详解无人机导航中的位置坐标系

GPS经常是我们谈起无人机系统时首先想到的功能模块，而能够按照预先规划的飞行路线进行自动飞行，也是无人机在功能上与航模的主要区别之一。

不管是天上飞的，地上跑的，还是海里游的交通工具或仪器设备，如果我们希望能引导它们到期望的目标位置，就需要获得被控对象在某个坐标系中的具体坐标，无人机导航也是如此。我们期望无人机从A点飞到B点，就要不断通过GPS或其它导航仪器获取无人机当下的位置坐标，并根据无人机的位置调整无人机的姿态，最终到达目的地。

在无人机导航中，对GPS的数据经常出现一些误解，比如GPS输出的高度坐标是相对于海平面，所以应该像经纬度一样可以直接使用;通过GPS获得的速度信息可以直接使用;IMU输出的飞行器加速度是平面加速度……

中学物理知识告诉我们，当我们描述物体运动时，一定是相对于特定坐标系的，GPS和IMU等设备在输出运动和位置数据时也是如此，这些问题所涉及的正是无人机导航中的基础概念——无人机坐标系——这也是无人机导航中最容易让人混乱的概念之一。

无人机导航中常见的坐标系包括：

地球中心坐标系(ECEF)

WGS-84大地坐标系

当地水平坐标系(NED)

机体坐标系(BodyFrame)

机体水平坐标系

接下来我们就来简单说明一下这些坐标系在无人机导航中的应用。

地球中心坐标系(ECEF)

ECEF坐标系与地球固联，且随着地球转动。图中O即为坐标原点，位置在地球质心。X轴通过格林尼治线和赤道线的交点，正方向为原点指向交点方向。Z轴通过原点指向北极。Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。　　

右手坐标系即符合“右手法则”的坐标系的统称，这个法则大家会经常见到，它的目的是为了以最简单的方式确定坐标轴以及正方向。如图，右手拇指，食指，中指“痉挛”状，其中任意两个手指与已确定的两个坐标轴及正方向重合，第三个手指的方向就是剩下坐标轴的正方向。

WGS-84坐标系

GPS输出的就是这个坐标系下的坐标数据!

完整一点解释是，GPS单点定位的坐标以及相对定位中解算的基线向量属于WGS-84大地坐标系。

WGS-84坐标系的X轴指向BIH(国际时间服务机构)1984.0定义的零子午面(Greenwich)和协议地球极(CTP)赤道的交点。Z轴指向CTP方向。Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。

什么“BIH1984.0”听来很复杂有没有!一句话解释就是：把前面提到的ECEF坐标系用在GPS中，就是WGS-84坐标系。　　

上面图中大家很容易看出GPS输出的常见定位数据：经度(longitude)，纬度(latitude)，海拔(altitude)。不知大家有没有觉得奇怪，为什么有了GPS输出的海拔高度，我们还是要用气压计等其它设备来辅助定高呢?GPS的海拔数据精度没有办法支撑无人机高度定位吗？

这是因为GPS输出的信息是相对于WGS-84坐标系的。我们可以把它看做一个参考椭球体，GPS输出的高度是垂直于椭球表面的高度而非海平面高度，然而地球可不是一个标准的“椭球体”。　　

图中h是GPS测得的相对于椭球表面的高度;H表示正高;N表示大地水准偏差，即地球实际形状与参考椭球体的偏差，范围在正负100m之间，它随着地球重力分布变化，没有唯一的确定数值。所以，GPS直接输出的海拔数据也就会始终存在一个“误差”了。

NED坐标系

上图清晰地表明了ECEF坐标系(蓝色)和NED坐标系(绿色)之间的关系。NED坐标系是在导航计算时使用的坐标系，向量分别指向北，东，地，因此NED坐标系也经常称为“北东地坐标系”。

我们有了经纬度为什么还需要NED坐标系呢?GPS可以获得在WGS-84中的速度向量，为了方便使用速度向量进行无人机控制，我们还要把它转换在无人机所在位置的“平面坐标系”下，也就是LocalNED。

机体坐标系　

机体坐标系与飞行器固联，坐标系符合右手法则，原点在飞行器重心处，X轴指向飞行器机头前进方向，Y轴由原点指向飞行器右侧，Z轴方向根据X、Y轴由右手法则确定。

机体坐标系是无人机惯性导航的基础坐标系，IMU中获得的加速度状态信息就是该坐标系下的数值。当我们获取IMU输出的X轴加速度信息时，是基于机体坐标系的，不能直接应用在NED坐标系下。

所以，如果想要对无人机进行导航控制，就必须能够正确处理GPS、IMU等硬件输出的信息，并将这些信信息转化到正确的坐标系下。

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来源：深圳湾

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