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ECEF到NED坐标系的数据转换方法与应用

【摘要】:下面给出参考原点的坐标信息及从ECEF到NED的转换计算:从ECEF到NED坐标系的旋转矩阵如下:结合上面两部分的计算方法,成功地实现了GPS输出的位置数据到NED坐标系下的转换。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:我们还没有讨论从NED坐标系到机体坐标系的数据转换,为了描述无人机的旋转运动,我们需引入无人机姿态的概念。

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和速度向量。将NED坐标系看作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(NavigationCoordinate)或者地面坐标系(Ground Coordinate)。

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。

下面给出参考原点的坐标信息及从ECEF到NED的转换计算:

从ECEF到NED坐标系的旋转矩阵如下:

结合上面两部分的计算方法,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需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:

我们还没有讨论从NED坐标系到机体坐标系的数据转换,为了描述无人机的旋转运动,我们需引入无人机姿态的概念。(请思考问题:为什么描述旋转运动需要额外引入状态?这与哪些物理学定义有关系?)