2022到2023年，無人機DIY領域的GPS傳感器進入更新迭代期，基于Ublox的M9和M10方案大量推出，替換以往的M8/M8N等老一代GPS，比如微空科技的MG-A01/MG-902等型號的GPS模組。本文主要介紹這幾種GPS方案的主要區(qū)別，以及用于Ardupilot飛控的一些設置方法和注意事項。

為什么無人機一定要使用Ublox

這是一個老生常談的話題，但這也是很多剛踏入無人機DIY領域的新手可能一直沒搞清楚的一個問題。Ublox這家瑞士公司設計生產(chǎn)的GPS接收機芯片方案，在無人機領域幾乎處于壟斷地位，從最初的5代6代，到廣為流行的8代雙模，再到今天的M9/M10多模，Ublox的GPS方案不斷升級，為無人機的穩(wěn)定飛行提供了強有力的支持和保障。而在其它領域，還有著各種各樣的GPS方案，為什么無人機上就Ublox一家獨大呢，簡單概括就是：一直以來，幾乎只有Ublox的方案才能滿足無人機的性能需求。

GPS產(chǎn)品性能有著非常多的評價指標，比如新手也能輕松理解的搜星顆數(shù)、啟動速度等，除此之外還有定位精度、測量頻率、速度精度等等指標。而定位精度也分絕對精度和相對精度，絕對精度會影響無人機的返航精度，相對精度則是指一定時間內(nèi)的偏移誤差，比如多軸無人機的懸停定點效果便會受此誤差影響。而在這些關鍵參數(shù)上，各類國產(chǎn)GPS方案和Ublox相比均相差甚遠。

還有一個比較大的區(qū)別是，Ublox可以使用自家的UBX協(xié)議，相比傳統(tǒng)的標準NMEA協(xié)議，UBX協(xié)議提供了NED（東北天）三向速度值輸出，以及GPS定位精度估計值hacc、vacc等，相比傳統(tǒng)的hdop值相比有更直接的參考價值。最重要的是，UBX輸出的NED速度數(shù)據(jù)精度非常高，簡單的經(jīng)緯度微分得到的速度數(shù)據(jù)與之無法相比，非常適合無人機這類對定位精度和實時性要求都非常高的應用。眾所周知，GPS雖然有提供高度數(shù)據(jù)，不過誤差通常是非常大的，一般難以使用。但Ublox輸出的天向速度值卻基本可以使用，而且剛好可以在室外輔助無人機的高度信息估計，特別是在大風天氣壓數(shù)據(jù)不穩(wěn)的情況下。最新版的Ardupilot飛控固件，就需要使用到天向速度值，基本上就是綁定使用Ublox的意思了。

當然了，Ublox的王者地位肯定不會是一成不變的，有了領頭羊在前面開路，后面總會出現(xiàn)一大堆的追隨者，比如目前就有不少國產(chǎn)GPS芯片方案在迎頭追趕，如國內(nèi)的華大北斗、中科微、國科微、西南集成等芯片企業(yè)都在努力中。

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M9和M10的區(qū)別

這里所說的M9和M10，通常泛指使用Ublox的第九代（M9140）和第十代(M10050)GPS接收機芯片設計而成的GPS模組產(chǎn)品.

M9是M8的下一代產(chǎn)品，性能提升非常之大，從雙模定位升級到4模，可同時使用GPS、北斗、格洛納斯、伽利略四大衛(wèi)星系統(tǒng)，最多支持同時使用32顆衛(wèi)星，且官方標稱輸出頻率高達25Hz，定位精度和使用效果理論上相比8代要提升非常多。

M10則是Ublox的最新一代產(chǎn)品，但設計上并不是性能取向，而且綜合權衡了功耗、成本等方面因素。因此相比M9，性能上并不占優(yōu)。

不過，官標參數(shù)未必完全靠譜，一切還是以實測數(shù)據(jù)為參考標準。實際測試中發(fā)現(xiàn)M9/M10的某些參數(shù)和官方標稱還是有些出入的，最明顯的便是輸出頻率參數(shù)。M9官標25Hz，但實測下來發(fā)現(xiàn)在默認四模配置下，超過13Hz，數(shù)據(jù)便會出現(xiàn)異常。M10標稱10Hz，且確實可以配置為10Hz沒有異常，但輸出數(shù)據(jù)的實際采樣率只有4-5Hz左右。從使用來講，5Hz的GPS數(shù)據(jù)基本可以滿足飛控的需求，Ardupilot飛控的默認配置也是5Hz，但10Hz或更高的GPS數(shù)據(jù)頻率對飛行性能還是有明顯提升的，特別是機動飛行狀態(tài)下。

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選擇M9還是M10

選擇用M9或M10，還是由實際應用需求來決定的。比如在穿越機上主要用于GPS救援功能，對GPS本身性能要求并不是特別高，那么用M10便足夠了。如果是用于普通多軸無人機或者固定翼，那么還是比較推薦使用M9，性能上更占優(yōu)。

