| Геодезия |
|---|
 |
Эта статья требует дополнительных ссылок для проверки . ( май 2016 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения ) |
В этой статье отсутствует информация о правильном описании обновлений, обнаруженных в NGA.STN.0036. ( Февраль 2021 г. ) |
Всемирная геодезическая система ( WGS ) является стандартом для использования в картографии , геодезии и спутниковой навигации , включая GPS . Этот стандарт включает определение фундаментальных и производных констант системы координат , эллипсоидальной (нормальной) гравитационной модели Земли (EGM), описание соответствующей мировой магнитной модели (WMM) и текущий список преобразований локальных данных. [1]
Последней версией является WGS 84 (также известная как WGS 1984 , EPSG : 4326 ), созданная и поддерживаемая Национальным агентством геопространственной разведки США с 1984 года и последний раз пересматриваемая в 2014 году. [2] Более ранние схемы включали WGS 72 , WGS 66 и WGS 60 . WGS 84 - это справочная система координат, используемая Глобальной системой позиционирования .
В качестве стандарта CRS , и выражая URN , urn:ogc:def:crs:EPSG::4326она состоит из: [3]
- стандартная эталонная модель эллипсоида , [4] названная
urn:ogc:def:ellipsoid:EPSG::7030; - и этот эллипсоид расположен в стандартной горизонтальной системе координат с именем
urn:ogc:def:datum:EPSG::6326.
Определение параметров [ править ]
Начало координат WGS 84 должно быть расположено в центре масс Земли ; считается, что погрешность составляет менее 2 см. [5]
Меридиан WGS 84 нулевой долготы является опорным меридианом IERS , [6] 5,3 угловых секунды или 102 метра (335 футов) к востоку от гринвичского меридиана на широте Королевской обсерватории . [7] [8]
Опорная 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 атмосферы Земли) составляет GM = 3 986 004,418 × 10 8 м³ / с². Угловая скорость Земли определена равной ω = 72,92115 × 10 −6 рад / с. [9]
Это приводит к нескольким вычисленным параметрам, таким как малая полярная полуось b, которая равна a × (1 - f ) = 6 356 752,3142 м, и квадрат первого эксцентриситета, e² = 6,694 379 990 14 × 10 −3 . [9]
В настоящее время WGS 84 использует гравитационную модель Земли 2008 года. [10] Этот геоид определяет номинальную поверхность уровня моря с помощью ряда сферических гармоник с градусом 2160. [11] Это усовершенствование по сравнению с моделью EGM96 1996 года, которая, в свою очередь, была изменена. улучшение по сравнению с исходным геоидом WGS 84, называемым EGM84. Отклонения EGM96 геоид от WGS - 84 эллипсоида диапазоне приблизительно от -105 м до +85 м. [12]
WGS 84 в настоящее время использует Мировую магнитную модель 2020 года. [13] Следующее регулярное обновление (WMM2025) произойдет в декабре 2024 года.
История [ править ]
Попытки дополнить различные национальные геодезические системы начались в 19 веке со знаменитой книги Ф. Р. Гельмерта « Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie» ( Математические и физические теории физической геодезии ). Австрия и Германия основали Zentralbüro für Internationale умереть Erdmessung (Центральное бюро Международной геодезии ), а также ряд глобального эллипсоида Земли были получены (например, Helmert 1906, Хейфорд 1910/1924).
Единая геодезическая система для всего мира стала важной 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 всемирную базу геоданных
- Потребность в глобальных картах для навигации , авиации и географии .
- Готовность западных стран к холодной войне потребовала создания стандартизированной системы геопространственной привязки в масштабах всей НАТО в соответствии с Соглашением о стандартизации НАТО.
