什么是坐标系？
无人机导航的目的是求得无人机的位置、速度、角速度、姿态等参数，这些参数只有放在坐标系里才有意义。无人机导航中都用到了哪些坐标系？这些坐标系之间的转换又是怎样的呢？
为了说明质点的位置，运动的快慢、方向等，必须选取坐标系。在参照系中，为确定空间一点的位置，按规定方法选取的有次序的一组数据，就叫作“坐标”。在某一问题中规定坐标的方法，就是该问题所用的坐标系。坐标系的种类有很多，常用的坐标系有笛卡尔直角坐标系、平面极坐标系、柱面坐标系和球面坐标系等。
1.笛卡尔直角坐标系
三维的直角坐标系通常由3个两两互相垂直的坐标轴构成，通常分别称为X轴、Y轴和Z轴，3个坐标轴具有相同的单位长度和坐标原点（图2-1）。坐标原点也就是3个坐标轴的相交点，通常标记为O，既有零的意思，又是英语Origin的首字母。3条坐标轴中的任意两条都可以确定一个平面，称为坐标面，即由X轴及Y轴所确定的XOY平面；由Y轴及Z轴所确定的YOZ平面；由X轴及Z轴所确定的XOZ平面。
图2-1 右手直角坐标系
坐标轴之间的顺序大部分要符合右手定则，右手定则也决定三维空间中任一坐标轴的正旋转方向。右手定则：使大拇指、食指和中指互成直角，大拇指指向X轴的正方向，食指指向Y轴的正方向，则中指所指的方向就是Z轴的正方向。要确定坐标轴的正旋转方向，如图2-2所示，用右手的大拇指指向轴的正方向，弯曲手指，那么4根手指弯曲的方向，就是轴的正旋转方向。
这样的3个坐标轴构成的坐标系称为右手空间直角坐标系，与之相对应的是左手空间直角坐标系。一般在导航中常用的是右手空间直角坐标系，在其他学科方面因应用方便而异，如机床标准坐标采用的是笛卡尔左手空间直角坐标系。
图2-2 右手定则
2.球面坐标系
球面坐标系是一种利用球面坐标表示一个点P在三维空间位置的三维正交坐标系。球面坐标系的几何意义如图2-3所示。它以坐标原点为参考点，原点至点P的“径向距离”为r，原点到点P的连线与正Z轴之间的“极角”为θ，原点到点P的连线在XY平面的投影线，与正X轴之间的“方位角”为φ。简单来说，就是在球面坐标系中，点的坐标由方位角、仰角和点至原点的距离构成。被称为球面坐标的原因是，如果固定了r=a作为半径，通过转动r就可以得到一个球面。球面坐标系在地理学、天文学中都有着广泛应用，我们熟知的全球四大卫星导航系统的导航定位坐标系就是基于球面坐标系。
这里，r、θ、φ的变化范围为：r∈［0，+∞），θ∈［0，π］，φ∈［0，2π］。而且由图2-3可知，球面坐标系和笛卡尔右手空间直角坐标系的关系可用下列式子表示：
图2-3 球面坐标系
3.柱面坐标系
柱面坐标系可看成二维极坐标系加一维坐标系得到。图2-4表示的是柱面坐标系，点P的柱面坐标可表示为（ρ，φ，z），前两个坐标（ρ，φ）即为二维极坐标，最后一个z表示一维坐标。
图2-4 柱面坐标系
而且由图2-4很容易看出，柱面坐标系和笛卡尔右手空间直角坐标系的关系可用下列式子表示：
