GPS 定位信息分析：航向角分析及经纬度坐标转局部XY坐标

2023-11-25 11:15
文章标签 分析 坐标 定位 信息 xy gps 局部 经纬度 航向

本文主要是介绍GPS 定位信息分析：航向角分析及经纬度坐标转局部XY坐标，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

GPS 定位信息分析（1）

从下面的数据可知，raw data 的提取和经纬度的计算应该是没问题的

在相同的经纬度下， x 和 y 还会发生变化，显然是不正确的

raw data:3150.93331124	11717.59467080	5.3
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 5.3
raw data:3150.93332581	11717.59468186	59.4
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 59.4
x: 0.0270035	y: 0.017412
---------
raw data:3150.93333013	11717.59468264	81.7
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 81.7
x: 0.03501	y: 0.01864
---------
raw data:3150.93333688	11717.59468779	77.2
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 77.2
x: 0.0475202	y: 0.0267478
---------
raw data:3150.93333483	11717.59468236	89.2
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 89.2
x: 0.0437208	y: 0.0181992
---------
raw data:3150.93334090	11717.59465670	337.7
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 337.7
x: 0.0549707	y: 0.022198
---------

调整输出后在 MATLAB 中处理显示

  • clockwise_pro.txt
  • anticlockwise_pro.txt
  • path_pro.txt

clockwise_pro 和 anticlockwise_pro 有助于分析航向角信息，path 参考意义不大

航向角信息分析

clockwise_pro 航向角信息

在这里插入图片描述

anticlockwise_pro 航向角信息

在这里插入图片描述

GPS 获取的是真北航迹方向，deg

Heading定向是指双天线接收机的主天线（ANT1）与从天线（ANT2）之间构成一个基线向量，确定此基线向量逆时针方向与真北的夹角

首先要明确基线向量与正北方向夹角的大小以及正负关系，分析如下，红色表示正北方向，蓝色表示基线向量，绿色表示航向角（真北航迹方向）

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

正北方向表示 0 度或 360 度位置，非负值，沿正北方向顺时针旋转是角度增加的方向

此时分析 clockwise_pro 和 anticlockwise_pro 的航向角变化结果就比较容易，示意图如下

在这里插入图片描述

以顺时针为例，起始位姿航向角 50 度，顺时针旋转至于正北方向重合，角度一直增大至 360 度

重合后继续顺时针旋转，此时会先从 360 度突变至 0 度，再继续增加

问题分析

1、由于手动安装主从天线，基线向量本身存在夹角，导致航向角始终存在偏差

下图能够说明该问题

在这里插入图片描述

2、GPS 获得的航向角信息是在大地或者正北天坐标系下的，该信息并不可以使用，需要转换到局部坐标系下，涉及到坐标转换的问题

3、基线向量和主从天线有关，接收机 com1 口对应主天线，但仅靠线缆无法区分，本次也没有贴标签注明哪一根接前天线，哪一根接后天线，下次接线若与本次不同可能会有影响

