Мировая геодезическая система
| Геодезия |
|---|
 |
Всемирная геодезическая система ( WGS ) – это стандарт, используемый в картографии , геодезии и спутниковой навигации , включая GPS . Текущая версия, WGS 84 , определяет геоцентрическую, фиксированную на Земле систему координат и геодезическую датум , а также описывает связанную с ней гравитационную модель Земли (EGM) и мировую магнитную модель (WMM). США Стандарт публикуется и поддерживается Национальным агентством геопространственной разведки . [1]
История [ править ]
Попытки дополнить различные национальные геодезические системы начались в XIX веке со Ф. Р. Гельмерта знаменитой книги Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie ( «Математические и физические теории физической геодезии »). Австрия и Германия основали Zentralbüro für die Internationale Erdmessung (Центральное бюро международной геодезии ), и была получена серия глобальных эллипсоидов Земли (например, Helmert 1906, Hayford 1910/1924).
Единая геодезическая система для всего мира стала необходимой в 1950-х годах по нескольким причинам:
- Международная космическая наука и начало космонавтики .
- Отсутствие межконтинентальной геодезической информации.
- Неспособность крупных геодезических систем , таких как European Datum ( ED50 ), North American Datum (NAD) и Tokyo Datum (TD), обеспечить глобальную основу геоданных.
- Потребность в глобальных картах для навигации , авиации и географии .
- Готовность Запада к холодной войне потребовала стандартизированной геопространственной системы координат НАТО в соответствии с Соглашением НАТО о стандартизации.
WGS 60 [ править ]
В конце 1950-х годов Министерство обороны США вместе с учеными других учреждений и стран начало разрабатывать необходимую мировую систему, к которой можно было бы отнести геодезические данные и установить совместимость между координатами широко удаленных друг от друга объектов интереса. Усилия армии, флота и военно-воздушных сил США были объединены, что привело к созданию Всемирной геодезической системы Министерства обороны США 1960 года (WGS 60). Используемый здесь термин «база данных» относится к гладкой поверхности, несколько произвольно определяемой как нулевая отметка, соответствующая набору геодезических измерений расстояний между различными станциями и разностей высот, сведенных к сетке широт , долгот и высот . Методы съемки наследия обнаружили разницу высот по сравнению с местной горизонталью, определяемой уровнем , отвесом или эквивалентным устройством, которое зависит от местного гравитационного поля (см. Физическую геодезию ). В результате высоты в данных привязаны к геоиду — поверхности, которую нелегко найти с помощью спутниковая геодезия . Последний метод наблюдения больше подходит для глобального картографирования. Таким образом, мотивацией и существенной проблемой в WGS и подобных работах является объединение данных, которые не только были созданы отдельно для разных регионов, но и повторная привязка высот к модели эллипсоида, а не к модели геоида .
При выполнении WGS 60 использовалась комбинация имеющихся данных поверхностной гравитации , астрогеодезических данных и результатов HIRAN. [2] и канадские исследования SHORAN использовались для определения наиболее подходящего эллипсоида и ориентации вокруг Земли для каждой первоначально выбранной датума. (Каждая система координат ориентирована относительно различных частей геоида с помощью уже описанных астрогеодезических методов.) Единственным вкладом спутниковых данных в разработку WGS 60 было значение уплощения эллипсоида , которое было получено из узлового движения. спутника.
До WGS 60 армия США и ВВС США разработали мировую систему, используя разные подходы к методу гравиметрической ориентации базы данных. Для определения параметров их гравиметрической ориентации ВВС использовали среднее значение разностей гравиметрических и астрогеодезических отклонений и высот геоида (волн) на специально выбранных станциях в районах основных датумов. Армия провела корректировку, чтобы минимизировать разницу между астрогеодезическими и гравиметрическими геоидами . Путем сопоставления относительных астрогеодезических геоидов выбранных датумов с геоцентрическим гравиметрическим геоидом выбранные датумы были приведены к ориентации вокруг Земли. Поскольку системы армии и авиации удивительно хорошо согласовывались в зонах NAD, ED и TD, они были объединены и стали WGS 60.
