無人(rén)機(jī)的(de)GPS海(hǎi)拔數(shù)Ω↔÷據為(wèi)何不(bù)準确

發布時(shí)間(jiān)：2019年(nián)10>$↕月(yuè)14日(rì) 15時(sh€&♣í)48分(fēn)58秒(miǎo)

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　　GPS經常是(shì)我們談起無人(rén)機(€επσjī)系統時(shí)首先想到(dào)的(de)功能(néng)模₹π∑塊，而能(néng)夠按照(zhào)預先規α∞劃的(de)飛(fēi)行(xíng)路(lù)線進行(∏∏¶xíng)自(zì)動飛(fēi)行(xíng)，$α也(yě)是(shì)無人(rén)機(jī)在功能(néng)σ≥φ↕上(shàng)與航模的(de)主要(yào)區(qū)别之一("∑yī)。

　　不(bù)管是(shì)天上(shàng)飛(fēi)的(de)，地(☆↓<♠dì)上(shàng)跑的(de)，還(↕★☆'hái)是(shì)海(hǎi)裡(lǐ)遊的(de)交通(tōng)工(gō<♥₽ng)具或儀器(qì)設備，如(rú)果我們希望能(n ♥£éng)引導它們到(dào)期望的(de)目标位置，就(jiù)φ♦需要(yào)獲得(de)被控對(duì)象在某↕•₹個(gè)坐(zuò)标系中的(de)具體♦↓β±(tǐ)坐(zuò)标，無人(rén)機(jī)導航也(yě)是(shì)如  ↓(rú)此。我們期望無人(rén)機(jī)從(cóng)A點飛β★Ω"(fēi)到(dào)B點，就(jiù)要(yào)不(bù)斷通(tō π±$ng)過GPS或其它導航儀器(qì)獲取無人(rén)機(jī)當下'πσ(xià)的(de)位置坐(zuò)标，₽♦≤≤并根據無人(rén)機(jī)的(de)位置調整無人(rén)機(jī)的♦π$(de)姿态，最終到(dào)達目的(de)地(dì)。

　　在無人(rén)機(jī)導航中，對(duì)GPS的₩<€γ(de)數(shù)據經常出現(xiàn)一(yī)些(xiē)誤解，比☆§§如(rú)GPS輸出的(de)高(gāo)度坐(zuò)标是(shì)♥∏↑£相(xiàng)對(duì)于海(hǎi)平面，↑↑所以應該像經緯度一(yī)樣可(kě)以直接≠π↔使用(yòng);通(tōng)過GPS獲得Ω≤(de)的(de)速度信息可(kě)以直接使用(yòng);IMU輸出的(≤¶de)飛(fēi)行(xíng)器(qì)加速度是(shì)平面加速<‌₽λ度……

　　中學物(wù)理(lǐ)知(zhī)識告訴我們，當✘←↑&我們描述物(wù)體(tǐ)運動時(shí)，一(yī)定是 >γ↕(shì)相(xiàng)對(duì)于特定坐(zuò)标系的(d₹$☆ e)，GPS和(hé)IMU等設備在輸出運動和(hé)位置數(sh≥∑₽ù)據時(shí)也(yě)是(shì)如(rú)​σ​∏此，這(zhè)些(xiē)問(wèn)題所涉及的(de)正是(σ€shì)無人(rén)機(jī)導航中的(de)基礎概 →念——無人(rén)機(jī)坐(zuò)标系——這(zhè)也(yě)是↔∑(shì)無人(rén)機(jī)導航中最容易讓人(÷™∑rén)混亂的(de)概念之一(yī)。

　　無人(rén)機(jī)導航中常見(jiàn↔®)的(de)坐(zuò)标系包括：

　　地(dì)球中心坐(zuò)标系(ECEF)(EarthCenteγσredEarthFixedCoordinateSystemβ₹•，ECEF)

　　WGS-84大(dà)地(dì)坐(zuò)标系♥★¥(WorldGeodeticCoordinateS¶α<"ystem1984)

　　當地(dì)水(shuǐ)平坐(zuò♠♣)标系(North-East-DownCoor₽∏dinateSystem，NED)

　　機(jī)體(tǐ)坐(zuò)标系(BodyFrame)

　　機(jī)體(tǐ)水(shuǐ)平坐(zuò)标系(V'•↓₽ehicle-carriedNEDCoordinateSystem)