В конце 1950-х годов Министерство обороны США вместе с учеными из других институтов и стран приступило к разработке необходимой мировой системы, к которой можно было бы отнести геодезические данные и установить совместимость между координатами широко разнесенных представляющих интерес объектов. Усилия армии, флота и авиации США были объединены, что привело к созданию Всемирной геодезической системы Министерства обороны США 1960 года (WGS 60). Термин « датум», используемый здесь, относится к гладкой поверхности, несколько произвольно определяемой как нулевая отметка, в соответствии с набором измерений расстояний между различными станциями и разницей высот, сделанных геодезистом, и все сводится к сетке широт , долгот и высот.. Методы геодезической съемки выявили отличия высот от местного горизонта, определяемые уровнем , отвесом или аналогичным устройством, которое зависит от местного гравитационного поля (см. Физическая геодезия ). В результате высоты в данных привязаны к геоиду , поверхности, которую нелегко найти с помощью спутниковой геодезии . Последний метод наблюдений больше подходит для глобального картирования. Следовательно, мотивация и существенная проблема в WGS и аналогичной работе состоит в том, чтобы объединить данные, которые были сделаны не только по отдельности, для разных регионов, но и для повторной привязки отметок к модели эллипсоида, а не к геоиду .
При выполнении WGS 60 комбинация имеющихся данных о поверхностной гравитации , астрогеодезических данных и результатов съемок HIRAN [14] и канадской SHORAN использовалась для определения наиболее подходящего эллипсоида и ориентации по центру земли для каждой из первоначально выбранных данных. (Каждая система координат относительно ориентирована по отношению к различным частям геоида с помощью уже описанных астрогеодезических методов.) Единственным вкладом спутниковых данных в разработку WGS 60 была величина сглаживания эллипсоида, которая была получена из узлового движения. спутника.
До WGS 60 армия США и ВВС США разработали мировую систему, используя разные подходы к методу ориентации гравиметрических данных. Для определения параметров гравиметрической ориентации ВВС использовали среднее значение разницы между гравиметрическими и астрогеодезическими отклонениями и высотами (волнами) геоида на специально выбранных станциях в областях основных датумов. Армия выполнила корректировку, чтобы минимизировать разницу между астрогеодезическими и гравиметрическими геоидами.. Путем сопоставления относительных астро-геодезических геоидов выбранных датумов с земно-центрированным гравиметрическим геоидом, выбранные датумы были уменьшены до центрированного по земле ориентации. Поскольку системы армии и ВВС прекрасно согласовывались в областях NAD, ED и TD, они были объединены и стали WGS 60.
Мировая геодезическая система Министерства обороны США, 1966 г. [ править ]
Усовершенствования глобальной системы включали астрогеоид Ирен Фишер и данные астронавтики Меркурий. В январе 1966 года Комитету всемирной геодезической системы, состоящему из представителей армии, флота и военно-воздушных сил Соединенных Штатов, было поручено разработать улучшенную систему геодезической геодезии , необходимую для выполнения картографических , картографических и геодезических требований. Дополнительные наблюдения за поверхностной гравитацией , полученные в результате расширения сетей триангуляции и трилатерации , а также большого количества доплеровских и оптическихспутниковые данные стали доступны после разработки WGS 60. Используя дополнительные данные и усовершенствованные методы, была создана WGS 66, которая удовлетворяла потребности Министерства обороны в течение примерно пяти лет после ее внедрения в 1967 году. Определяющими параметрами эллипсоида WGS 66 были сглаживание ( 1 / 298,25, определенная по спутниковым данным) и большой полуоси (6 378 145 метров, определенных по комбинации доплеровских спутниковых и астрогеодезических данных). Основными данными для создания гравиметрического геоида WGS 66 стало всемирное поле средней гравитационной аномалии в свободном воздухе 5 ° × 5 ° . Кроме того, геоид, связанный с эллипсоидом WGS 66, был получен из имеющихся астрогеодезических данных, чтобы обеспечить подробное представление ограниченных участков суши.
