为什么GPS 的海拔数据精度无法支撑无人机高度定位？资料下载

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）（Earth Centered Earth Fixed Coordinate System, ECEF） WGS-84 大地坐标系（World Geodetic Coordinate System 1984） 当地水平坐标系（North-East-Down Coordinate System, NED） 机体坐标系（Body Frame） 机体水平坐标系（Vehicle-carried NED Coordinate System） 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 Local NED。 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。 本文转载自 (mbbeetchina)