本文作者：無人機中的城堡，原文標題『城堡里學無人機：如何處理GPS數據獲取無人機狀態信息？』

下圖是國內某知名「無人機相關企業」2014 年筆試的截圖，顯示了導航過程中的數據轉換的實用性。

在之前的文章中，我介紹了無人機系統自動導航過程中涉及的幾個重要坐標系，本文則會跟大家分析在實際的無人機系統中，GPS 的輸出數據如何轉化為無人機控制需要的狀態信息。

GPS輸出數據詳解

實際的 GPS 系統會以一定格式輸出很多數據，如時間，精度因子，衛星編號，信噪比等等，但對于無人機控制而言，最為重要，也是最常使用的還是「經度（Longitude），緯度（Latitude）以及高度（height）」三組數據。

直接通過 GPS 獲取的飛行器的位置坐標基于 WGS-84（World Geodetic System-1984）坐標系，簡稱 Geodetic 或 G 坐標系。

為什么需要單獨建立一個坐標系呢？這是由于地球表面地勢復雜，有山有海，高低不平。需要建立一個簡單而精確的近似數學模型，大家決定采用橢球體作為地球的近似。而 G 坐標系就描述了一個橢球體，給出該橢球體的基本參數：長半軸，短半軸，第一偏心率，第二偏心率，扁率，曲率半徑（米）：

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

M（大地水準偏差）作為GPS輸出高度h和當地海拔之間的偏差，一般在正負100m以內。

從 Geodetic 到 ECEF 坐標系的數據轉換

我們通過 G 坐標系下的三個參數：經度，維度，高度，可以獲得飛行器在橢球表面的位置坐標。但進行導航計算時，我們需要把數據換算到 NED 坐標系下。要完成從 G 系到 NED 的數據轉換還需要一個過渡過程：G 坐標系到 ECEF 坐標系下的數據轉換。

其中 N 是我們常說的曲率半徑（m）。通過上面的計算公式就可以實現從 G 坐標系到 ECEF 坐標的數據轉換。

從ECEF到NED坐標系的數據轉換

對于商用無人機，相比于它在橢球中的信息，我們更關心它在平面中的位置向量、速度向量。將 NED 坐標系看做導航中最重要的坐標系并不為過，NED 坐標系也經常被直接稱為導航坐標系（Navigation Coordinate）或者地面坐標系（Ground Coordinate）。

首先要獲取 NED 坐標系中的參考原點，一般也就是無人機 GPS 星數達到要求后的起始位置。這也是為什么無人機產品要在星數足夠之后才能起飛，試想一下如果起始位置沒有定準，就算在飛行過程中星數足夠，獲取的飛行位置信息也夠精確，最后也可能造成一鍵返航位置與起始位置偏差巨大。

下面給出參考原點的坐標信息以及從 ECEF 到 NED 的轉換計算：

從ECEF到NED坐標系的旋轉矩陣如下：

結合上面兩部分的計算方法，就成功地實現了 GPS 輸出的位置數據到 NED 坐標系下的轉換。換句話說，我們獲得了進行無人機控制器設計所必須的外環位置狀態信息。

但外環信息一共有六個，還有三個速度狀態呢？通過 GPS 可以獲得 ECEF 坐標系下的速度向量。與 G 系類似，相比于飛行器在 ECEF 這個三維坐標系的速度向量，我們更關心相對于 NED 坐標系的速度向量：

責任編輯：陳凱文