Мировая геодезическая система Министерства обороны США, 1972 год [ править ]
После обширных усилий в течение примерно трех лет была завершена разработка Всемирной геодезической системы 1972 года Министерства обороны. Выбранные спутниковые данные, данные о поверхностной гравитации и астрогеодезические данные, доступные до 1972 года как из источников Министерства обороны, так и из других источников, были использованы в едином решении WGS (крупномасштабная корректировка методом наименьших квадратов ). Результаты уравнивания состояли из поправок к исходным координатам станции и коэффициентам гравитационного поля.
Самая большая коллекция данных, когда-либо использовавшихся 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 со станциями спутникового слежения, не относящимися к Министерству обороны, созданными для поддержки навигационной спутниковой системы (NNSS) ВМФ. Доплеровские данные были также 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 дальности), созданной армией США в 1970 году. Данные оптических спутников из Всемирной программы геометрической спутниковой триангуляции были предоставлены системой камеры BC-4 (см. Изображение).Данные изТакже использовалась Смитсоновская астрофизическая обсерватория, которая включала камеру ( Baker – Nunn ) и некоторые лазерные дальномеры.
Поле силы тяжести на поверхности, используемое в решении Unified WGS, состояло из набора из 410 аномалий средней силы тяжести в свободном воздухе равной площади 10 ° × 10 °, определенных исключительно по наземным данным. Это гравитационное поле включает средние значения аномалий, составленные непосредственно из наблюдаемых гравиметрических данных, если последние были доступны в достаточном количестве. Значение для областей с редкими данными наблюдений или без данных наблюдений было разработано на основе геофизически совместимых гравитационных приближений с использованием методов гравитационно-геофизической корреляции. Приблизительно 45 процентов из 410 средних значений аномалии силы тяжести в свободном воздухе были определены непосредственно на основе данных наблюдений за гравитацией.
Астрогеодезические данные в своей основной форме состоят из отклонения вертикальных компонентов, относящихся к различным национальным геодезическим базам. Эти значения прогиба были интегрированы в астрогеодезические карты геоидов, относящиеся к этим национальным данным. Высота геоида внесла свой вклад в решение Unified WGS, предоставив дополнительные и более подробные данные о земельных участках. Стандартные данные наземной съемки были включены в решение для обеспечения согласованной корректировки координат соседних пунктов наблюдения систем BC-4, SECOR, Doppler и Baker – Nunn. Кроме того, были включены восемь точных геодиметрических маршрутов с целью контроля масштаба решения.
Унифицированное решение WGS, как указано выше, было решением для геодезических положений и связанных параметров гравитационного поля на основе оптимального сочетания имеющихся данных. Параметры эллипсоида WGS 72, сдвиги нулевой точки и другие связанные константы были получены отдельно. Для единого решения была сформирована матрица нормального уравнения на основе каждого из упомянутых наборов данных. 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 метров. 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 местоположения и гравитационного поля. Наборы спутниковых координат станций и гравиметрического отклонения данных по вертикали и высоте геоида использовались для определения смещения датума от локального к геоцентрическому, параметров вращения датума, параметра масштаба датума и значения большой полуоси эллипсоида WGS. Было принято восемь решений с различными наборами входных данных, как с исследовательской точки зрения, так и из-за ограниченного числа неизвестных, которые можно было решить в любом индивидуальном решении из-за компьютерных ограничений.В различные решения были включены отдельные станции слежения за доплеровскими спутниками и астро-геодезические ориентиры. На основе этих результатов и других связанных исследований, проведенных Комитетом, было принято значение a 6 378 135 метров и сплющивание 1 / 298,26.
При разработке локальных смещений датумов WGS 72 были изучены, проанализированы и сопоставлены результаты различных геодезических дисциплин. Принятые сдвиги основывались главным образом на большом количестве координат доплеровских станций TRANET и GEOCEIVER, которые были доступны во всем мире. Эти координаты были определены с использованием метода позиционирования точки Доплера.
