Мировая геодезическая система - World Geodetic System

Геодезия
Azimutalprojektion-schief kl-cropped.png

В Мировая геодезическая система (WGS) является стандартом для использования в картография, геодезия, и спутниковая навигация включая GPS. Этот стандарт включает определение система координат фундаментальных и производных констант, эллипсоидальной (нормальной) гравитационной модели Земли (EGM), описание связанных Магнитная модель мира (WMM), и текущий список преобразований локальных данных.[1]

Последняя редакция WGS 84 (также известен как WGS 1984, EPSG:4326), созданная и поддерживаемая Соединенными Штатами Национальное агентство геопространственной разведки с 1984 г., последний раз пересматривался в 2004 г.[2] Включены более ранние схемы WGS 72, WGS 66, и WGS 60. WGS 84 - это справочная система координат, используемая спутниковая система навигации.

В качестве Стандарт CRS, и выражая URN, урна: ogc: def: crs: EPSG :: 4326, он состоит из:[3]

  • и этот эллипсоид расположен стандартно датум, названный urn: ogc: def: datum: EPSG :: 6326.

Определение параметров

Начало координат WGS 84 должно быть расположено в точке Земли. центр массы; считается, что погрешность составляет менее 2 см.[5]

Меридиан нулевой долготы WGS 84 - это Контрольный меридиан IERS,[6] 5.3 угловые секунды или 102 метра (335 футов) к востоку от Гринвичский меридиан на широте Королевская обсерватория.[7][8]

Опорная поверхность WGS 84 представляет собой сплюснутый сфероид с экваториальным радиусом а = 6378137 м на экватор и сплющивание ж = 1/298.257223563. Утонченная ценность WGS 84 гравитационная постоянная (включая массу атмосферы Земли) составляет GM = 3986004.418×108 м³ / с². Угловая скорость Земли определяется как ω = 72.92115×10−6 рад / с.[9]

Это приводит к нескольким вычисленным параметрам, таким как малая полярная полуось б что равно а × (1 − ж) = 6356752.3142 м, и квадрат первого эксцентриситета, e² = 6.69437999014×10−3.[9]

В настоящее время WGS 84 использует гравитационную модель Земли 2008 года.[10] Этот геоид определяет номинальную поверхность уровня моря с помощью сферические гармоники серия 360 градусов (что обеспечивает разрешение около 100 км по широте вблизи экватора).[11] Отклонения EGM96 геоид от WGS-84 эллипсоида диапазоне приблизительно от -105 м до +85 м.[12] EGM96 отличается от исходного геоида WGS 84, называемого EGM84.

WGS 84 в настоящее время использует Мировую Магнитную Модель 2020.[13] Следующее регулярное обновление (WMM2025) произойдет в декабре 2024 года.

История

Усилия по дополнению различных национальных геодезия системы начались в 19 веке с F.R. Гельмерта известная книга Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie (Математические и физические теории физической геодезии). Австрия и Германия основал Zentralbüro für die Internationale Erdmessung (Центральное бюро международных Геодезия ), а также ряд глобальных эллипсоиды Земли были получены (например, Helmert 1906, Хейфорд 1910/ 1924).

Единая геодезическая система для всего мира стала необходимой в 1950-х годах по нескольким причинам:

В конце 1950-х гг. Министерство обороны США, вместе с ученые других организаций и стран начали разрабатывать необходимую мировую систему, к которой можно было бы отнести геодезические данные и установить совместимость между координатами широко разнесенных представляющих интерес участков. Усилия армии, военно-морского флота и авиации США были объединены, что привело к созданию Всемирной геодезической системы Министерства обороны США 1960 года (WGS 60). Период, термин датум как здесь используется, относится к гладкой поверхности, несколько произвольно определяемой как нулевая отметка, в соответствии с набором измерений расстояний между различными станциями и разницей высот, сделанных геодезистом, все сведенные к сетке широты, долготы, и возвышения. Методы съемки наследия обнаружили отличия высот от местного горизонта, определяемые духовный уровень, отвес, или аналогичное устройство, которое зависит от местного гравитационного поля (см. физическая геодезия ). В результате отметки в данных относятся к геоид, поверхность, которую нелегко найти с помощью спутниковая геодезия. Последний метод наблюдений больше подходит для глобального картирования. Следовательно, мотивация и существенная проблема в WGS и аналогичной работе состоит в том, чтобы соединить вместе данные, которые были сделаны не только по отдельности для разных регионов, но и повторно привязать высоты к модели эллипсоида, а не к модели. геоид.

