引言
在无人机控制、组合导航、机器人定位等场景中，坐标系是连接传感器数据、运动建模与实际应用的核心桥梁。不同坐标系就像不同的 "语言"，对应着不同的参考基准：有的适配局部导航，有的适配全球定位，有的直接对接传感器数据。选对坐标系，才能确保数据解读不偏差、计算结果精准可靠。
本文聚焦应用最广泛的 4 种核心坐标系，结合工程实践讲清核心逻辑，帮你快速掌握导航 "通用语言"。
一、北东地坐标系（NED 坐标系）
1. 核心定义
- 原点：载体初始位置（如无人机起飞点、机器人启动位置）；
- 轴方向：遵循 "北 - 东 - 地" 右手定则 ------N 轴指向地理北极，E 轴指向地理东（与 N 轴垂直），D 轴垂直于当地水平面、指向地心。
2. 关键特点
- 属于 "局部水平坐标系"：随载体移动但轴方向固定（相对地球不旋转），数据解读符合人类对方向的直觉；
- 导航数据直观：比如 "速度 v=[2,3,-0.5] m/s"，直接对应 "向北 2m/s、向东 3m/s、向地 0.5m/s"，无需额外换算。
3. 典型应用
- 无人机导航：在 PX4 飞控和 ArduPilot 等主流无人机系统中，NED 是默认坐标系，用于位置和速度解算。
- 组合导航：在扩展卡尔曼滤波器（ESKF）等数据融合算法中，NED 用于描述载体的绝对位置和速度，简化姿态解算。
- 地面机器人局部导航：适用于小范围移动场景，如园区巡检机器人，其中 NED 的轴方向固定便于路径规划。
二、北东天坐标系（ENU 坐标系）
1. 核心定义
- 原点：与 NED 一致（载体初始所在的局部地面点）；
- 轴方向：N 轴（北）、E 轴（东）与 NED 完全相同，仅 Z 轴为 "天"（U 轴）------ 垂直于当地水平面、指向天空，与 NED 的 D 轴方向相反。
2. 关键特点
- 与 NED 呈 "镜像关系"：仅高度轴方向不同，避免了 NED 中 "地轴为负" 的理解困扰；
- 高度直觉化：海拔高度为正，符合地面导航的认知习惯（比如 "位置 P=[100,200,5] m"，即 "北 100m、东 200m、海拔 5m"）。
3. 典型应用
- 卫星定位数据解析：GPS 和北斗系统的标准输出采用 ENU 或类似坐标系，海拔高度直接对应 U 轴，便于直接使用。
- 地面机器人全局定位：适用于扫地机器人或商场 AGV，其中高度变化小，ENU 的 U 轴正方向简化了地图构建和路径跟踪。
- 自动驾驶局部导航：在城市道路场景中，ENU 用于描述车辆位置，高度轴为正符合道路海拔数据。
三、机体坐标系（Body 坐标系，简称 b 系）
1. 核心定义
- 原点：载体质心（如无人机中心、机器人几何中心）；
- 轴方向：与载体固连、随载体运动旋转 ------Xb 轴指向载体前进方向，Yb 轴指向载体右侧（与 Xb 轴垂直），Zb 轴指向载体下方（与 NED 的 D 轴一致，部分场景为 "上"，需工程中统一定义）。
2. 关键特点
- "随动坐标系"：载体转弯、俯仰时，坐标轴同步旋转，始终与载体保持相对固定；
- 传感器原生输出：IMU（惯性测量单元）测量的角速度、比力，均直接输出在 b 系下，无需额外转换。
3. 典型应用
- 传感器数据预处理：IMU 如 MPU-6050 直接输出角速度和加速度在 b 系下，用于初始数据采集。
- 姿态解算算法：在 ESKF 或互补滤波中，b 系数据通过旋转矩阵转换为 NED/ENU 系，实现姿态估计。
- 载体运动控制：无人机推力分配和机器人转向指令基于 b 系设计，贴合载体动力学。
四、地球固连坐标系（ECEF 坐标系）
1. 核心定义
- 原点：地球球心；
- 轴方向：随地球自转旋转 ------Xe 轴指向本初子午线（0° 经线）与赤道的交点，Ye 轴在赤道平面内与 Xe 轴垂直（指向 90°E），Ze 轴指向地球北极（与自转轴一致）。
2. 关键特点
- 全球统一基准：无区域限制，能唯一描述地球表面任意点位置，避免局部坐标系的基准冲突；
- 同步地球运动：地面静止物体的 ECEF 坐标仅随纬度、经度变化，适配大范围移动场景。
3. 典型应用
- 卫星轨道建模：GPS 和北斗卫星的轨道位置和速度在 ECEF 中定义，用于精确导航解算。
- 全球导航系统：跨洲航班或远洋船舶使用 ECEF 作为中间坐标系，再转换为局部 NED/ENU 进行导航。
- 多载体协同定位：无人机集群或车队导航中，ECEF 提供统一基准，避免设备间坐标系偏差（依据：多传感器融合系统常用 ECEF 确保全局一致性）。
选型速查表（快速匹配场景）
| 应用场景 | 推荐坐标系 | 核心原因 |
|---|---|---|
| 组合导航、无人机导航 | NED 坐标系 | 与 ESKF 兼容性好，姿态 / 速度解算直观 |
| GPS / 北斗数据解析、地面机器人全局定位 | ENU 坐标系 | 高度为正易理解，适配卫星定位输出 |
| IMU 数据预处理、载体运动控制 | 机体坐标系（b 系） | 传感器原生输出，贴合控制逻辑 |
| 全球导航、多载体协同 | ECEF 坐标系 | 全球统一基准，无区域限制 |
总结
导航坐标系的核心是 "选对参考基准"：NED 和 ENU 适用于局部导航，机体系直接处理传感器数据，ECEF 覆盖全球场景。