WGS 66 [ править ]
Усовершенствования глобальной системы включали астрогеоид Ирен Фишер и астронавтическую систему координат Меркурия. В январе 1966 года Комитету Всемирной геодезической системы, состоящему из представителей армии, флота и военно-воздушных сил США, было поручено разработать улучшенную WGS, необходимую для удовлетворения картографических , картографических и геодезических требований. Дополнительные наблюдения за приземной гравитацией , результаты расширения сетей триангуляции и трилатерации , а также большие объемы доплеровских и оптических спутниковых данных стали доступны с момента разработки WGS 60. Используя дополнительные данные и улучшенные методы, был создан WGS 66, который отвечал потребностям Министерства обороны. в течение примерно пяти лет после его внедрения в 1967 году. Определяющими параметрами эллипсоида WGS 66 были уплощение (1/298,25, определенное по спутниковым данным) и большая полуось ( 6 378 145 м, определенная на основе комбинации доплеровских спутниковых и астрогеодезических данных). данные). Среднемировое аномальное поле силы тяжести свободного воздуха размером 5° × 5° предоставило основные данные для создания гравиметрического геоида WGS 66. Кроме того, геоид, связанный с эллипсоидом WGS 66, был получен на основе имеющихся астрогеодезических данных, чтобы обеспечить детальное представление ограниченных территорий суши.
WGS 72 [ править ]
После обширных усилий, продолжавшихся примерно три года, Всемирная геодезическая система Министерства обороны 1972 года была завершена. Отобранные спутниковые, поверхностные гравитационные и астрогеодезические данные, доступные до 1972 года из источников как Министерства обороны, так и других источников, были использованы в унифицированном решении WGS (крупномасштабная корректировка методом наименьших квадратов ). Результатом уравнивания стали поправки к исходным координатам станции и коэффициентам гравитационного поля.
Самая большая коллекция данных, когда-либо использовавшаяся для целей WGS, была собрана, обработана и применена при разработке WGS 72. Использовались как оптические, так и электронные спутниковые данные. Электронные спутниковые данные частично состояли из доплеровских данных, предоставленных ВМС США и сотрудничающими станциями спутникового слежения, не относящимися к Министерству обороны, созданными для поддержки навигационной спутниковой системы ВМФ (NNSS). Доплеровские данные также были доступны на многочисленных сайтах, созданных GEOCEIVERS в 1971 и 1972 годах. Доплеровские данные были основным источником данных для WGS 72 (см. изображение). Дополнительные электронные спутниковые данные были предоставлены экваториальной сетью SECOR (последовательное сопоставление дальностей), созданной армией США в 1970 году. Оптические спутниковые данные в рамках Всемирной программы геометрической спутниковой триангуляции были предоставлены системой камер BC-4 (см. изображение). Также были использованы данные Смитсоновской астрофизической обсерватории , которые включали камеру ( Бейкера-Нанна ) и некоторую лазерную локацию.
Приземное гравитационное поле, используемое в Едином решении WGS, состояло из набора из 410 аномалий средней силы тяжести в свободном воздухе равной площади размером 10° × 10°, определенных исключительно на основе наземных данных. Это гравитационное поле включает в себя средние значения аномалий, составленные непосредственно из наблюдаемых гравитационных данных, если последние были доступны в достаточном количестве. Значения для областей с редкими данными наблюдений или их отсутствием были рассчитаны на основе геофизически совместимых гравитационных аппроксимаций с использованием методов гравитационно-геофизической корреляции. Примерно 45 процентов из 410 средних значений аномалий силы тяжести свободного воздуха были определены непосредственно на основе наблюдаемых данных гравитации.
Астрогеодезические данные в своей основной форме состоят из отклонения вертикальных компонентов, относящихся к различным национальным геодезическим данным. Эти значения отклонения были интегрированы в астрогеодезические карты геоида, привязанные к этим национальным данным. Высоты геоида внесли свой вклад в унифицированное решение WGS, предоставив дополнительные и более подробные данные о земельных участках. В решение были включены данные традиционной наземной съемки для обеспечения последовательной корректировки координат соседних пунктов наблюдения систем BC-4, SECOR, Doppler и Baker-Nunn. Кроме того, в геодиметр для контроля масштаба решения были включены восемь точных ходов длиной .
