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惯性导航坐标系介绍

2023-05-16

常用坐标系定义

        运载体中三维空间运动包含六个自由度，既有角运动也有线运动。在地球表面附近，运载体的角运动描述一般以当地水平面和地理北向为参考基准；线运动的描述通常采用地理经度、纬度和高度表示，它是相对于整个地球旋转椭球体而言。但是，运载体上惯导系统使用的关系传感器(陀螺仪和加速度计)从原理上看是相对于惯性空间进行测量的。另外。地球绕其自转轴相对于惯性空间以常值角速率旋转，运载体在地球表面位置变化会引起其相对于地心的角速率。

ECI Frame（地心惯性系）：()E 符号

ECEF Frame（地球坐标系）：()e 符号

ENU Frame（东北天坐标系）：()n 符号

Local Frame（局部坐标系）：()w 符号

Body Frame（实际选取IMU）：()b 符号

1.地心惯性坐标系(i系，inertial frame)记作ECI系

        原点为地球中心，x,y轴在地球赤道平面内，z轴为地球自转轴，指向北极，x轴指向春分点(赤道面与黄道面的交线再与天球相交的交点之一)，春分点是天文测量中确定恒星时的起始点。惯性传感器如IMU的输出就是以该坐标系为参考基准的。

        地心惯性坐标系是一种准惯性坐标系，虽然其转动角速率相对理性惯性空间波动非常小，但它的线运动却不是理想匀速的。

2.地球坐标系(e系，earth frame)记作ECEF系

        原点为地球中心，x,y轴在地球赤道平面内，z轴为地球自转轴，指向北极，x轴指向本初子午线，e系与地球固连，也成为地心地固坐标系，地球坐标系相对于惯性坐标系的角运动就是地球自转的角速率。

WGS-84坐标

        也叫经纬高坐标系(经度(longitude)，纬度(latitude)和高度(altitude)，LLA坐标系)。最为广泛应用的一个地球坐标系，它给出一点的大地纬度、大地经度和大地高程而更加直观地告诉我们该点在地球中的位置，故又被称作纬经高坐标系。WGS-84坐标系的X轴指向BIH(国际时间服务机构)1984.0定义的零子午面(Greenwich)和协议地球极(CTP)赤道的交点。Z轴指向CTP方向。Y轴与X、Z轴构成右手坐标系。ECEF坐标系用在GPS中，就是WGS-84坐标系。其中：
（1）大地纬度是过用户点P的基准椭球面法线与赤道面的夹角。纬度值在-90°到+90°之间。北半球为正，南半球为负。

（2）大地经度是过用户点P的子午面与本初子午线之间的夹角。经度值在-180°到+180°之间。

（3）大地高度h是过用户点P到基准椭球面的法线距离，基准椭球面以内为负，以外为正。

3.地理坐标系(g系， geographic frame如东北天ENU系)

        地理坐标系原点定义为运载体的重心或者中心，x轴指向地理东向，y轴指向地理北向，z轴垂直于当地旋转椭球面指向天向。 地理坐标系相对于地球坐标系的位置可由运载体的地理坐标系表示，即经度\lambda，纬度L，椭球高度h。通常取用东北天(ENU)地理坐标系作为导航的参考坐标系，能够适应除极区外的导航应用。

4.载体坐标系(b系， body frame)

         通常采用运载体的重心或中心为原点，载体横轴向右为x轴，载体前向为y轴，载体立轴向上为z轴。

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