本文作者：無人機(jī)中的城堡脑又，原文標(biāo)題『城堡里學(xué)無人機(jī)：如何處理GPS數(shù)據(jù)獲取無人機(jī)狀態(tài)信息？』

下圖是國(guó)內(nèi)某知名「無人機(jī)相關(guān)企業(yè)」2014 年筆試的截圖锐借，顯示了導(dǎo)航過程中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的實(shí)用性挂谍。

在之前的文章中，我介紹了無人機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)導(dǎo)航過程中涉及的幾個(gè)重要坐標(biāo)系瞎饲，本文則會(huì)跟大家分析在實(shí)際的無人機(jī)系統(tǒng)中口叙，GPS 的輸出數(shù)據(jù)如何轉(zhuǎn)化為無人機(jī)控制需要的狀態(tài)信息。

GPS輸出數(shù)據(jù)詳解

實(shí)際的 GPS 系統(tǒng)會(huì)以一定格式輸出很多數(shù)據(jù)嗅战，如時(shí)間妄田，精度因子，衛(wèi)星編號(hào)驮捍，信噪比等等疟呐，但對(duì)于無人機(jī)控制而言，最為重要东且，也是最常使用的還是「經(jīng)度（Longitude）启具，緯度（Latitude）以及高度（height）」三組數(shù)據(jù)。

直接通過 GPS 獲取的飛行器的位置坐標(biāo)基于 WGS-84（World Geodetic System-1984）坐標(biāo)系珊泳，簡(jiǎn)稱 Geodetic 或 G 坐標(biāo)系鲁冯。

為什么需要單獨(dú)建立一個(gè)坐標(biāo)系呢？這是由于地球表面地勢(shì)復(fù)雜色查，有山有海薯演，高低不平。需要建立一個(gè)簡(jiǎn)單而精確的近似數(shù)學(xué)模型秧了，大家決定采用橢球體作為地球的近似跨扮。而 G 坐標(biāo)系就描述了一個(gè)橢球體，給出該橢球體的基本參數(shù)：長(zhǎng)半軸，短半軸衡创，第一偏心率帝嗡，第二偏心率，扁率璃氢，曲率半徑（米）：

GPS輸出的高度不是海拔（Alt）么丈探？這里怎么是 h 高度呢？GPS 硬件直接獲取的高度是相對(duì)于 G 坐標(biāo)系中橢球表面的高度拔莱。而海拔是相對(duì)于公海平面的高度，與地球表面形狀和重力分布相關(guān)隘竭。相對(duì)于大地水準(zhǔn)面的高度才是海拔塘秦，也就是下圖中的H參數(shù)。

M（大地水準(zhǔn)偏差）作為GPS輸出高度h和當(dāng)?shù)睾０沃g的偏差动看，一般在正負(fù)100m以內(nèi)尊剔。

從 Geodetic 到 ECEF 坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

我們通過 G 坐標(biāo)系下的三個(gè)參數(shù)：經(jīng)度，維度菱皆，高度须误，可以獲得飛行器在橢球表面的位置坐標(biāo)。但進(jìn)行導(dǎo)航計(jì)算時(shí)仇轻，我們需要把數(shù)據(jù)換算到 NED 坐標(biāo)系下京痢。要完成從 G 系到 NED 的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換還需要一個(gè)過渡過程：G 坐標(biāo)系到 ECEF 坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

其中 N 是我們常說的曲率半徑（m）篷店。通過上面的計(jì)算公式就可以實(shí)現(xiàn)從 G 坐標(biāo)系到 ECEF 坐標(biāo)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換祭椰。

從ECEF到NED坐標(biāo)系的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

對(duì)于商用無人機(jī)，相比于它在橢球中的信息疲陕，我們更關(guān)心它在平面中的位置向量方淤、速度向量。將 NED 坐標(biāo)系看做導(dǎo)航中最重要的坐標(biāo)系并不為過蹄殃，NED 坐標(biāo)系也經(jīng)常被直接稱為導(dǎo)航坐標(biāo)系（Navigation Coordinate）或者地面坐標(biāo)系（Ground Coordinate）携茂。

首先要獲取 NED 坐標(biāo)系中的參考原點(diǎn)，一般也就是無人機(jī) GPS 星數(shù)達(dá)到要求后的起始位置诅岩。這也是為什么無人機(jī)產(chǎn)品要在星數(shù)足夠之后才能起飛讳苦，試想一下如果起始位置沒有定準(zhǔn)，就算在飛行過程中星數(shù)足夠吩谦，獲取的飛行位置信息也夠精確医吊，最后也可能造成一鍵返航位置與起始位置偏差巨大。

下面給出參考原點(diǎn)的坐標(biāo)信息以及從 ECEF 到 NED 的轉(zhuǎn)換計(jì)算：

從ECEF到NED坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣如下：

結(jié)合上面兩部分的計(jì)算方法逮京，就成功地實(shí)現(xiàn)了 GPS 輸出的位置數(shù)據(jù)到 NED 坐標(biāo)系下的轉(zhuǎn)換卿堂。換句話說，我們獲得了進(jìn)行無人機(jī)控制器設(shè)計(jì)所必須的外環(huán)位置狀態(tài)信息。

但外環(huán)信息一共有六個(gè)草描，還有三個(gè)速度狀態(tài)呢览绿？通過 GPS 可以獲得 ECEF 坐標(biāo)系下的速度向量。與 G 系類似穗慕，相比于飛行器在 ECEF 這個(gè)三維坐標(biāo)系的速度向量饿敲，我們更關(guān)心相對(duì)于 NED 坐標(biāo)系的速度向量：

責(zé)任編輯：陳凱文