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GPS的海拔数据为何不准确?详解无人机导航中的位置坐标系

Hsiao Chen
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  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)(EarthCenteredEarthFixedCoordinateSystem,ECEF)

  WGS-84大地坐标系(WorldGeodeticCoordinateSystem1984)

  当地水平坐标系(North-East-DownCoordinateSystem,NED)

  机体坐标系(BodyFrame)

  机体水平坐标系(Vehicle-carriedNEDCoordinateSystem)

  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。

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