导航坐标系：地心惯性坐标系地心地固坐标系当地水平坐标系载体/机体坐标系

Posted 2021-06-20 脑壳二

导航中的几种常用坐标系

1. 地心惯性坐标系（ECI）
2. 地心地固坐标系（ECEF）
3. 当地水平坐标系（LLF）、东北天坐标系ENU
4. 地平坐标系
5. 载体/机体坐标系

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一、 地心惯性坐标系（ECI）

         在空间保持静止或匀速直线运动(无加速度)的坐标系称为惯性坐标系。所有惯性器件在测量轴方向产生的都是惯性系下的测量结果。此外,还需要在惯性系下完成卫星绕地球的位置和速度的估计。对于近地卫星,通常采用地心惯性(ECI)坐标系。

1. 地球质心为坐标系原点;
2. $z$轴沿着地球自转轴指向协议地极;
3. $x$轴位于赤道平面内,并指向春分点;
4. $y$轴符合右手笛卡儿坐标系。

ECI 坐标系的坐标轴利用上标$i$表示为$x_i$ ,$y_i$ ,$z_i$。

Fig. ECI和ECEF坐标系

二、 地心地固坐标系（ECEF）

         地心地固坐标系(ECEF)与ECI坐标系有着相同的坐标原点和$z$轴定义,但是ECEF坐标系是与地球保持同步旋转的(所以命名为地固)。定义为:
一般地球导航和跟踪中，惯性坐标系即为ECEF

1. 坐标原点与地球质心重合;
2. $z$轴指向协议地极；
3. $x$轴指向赤道与本初子午线(格林尼治子午线)的交点;
4. $y$轴在赤道平面上与$x$轴和$z$轴构成右手笛卡儿坐标系。

ECI 坐标系的坐标轴利用上标$i$表示为$x_e$ ,$y_e$ ,$z_e$。

地心地固坐标系是参与地球自转的，它相对惯性坐标系的转动角速度就等于地球自转角速度。

三、 当地水平坐标系（LLF）

又被称之为 地理坐标系

         当地水平坐标系(LLF)用来描述运载器在近地运动中的姿态与速度。LLF坐标系也称为地理或导航坐标系。通常LLF定义如下:

1. 坐标原点是惯性器件坐标系的中心(惯性器件的三轴交点);
2. $y$轴水平指真北;
3. $z$轴水平指东;
4. $z$轴与$x$轴、$y$轴构成右手笛卡儿坐标系,方向与地球椭球面垂直。即指向天或地心

LLF也称为ENU坐标系,因为它的坐标轴分别指向正北、正东,和铅直向上。下图表示了该坐标系之间的关系。另一种常用LLF坐标系与ENU坐标系的z轴定义不同,它与x轴、y轴构成左手笛卡儿坐标系,z轴方向垂直于参考椭球面向下。因此,这种坐标系称为NED(北,东,地)坐标系。本书将采用ENU坐标系。

LLF坐标系的坐标轴利用上标$g$表示为$x_g$ ,$y_g$ ,$z_g$。

四、 地平坐标系

         地平坐标系如图所示，

1. 坐标原点取在运载体重心
2. yh轴水平并指向航行方向
3. zh轴与当地地垂线重合并指向天顶
4. xh轴也是水平并与yh和zh轴构成右手直角坐标系。
5. 其中Oxhyh平面就是当地水平面，Oyhzh平面就是运载体的纵向铅垂面。

在确定运载体姿态角时，采用地平坐标系更为直接和方便。

地平坐标系的坐标轴利用上标$h$表示为$x_h$ ,$y_h$ ,$z_h$。

五、载体/机体坐标系

         在实际应用中,加速度计的测量轴是由运动平台安装固定此器件的轴向决定的。这些坐标轴就形成了载体坐标系,定义如下:

1. 坐标原点设在载体质心(这样可简化运动方程的推导);
2. y轴指向载体前方,称为横滚轴,横滚角以y轴为起始旋转轴而得到,符合右手定则;
3. x轴与y轴夹角90°,指向载体横向,称为俯仰轴,俯仰角以x轴为起始旋转轴而得到,符合右手定则;
4. z轴与x轴、y轴构成右手笛卡儿坐标系,指向载体垂直方向,称为偏航轴,偏航角以z轴为起始旋转轴而得到,符合右手定则。

即机体坐标系与载体固连，其坐标原点与飞机重心重合。

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