Новая мировая геодезическая система: WGS 84 [ править ]
В начале 1980-х годов потребность в новой мировой геодезической системе была общепризнана геодезическим сообществом, а также Министерством обороны США. WGS 72 больше не предоставлял достаточных данных, информации, географического охвата или точности продукта 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. Параметры GRS 80 вместе с имеющимися данными доплеровских наблюдений , спутниковой лазерной локации и интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) составили важную новую информацию. Замечательный новый источник данных стал доступен со спутниковой радиолокационной альтиметрии. Также доступен расширенный метод наименьших квадратов. метод, называемый коллокацией, который позволил получить согласованное комбинированное решение из различных типов измерений, связанных с гравитационным полем Земли, такими измерениями, как геоид, гравитационные аномалии, отклонения и динамический доплер.
Новая мировая геодезическая система получила название WGS 84. Это справочная система, используемая Глобальной системой определения местоположения . Он геоцентрический и глобально непротиворечивый в пределах ± 1 м. Текущие геодезические реализации семейства геоцентрических систем привязки International Terrestrial Reference System (ITRS), поддерживаемые IERS, являются геоцентрическими и внутренне согласованными на уровне нескольких сантиметров, но при этом остаются на уровне метров в соответствии с WGS 84.
В WGS 84 изначально использовался эталонный эллипсоид GRS 80 , но в более поздних изданиях с момента его первой публикации были внесены некоторые незначительные уточнения. Большинство этих уточнений важны для высокоточных расчетов орбиты спутников, но имеют мало практического эффекта для типичных топографических применений. В следующей таблице перечислены основные параметры эллипсоида.
| Ссылка на эллипсоид | Большая полуось а | Малая полуось b | Обратное сплющивание (1 / f ) |
|---|---|---|---|
| GRS 80 | 6 378 137,0 м | ≈ 6 356 752,314 140 м | 298,257 222 100 882 711 ... |
| WGS 84 [4] | 6 378 137,0 м | ≈ 6 356 752,314 245 м | 298,257 223 563 |
Таким образом, очень небольшая разница в плоскости приводит к крошечной разнице в 0,105 мм в полуполярной оси.
Долготы на WGS 84 [ править ]
WGS 84 использует в опорный меридиан , как это определено в Бюро Международной де l'Heure , [6] , который был определен подборке звездных наблюдений в различных странах.
Положение долготы на WGS 84 согласуется с положением долготы на более раннем североамериканском датуме 1927 года примерно на 85 ° долготы к западу , в восточно-центральной части Соединенных Штатов.
Обновления и новые стандарты [ править ]
В этом разделе отсутствует информация о количестве EPSG конкретных реализаций, изменениях в точности, .... ( Февраль 2021 г. ) |
Все компоненты WGS84 регулярно обновляются. Документ Министерства обороны «Мировая геодезическая система 1984, ее определение и взаимосвязь с местными геодезическими системами» , первоначально опубликованный в 1984 году, был пересмотрен в 1997 году, в 2004 году (в виде трех редакций TR8350.2) и, наконец, в 2014 году в качестве первого документа. редакция NGA.STND.0036. [2] Регулярно обновляемые документы содержат уточненные описания Земли и реализации системы для большей точности.
Компонент геоида WGS84 постоянно обновляется как отдельная гравитационная модель Земли (EGM). [10]
- Гравитационная модель Земли 1996 года (EGM96) была впервые опубликована в 1996 году, с исправлениями совсем недавно, в 2004 году. Геоид имеет разрешение примерно 100 км по сравнению с 200 км для исходного WGS 84. Использование EGM96 было подтверждено в обновлении 1997 года.
- Многие из первоначальных авторов WGS 84 внесли свой вклад в новую модель более высокого качества, названную EGM2008. Эта новая модель имеет геоид с точностью, приближающейся к 10 см, что требует более 4,6 миллиона членов в сферическом расширении (по сравнению с 130 317 в EGM96 и 32 757 в WGS 84). [11] Использование EGM2008 было подтверждено в обновлении 2014 года.
