从 GPS 信息到飞行控制, 无人机上的位置数据处理与转化

本文作者:无人机中的城堡,原文标题『城堡里学无人机:如何处理GPS数据获取无人机状态信息?』

下图是国内某知名「无人机相关企业」2014 年笔试的截图,显示了导航过程中的数据转换的实用性。

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之前的文章中,我介绍了无人机系统自动导航过程中涉及的几个重要坐标系,本文则会跟大家分析在实际的无人机系统中,GPS 的输出数据如何转化为无人机控制需要的状态信息。

GPS输出数据详解

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实际的 GPS 系统会以一定格式输出很多数据,如时间,精度因子,卫星编号,信噪比等等,但对于无人机控制而言,最为重要,也是最常使用的还是「经度(Longitude),纬度(Latitude)以及高度(height)」三组数据。

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直接通过 GPS 获取的飞行器的位置坐标基于 WGS-84(World Geodetic System-1984)坐标系,简称 Geodetic 或 G 坐标系。

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为什么需要单独建立一个坐标系呢?这是由于地球表面地势复杂,有山有海,高低不平。需要建立一个简单而精确的近似数学模型,大家决定采用椭球体作为地球的近似。而 G 坐标系就描述了一个椭球体,给出该椭球体的基本参数:长半轴,短半轴,第一偏心率,第二偏心率,扁率,曲率半径(米):

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GPS输出的高度不是海拔(Alt)么?这里怎么是 h 高度呢?GPS 硬件直接获取的高度是相对于 G 坐标系中椭球表面的高度。而海拔是相对于公海平面的高度,与地球表面形状和重力分布相关。相对于大地水准面的高度才是海拔,也就是下图中的H参数。

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M(大地水准偏差)作为GPS输出高度h和当地海拔之间的偏差,一般在正负100m以内。

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从 Geodetic 到 ECEF 坐标系的数据转换

我们通过 G 坐标系下的三个参数:经度,维度,高度,可以获得飞行器在椭球表面的位置坐标。但进行导航计算时,我们需要把数据换算到 NED 坐标系下。要完成从 G 系到 NED 的数据转换还需要一个过渡过程:G 坐标系到 ECEF 坐标系下的数据转换。

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其中 N 是我们常说的曲率半径(m)。通过上面的计算公式就可以实现从 G 坐标系到 ECEF 坐标的数据转换。

从ECEF到NED坐标系的数据转换

对于商用无人机,相比于它在椭球中的信息,我们更关心它在平面中的位置向量、速度向量。将 NED 坐标系看做导航中最重要的坐标系并不为过,NED 坐标系也经常被直接称为导航坐标系(Navigation Coordinate)或者地面坐标系(Ground Coordinate)。

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首先要获取 NED 坐标系中的参考原点,一般也就是无人机 GPS 星数达到要求后的起始位置。这也是为什么无人机产品要在星数足够之后才能起飞,试想一下如果起始位置没有定准,就算在飞行过程中星数足够,获取的飞行位置信息也够精确,最后也可能造成一键返航位置与起始位置偏差巨大。

下面给出参考原点的坐标信息以及从 ECEF 到 NED 的转换计算:

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从ECEF到NED坐标系的旋转矩阵如下:

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结合上面两部分的计算方法,就成功地实现了 GPS 输出的位置数据到 NED 坐标系下的转换。换句话说,我们获得了进行无人机控制器设计所必须的外环位置状态信息

但外环信息一共有六个,还有三个速度状态呢?通过 GPS 可以获得 ECEF 坐标系下的速度向量。与 G 系类似,相比于飞行器在 ECEF 这个三维坐标系的速度向量,我们更关心相对于 NED 坐标系的速度向量:

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责任编辑:陈凯文

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发布日期:2016年07月31日  所属分类:教程  无人机