Унифицированное решение WGS, как указано выше, представляло собой решение для геодезических позиций и связанных с ними параметров гравитационного поля, основанное на оптимальном сочетании доступных данных. Параметры эллипсоида WGS 72, сдвиги датума и другие связанные константы были получены отдельно. Для единого решения на основе каждого из упомянутых наборов данных формировалась матрица нормального уравнения. Затем отдельные матрицы нормальных уравнений были объединены и полученная матрица решена для получения положений и параметров.
Значение большой полуоси ( а ) эллипсоида WGS 72 составляет 6 378 135 м . Принятие значения a на 10 метров меньше, чем для эллипсоида WGS 66, было основано на нескольких расчетах и индикаторах, включая комбинацию спутниковых и поверхностных гравитационных данных для определения положения и гравитационного поля. Наборы координат станций, полученных со спутника, и гравиметрическое отклонение данных по вертикали и высоте геоида использовались для определения локальных и геоцентрических сдвигов датума, параметров вращения датума, параметра масштаба датума и значения большой полуоси эллипсоида WGS. Восемь решений были сделаны с использованием различных наборов входных данных, как с исследовательской точки зрения, так и из-за ограниченного числа неизвестных, которые можно было решить в любом отдельном решении из-за ограничений компьютера. В различные решения были включены выбранные станции доплеровского спутникового слежения и астрогеодезической ориентации. На основе этих результатов и других соответствующих исследований, проведенных комитетом, было принято значение a 6 378 135 м и сплющивание 1/298,26.
При разработке сдвига системы координат от локальной к WGS 72 были исследованы, проанализированы и сравнены результаты различных геодезических дисциплин. Эти принятые сдвиги были основаны главным образом на большом количестве доплеровских координат станций TRANET и GEOCEIVER, которые были доступны по всему миру. Эти координаты были определены с использованием метода доплеровского позиционирования точки.
WGS 84 [ править ]
В начале 1980-х годов необходимость новой мировой геодезической системы была в целом признана геодезическим сообществом, а также в Министерстве обороны США. WGS 72 больше не предоставлял достаточных данных, информации, географического охвата или точности продукции для всех текущих и ожидаемых приложений. Средства для создания новой WGS были доступны в виде улучшенных данных, расширенного охвата данных, новых типов данных и улучшенных методов. Наблюдения с помощью допплера, спутниковой лазерной локации и интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) предоставили важную новую информацию. Стал доступен новый выдающийся источник данных — спутниковая радиолокационная альтиметрия. Также был доступен усовершенствованный метод наименьших квадратов , называемый коллокацией , который позволял получить согласованное комбинированное решение на основе различных типов измерений, связанных с гравитационным полем Земли, таких измерений, как геоид, гравитационные аномалии, отклонения и динамический доплеровский анализ.
Новая мировая геодезическая система получила название WGS 84. Это базовая система, используемая Глобальной системой позиционирования . Оно геоцентрично и глобально согласовано в пределах 1 м . Текущие геодезические реализации семейства геоцентрических систем отсчета ( Международная наземная система отсчета (ITRS), поддерживаемые IERS, являются геоцентрическими и внутренне согласованными на уровне нескольких сантиметров, но при этом на уровне метров соответствуют WGS 84.
