無人機的GPS海拔數據為何不準確

發布時間：2019年10月14日 15時48分58秒

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　　GPS經常是我們(men) 談起無人機係統時首先想到的功能模塊，而能夠按照預先規劃的飛行路線進行自動飛行，也是無人機在功能上與(yu) 航模的主要區別之一。

　　不管是天上飛的，地上跑的，還是海裏遊的交通工具或儀(yi) 器設備，如果我們(men) 希望能引導它們(men) 到期望的目標位置，就需要獲得被控對象在某個(ge) 坐標係中的具體(ti) 坐標，無人機導航也是如此。我們(men) 期望無人機從(cong) A點飛到B點，就要不斷通過GPS或其它導航儀(yi) 器獲取無人機當下的位置坐標，並根據無人機的位置調整無人機的姿態，最終到達目的地。

　　在無人機導航中，對GPS的數據經常出現一些誤解，比如GPS輸出的高度坐標是相對於(yu) 海平麵，所以應該像經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麵加速度……

　　中學物理知識告訴我們(men) ，當我們(men) 描述物體(ti) 運動時，一定是相對於(yu) 特定坐標係的，GPS和IMU等設備在輸出運動和位置數據時也是如此，這些問題所涉及的正是無人機導航中的基礎概念——無人機坐標係——這也是無人機導航中最容易讓人混亂(luan) 的概念之一。

　　無人機導航中常見的坐標係包括：

　　地球中心坐標係(ECEF)(EarthCenteredEarthFixedCoordinateSystem，ECEF)

　　WGS-84大地坐標係(WorldGeodeticCoordinateSystem1984)

　　當地水平坐標係(North-East-DownCoordinateSystem，NED)

　　機體(ti) 坐標係(BodyFrame)

　　機體(ti) 水平坐標係(Vehicle-carriedNEDCoordinateSystem)

　　接下來我們(men) 就來簡單說明一下這些坐標係在無人機導航中的應用。

　　地球中心坐標係(ECEF)

　　ECEF坐標係與(yu) 地球固聯，且隨著地球轉動。圖中O即為(wei) 坐標原點，位置在地球質心。X軸通過格林尼治線和赤道線的交點，正方向為(wei) 原點指向交點方向。Z軸通過原點指向北極。Y軸與(yu) X、Z軸構成右手坐標係。

　　右手坐標係即符合“右手法則”的坐標係的統稱，這個(ge) 法則大家會(hui) 經常見到，它的目的是為(wei) 了以最簡單的方式確定坐標軸以及正方向。如圖，右手拇指，食指，中指“痙攣”狀，其中任意兩(liang) 個(ge) 手指與(yu) 已確定的兩(liang) 個(ge) 坐標軸及正方向重合，第三個(ge) 手指的方向就是剩下坐標軸的正方向。

　　WGS-84坐標係

　　GPS輸出的就是這個(ge) 坐標係下的坐標數據!

　　完整一點解釋是，GPS單點定位的坐標以及相對定位中解算的基線向量屬於(yu) WGS-84大地坐標係。

　　WGS-84坐標係的X軸指向BIH(國際時間服務機構)1984.0定義(yi) 的零子午麵(Greenwich)和協議地球極(CTP)赤道的交點。Z軸指向CTP方向。Y軸與(yu) X、Z軸構成右手坐標係。

　　什麽(me) “BIH1984.0”聽來很複雜有沒有!一句話解釋就是：把前麵提到的ECEF坐標係用在GPS中，就是WGS-84坐標係。

　　上麵圖中大家很容易看出GPS輸出的常見定位數據：經度(longitude)，緯度(latitude)，海拔(altitude)。不知大家有沒有覺得奇怪，為(wei) 什麽(me) 有了GPS輸出的海拔高度，我們(men) 還是要用氣壓計等其它設備來輔助定高呢?GPS的海拔數據精度沒有辦法支撐無人機高度定位嗎?

　　這是因為(wei) GPS輸出的信息是相對於(yu) WGS-84坐標係的。我們(men) 可以把它看做一個(ge) 參考橢球體(ti) ，GPS輸出的高度是垂直於(yu) 橢球表麵的高度而非海平麵高度，然而地球可不是一個(ge) 標準的“橢球體(ti) ”。

　　圖中h是GPS測得的相對於(yu) 橢球表麵的高度;H表示正高;N表示大地水準偏差，即地球實際形狀與(yu) 參考橢球體(ti) 的偏差，範圍在正負100m之間，它隨著地球重力分布變化，沒有唯一的確定數值。所以，GPS直接輸出的海拔數據也就會(hui) 始終存在一個(ge) “誤差”了。

　　NED坐標係

　　上圖清晰地表明了ECEF坐標係(藍色)和NED坐標係(綠色)之間的關(guan) 係。NED坐標係是在導航計算時使用的坐標係，向量分別指向北，東(dong) ，地，因此NED坐標係也經常稱為(wei) “北東(dong) 地坐標係”。

　　我們(men) 有了經緯度為(wei) 什麽(me) 還需要NED坐標係呢?GPS可以獲得在WGS-84中的速度向量，為(wei) 了方便使用速度向量進行無人機控製，我們(men) 還要把它轉換在無人機所在位置的“平麵坐標係”下，也就是LocalNED。

　　機體(ti) 坐標係

　　機體(ti) 坐標係與(yu) 飛行器固聯，坐標係符合右手法則，原點在飛行器重心處，X軸指向飛行器機頭前進方向，Y軸由原點指向飛行器右側(ce) ，Z軸方向根據X、Y軸由右手法則確定。

　　機體(ti) 坐標係是無人機慣性導航的基礎坐標係，IMU中獲得的加速度狀態信息就是該坐標係下的數值。當我們(men) 獲取IMU輸出的X軸加速度信息時，是基於(yu) 機體(ti) 坐標係的，不能直接應用在NED坐標係下。

　　所以，如果想要對無人機進行導航控製，就必須能夠正確處理GPS、IMU等硬件輸出的信息，並將這些信信息轉化到正確的坐標係下。在之後文章中，將為(wei) 大家詳解無人機導航中的數據轉換與(yu) 計算方法。