為什么GPS 的海拔數(shù)據(jù)精度無(wú)法支撐無(wú)人機(jī)高度定位？資料下載

GPS 經(jīng)常是我們談起無(wú)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(wú)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(wú)人機(jī)導(dǎo)航也是如此。我們期望無(wú)人機(jī)從 A 點(diǎn)飛到 B 點(diǎn)，就要不斷通過(guò) GPS 或其它導(dǎo)航儀器獲取無(wú)人機(jī)當(dāng)下的位置坐標(biāo)，并根據(jù)無(wú)人機(jī)的位置調(diào)整無(wú)人機(jī)的姿態(tài)，最終到達(dá)目的地。 在無(wú)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(guò) 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(wèn)題所涉及的正是無(wú)人機(jī)導(dǎo)航中的基礎(chǔ)概念——無(wú)人機(jī)坐標(biāo)系——這也是無(wú)人機(jī)導(dǎo)航中最容易讓人混亂的概念之一。 無(wú)人機(jī)導(dǎo)航中常見(jiàn)的坐標(biāo)系包括： 地球中心坐標(biāo)系（ECEF）（Earth Centered Earth Fixed Coordinate System, ECEF） WGS-84 大地坐標(biāo)系（World Geodetic Coordinate System 1984） 當(dāng)?shù)厮阶鴺?biāo)系（North-East-Down Coordinate System, NED） 機(jī)體坐標(biāo)系（Body Frame） 機(jī)體水平坐標(biāo)系（Vehicle-carried NED Coordinate System） 接下來(lái)我們就來(lái)簡(jiǎn)單說(shuō)明一下這些坐標(biāo)系在無(wú)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(guò)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(guò)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(jiàn)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」?fàn)?，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(tīng)來(lái)很復(fù)雜有沒(méi)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(jiàn)定位數(shù)據(jù)：經(jīng)度（longitude），緯度（latitude），海拔（altitude）。不知大家有沒(méi)有覺(jué)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(lái)輔助定高呢？GPS 的海拔數(shù)據(jù)精度沒(méi)有辦法支撐無(wú)人機(jī)高度定位嗎？ 這是因?yàn)?GPS 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(méi)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(wú)人機(jī)控制，我們還要把它轉(zhuǎn)換在無(wú)人機(jī)所在位置的「平面坐標(biāo)系」下，也就是 Local NED。 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(wú)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(wú)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。 本文轉(zhuǎn)載自 (mbbeetchina)