轨迹信息分析

clockwise_pro 轨迹信息

在这里插入图片描述

anticlockwise_pro 轨迹信息

在这里插入图片描述

对于原地旋转而言经纬度信息保持不变，此时在 X 方向和 Y 方向还有如此大的位移，是有问题的

GPS 定位信息分析（2）

对于局部 XY 坐标信息的异常，从公式和编程两方面考虑

XY 坐标计算

公式部分应该没什么问题，主要由“根据经纬度计算两地之间的距离”推得

在这里插入图片描述

查找资料的过程中还发现“大地坐标系与空间直角坐标系的转换”，可以作为储备知识

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

以起始的 GPS 坐标为全局坐标系原点（init_pose），以当前纬度为 X轴，当前经度为 Y 轴

计算目标点 X 坐标时，假设纬度相同，根据经度差计算 X 坐标值

计算目标点 Y 坐标时，假设经度相同，根据纬度差计算 Y 坐标值

在这里插入图片描述

陆师兄 gps_path.cpp 中的代码如下，感觉存在一些问题

//初始化if(!init){init_pose.latitude = gps_msg_ptr->latitude;init_pose.longitude = gps_msg_ptr->longitude;init_pose.altitude = gps_msg_ptr->altitude;init = true;}else{//计算相对位置double radLat1 ,radLat2, radLong1,radLong2,delta_lat,delta_long;radLat1 = rad(init_pose.latitude);radLong1 = rad(init_pose.longitude);radLat2 = rad(gps_msg_ptr->latitude);radLong2 = rad(gps_msg_ptr->longitude);//计算xdelta_lat = radLat2 - radLat1;delta_long = 0;double x = 2*asin( sqrt( pow( sin( delta_lat/2 ),2) + cos( radLat1 )*cos( radLat2)*pow( sin( delta_long/2 ),2 ) ));x = x*EARTH_RADIUS*1000;//计算ydelta_lat = 0;delta_long = radLong1  - radLong2;double y = 2*asin( sqrt( pow( sin( delta_lat/2 ),2) + cos( radLat2 )*cos( radLat2)*pow( sin( delta_long/2 ),2 ) ) );y = y*EARTH_RADIUS*1000;//计算zdouble z = gps_msg_ptr->altitude - init_pose.altitude;//发布轨迹ros_path_.header.frame_id = "path";ros_path_.header.stamp = ros::Time::now();  geometry_msgs::PoseStamped pose;pose.header = ros_path_.header;pose.pose.position.x = x;pose.pose.position.y = y;pose.pose.position.z = z;ros_path_.poses.push_back(pose);//ROS_INFO("( x:%0.6f ,y:%0.6f ,z:%0.6f)",x ,y ,z );cout<<x<<","<<y<<","<<z<<endl;state_pub_.publish(ros_path_);}
}

简单调整如下，只是将 X 变为 Y，Y 变为 X，影响不大

        		// 计算xdelta_lat = 0;delta_long = radLong1 - radLong2;           double x = 2 * asin(sqrt(pow(sin(delta_lat / 2), 2) + cos(radLat1) * cos(radLat2) * pow(sin(delta_long / 2), 2)));x = x * EARTH_RADIUS * 1000;cout << "delta_lat: " << delta_lat << "\tdelta_long: " << delta_long << "\tx: " << x << endl;// 计算ydelta_lat = radLat2 - radLat1;delta_long = 0;double y = 2 * asin(sqrt(pow(sin(delta_lat / 2), 2) + cos(radLat2) * cos(radLat2) * pow(sin(delta_long / 2), 2)));y = y * EARTH_RADIUS * 1000;cout << "delta_lat: " << delta_lat << "\tdelta_long: " << delta_long << "\ty: " << y << endl;

XY 坐标误差

另外对于原地旋转经纬度不变情况下存在较大 XY 方向位移的问题，打印过程中各变量分析

      			// 计算相对位置double radLat1, radLat2, radLong1, radLong2, delta_lat, delta_long;radLat1 = rad(init_pose.latitude);radLong1 = rad(init_pose.longitude);radLat2 = rad(latitude);radLong2 = rad(longitude);cout << "radLat1: " << radLat1 << "\tradLong1: " << radLong1 << "\tradLat2: " << radLat2 << "\tradLong2: " << radLong2 << endl;// 计算xdelta_lat = radLat2 - radLat1;delta_long = 0;double x = 2 * asin(sqrt(pow(sin(delta_lat / 2), 2) + cos(radLat1) * cos(radLat2) * pow(sin(delta_long / 2), 2)));x = x * EARTH_RADIUS * 1000;cout << "delta_lat: " << delta_lat << "\tdelta_long: " << delta_long << "\tx: " << x << endl;// 计算ydelta_lat = 0;delta_long = radLong1 - radLong2;double y = 2 * asin(sqrt(pow(sin(delta_lat / 2), 2) + cos(radLat2) * cos(radLat2) * pow(sin(delta_long / 2), 2)));y = y * EARTH_RADIUS * 1000;cout << "delta_lat: " << delta_lat << "\tdelta_long: " << delta_long << "\tx: " << y << endl;cout << "---------" << endl;

latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 5.3
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 59.4
radLat1: 0.555868	radLong1: 2.04715	radLat2: 0.555868	radLong2: 2.04715
delta_lat: 4.23824e-09	delta_long: 0	x: 0.0270035
delta_lat: 0	delta_long: -3.21722e-09	x: 0.017412
---------
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 81.7
radLat1: 0.555868	radLong1: 2.04715	radLat2: 0.555868	radLong2: 2.04715
delta_lat: 5.49488e-09	delta_long: 0	x: 0.03501
delta_lat: 0	delta_long: -3.44412e-09	x: 0.01864
---------
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 77.2
radLat1: 0.555868	radLong1: 2.04715	radLat2: 0.555868	radLong2: 2.04715
delta_lat: 7.45837e-09	delta_long: 0	x: 0.0475202
delta_lat: 0	delta_long: -4.94219e-09	x: 0.0267478
---------
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 89.2
radLat1: 0.555868	radLong1: 2.04715	radLat2: 0.555868	radLong2: 2.04715
delta_lat: 6.86205e-09	delta_long: 0	x: 0.0437208
delta_lat: 0	delta_long: -3.36267e-09	x: 0.0181992
---------
latitude: 31.8489	longitude: 117.293	heading_angle: 337.7
radLat1: 0.555868	radLong1: 2.04715	radLat2: 0.555868	radLong2: 2.04715
delta_lat: 8.62774e-09	delta_long: 0	x: 0.0549707
delta_lat: 0	delta_long: 4.10152e-09	x: 0.022198
---------

发现 radLat1 和 radLat2 相等，但是 delta_lat 却一直在变化，经度同理，这是 XY 坐标变化的主因

这里涉及到计算机中小数的表示，浮点数无法被精确表示，虽然 radLat1 和 radLat2 前几位都是 0.555868，但最后的尾部无法始终相同，因此相减后始终存在极小的误差，e-09 级别

round() 函数可以用于保留小数，详见 2022-07-30 C++：round函数用法

在进行角度和弧度转换时限定浮点数精度，调整 cout 输出精度后输出如下

// 角度制转弧度制
double deg2rad(double deg)
{double rad = deg * M_PI / 180.0;// 保留有限小数rad = round(rad * 1000000000) / 1000000000;return rad;
}cout.setf(ios::fixed);cout.precision(9);

/home/redwall/catkin_ws/src/gps_sensor/log/2023-11-10/clockwise.txt
latitude: 31.848888521	longitude: 117.293244513	heading_angle: 5.300000000
latitude: 31.848888763	longitude: 117.293244698	heading_angle: 59.400000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: -0.000000003	x: 0.016236402
delta_lat: 0.000000004	delta_long: 0.000000000	y: 0.025485572
---------
latitude: 31.848888835	longitude: 117.293244711	heading_angle: 81.700000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: -0.000000004	x: 0.021648536
delta_lat: 0.000000005	delta_long: 0.000000000	y: 0.031856965
---------
latitude: 31.848888948	longitude: 117.293244797	heading_angle: 77.200000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: -0.000000005	x: 0.027060668
delta_lat: 0.000000007	delta_long: 0.000000000	y: 0.044599750
---------
latitude: 31.848888914	longitude: 117.293244706	heading_angle: 89.200000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: -0.000000003	x: 0.016236402
delta_lat: 0.000000007	delta_long: 0.000000000	y: 0.044599750
---------
latitude: 31.848889015	longitude: 117.293244278	heading_angle: 337.700000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000004	x: 0.021648534
delta_lat: 0.000000008	delta_long: 0.000000000	y: 0.050971144
---------
latitude: 31.848888630	longitude: 117.293243995	heading_angle: 331.400000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000009	x: 0.048709202
delta_lat: 0.000000002	delta_long: 0.000000000	y: 0.012742786
---------
latitude: 31.848888411	longitude: 117.293243583	heading_angle: 238.000000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000016	x: 0.086594137
delta_lat: -0.000000002	delta_long: 0.000000000	y: 0.012742786
---------
latitude: 31.848888926	longitude: 117.293243262	heading_angle: 269.000000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000022	x: 0.119066939
delta_lat: 0.000000007	delta_long: 0.000000000	y: 0.044599750
---------
latitude: 31.848889280	longitude: 117.293242747	heading_angle: 265.900000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000031	x: 0.167776140
delta_lat: 0.000000013	delta_long: 0.000000000	y: 0.082828109
---------