- Обновление было запланировано на EGM2020.
Магнитная модель также регулярно обновляется как Мировая Магнитная Модель (WMM). [13] Обновление 2014 года описывает WMM2010 как текущую на период 2010–2015 годов. В нем упоминается план выпуска обновлений документа WGS84 для WMM 2015 и WMM 2020, но ни один из них не был выпущен. С другой стороны, переработанная веб-страница NGA указывает, что всегда следует использовать текущие WMM и EGM.
См. Также [ править ]
- Проект Degree Confluence
- EGM96
- ETRS89
- схема гео URI
- Гео (микроформат) - для разметки координат WGS 84 в (X) HTML
- Геотеги
- NAD 83
- Достопримечательность
- ТРАНЗИТНАЯ система
Ссылки [ править ]
- ^ "NGA Geomatics - WGS 84" . earth-info.nga.mil . Проверено 19 марта 2019 .
- ^ a b "Сбор данных информации WGS 84 - или нет?" . GPS Мир . 2 ноября 2016.
- ^ https://spatialreference.org/ref/epsg/wgs-84/gml/
- ^ a b http://www.epsg-registry.org/export.htm?gml=urn:ogc:def:ellipsoid:EPSG::7030 [ мертвая ссылка ]
- ^ "Ндуляция геоида EGM96 относительно эллипсоида WGS84" . НАСА .
- ^ a b 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 .
- ^ Малис, Стивен; Сиго, Джон Х .; Palvis, Nikolaos K .; Зайдельманн, П. Кеннет; Каплан, Джордж Х. (1 августа 2015 г.). «Почему сместился гринвичский меридиан» . Журнал геодезии . DOI : 10.1007 / s00190-015-0844-у .
- ^ a b "Мировая геодезическая система Министерства обороны 1984" . Технический отчет TR 8350.2 Национального агентства изображений и картографии, третье издание, поправка 1, 1 января 2000 г.
- ^ a b "NGA Geomatics - WGS 84" . earth-info.nga.mil . Проверено 19 марта 2019 .
- ^ a b "Гравитационная модель Земли 2008 (EGM2008)" . Earth-info.nga.mil . 2013-05-06 . Проверено 24 мая 2017 .
- ^ "Архивная копия" . Архивировано 23 сентября 2008 года . Проверено 24 октября 2008 .CS1 maint: archived copy as title (link)
- ^ а б «Магнитная модель мира» . NCEI . Проверено 23 января 2020 .
- ^ "История NOAA - Истории и сказки побережья и геодезических исследований - Личные сказки / Измеритель Земли / Аслаксон Био" . History.noaa.gov . Проверено 24 мая 2017 .
Внешние ссылки [ править ]
- Геодезия для обывателя , Глава VIII, «Мировая геодезическая система»
- Технический отчет NIMA TR8350.2 Всемирная геодезическая система Министерства обороны 1984 г., ее определение и взаимосвязь с местными геодезическими системами, третье издание, Национальное агентство геопространственной разведки. Это официальная публикация стандарта, включая дополнения. Обратите внимание, что этот отчет фактически документирует модель EGM 96 (пересмотр WGS 84). Оригинальный WGS 84 задокументирован в версиях до 1996 года.
- Главная страница NGA (ранее NIMA) о моделях гравитации Земли
- Описание разницы между геоидом и эллипсоидом со страницы GEOID Национальной геодезической службы США NOAA
- Страница NASA GSFC о земной гравитации
- GeographicLib предоставляет утилиту GeoidEval (с исходным кодом) для оценки высоты геоида для моделей гравитации земли EGM84, EGM96 и EGM2008. Вот онлайн-версия GeoidEval .
- Пространственная привязка для EPSG: 4326
Эта статья включает материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документы Национальной геодезической службы .
