在無人機控制、組合導航、機器人定位等場景中，座標系是連接傳感器數據、運動建模與實際應用的核心橋樑。不同座標系就像不同的 “語言”，對應着不同的參考基準：有的適配局部導航，有的適配全球定位，有的直接對接傳感器數據。選對座標系，才能確保數據解讀不偏差、計算結果精準可靠。

引言

在無人機控制、組合導航、機器人定位等場景中，座標系是連接傳感器數據、運動建模與實際應用的核心橋樑。不同座標系就像不同的 “語言”，對應着不同的參考基準：有的適配局部導航，有的適配全球定位，有的直接對接傳感器數據。選對座標系，才能確保數據解讀不偏差、計算結果精準可靠。

本文聚焦應用最廣泛的 4 種核心座標系，結合工程實踐講清核心邏輯，幫你快速掌握導航 “通用語言”。

一、北東地座標系（NED 座標系）

1. 核心定義

  • 原點：載體初始位置（如無人機起飛點、機器人啓動位置）；
  • 軸方向：遵循 “北 - 東 - 地” 右手定則 ——N 軸指向地理北極，E 軸指向地理東（與 N 軸垂直），D 軸垂直於當地水平面、指向地心。

2. 關鍵特點

  • 屬於 “局部水平座標系”：隨載體移動但軸方向固定（相對地球不旋轉），數據解讀符合人類對方向的直覺；
  • 導航數據直觀：比如 “速度 v=[2,3,-0.5] m/s”，直接對應 “向北 2m/s、向東 3m/s、向地 0.5m/s”，無需額外換算。

3. 典型應用

  • 無人機導航：在 PX4 飛控和 ArduPilot 等主流無人機系統中，NED 是默認座標系，用於位置和速度解算。
  • 組合導航：在擴展卡爾曼濾波器（ESKF）等數據融合算法中，NED 用於描述載體的絕對位置和速度，簡化姿態解算。
  • 地面機器人局部導航：適用於小範圍移動場景，如園區巡檢機器人，其中 NED 的軸方向固定便於路徑規劃。

二、北東天座標系（ENU 座標系）

1. 核心定義

  • 原點：與 NED 一致（載體初始所在的局部地面點）；
  • 軸方向：N 軸（北）、E 軸（東）與 NED 完全相同，僅 Z 軸為 “天”（U 軸）—— 垂直於當地水平面、指向天空，與 NED 的 D 軸方向相反。

2. 關鍵特點

  • 與 NED 呈 “鏡像關係”：僅高度軸方向不同，避免了 NED 中 “地軸為負” 的理解困擾；
  • 高度直覺化：海拔高度為正，符合地面導航的認知習慣（比如 “位置 P=[100,200,5] m”，即 “北 100m、東 200m、海拔 5m”）。

3. 典型應用

  • 衞星定位數據解析：GPS 和北斗系統的標準輸出採用 ENU 或類似座標系，海拔高度直接對應 U 軸，便於直接使用。
  • 地面機器人全局定位：適用於掃地機器人或商場 AGV，其中高度變化小，ENU 的 U 軸正方向簡化了地圖構建和路徑跟蹤。
  • 自動駕駛局部導航：在城市道路場景中，ENU 用於描述車輛位置，高度軸為正符合道路海拔數據。

三、機體座標系（Body 座標系，簡稱 b 系）

1. 核心定義

  • 原點：載體質心（如無人機中心、機器人幾何中心）；
  • 軸方向：與載體固連、隨載體運動旋轉 ——Xb 軸指向載體前進方向，Yb 軸指向載體右側（與 Xb 軸垂直），Zb 軸指向載體下方（與 NED 的 D 軸一致，部分場景為 “上”，需工程中統一定義）。

2. 關鍵特點

  • “隨動座標系”：載體轉彎、俯仰時，座標軸同步旋轉，始終與載體保持相對固定；
  • 傳感器原生輸出：IMU（慣性測量單元）測量的角速度、比力，均直接輸出在 b 系下，無需額外轉換。

3. 典型應用

  • 傳感器數據預處理：IMU 如 MPU-6050 直接輸出角速度和加速度在 b 系下，用於初始數據採集。
  • 姿態解算算法：在 ESKF 或互補濾波中，b 係數據通過旋轉矩陣轉換為 NED/ENU 系，實現姿態估計。
  • 載體運動控制：無人機推力分配和機器人轉向指令基於 b 系設計，貼合載體動力學。

四、地球固連座標系（ECEF 座標系）

1. 核心定義

  • 原點：地球球心；
  • 軸方向：隨地球自轉旋轉 ——Xe 軸指向本初子午線（0° 經線）與赤道的交點，Ye 軸在赤道平面內與 Xe 軸垂直（指向 90°E），Ze 軸指向地球北極（與自轉軸一致）。

2. 關鍵特點

  • 全球統一基準：無區域限制，能唯一描述地球表面任意點位置，避免局部座標系的基準衝突；
  • 同步地球運動：地面靜止物體的 ECEF 座標僅隨緯度、經度變化，適配大範圍移動場景。

3. 典型應用

  • 衞星軌道建模：GPS 和北斗衞星的軌道位置和速度在 ECEF 中定義，用於精確導航解算。
  • 全球導航系統：跨洲航班或遠洋船舶使用 ECEF 作為中間座標系，再轉換為局部 NED/ENU 進行導航。
  • 多載體協同定位：無人機集羣或車隊導航中，ECEF 提供統一基準，避免設備間座標系偏差（依據：多傳感器融合系統常用 ECEF 確保全局一致性）。

選型速查表（快速匹配場景）

應用場景

推薦座標系

核心原因

組合導航、無人機導航

NED 座標系

與 ESKF 兼容性好，姿態 / 速度解算直觀

GPS / 北斗數據解析、地面機器人全局定位

ENU 座標系

高度為正易理解，適配衞星定位輸出

IMU 數據預處理、載體運動控制

機體座標系（b 系）

傳感器原生輸出，貼合控制邏輯

全球導航、多載體協同

ECEF 座標系

全球統一基準，無區域限制

總結

導航座標系的核心是 “選對參考基準”：NED 和 ENU 適用於局部導航，機體系直接處理傳感器數據，ECEF 覆蓋全球場景。