Ориентация гравиметрической базы

При выполнении WGS 60 комбинация доступной поверхности сила тяжести данные, астрогеодезический данные и результаты HIRAN [14] и канадский ШОРАН опросы были использованы для определения наиболее подходящих эллипсоид и ориентация 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.) Единственный вклад спутник данные для разработки WGS 60 были ценностью для эллипсоид уплощение, полученное в результате узлового движения спутника.

До WGS 60 армия США и ВВС США каждый из них разработал мировую систему, используя различные подходы к методу ориентации гравиметрических данных. Для определения параметров гравиметрической ориентации ВВС использовали среднее значение разностей гравиметрических и астрогеодезических данных. отклонения и высоты геоида (волнистости) на специально выбранных станциях в областях основных датумов. Армия выполнила корректировку, чтобы минимизировать разницу между астрогеодезическими и гравиметрический геоиды. Путем сопоставления относительных астро-геодезических геоидов выбранных датумов с земно-центрированным гравиметрическим геоидом, выбранные датумы были уменьшены до ориентированного на Землю. 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.

Усовершенствования глобальной системы включают Астрогеоид Ирен Фишер и данные астронавтики Меркурий. В январе 1966 года Комитет по всемирной геодезической системе, состоящий из представителей армии, флота и военно-воздушных сил США, получил задание разработать улучшенную систему геодезических исследований, необходимую для удовлетворения требований. отображение, картографические и геодезические требования. Дополнительная поверхность сила тяжести наблюдения, результаты расширения триангуляция и трилатерация сети и большое количество Допплер и оптический спутниковые данные стали доступны после разработки WGS 60. Используя дополнительные данные и усовершенствованные методы, был создан WGS 66, который удовлетворял потребности Министерства обороны в течение примерно пяти лет после его 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). Среднее значение свободного воздуха 5 ° × 5 ° во всем мире гравитационная аномалия месторождение предоставило исходные данные для создания гравиметрического геоида WGS 66. Кроме того, геоид, связанный с эллипсоидом WGS 66, был получен на основе имеющихся астрогеодезических данных, чтобы обеспечить подробное представление ограниченных участков суши.

Мировая геодезическая система Министерства обороны США, 1972 г.

После обширных усилий в течение примерно трех лет была завершена разработка Мировой геодезической системы 1972 года Министерства обороны. Выбранные спутниковые данные, данные о поверхностной гравитации и астрогеодезические данные, доступные до 1972 г. как из источников Министерства обороны, так и из других источников, были использованы в едином решении WGS (крупномасштабный наименьших квадратов корректирование). Результаты уравнивания состояли из поправок к исходным координатам станции и коэффициентам гравитационного поля.

Самая большая коллекция данных, когда-либо используемых 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 ВМФ (NNSS). 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 камер BC-4 (см. Изображение). Данные из Смитсоновская астрофизическая обсерватория также использовался который включал камеру (Бейкер – Нанн ) и немного лазерной локации.

Наземные доплеровские спутниковые станции предоставляют данные для разработки WGS 72
Всемирная сеть геометрической спутниковой триангуляции, камеры BC-4

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 составляющих, относящихся к различным национальным геодезическим данным. 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, чтобы обеспечить последовательную корректировку координат соседних пунктов наблюдения систем BC-4, SECOR, Doppler и Baker – Nunn. Также восемь геодиметр Были включены точные переходы длинной линии 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 датума и другие связанные константы были получены отдельно. Для единого решения была сформирована матрица нормальных уравнений 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 точки зрения расследования, так и из-за ограниченного количества 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 основании этих результатов и других соответствующих 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

Опорный кадр WGS 84. На этом изображении сжатость эллипсоида преувеличена.
Портативный GPS-приемник, показывающий, что гринвичский меридиан находится в 0,089 угловых минуты (или 5,34 угловых секунды) к западу от точки отсчета WGS 84.