观察确实主要在 latitude 和 longtitude 的 6 ~ 9 位小数会发生变化，导致 XY 坐标的变化

保留有限的小数可以一定程度上限制数据的抖动，但也会使得 path.txt 无法输出轨迹，比较矛盾

/home/redwall/catkin_ws/src/gps_sensor/log/2023-11-10/path.txt
latitude: 31.848883337	longitude: 117.293247277	heading_angle: 35.900000000
latitude: 31.848883241	longitude: 117.293247357	heading_angle: 49.400000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	x: 0.000000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	y: 0.000000000
---------
latitude: 31.848883139	longitude: 117.293247392	heading_angle: 198.800000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	x: 0.000000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	y: 0.000000000
---------
latitude: 31.848883027	longitude: 117.293247506	heading_angle: 37.300000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	x: 0.000000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	y: 0.000000000
---------
latitude: 31.848883101	longitude: 117.293247264	heading_angle: 359.300000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	x: 0.000000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	y: 0.000000000
---------
latitude: 31.848882789	longitude: 117.293247238	heading_angle: 175.200000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	x: 0.000000000
delta_lat: 0.000000000	delta_long: 0.000000000	y: 0.000000000

问题分析

考虑 GPS 本身的定位精度，以及移动距离过短两方面引起误差的产生

差分定位（Differential GPS，DGPS）是一种通过引入参考站观测数据来提高全球定位系统（GPS）接收机测量精度的技术。通常，差分GPS可以提供亚米级的位置精度，甚至更高，相比于普通的独立GPS。

差分GPS系统的基本原理是，参考站与GPS接收机接收相同的卫星信号，然后比较它们的观测值与已知的准确位置。由于参考站的位置已知，它可以检测到GPS信号由于大气层、电离层等环境因素引起的误差，并将这些误差信息传输给用户设备，从而实现位置精度的提高。

DGPS的精度取决于多个因素，包括：

  1. 基站位置的准确性： 基站的准确位置对差分定位的精度至关重要。
  2. 基站到用户接收机的距离： 基站越接近用户设备，传输的差分校正信息的精度就越高。
  3. 使用的卫星数量和分布： 使用更多的卫星可以提高定位的准确性。
  4. 大气层和电离层的变化： 大气层和电离层的变化会引起GPS信号的传播延迟，这可能影响定位的精度。

总体而言，在适当的条件下，差分GPS可以提供比普通独立GPS更高的位置精度，通常在亚米级别。然而，实际精度可能会受到环境、设备和使用条件的影响。

其实关于 GPS 数据在 Rviz 中显示，2020 年已经有相关技术博客

ROS：GPS坐标序列可视化（在Rviz中显示轨迹）

GPS坐标转换并实时显示轨迹

ROS入门:GPS坐标转换&Rviz显示轨迹

将GPS轨迹，从经纬度WGS-84坐标转换到真实世界xyz坐标系（东北天ENU）下（思路：计算出每个gps坐标相对与第一个坐标的距离（m为单位），比较相邻两点的经纬度变化，赋予位移的方向，然后累加得到轨迹）

陆辉东的代码和博客中几乎一样，应该也是学习借鉴了

对于精度的问题可以参考下面的博客解决

小场景下基于ROS的GPS经纬高度值转换为平面XYZ坐标值，并用RVIZ显示轨迹

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

另外还可以将 GPS 数据在卫星地图中显示，获得比较酷炫的效果

在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

ROS下如何将GPS数据在卫星地图显示（两种开源方法）

ROS采集GPS/北斗数据在百度地图中可视化位置

SLAM中将地图映射到谷歌地图上的方法——完美运行

这篇关于GPS 定位信息分析：航向角分析及经纬度坐标转局部XY坐标的文章就介绍到这儿，希望我们推荐的文章对编程师们有所帮助！


http://www.chinasem.cn/article/423694。

相关文章

MyBatis Plus 中 update_time 字段自动填充失效的原因分析及解决方案(最新整理)

MyBatis Plus 中 update_time 字段自动填充失效的原因分析及解决方案(最新整理)

《MyBatisPlus中update_time字段自动填充失效的原因分析及解决方案(最新整理)》在使用MyBatisPlus时,通常我们会在数据库表中设置create_time和update... 目录前言一、问题现象二、原因分析三、总结：常见原因与解决方法对照表四、推荐写法前言在使用 MyBATis
阅读更多...
Python主动抛出异常的各种用法和场景分析

