卫星导航 | 坐标系---地理坐标系与UTM坐标系

全球卫星导航系统(Global Navigation Satelite System,GNSS)，简称卫星导航，是室外机器人定位的一个主要信息来源。

卫星导航能给机器人提供什么信息？
正常工作时，实际上可以提供机器人所需的所有定位信息，包括：

• 位置
• 姿态
• 速度等物理量

但是仅依靠卫星导航还不足以让机器人在室外完成自主导航任务，主要原因有一下几点：

• GNSS提供的定位精度不能满足要求，GNSS分多个细分种类，有些GNSS定位方法可以提供很高的精度，但要求物体必须静止一段时间（通常十分钟以上）；也有的方法可以提供较好的动态物体定位，但需要事先架设一个或多个基站。
• GNSS的定位频率不能满足要求，一般在5-10hz
• GNSS定位可用性存在问题，不能够全天候、全场地使用，稳定性与场景、结构、物体的遮挡关系，甚至和天气有关。

GNSS定位原理：
GNSS通过测量自身与地球周围各卫星的距离来确定自身位置，与卫星的距离主要通过测量时间间隔来确定。一个卫星信号从卫星上发出时，带有一个发送时间,而GNSS接收机接收到它时，有一个接收时间，通过比较时间间隔，就能估算各卫星离我们的距离。GNSS本质上可以看成一种高精度的授时系统。

GNSS定位技术分为以下两种：

• 单点GNSS定位，即传统的米级精度卫星定位。这种定位方式价格低廉，应用广泛。大多数手机、车机等终端都具备单点卫星定位能力。在普通车辆的道路级导航中，单点定位的精度足以让驾驶员辨认出车辆位于哪条道路，但在多条道路并排时，它的精度不足以区分车辆在高速路上还是辅路上。
• RTK定位。由于卫星信号在传输中可能产生误差，发展了差分定位技术，即通过地面上的一个已知精确位置的基站与车辆通信，校正车辆卫星接收机的信号。差分定位又进一步分为位置、伪距和载波相位差分定位。

世界坐标系

GNSS提供的位置坐标为世界坐标系下的坐标

物理世界中存在多种普遍使用的世界坐标系

地理坐标系

地球上最常见的坐标系就是经纬度（Latitude Longitude）坐标系，也称为地理坐标系（Geography Coordinate System）。
再加上高度就形成了经纬高（Latitude-longitude-altitude,LLA）坐标系。
经纬度是指按横向和纵向对地球表面进行均匀的切分。经度是从本初子午线向东西各180°，纬度则是从赤道向南北各90°。这两个数值均为角度值或弧度值。高度方面则可使用海拔高度或者地心高度，它们都是相对某个基准水平面的高度。

经纬高坐标系优势：
经纬度是十分直观、好用的坐标系，能够覆盖整个地球。许多地图系统都会首选使用经纬度坐标系作为默认的坐标系。

经纬高坐标系劣势：
机器人导航地图通常覆盖城市级别或者更小的范围，经纬高坐标系会让坐标系统的有效数字变多（建筑物级别的经纬度通常要精确到小数点后8至9位），读起来比较费力。
它们与日常接触的米制单位的转换关系不够线性，例如一度经度在北京可以对应0米，在赤道可能对应上百千米。

UTM坐标系

UTM（Universal Transverse Mercator Grid System）坐标系是将地球视为一个椭球体（Wold Geodetic System 84 椭球体），投影至横躺的圆柱体上，将其展开并进行分区得到。

UTM坐标系特点：

• 它将经度分为60个区，将纬度分为20个区，并赋予标号；
• 经度方向为数字标号，纬度方向为字母标号；
• 除了各别地方，这些分区大体是均匀分布的（沿经纬度均匀分布）；
• 由于地球本身是球面，它们在米制单位上并不是均匀的；
• 两级区域在平铺之后有较大畸变，所以UTM的经纬度有效范围是南北80°以内。

看下面的示意图，可以更好理解上面的特点

在每个分区内，UTM坐标以正东、正北的米制坐标来表达机器人位置。由于地球半径约为6378千米，可以算得UTM一格在东西向最宽约66.7万米。于是，UTM正动坐标是指，将该区的经度中心线取x=500000，然后取向东的偏移量，如果某个点落在中心线以西，则x坐标将小于500000米，但仍为正数。正北方向则以赤道的投影距离为原点，取这个点偏离赤道的距离为y坐标。那么在北半球中，将正东视为X轴，正北视为Y轴，按照右手坐标系，Z轴应该指向天空。这样就定义了一个分区内的世界坐标系，且符合东北天坐标系的习惯。或者也可以将正北视为X轴，将正东视为Y轴，Z轴指向地面，定义北东地坐标系。

UTM的优点是使用了米制坐标，与其它传感器的兼容性好，缺点是某些地区可能在两个分区的跨界处，需要进行额外的坐标处理。

由于地球的投影畸变，实际的UTM坐标与米制单位之间还有一个0.9996的倍数关系，在高精度场合中需要将其考虑进去。