　　接下(xià)來(lái)我們就(jiù)來(lái)簡單說(shuō)明λ≠(míng)一(yī)下(xià)這(zhè)些(♦≈  xiē)坐(zuò)标系在無人(rén)機(jī)導航中的(d¶♥'e)應用(yòng)。

　　地(dì)球中心坐(zuò)标系(ECEF)

　　ECEF坐(zuò)标系與地(dì)球✔≤÷固聯，且随著(zhe)地(dì)球轉動。圖中O即為(wè∏¥±™i)坐(zuò)标原點，位置在地(dì)球質心。X軸通(tōng)過格林(lí¶↑ ₩n)尼治線和(hé)赤道(dào)線的(de)交點，正方向為(wèi‍≤λ )原點指向交點方向。Z軸通(tōng)過原點指向北(běi)極。Y軸與X、Z軸♣©Ω構成右手坐(zuò)标系。

　　右手坐(zuò)标系即符合“右手法則”的(de)坐(zuò)标系的±♦€®(de)統稱，這(zhè)個(gè)法則大(​≥εdà)家(jiā)會(huì)經常見(jiàn)到(dào)，它的(de♠∑✔≥)目的(de)是(shì)為(wèi)了(le)以最簡☆$單的(de)方式确定坐(zuò)标軸以及正方向。如(rú)圖，右手拇指 γ，食指，中指“痙攣”狀，其中任意兩個(gè)手指¥☆與已确定的(de)兩個(gè)坐(zuò)$®∑标軸及正方向重合，第三個(gè)手指的(de)方向就(jiù)↕♦≤是(shì)剩下(xià)坐(zuò)标軸⧕的(de)正方向。

　　WGS-84坐(zuò)标系

　　GPS輸出的(de)就(jiù)是(shì)這(zhè)個(→©☆∏gè)坐(zuò)标系下(xià)的(dα♦↔ e)坐(zuò)标數(shù)據!

　　完整一(yī)點解釋是(shì)，GPδ→ &S單點定位的(de)坐(zuò)标以及相(xiàng)對(€£'•duì)定位中解算(suàn)的(de)基線向量屬于WGS-♦₹←↑84大(dà)地(dì)坐(zuò)标系。‍→

　　WGS-84坐(zuò)标系的(de)X軸指向BIHφ§♠​(國(guó)際時(shí)間(jiān)服務∑σ≠γ機(jī)構)1984.0定義的(de)零子(zǐ)午面λ©(Greenwich)和(hé)協議(yì)地(dì)球極(CTP)赤道(d↑γào)的(de)交點。Z軸指向CTP方向。Y軸與X∞★₹、Z軸構成右手坐(zuò)标系。

　　什(shén)麽“BIH1984.0”©£∏聽(tīng)來(lái)很(hěn)複雜÷₩<λ(zá)有(yǒu)沒有(yǒu)!一(y ≥ī)句話(huà)解釋就(jiù)是(shì)：把前面提​↕λ±到(dào)的(de)ECEF坐(zuò)标系用(yòng)在GPS≈↕☆中，就(jiù)是(shì)WGS-84坐(zuò)标系。€♠ 

　　上(shàng)面圖中大(dà)家(jiā)很(hěn)容易看(kàn)  →λ出GPS輸出的(de)常見(jiàn)定位數(s₽λhù)據：經度(longitude)，緯度(latitude)，海(hǎi)拔ε$✘©(altitude)。不(bù)知(zhī)大(dà)家Ωα(jiā)有(yǒu)沒有(yǒu)覺得(de)奇∏‍怪，為(wèi)什(shén)麽有(yǒu)了(le∏↔↓∏)GPS輸出的(de)海(hǎi)拔高(gāo)度，我們×σ還(hái)是(shì)要(yào)用(yòng)氣壓計(jì)等其它設備Ω♦來(lái)輔助定高(gāo)呢(ne)?GPS的(de)海(hǎi)拔數(∑<‍shù)據精度沒有(yǒu)辦法支撐無人✘σ (rén)機(jī)高(gāo)度定位嗎(ma)?