WGS 84 Эталонный эллипсоид был основан на GRS 80 , но он содержит очень небольшую вариацию обратного уплощения, поскольку он был получен независимо, а результат округлялся до другого количества значащих цифр. [3] Это привело к небольшой разнице в 0,105 мм по малой полуоси. [4] В следующей таблице сравниваются основные параметры эллипсоида.
| Ссылка на эллипсоид | Большая полуось а | Малая полуось b | Обратное сглаживание 1/ f |
|---|---|---|---|
| ГРС 80 | 6 378 137,0 м | ≈ 6 356 752 .314 140 м | 298.257 222 100 882 711 ... |
| ВГС 84 [5] | 6 378 137,0 м | ≈ 6 356 752 .314 245 м | 298.257 223 563 |
Определение [ править ]
Начало координат WGS 84 должно находиться в центре масс Земли ; предполагается, что неопределенность составляет менее 2 см . [6]
Меридиан WGS 84 нулевой долготы является эталонным меридианом IERS . [7] 5,3 угловых секунды или 102 метра (335 футов) к востоку от Гринвичского меридиана на широте Королевской обсерватории . [8] [9] (Это связано с тем фактом, что местное гравитационное поле в Гринвиче не направлено точно через центр масс Земли, а скорее «отклоняется к западу» от центра масс примерно на 102 метра.) Положения долготы на WGS 84 согласуются с те, что находятся на более старых североамериканских датумах 1927 года, примерно на 85 ° долготы запада , в восточно-центральной части Соединенных Штатов.
Базовая поверхность WGS 84 представляет собой сплюснутый сфероид с экваториальным радиусом a = 6 378 137 м на экваторе и уплощением f = 1/ 298,257 223 563 . Уточненное значение гравитационной постоянной WGS 84 (включая массу земной атмосферы) составляет GM = 3,986 004 418 × 10. 14 м 3 /с 2 . Угловая скорость Земли определяется как ω = 72,921 15 × 10 −6 рад/с . [10]
Это приводит к нескольким вычисляемым параметрам, таким как малая полярная полуось b , которая равна a × (1 - f ) = 6 356 752,3142 м , и первый квадрат эксцентриситета e . 2 = 6.694 379 990 14 × 10 −3 . [10]
Обновления и новые стандарты [ править ]
Первоначальным документом по стандартизации WGS 84 был Технический отчет 8350.2, опубликованный в сентябре 1987 года Агентством оборонных картографий (которое позже стало Национальным агентством изображений и картографии). Новые издания были опубликованы в сентябре 1991 г. и июле 1997 г.; в последнее издание вносились поправки дважды: в январе 2000 г. и июне 2004 г. [11] Документ по стандартизации был снова пересмотрен и опубликован в июле 2014 года Национальным агентством геопространственной разведки под номером NGA.STND.0036. [12] Эти обновления предоставляют уточненные описания Земли и реализации системы с более высокой точностью.
Исходная модель WGS84 имела абсолютную точность 1–2 метра. WGS84 (G730) впервые включил в себя данные GPS-наблюдений, снизив точность до 10 см/компонент среднеквадратичного значения. [13] Все последующие версии, включая WGS84 (G873) и WGS84 (G1150), также использовали GPS. [14]
WGS 84 (G1762) — шестое обновление опорной системы WGS. [13]
WGS 84 совсем недавно был обновлен для использования эталонной системы координат G2296 , которая была выпущена 7 января 2024 года как обновление G2139, теперь согласованной как с ITRF2020, самой последней реализацией ITRF, так и с IGS20, системой координат, используемой Международной ГНСС-сервис (ИГС). [15] G2139 соответствует реализации IGb14 Международной наземной системы отсчета (ITRF) 2014 года и использует новый стандарт IGS Antex. [16]
Обновления исходного геоида для WGS 84 теперь публикуются как отдельная гравитационная модель Земли (EGM) с улучшенным разрешением и точностью. Аналогично, Мировая магнитная модель (WMM) обновляется отдельно. Текущая версия WGS 84 использует EGM2008 и WMM2020. [17] [18]
Также необходимо решение для параметров ориентации Земли, соответствующее ITRF2014 (IERS EOP 14C04). [19]
Идентификаторы [ править ]
Компоненты WGS 84 идентифицируются кодами в наборе данных геодезических параметров EPSG : [20]
- EPSG:4326 – 2D -система координат (CRS)
- EPSG:4979 – 3D CRS
- EPSG:4978 – геоцентрическая 3D CRS
- EPSG:7030 – опорный эллипсоид
- EPSG:6326 – дата по горизонтали
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ «Мировая геодезическая система 1984 (WGS 84)» . Управление геоматики Национального агентства геопространственной разведки . Проверено 21 декабря 2022 г.
