无人机失GPS后如何飞行与定位？

没有GPS，无人机就失去了在广阔空间中精确定位和自主导航的能力，它会退回到一种“近视”和“健忘”的状态，主要依赖其他传感器来工作。

下面我们从几个方面来详细解释会怎样：

核心功能的丧失或降级

无法实现“视觉定位”或“精准悬停” (No Position Hold / No Precision Hovering)

这是最直接、最显著的影响，有GPS时，无人机知道自己在世界坐标系中的精确位置（经纬度），因此可以抵抗风力,稳定地悬停在空中一个几乎不动的点上。

• 没有GPS时：
  • 室内或GPS信号弱的区域： 无人机会切换到“视觉定位”（Vision Positioning, VPS）模式，它会通过向地面发射红外或激光，分析反射点来计算高度和位置，或者通过摄像头拍摄地面图像，进行特征点匹配来估算位置，这种方式非常依赖地面纹理和光照，在光滑地面、弱光或无纹理区域（如雪地、水面）会失效，导致无人机漂移、晃动,甚至无法起飞。
  • 户外无GPS区域（如桥下、峡谷、高楼林立的城市）： VPS同样会失效，无人机只能依赖惯性测量单元，也就是陀螺仪和加速度计，这些传感器只能感知姿态（倾斜、旋转）和加速度的变化，但无法知道绝对位置，随着时间的推移，微小的误差会不断累积，导致“航向漂移”，无人机很快就会飞离预定位置,无法悬停。

无法实现“自动返航” (No Automatic Return to Home)

自动返航是无人机的核心安全功能，它记录起飞点的GPS坐标，在信号丢失或电量不足时,能自动规划路线飞回起飞点。

• 没有GPS时：
  • 返航功能失效或极度危险： 无人机不知道“家”在哪里，它可能会尝试一个预设的高度和方向（一直向前”），但这非常不可靠，很容易撞上建筑物或树木，一些高级无人机可能会尝试利用视觉传感器寻找起飞时的特征点来返航，但这同样受限于环境,成功率远低于GPS返航。

无法规划“航点飞行” (No Waypoint Mission / No Autonomous Flight)

航点飞行（也叫兴趣点环绕、轨迹飞行）需要无人机精确地知道每个航点的坐标,才能自主地从一个点飞到下一个点。

• 没有GPS时：
  • 无法实现： 由于没有绝对坐标，无人机无法执行预设的航点任务,它只能由飞手通过遥控器进行实时手动控制。

飞行范围和高度受限

有GPS时，无人机可以飞得很远，因为飞手可以通过地图实时看到它的位置,并且知道它总能自己回来。

• 没有GPS时：
  • 必须保持在目视范围内： 飞手必须时刻用肉眼观察无人机，因为一旦飞出视线，就很容易丢失，由于无法精准悬停和返航，飞手不敢飞得太远,否则失控的风险极高。

无人机如何在没有GPS的情况下工作？（替代方案）

虽然失去了GPS，但无人机并非完全“瞎了”，它会启用其他传感器来弥补，这被称为多传感器融合。

1. 视觉定位系统

   • 原理： 就像人类的眼睛一样，通过摄像头捕捉地面环境，并识别其中的特征点（如纹理、边缘、角点）,通过连续图像对比来计算自身的位移和旋转。
   • 优点： 在有足够纹理和光照的地面附近,可以实现比较稳定的悬停。
   • 缺点： 高度依赖环境，在光滑、反光、无纹理或光线不足的地方会失效。

2. 激光雷达

   
   （图片来源网络，侵删）
   • 原理： 发射激光束并测量反射时间，可以精确绘制周围环境的3D点云地图，通过实时匹配点云地图,无人机可以实现精准定位和避障。
   • 优点： 精度高，不受光照影响,可以在弱光甚至无光环境下工作。
   • 缺点： 成本高，计算量大，通常只出现在高端专业或消费级无人机上（如DJI Mavic 3、Avata）。

3. 超声波传感器

   • 原理： 发出超声波并接收回波,用于测量与地面的高度。
   • 优点： 成本低,功耗小。
   • 缺点： 测量范围有限（通常几米内），在高速飞行或复杂地形下不精确,容易被风吹散。

4. 惯性测量单元

   • 原理： 这是无人机最基础的传感器，包括陀螺仪和加速度计，它测量无人机的角速度和加速度,从而推算出姿态和速度。
   • 优点： 响应速度极快,是所有飞行控制的基础。
   • 缺点： 存在积分漂移，时间越长，位置误差越大,必须与其他传感器融合才能修正误差。

总结一下工作模式：

• 有GPS： GPS + VPS + IMU + 气压计 = 全维度精准定位与导航
• 无GPS： VPS/LiDAR + 超声波 + IMU + 气压计 = 相对定位与姿态稳定（近视且健忘）

哪些场景会没有GPS？

1. 室内飞行： 如仓库、厂房、家庭等,GPS信号被建筑物完全屏蔽。
2. GPS信号受干扰或欺骗的区域：
   • 军事应用： 战场上的电子战设备可以干扰或伪造GPS信号，使敌方无人机“失明”或飞向错误地点。
   • 特定地点： 一些大型桥梁、隧道、峡谷或高楼林立的“城市峡谷”会产生信号遮挡或多径效应,导致GPS信号不稳定或丢失。
3. 极地地区： 地球磁场的异常可能会干扰无人机的磁罗盘,而GPS信号也可能不稳定。
4. 水下或地下： GPS信号无法穿透水和土壤。

没有GPS，无人机就从一个可以“独立思考”的自主飞行器，退化为一个需要“时刻盯着”的遥控玩具。

它依然可以飞行,但会失去以下关键能力：

• 精准悬停
• 远距离飞行
• 自动返航
• 自主航点任务

其飞行稳定性和安全性都大幅降低，对飞手的操作技巧和注意力要求极高，了解无人机在没有GPS时的行为模式,对于安全飞行至关重要。

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