UBX窗口进行配置


3.设置模块输出的方式，选择串口，输入输出都选择UBX协议


4.点击下方按钮，能够看到发出的命令具体是什么，在嵌入式代码编写中，最简单的笨办法就是通过电脑上位机将这些命令保存下来，直接在嵌入式代码中赋值给数组保存起来调用


5.设置GPS模块的输出频率，如图，选择UTC时间，5Hz输出


6.设置一些参数，比如动态模式小于2g（一般飞行不会超过该数值），fix类型为3d锁定等


7.设置输出的数据消息类型，在m8n系列中，可以直接选择NAV-PVT输出，就包含了常用的一些信息，比如经纬度、高度、NED速度等


如下图所示，GPS模块正在输出PVT数据包


8.设置输出DOP数据包


9.设置输出星数数据包



GPS相关的坐标系
GPS的数据全部是在WGS-84坐标系下的，而飞控做定点控制，对位置进行解算、控制都在北东地NED坐标系下，所以要将GPS的数据进行转换（主要是位置数据经纬度）。
多说一句，GPS输出的高度一般不会用来进行高度推算，在大范围的高度变化情况下，具有一定的参考意义（相对变化），但是GPS的高度会随机漂移，所以一般不会使用这个数据（笔者自己的看法）。
有关坐标系转换的数学表达式这里不再进行推导，有兴趣的可以自行查找资料推导，以工程应用为主，直接给出ned系和WGS-84系互相转换的函数（参考px4代码），图中的ref为原点，即home点。
由home点坐标和当前点坐标，计算出NED系下当前点与原点的距离。


反之，由home点坐标与ned系下的距离，推算出当前点的坐标。



飞控中如何判定GPS可用？
标准不定，但是基本原则是根据精度来判定。
这里插入讲一下，笔者有次在某个群里看到有人问飞控算法里的eph epv表示什么意思，有人回答说是水平和垂直的精度因子，然后一大群人附和这个说法，但其实这个说法是错误的。
首先，水平/垂直精度因子是dop数据包解析出来的hdop vdop。
这里的eph epv是pvt数据包里的hAcc vAcc，单位是mm，飞控中将其转换到m。简单理解就是水平和垂直方向的精度，这个数据是估计出来的。
在飞控算法中也更新这个数据。所以，参考开源代码的时候，要看的细致一些，不能想当然的认为，包括网络查找的答案不能尽信，要自己审核确认下。


这里通过判定gps的噪声值、fix_type来判定gps是否可用。
在组合导航算法中，通过eph、epv和fix_type来判定。



eph  epv在导航算法里的小应用
比如用来自适应调整GPS参与融合的权重值。


如图所示，这里的min_eph_epv为2，也就是说，当GPS的eph、epv小于2的时候，gps
参与融合的权重为1，当GPS的eph、epv大于2的时候，这时候GPS的数据质量不佳，同时，权重值也小于1，达到自适应调整权重值的目的。

为什么不用星数作为判定条件？
星数数据是离散变化的，很容易在设定的阈值上下跳变，这种情况下，飞行模式会不断的进行切换，导航算法也在不停的切换，程序容易出现问题，也不稳定。

Dop是什么意思？
Dop分为以下几种：


常用的有：
PDOP(position dilution of precision ) 三维位置精度因子：为纬度、经度和高程等误差平方和的开根号值
HDOP（horizontal dilution of precision ）水平分量精度因子：为纬度和经度等误差平方和的开根号值
VDOP（vertical dilution of precision ）垂直分量精度因子
GDOP（Geometric Dilution Precision）几何精度因子:是衡量一个定位系统精度的重要标准之一
它们之间的简单关系为：
HDOP2+VDOP2=PDOP2
DOP值的大小与GPS定位的误差成正比，DOP值越大，定位误差越大，定位的精度就低。PDOP则直接反映GPS卫星的分布情况，当PDOP较大时，表明空中的4颗GPS卫星几何分布不是太理想，他们构成的图形周长太短，定位精度就低，反之亦然。小于等于4的PDOP产生最佳位置。5到7之间的PDOP可接受，大于等于7的PDOP较差。

GPS解码与环形缓冲区
网上有些源码，gps解码采用的是串口中断方式。当然，源码只实现gps解码的话，这种方式问题不大，但是在整个飞控工程中，采用这种方式并不好。
原因：
嵌入式实时响应系统的中断使用，有一个原则，就是快进快出。在进入中断的时候，这个中断执行函数就必须尽可能快地执行完毕，然后跳出这个中断，使得比它优先级低的中断能够得到响应。所以在遇到一些接收数据量大，然后数据同时需要进行计算解析的时候。如果不使用缓冲队列进行管理数据，那必然需要在中断执行函数里面完成，接收同时完成解析。这样解析的时间如果过长，就势必会影响中断的执行长短，然后从而影响着整个系统的实时性。如果系统的任务比较多的时候，这个中断的执行时间太长，从而引起其他的任务无法正常的运行，有可能会导致整个系统的崩溃。所以，采用了缓冲队列的方式，将数据进行保存下来。然后在主控制器中解析这些数据，这样既保证了中断的实时性，又保证了我所接收到的数据能够完整的进行解析。
举个例子：假设这样一种情况，我们在中断里面去接收数据前，同时解析数据。当接收到一个字节的数据的时候，再进行一些计算，如果这个时候有更高优先级的中断发生了，那系统肯定要跳到中断优先级高的执行函数里面去执行，如果这个高执行函数执行时间过长。在还未跳到低优先级的中断的时候，这个时候来了几组新的数据，这样就会新数据会覆盖之前的数据，引起丢桢。

