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组合导航科普(3):常见坐标系有哪些? | bynav北云

by WZHWZH


导航中最基础的问题之一,就是要描述物体的位置、速度和姿态等参数。

 

然而,这些参数对物体本身而言是无意义的。比如在生活中,可能会产生这样的运动错觉:当观察夜空时,感觉月亮在云中穿梭;或乘坐列车时,无法分辨出启程的是自己乘坐的列车还是对面停靠的列车。因此,当我们需要确定物体的位置、速度和姿态等参数时,通常需要相对于某种形式的参考系来描述。

 

在描述时,首先需要选择被描述对象上的一点作为该对象的原点,该点可以是物体的质心、几何中心,或其他合适的点,比如天线的相位中心点等;然后,还需要选择一组轴系和一个原点,构成描述对象所需的参考系。

 

轴系和原点的选取并没有固定的要求,但为了描述方便,轴向间通常是正交的。如果要描述对象的方位或角运动,则至少需要三个非共面的正交轴。参考系的原点通常会选择太阳系的中心、地球的中心、当地的地标点等。

 

对象或参考系的原点和轴系一起构成了坐标系。人们习惯于用右手正交准则来定义正交坐标系的轴系,即:x,y,z轴互相垂直,将右手的拇指、食指和中指正交延长,则拇指方向是x轴,食指方向是y轴,中指方向是z轴;将右手拇指指向轴向的正向,则其他四指握拳指向的方向为绕着该轴旋转的正方向。与之相反的左手准则则很少采用。

 

导航中常用的坐标系有:地心惯性坐标系(Earth-centered inertial frame,ECI)、地心地固坐标系(Earth-centered Earth-fixed frame,ECEF)、当地导航坐标系(local navigation frame)和载体坐标系(body frame)。

 

其中,地心惯性坐标系是以地球质心为中心,以地球自转轴和恒星方向为坐标轴的坐标系。

 

地心地固坐标系,一般简称地球坐标系,除了坐标轴与地球固联外,它与ECI定义类似:z轴定义与ECI坐标系相同,沿着地球自转轴从地心指向北极点;x轴从地心指向赤道与IERS参考子午线的交点;由右手准则可知,y轴从地心指向赤道与90°东经子午线的交点。

 

当地导航坐标系,坐标轴定义与地形方向(北、东、垂向)一致,通常用到的有ENU(东北天)系和NED(北东地)系。

 

载体坐标系,由导航中要解算的导航对象的原点和姿态确定。载体坐标系的坐标轴通常与载体固联,y轴为前向(即正常航行的方向),z轴为天向(即向上方向),x轴为右向。

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