Ardupilot在固件版本4.3以后，優(yōu)化了姿態(tài)融合算法，提升了效果和精度，但是對GPS性能要求更高了。特別是用于固定翼時，在不使用羅盤的情況下，其GSF算法融合IMU和GPS信息以估計飛機航向角度，使用高精度高刷率的GPS傳感器會得到更佳的結果。

在Ardupilot飛控中使用GPS

1.??連接GPS到飛控

第一步是先完成傳感器的物理連接，以微空的MG-A01/MG-902為例，GPS模組上使用6P接口，其中分別是GND/5V/Rx/Tx/SCL/SDA，GND和5V用于供電，Rx和Tx則是串口的兩根數(shù)據(jù)線，用于傳輸GPS數(shù)據(jù)給飛控，通常需要接入到飛控的某一路串口上，注意兩邊的Rx和Tx需要交叉接。而SCL和SDA則是模塊上板載羅盤的通信接口，需要連接到飛控的IIC接口。

下圖以Pixhawk2.4.8為例說明接線方式，其它飛控請參考飛控官方提供的接線說明圖來連接GPS。

2.?Ardupilot中配置GPS相關參數(shù)

首先需要把Ardupilot的串口功能（SERIAL_PROTOCOL）設置為GPS（5），波特率可以不用設置。由于Serial3通常就是預留給GPS的，所以一般情況下這是Ardupilot的默認設置。

接下來配置GPS相關參數(shù)，在參數(shù)樹中找到GPS這一列相關參數(shù)。首先確認GPS_AUTO_CONFIG為默認值1，GPS_TYPE為1或者2，這樣飛控將會自動識別GPS模塊的波特率并自動配置Ublox。接著GPS_DELAY_MS修改為200，GPS_RATE_MS配置為200（M10）或者125（M9）。

GPS_RATE_MS這個參數(shù)意思是配置GPS的輸出速率，125表示8Hz，M9的話可以嘗試更高（不要超過13Hz）。值得注意的是，M9當輸出速率大于等于10Hz時，搜星顆數(shù)會限制最大16顆，通常是挑選質(zhì)量最好的16顆衛(wèi)星，所以對定位精度并沒有太大影響。

修改完配置并寫入?yún)?shù)后，飛控重新上電并連接MissonPlanner，如果在飛行數(shù)據(jù)的Hub右下角看到“GPS：未定位”，說明飛控已經(jīng)能成功識別到GPS了。如果識別失敗，顯示的則是“無GPS”。

到此GPS配置完畢，可以將飛機帶到室外開闊地測試GPS搜星效果了。

3.??Ardupilot中配置和使用羅盤

只要將羅盤的SCL和SDA兩根信號線正確連接飛控，Ardupilot便能自動識別并使用羅盤，飛控中需要設置的參數(shù)并不是太多。

和IMU傳感器一樣，羅盤也是有安裝方向定義的，但是Ardupilot實現(xiàn)了一個比較便利的功能，那便是羅盤方向自動識別。這功能通常是默認打開的，在參數(shù)樹中確認COMPASS_AUTO_ROT參數(shù)的數(shù)值為2即可。這樣我們便能以隨意方向安裝GPS模塊（0-90-180-270°中四選一），在校準完羅盤傳感器后，Ardupilot將會自動識別出羅盤的安裝方向。

在指南針設置頁面，可以看到羅盤傳感器是否已經(jīng)被飛控識別。

之后尋找一個空曠無干擾的區(qū)域，最好是室外，點擊軟件中的Start，開始校準羅盤，這個時候開始將飛機在各個方向上多次旋轉(zhuǎn)360°，直至校準進度條達到100%，校準成功后飛控將會自動計算出羅盤的安裝方向參數(shù)并保存。

需要注意的是，羅盤校準并不是一勞永逸的。當每更換一次飛行場地的時候，建議需要重新校準一次羅盤，保持恰當?shù)男蕝?shù)，以適應當?shù)氐牡卮怒h(huán)境。

還有一個地方需要注意的是

新版Ardupilot固件中默認使用EK3估計器，可以手動選擇傳感器來源。如果需要使用羅盤的話，請務必確認EK3_SRC1_YAW的值為1。

結語

GPS是一個非常重要的傳感器，不管是多軸還是固定翼，因此選取使用合適型號的GPS并正確配置使用，是每一個無人機DIY入門新手都必須要走的一條路，希望此文能對讀者有所幫助和啟發(fā)。

另外對于多軸來說，GPS和羅盤都是Ardupilot飛控必需的傳感器。而固定翼在某些情況下，沒有羅盤也可以單純依靠GPS和IMU來估計航向，和使用羅盤+IMU估計航向的方式各有優(yōu)劣之處，需要讀者結合自己的需求和實際使用場景來判斷使用哪種方案。