所以为什么要用环形缓冲区ringbuffer？
用于接收不定时、量大、数据，且数据需要分析处理。
还有一个优点，做解码的时候，并不会去判断我是不是接受了一完整的数据包。一般的做法是，把gps的数据接收下来，保存在缓冲区。主函数里面一有空就去解析这个缓冲区里面的数据。因为一个完整格式的数据帧，里面还有数据头和检验，根据这个，就能够识别出这个数据包头。所以并不需要等到一个完整的数据包接收完全之后再去解析。

参考源码（移植pixhawk GPS解码代码）：
硬件平台：Pixhawk v2硬件 F4主芯片
软件环境：mdk stm32 cube HAL库  C语言
百度云盘
链接: https://pan.baidu.com/s/1BCS4n_g_CZQDdxbLgu-s_A
密码: rysu

GPS数据在飞控中如何使用？
首先，在做定点飞行控制时，如果直接使用GPS反馈的数据，也是能够实现功能的。但是需要注意的是，前面讲到GPS模块的输出频率，最大10hz，而通常做定点控制时，控制频率是达到50hz以上（px4在100~200hz左右），反馈的数据频率带宽过低，这样控制增益不能加大，控制效果偏弱，甚至出现不稳定的现象（抖动、电机声音抽搐）。

说到控制，插入两个知识点：
什么是控制带宽？
简单来说一句话，控制带宽决定了系统的快速性。
以飞行器这个对象来说，高带宽意味着高性能，飞机的快速响应能力，但高带宽是建立在高成本的基础上的。比如飞行器的机体材料需要刚性强的，动力系统的响应能力要快，飞控的芯片处理能力快，传感器延迟小等等条件。
一般来说，飞行器的带宽在30hz左右，所以传感器的低通滤波的截止频率一般设置在30hz。某些震动大的飞行器，可以设置更低一些，一般震动大的，轴距也大，所以快速性要求没那么高。

传感器采样频率、控制频率之间的关系？
一般来说，传感器的采样频率尽可能越高越好，比如gyro数据1000hz采样，实际在姿态估计算法中是200hz读取，这样多出来的数据点能用来做滤波处理，尽可能的保存真实信息。
控制器频率则一般根据系统的带宽决定，一般来说，控制频率是带宽的5倍左右（理论推导不详述了，请自行查阅书籍）。
在多旋翼飞行器中，一般包含了4个控制回路，角速度控制、角度控制、速度控制、位置控制。以角速度控制为例，前面gyro滤波器设置的截止频率为30hz，所以最好角速度控制达到150hz以上。当然，这些没有标准的设置，基本合理就可以，底层的角速度控制频率尽可能高些，200~400左右即可。

如果反馈的数据频率低于控制频率怎么样？
常见的，以飞行器的定点控制为例，如直接使用GPS数据作为速度、位置反馈，GPS的数据频率可设置到10hz，但一般速度位置的控制频率在50hz以上。这样做，也是可以的，飞行器能够实现定点功能，但是存在一些问题，比如控制参数不能设置过大（与高频率的反馈数据相比），飞行过程中出现细微的不稳定现象等。
综上：传感器采样频率越高越好，控制频率低于反馈数据的采样频率，同时尽量保证控制频率大于带宽5倍以上。

所以，飞控解码得到GPS的数据之后，会做数据融合，简单来讲，就是通过与加速度计数据、姿态数据、气压计数据进行组合导航，估计出所需的惯性导航数据。
好的融合算法，能够使得估计出来的数据相比GPS原始数据，频率提升，且具有相位超前（GPS的数据一般较实际反应，延迟150ms左右）。
有关组合导航的估计算法，后面会单独写文章进行描述，这里不再赘述。

GPS数据质量不佳会有什么影响？
前面提到，需要用GPS的数据进行数据融合，如果GPS原始数据质量不佳（满足可用条件，但是不够好），会对融合算法产生影响，实际飞行时，比如GPS模式下飞行时，打杆操作不正常，返航精度不够等，总而言之，增大了炸机的风险。

补充：
Ø GPS第一次在一个地方上电的时候，搜星时间比较长一些，一般需要1min左右，如果在同一地点，上电间隔时间短的话，搜星很快，20s内就能搜星成功，达到GPS可用状态。
Ø 一般空旷环境下，星数在15颗以上，就认为GPS质量相对较好了，大部分人都是通过星数判定GPS的数据质量。
Ø 阴雨天气，楼层之间等环境下，GPS数据质量会受到很大影响，因此不建议在这种状态下飞行。

后记：
本文笔者从飞控的角度去理解总结gps相关的知识点，当然，关于gps的知识有很多，从飞控来说，不需要面面俱到，有错误的地方还请指出，谢谢！
另外，笔者对于专栏最近的安排，打算对之前文章的内容进行更新，修改其中不合时宜甚至错误的地方，读者们留意！