- ^ «История NOAA - Истории и рассказы о побережье и геодезической съемке - Личные рассказы / Измеритель Земли / Биография Аслаксона» . History.noaa.gov . Проверено 24 мая 2017 г.
- ^ Хойберг, Мартен (18 декабря 2007 г.). Геометрическая геодезия: использование информационных и компьютерных технологий . Германия: Springer Berlin Heidelberg. п. 20. ISBN 9783540682257 .
- ^ «ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ Программы: INVERSE, FORWARD, INVERS3D, FORWRD3D Версии 2.0» . geodesy.noaa.gov . Проверено 23 мая 2022 г.
- ^ «WGS 84: Детали эллипсоида» . Набор данных геодезических параметров EPSG . Проверено 21 декабря 2022 г.
- ^ «Изменение геоида EGM96 относительно эллипсоида WGS84» . НАСА .
- ^ Европейская организация по безопасности аэронавигации и IfEN : Руководство по внедрению WGS 84, стр. 13. 1998 г.
- ^ «Гринвичский Меридан, прослеживая его историю» . Gpsinformation.net . Проверено 24 мая 2017 г.
- ^ Малис, Стивен; Сиго, Джон Х.; Палвис, Николаос К.; Зайдельманн, П. Кеннет; Каплан, Джордж Х. (1 августа 2015 г.). «Почему Гринвичский меридиан сдвинулся» . Журнал геодезии . 89 (12): 1263–1272. Бибкод : 2015JGeod..89.1263M . дои : 10.1007/s00190-015-0844-y .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б «Мировая геодезическая система Министерства обороны 1984 года» (PDF) (2-е изд.). Агентство оборонной картографии. 1 сентября 1991 г. Архивировано (PDF) из оригинала 3 августа 2021 г.
- ^ «ДМА ТР 8350.2 WGS» . Магазин стандартов IHS Markit . Проверено 26 декабря 2022 г.
- ^ «Сбор данных WGS 84 — или нет?» . GPS мир . 2 ноября 2016 г.
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Всемирная геодезическая система Министерства обороны 1984 г. — NGA.STND.0036_1.0.0_WGS84 (Отчет).
- ^ «Современные геоцентрические данные | GEOG 862: GPS и GNSS для специалистов в области геопространственных данных» . www.e-education.psu.edu . Проверено 31 декабря 2023 г.
- ^ «Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС)» . Управление геомантики . Январь 2024 года . Проверено 20 января 2024 г.
- ^ Правительство Австралии – Geoscience Australia (20 марта 2017 г.). «Каковы ограничения использования Всемирной геодезической системы 1984 года в Австралии?» . www.ga.gov.au. Проверено 16 мая 2022 г.
- ^ «НГА Геоматика – WGS 84» . земля-info.nga.mil . Проверено 19 марта 2019 г.
- ^ «Магнитная модель мира» . НЦЭИ . Проверено 23 января 2020 г.
- ^ «Эволюция мировой геодезической системы 1984 года (WGS 84) наземной системы отсчета» (PDF) . Проверено 15 января 2023 г.
- ^ «Ансамбль Мировой геодезической системы 1984 года» . Набор данных геодезических параметров EPSG . Проверено 21 декабря 2022 г.
Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Национальной геодезической службы .
Внешние ссылки [ править ]
- Документ стандартизации NGA Всемирная геодезическая система Министерства обороны 1984 г., ее определение и связь с местными геодезическими системами (08.07.2014)
- Технический отчет DMA 8350.2 Мировая геодезическая система Министерства обороны 1984 г., ее определение и связь с местными геодезическими системами (1 сентября 1991 г.). В этом издании представлена оригинальная гравитационная модель Земли.
- ВЕБ-САЙТЫ для WGS 84
- Геодезия для непрофессионалов , Глава VIII, «Мировая геодезическая система».
- Пространственная привязка для EPSG:4326
- Файлы ANTEX (.atx), определяющие IGS20.