Python主动抛出异常的各种用法和场景分析

《Python主动抛出异常的各种用法和场景分析》在Python中,我们不仅可以捕获和处理异常,还可以主动抛出异常,也就是以类的方式自定义错误的类型和提示信息,这在编程中非常有用,下面我将详细解释主动抛... 目录一、为什么要主动抛出异常？二、基本语法：raise关键字基本示例三、raise的多种用法1. 抛
阅读更多...
github打不开的问题分析及解决

github打不开的问题分析及解决

《github打不开的问题分析及解决》：本文主要介绍github打不开的问题分析及解决,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录一、找到github.com域名解析的ip地址二、找到github.global.ssl.fastly.net网址解析的ip地址三
阅读更多...
Mysql的主从同步/复制的原理分析

Mysql的主从同步/复制的原理分析

《Mysql的主从同步/复制的原理分析》：本文主要介绍Mysql的主从同步/复制的原理分析,具有很好的参考价值,希望对大家有所帮助,如有错误或未考虑完全的地方,望不吝赐教... 目录为什么要主从同步？mysql主从同步架构有哪些？Mysql主从复制的原理/整体流程级联复制架构为什么好？Mysql主从复制注意
阅读更多...
java -jar命令运行 jar包时运行外部依赖jar包的场景分析

java -jar命令运行 jar包时运行外部依赖jar包的场景分析

《java-jar命令运行jar包时运行外部依赖jar包的场景分析》：本文主要介绍java-jar命令运行jar包时运行外部依赖jar包的场景分析,本文给大家介绍的非常详细,对大家的学习或工作... 目录Java -jar命令运行 jar包时如何运行外部依赖jar包场景：解决：方法一、启动参数添加： -Xb
阅读更多...
Apache 高级配置实战之从连接保持到日志分析的完整指南

Apache 高级配置实战之从连接保持到日志分析的完整指南

《Apache高级配置实战之从连接保持到日志分析的完整指南》本文带你从连接保持优化开始,一路走到访问控制和日志管理,最后用AWStats来分析网站数据,对Apache配置日志分析相关知识感兴趣的朋友... 目录Apache 高级配置实战：从连接保持到日志分析的完整指南前言 一、Apache 连接保持 - 性
阅读更多...
Linux查看系统盘和SSD盘的容量、型号及挂载信息的方法

Linux查看系统盘和SSD盘的容量、型号及挂载信息的方法

《Linux查看系统盘和SSD盘的容量、型号及挂载信息的方法》在Linux系统中,管理磁盘设备和分区是日常运维工作的重要部分,而lsblk命令是一个强大的工具,它用于列出系统中的块设备（blockde... 目录1. 查看所有磁盘的物理信息方法 1：使用 lsblk（推荐）方法 2：使用 fdisk -l（
阅读更多...
Linux中的more 和 less区别对比分析

Linux中的more 和 less区别对比分析

《Linux中的more和less区别对比分析》在Linux/Unix系统中,more和less都是用于分页查看文本文件的命令,但less是more的增强版,功能更强大,：本文主要介绍Linu... 目录1. 基础功能对比2. 常用操作对比less 的操作3. 实际使用示例4. 为什么推荐 less？5.
阅读更多...
spring-gateway filters添加自定义过滤器实现流程分析(可插拔)

spring-gateway filters添加自定义过滤器实现流程分析(可插拔)

《spring-gatewayfilters添加自定义过滤器实现流程分析(可插拔)》：本文主要介绍spring-gatewayfilters添加自定义过滤器实现流程分析(可插拔),本文通过实例图... 目录需求背景需求拆解设计流程及作用域逻辑处理代码逻辑需求背景公司要求，通过公司网络代理访问的请求需要做请
阅读更多...
Java集成Onlyoffice的示例代码及场景分析

Java集成Onlyoffice的示例代码及场景分析

《Java集成Onlyoffice的示例代码及场景分析》：本文主要介绍Java集成Onlyoffice的示例代码及场景分析,本文给大家介绍的非常详细,对大家的学习或工作具有一定的参考借鉴价值,需要... 需求场景：实现文档的在线编辑，团队协作总结：两个接口 + 前端页面 + 配置项接口1：一个接口，将o
阅读更多...

Copyright China编程 23002807@qq.com

沪ICP备2023033072号-2