發(fā)布時(shí)間：2019年10月14日 15時(shí)48分58秒

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　　GPS經(jīng)常是我們談起無人機(jī)系統(tǒng)時(shí)首先想到的功能模塊，而能夠按照預(yù)先規(guī)劃的飛行路線進(jìn)行自動(dòng)飛行，也是無人機(jī)在功能上與航模的主要區(qū)別之一。

　　不管是天上飛的，地上跑的，還是海里游的交通工具或儀器設(shè)備，如果我們希望能引導(dǎo)它們到期望的目標(biāo)位置，就需要獲得被控對(duì)象在某個(gè)坐標(biāo)系中的具體坐標(biāo)，無人機(jī)導(dǎo)航也是如此。我們期望無人機(jī)從A點(diǎn)飛到B點(diǎn)，就要不斷通過GPS或其它導(dǎo)航儀器獲取無人機(jī)當(dāng)下的位置坐標(biāo)，并根據(jù)無人機(jī)的位置調(diào)整無人機(jī)的姿態(tài)，最終到達(dá)目的地。

　　在無人機(jī)導(dǎo)航中，對(duì)GPS的數(shù)據(jù)經(jīng)常出現(xiàn)一些誤解，比如GPS輸出的高度坐標(biāo)是相對(duì)于海平面，所以應(yīng)該像經(jīng)緯度一樣可以直接使用;通過GPS獲得的速度信息可以直接使用;IMU輸出的飛行器加速度是平面加速度……

　　中學(xué)物理知識(shí)告訴我們，當(dāng)我們描述物體運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定是相對(duì)于特定坐標(biāo)系的，GPS和IMU等設(shè)備在輸出運(yùn)動(dòng)和位置數(shù)據(jù)時(shí)也是如此，這些問題所涉及的正是無人機(jī)導(dǎo)航中的基礎(chǔ)概念——無人機(jī)坐標(biāo)系——這也是無人機(jī)導(dǎo)航中最容易讓人混亂的概念之一。

　　無人機(jī)導(dǎo)航中常見的坐標(biāo)系包括：

　　地球中心坐標(biāo)系(ECEF)(EarthCenteredEarthFixedCoordinateSystem，ECEF)

　　WGS-84大地坐標(biāo)系(WorldGeodeticCoordinateSystem1984)

　　當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系(North-East-DownCoordinateSystem，NED)

　　機(jī)體坐標(biāo)系(BodyFrame)

　　機(jī)體水平坐標(biāo)系(Vehicle-carriedNEDCoordinateSystem)

　　接下來我們就來簡(jiǎn)單說明一下這些坐標(biāo)系在無人機(jī)導(dǎo)航中的應(yīng)用。

　　地球中心坐標(biāo)系(ECEF)

　　ECEF坐標(biāo)系與地球固聯(lián)，且隨著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。圖中O即為坐標(biāo)原點(diǎn)，位置在地球質(zhì)心。X軸通過格林尼治線和赤道線的交點(diǎn)，正方向?yàn)樵c(diǎn)指向交點(diǎn)方向。Z軸通過原點(diǎn)指向北極。Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

　　右手坐標(biāo)系即符合“右手法則”的坐標(biāo)系的統(tǒng)稱，這個(gè)法則大家會(huì)經(jīng)常見到，它的目的是為了以最簡(jiǎn)單的方式確定坐標(biāo)軸以及正方向。如圖，右手拇指，食指，中指“痙攣”狀，其中任意兩個(gè)手指與已確定的兩個(gè)坐標(biāo)軸及正方向重合，第三個(gè)手指的方向就是剩下坐標(biāo)軸的正方向。

　　WGS-84坐標(biāo)系

　　GPS輸出的就是這個(gè)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)數(shù)據(jù)!

　　完整一點(diǎn)解釋是，GPS單點(diǎn)定位的坐標(biāo)以及相對(duì)定位中解算的基線向量屬于WGS-84大地坐標(biāo)系。

　　WGS-84坐標(biāo)系的X軸指向BIH(國(guó)際時(shí)間服務(wù)機(jī)構(gòu))1984.0定義的零子午面(Greenwich)和協(xié)議地球極(CTP)赤道的交點(diǎn)。Z軸指向CTP方向。Y軸與X、Z軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

　　什么“BIH1984.0”聽來很復(fù)雜有沒有!一句話解釋就是：把前面提到的ECEF坐標(biāo)系用在GPS中，就是WGS-84坐標(biāo)系。

　　上面圖中大家很容易看出GPS輸出的常見定位數(shù)據(jù)：經(jīng)度(longitude)，緯度(latitude)，海拔(altitude)。不知大家有沒有覺得奇怪，為什么有了GPS輸出的海拔高度，我們還是要用氣壓計(jì)等其它設(shè)備來輔助定高呢?GPS的海拔數(shù)據(jù)精度沒有辦法支撐無人機(jī)高度定位嗎?

　　這是因?yàn)镚PS輸出的信息是相對(duì)于WGS-84坐標(biāo)系的。我們可以把它看做一個(gè)參考橢球體，GPS輸出的高度是垂直于橢球表面的高度而非海平面高度，然而地球可不是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的“橢球體”。

　　圖中h是GPS測(cè)得的相對(duì)于橢球表面的高度;H表示正高;N表示大地水準(zhǔn)偏差，即地球?qū)嶋H形狀與參考橢球體的偏差，范圍在正負(fù)100m之間，它隨著地球重力分布變化，沒有唯一的確定數(shù)值。所以，GPS直接輸出的海拔數(shù)據(jù)也就會(huì)始終存在一個(gè)“誤差”了。

　　NED坐標(biāo)系

　　上圖清晰地表明了ECEF坐標(biāo)系(藍(lán)色)和NED坐標(biāo)系(綠色)之間的關(guān)系。NED坐標(biāo)系是在導(dǎo)航計(jì)算時(shí)使用的坐標(biāo)系，向量分別指向北，東，地，因此NED坐標(biāo)系也經(jīng)常稱為“北東地坐標(biāo)系”。

　　我們有了經(jīng)緯度為什么還需要NED坐標(biāo)系呢?GPS可以獲得在WGS-84中的速度向量，為了方便使用速度向量進(jìn)行無人機(jī)控制，我們還要把它轉(zhuǎn)換在無人機(jī)所在位置的“平面坐標(biāo)系”下，也就是LocalNED。

　　機(jī)體坐標(biāo)系

　　機(jī)體坐標(biāo)系與飛行器固聯(lián)，坐標(biāo)系符合右手法則，原點(diǎn)在飛行器重心處，X軸指向飛行器機(jī)頭前進(jìn)方向，Y軸由原點(diǎn)指向飛行器右側(cè)，Z軸方向根據(jù)X、Y軸由右手法則確定。

　　機(jī)體坐標(biāo)系是無人機(jī)慣性導(dǎo)航的基礎(chǔ)坐標(biāo)系，IMU中獲得的加速度狀態(tài)信息就是該坐標(biāo)系下的數(shù)值。當(dāng)我們獲取IMU輸出的X軸加速度信息時(shí)，是基于機(jī)體坐標(biāo)系的，不能直接應(yīng)用在NED坐標(biāo)系下。

　　所以，如果想要對(duì)無人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航控制，就必須能夠正確處理GPS、IMU等硬件輸出的信息，并將這些信信息轉(zhuǎn)化到正確的坐標(biāo)系下。在之后文章中，將為大家詳解無人機(jī)導(dǎo)航中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換與計(jì)算方法。