3. 坐标系与导航基础

做无人机飞控，坐标系是绕不开的第一道坎。我刚开始接触 ArduPilot 时，觉得坐标系这东西太理论了，不就是个参考系嘛。结果第一次调参数，飞机在天上乱转，我才意识到——坐标系搞错了，飞控根本不知道自己在哪。

说白了，坐标系就是给无人机一个「空间语言」。它告诉飞控：哪是前、哪是上、哪是北。没有这个基础，航线设计就是空中楼阁。

WGS84 是目前全球卫星导航系统通用的地理坐标系。GPS 给出的经纬度，就是基于这个标准。

它的核心逻辑很简单：用经度、纬度、海拔来描述地球上的一个点。地球被近似为一个椭球体，WGS84 定义了它的长半轴、短半轴和扁率。

在 ArduPilot 里，所有航点坐标都存为 WGS84 格式。你在地图上点一个点，飞控拿到的是经纬度，然后换算成本地坐标去执行。

我的习惯：在 Mission Planner 里设置航点时，我会把坐标格式统一设为「度分秒」或「十进制度」。混用的话，后期检查航线会很痛苦。

机体坐标系是固定在无人机上的。原点在飞机重心，X 轴指向机头，Y 轴指向右翼，Z 轴指向下方。

为什么要单独搞一个机体坐标系？因为飞控的传感器——陀螺仪、加速度计——都是装在飞机上的。它们测量的数据，天然就是机体坐标系下的。

举个例子：加速度计测到 X 轴方向有 9.8 m/s² 的加速度。这不一定代表飞机在向前加速，也可能是飞机仰头了，重力分量落到了 X 轴上。

注意：机体坐标系的 Z 轴指向下，这是航空领域的惯例。和很多 3D 图形学里的 Z 轴向上正好相反。我第一次做姿态解算时，就被这个方向坑过。

NED 是 North-East-Down 的缩写。原点在飞机当前位置，X 轴指向北，Y 轴指向东，Z 轴指向地心。

这个坐标系有什么用？它把地球曲面「拍平」了。在局部小范围内，我们可以把地球近似成平面，用 NED 坐标做位置控制。

ArduPilot 的导航算法，本质上就是在 NED 坐标系下算位置偏差，然后换算成机体坐标系下的控制指令。

  关键转换：WGS84 → NED 转换是飞控最频繁的计算之一。每次 GPS 更新，飞控都要把经纬度转成 NED 坐标，才能算出当前位置和目标的偏差。

这三个角定义了飞机的姿态。我习惯把它们叫做「飞机的三个自由度」。

在 ArduPilot 里，这三个角的数据来自姿态估计算法（EKF 或互补滤波）。它们决定了飞控如何输出电机指令。

避坑指南：我曾经在调试时发现飞机一直偏航。查了半天，原来是磁罗盘校准没做好，导致航向角有 10° 的偏差。记住：磁罗盘校准不是走过场，它直接影响航向精度。

GPS 的原理，说白了就是「三边测量」。卫星告诉你它的位置和信号发射时间，你的接收机算出信号传播时间，乘以光速，得到距离。有三颗卫星就能解出三维位置。

但实际没那么简单。卫星钟差、电离层延迟、多路径效应……各种误差源都会影响精度。

普通 GPS 模块的精度在 2-5 米。如果要做精准航线作业，比如植保无人机，建议用 RTK-GPS，精度可以到厘米级。

我的经验：GPS 信号受环境影响很大。在城市峡谷、山谷、高压线附近，多路径效应会严重降低定位精度。我一般会在起飞前检查 PDOP 值，低于 2.0 才放心起飞。

下面这张图把本章的核心知识点串起来了。你可以看到 WGS84、机体坐标系、NED 坐标系之间的关系，以及它们如何支撑姿态角和 GPS 定位。

你想想看，没有坐标系，飞控怎么知道「向前飞」是朝哪个方向？GPS 给的是经纬度，飞控要转成 NED 坐标，再结合姿态角算出电机转速。每一步都离不开坐标系。

  一句话总结：WGS84 是地球的「地址簿」，NED 是飞控的「本地地图」，机体坐标系是飞机的「身体感知」，姿态角是「身体姿态」。四者配合，无人机才能知道自己在哪里、朝哪飞、怎么飞。