前言

在 PX4 无人机开发中，很多朋友花大价钱买了诸如 Ublox ZED-F9P 或 和芯星通 UM982 这样的高端双天线 RTK 模块，结果插上飞控后却发现：定点疯狂画圈、定高上下漂移，表现甚至不如几十块钱的 M8N！

其实，这大概率不是硬件的问题，而是你选错了通信协议。今天就用实测数据，为大家扒一扒 PX4 底层 EKF2 算法与 GPS 协议之间那个极其隐蔽的坑——天向速度（Vertical Velocity）。

核心结论提前看

• ⚠️ 标准 NMEA 协议是残缺的：它只有水平对地速度（SOG），没有天向速度，会导致 PX4 垂直高度估计震荡。
• ❌ ZED-F9P 千万别用 NMEA：实测使用 NMEA 协议水平和垂直表现极烂；必须切换为 Ublox 专有协议，瞬间稳如老狗。
• ✅ UM982 用 NMEA 必须加拓展：厂商推荐加入 $AGRICA 拓展语句，补齐了天向速度，融合效果极佳。

一、 EKF2 到底想要什么数据？（底层原理）

要理解这个问题，我们得钻进 PX4 的 EKF2（扩展卡尔曼滤波）源码里看看。
在 EKF2 中，GPS 的融合不仅仅是融合经纬度（Position），更重要的是融合 3D 速度（Velocity）。高精度的 3D 速度（NED：北、东、地）能极大程度地抑制 IMU 积分带来的漂移，是无人机稳定悬停的灵魂。

但是，如果你打开标准 NMEA 协议的报文（如 $GPRMC 或 $GPVTG），你会发现一个致命缺陷：
它们只提供 SOG（Speed Over Ground，对地速度）和 COG（航向）。

这意味着，标准的 NMEA 协议根本没有 Z 轴（天、地向）的速度信息！
当把残缺的 NMEA 送给飞控时，飞控在 Z 轴上失去了高精度的速度观测，只能依靠容易受风扰的气压计，或者通过 GPS 的绝对海拔进行粗糙的微分求导。结果就是：垂直高度估计崩溃，进而引发水平位置融合的连锁发散。

二、 实测案例 1：Ublox ZED-F9P

作为目前市面上最火的 RTK 模块之一，ZED-F9P 的性能毋庸置疑，但协议选择极其关键。

• 测试场景 A（使用纯 NMEA 协议）：
  • 现象：水平和垂直表现都很烂，无人机定点定高极不稳定。
  • 原因：如上所述，缺失垂直速度，且标准 NMEA 的解析延迟较大、数据位短，完全喂不饱 PX4 饥渴的 EKF 引擎。
• 测试场景 B（使用 Ublox 专有协议）：
  • 现象：定位死死钉住，高度极其稳定。
  • 原因：在 PX4 参数中将 GPS_1_PROTOCOL 设置为 1 (UBX) 后，飞控会直接读取 Ublox 的私有二进制报文（如 UBX-NAV-PVT 和 UBX-NAV-VELNED）。这个报文包含了极低延迟、高精度的 3D 速度向量（含极其精确的上下速度） 和 3D 位置误差方差。EKF2 拿到这些数据，立刻就能算出完美的卡尔曼增益。

三、 实测案例 2：和芯星通 UM982

UM982 是一款优秀的国产双天线测向 RTK 模块，默认输出通常是 NMEA 格式。那它为什么能用？

• 厂家的隐藏绝招：$AGRICA 拓展语句
  • 如果你直接拿标准的 UM982 NMEA 语句喂给 PX4，效果依然不会好。
  • 但是，和芯星通官方强烈推荐在 NMEA 中配置开启一条私有的拓展语句——AGRICA。
  • 为什么加了这条语句就神了？ 因为这条拓展语句硬生生地在 NMEA 协议流中补充了天向速度（Vertical Velocity）以及高精度的位置协方差信息！
• 测试现象：
  • 在使用包含 AGRICA 扩展语句的 NMEA 数据流时，PX4 的 EKF2 终于拿到了完整的 3D 速度数据。
  • 实测表现：垂直方向高度估计非常精准，不再上下乱窜；配合 UM982 本身极其优秀的水平和双天线航向（Heading）解算能力，整体悬停和航线表现堪称完美。

四、 避坑指南与总结

对于广大 PX4/ArduPilot 的开发者，如果在集成高精度 GNSS 模块时遇到悬停不稳、高度乱跳的问题，请优先检查以下几点：

1. 放弃标准 NMEA：尽量不要在高级飞控上使用纯净版的标准 NMEA 协议，它的信息量太少，完全限制了 EKF 算法的发挥。
2. Ublox 认准 UBX：只要是 Ublox 的芯片（M8N, M9N, F9P 等），飞控端务必强制指定使用 Ublox 协议。
3. 国产 RTK 认准拓展语句：如果是 UM982 等国产优秀模块，请务必联系厂家拿到适配飞控的配置脚本，确保开启类似 AGRICA 这种包含 3D 速度和姿态/航向拓展的私有 NMEA 语句。

只有喂给 EKF2 完整的 3D 速度，你的无人机才能真正展现出 RTK 该有的实力！

作者注：
本文测试基于真实飞行日志与 PX4 底层源码分析得出。如果你在无人机硬件集成中也遇到过类似的“玄学”问题，欢迎在评论区交流探讨！