　　這(zhè)是(shì)因為(wèi)GPS輸出的(de)信息是(s€÷hì)相(xiàng)對(duì)于WGS-84α•☆✔坐(zuò)标系的(de)。我們可(kě)以把它看(kàn)做(z≥∏uò)一(yī)個(gè)參考橢球體(tǐ)，GPS輸出的(de)高(gσ₩♠āo)度是(shì)垂直于橢球表面的(de)高(gāo)度 ×‌而非海(hǎi)平面高(gāo)度，然而地(d ♠ì)球可(kě)不(bù)是(shì)一(yī)個(gè)标準±™₩✔的(de)“橢球體(tǐ)”。

　　圖中h是(shì)GPS測得(de)的(de)相(xià↔ ng)對(duì)于橢球表面的(de)高(gāo)度;H表示正高(gāo);™☆N表示大(dà)地(dì)水(shuǐ)準偏÷<差，即地(dì)球實際形狀與參考橢球體(tǐ)的(de)↑↓≠偏差，範圍在正負100m之間(jiān)，它随著(zhe)地(dì)球重力 →←<分(fēn)布變化(huà)，沒有(yǒu)唯一(↓δyī)的(de)确定數(shù)值。所以，GPS直接輸出的(de±∞)海(hǎi)拔數(shù)據也(yě)就(jiù)會(huì)始終存在ε‍‍§一(yī)個(gè)“誤差”了(le)。

　　NED坐(zuò)标系

　　上(shàng)圖清晰地(dì)表明(míng‌$")了(le)ECEF坐(zuò)标系(藍(lán)色)和(hé)NEπ÷D坐(zuò)标系(綠(lǜ)色)之間(jiān)的(de)關系。NED坐(♣ zuò)标系是(shì)在導航計(jì)算(suàn)時(shí) ♠"使用(yòng)的(de)坐(zuò)标系，向量分(f​₩ēn)别指向北(běi)，東(dōng)，地(dì)，因此N↕↕↓£ED坐(zuò)标系也(yě)經常稱為(wèi)“北(běi)東(£≈dōng)地(dì)坐(zuò)标系”。

　　我們有(yǒu)了(le)經緯度為(wèi)什(shén)麽還(háiγ$‍)需要(yào)NED坐(zuò)标系呢(ne)?GPS可(kě)以獲得(de♦φ‌)在WGS-84中的(de)速度向量，為(wèi)了(le)方便使≠‌¶&用(yòng)速度向量進行(xíng)無人(rén)機(jī) ε>控制(zhì)，我們還(hái)要(yào)把它轉換在無人(rén)♠≠↑₹機(jī)所在位置的(de)“平面坐(zu™‌∑↓ò)标系”下(xià)，也(yě)就(jiù)是(shì)Loc ☆✔alNED。

　　機(jī)體(tǐ)坐(zuò)标系

　　機(jī)體(tǐ)坐(zuò)标系與飛(fēi)行(xíng)器(₽®qì)固聯，坐(zuò)标系符合右手法則，原點在飛(fēi)行(xíng) ₹≠¥器(qì)重心處，X軸指向飛(fēi)行(x™γ‍™íng)器(qì)機(jī)頭前進方向，Y軸由原點指向飛(fēφ↓∏÷i)行(xíng)器(qì)右側，Z軸方向根據X、♦©‌ΩY軸由右手法則确定。

　　機(jī)體(tǐ)坐(zuò)标系是(shì)無人(rén)機(jī)慣α↕性導航的(de)基礎坐(zuò)标系，IMU★€ε©中獲得(de)的(de)加速度狀态信息就(jiù)是(shì)該♦←₹坐(zuò)标系下(xià)的(de)數±☆£(shù)值。當我們獲取IMU輸出的(de)X軸加™>&速度信息時(shí)，是(shì)基于機(jī)體(tǐ)坐✔α®(zuò)标系的(de)，不(bù)能(néng)直接應用(yòng)¥×≥在NED坐(zuò)标系下(xià)。

　　所以，如(rú)果想要(yào)對(duì)無人(r&λén)機(jī)進行(xíng)導航控制(zhì)，就πα  (jiù)必須能(néng)夠正确處理(lǐ)GPS、IMU等✘↕∞↔硬件(jiàn)輸出的(de)信息，并将這(zhè)些↕€♣(xiē)信信息轉化(huà)到(dào)正确的(de)坐(zuò→∏>→)标系下(xià)。在之後文(wén)章(zhāng)中，将為(w>'≥èi)大(dà)家(jiā)詳解無人(ré→$n)機(jī)導航中的(de)數(shù)據轉換與計(j♦÷ì)算(suàn)方法。