В начале 1980-х годов потребность в новой мировой геодезической системе была широко признана 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. GRS 80 параметры вместе с имеющимся доплеровским, спутниковым лазерным дальномером и интерферометрия с очень длинной базой (РСДБ) наблюдения составили важную новую информацию. Замечательный новый источник данных стал доступным благодаря спутниковой радиолокационной альтиметрии. Также был доступен продвинутый 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 система координат, используемая спутниковая система навигации. Он геоцентрический и глобально согласованный в пределах ± 1 м. Современные геодезические реализации семейства геоцентрических систем отсчета Международная наземная система отсчета (ITRS) поддерживается IERS являются геоцентрическими и внутренне непротиворечивыми на уровне нескольких сантиметров, но при этом остаются на уровне метра, соответствующими WGS 84.

WGS 84 первоначально использовал GRS 80 опорный эллипсоид, но претерпел некоторые незначительные улучшения в более поздних выпусках с момента его первой публикации. Большинство этих усовершенствований важны для высокой точности орбитальный расчеты для спутников, но имеют небольшое практическое влияние на типичное топографическое использование. В следующей таблице перечислены основные параметры эллипсоида.

Ссылка на эллипсоидБольшая полуось аМалая полуось бОбратный сплющивание (1/ж)
GRS 806 378 137,0 м≈ 6 356 752,314 140 м298.257 222 100 882 711...
WGS 84 [4]6 378 137,0 м≈ 6 356 752,314 245 м298.257 223 563
Экваториальный (а), полярный (б) и средние радиусы Земли, как определено в редакции Мировой геодезической системы 1984 г. (не в масштабе)

Таким образом, очень небольшая разница в уплощении приводит к крошечной разнице в 0,105 мм в полуполярной оси.

Долготы на WGS 84

WGS 84 использует Контрольный меридиан IERS как определено Bureau International de l'Heure,[6] что было определено путем компиляции звездных наблюдений в разных странах.

Позиции долготы на WGS 84 совпадают с долготами более старых Североамериканский датум 1927 г. примерно 85 ° западной долготы, в восточно-центральной части США.

Обновления и новые стандарты

Последняя крупная версия WGS 84 также упоминается как "Гравитационная модель Земли 1996 г. " (EGM96 ), впервые опубликованная в 1996 году, с изменениями совсем недавно, в 2004 году. Эта модель имеет тот же опорный эллипсоид, что и WGS 84, но имеет геоид более высокой точности (разрешение примерно 100 км по сравнению с 200 км для исходного WGS 84).

Многие из первоначальных авторов WGS 84 внесли свой вклад в новую модель более высокой точности, названную EGM2008.[15] Эта новая модель будет иметь геоид с точностью, приближающейся к 10 см, что потребует более 4,6 миллиона членов в сферическом расширении (против 130 317 в EGM96 и 32 757 в WGS 84).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ "NGA Geomatics - WGS 84". earth-info.nga.mil. Получено 2019-03-19.
  2. ^ «Мировая геодезическая система». Национальное агентство геопространственной разведки. Получено 4 января, 2020.
  3. ^ https://spatialreference.org/ref/epsg/wgs-84/gml/
  4. ^ а б http://www.epsg-registry.org/export.htm?gml=urn:ogc:def:ellipsoid:EPSG::7030[мертвая ссылка ]
  5. ^ "Ндуляция геоида EGM96 относительно эллипсоида WGS84". НАСА.
  6. ^ а б Европейская организация по безопасности аэронавигации и ЕслиEN: Руководство по внедрению WGS 84, стр. 13. 1998 г.
  7. ^ «Гринвичский меридан: по следам его истории». Gpsinformation.net. Получено 2017-05-24.
  8. ^ Мэлис, Стивен; Сиго, Джон Х .; Palvis, Nikolaos K .; Зайдельманн, П. Кеннет; Каплан, Джордж Х. (1 августа 2015 г.). «Почему сместился гринвичский меридиан». Журнал геодезии. Дои:10.1007 / s00190-015-0844-у.
  9. ^ а б "Мировая геодезическая система Министерства обороны 1984 г.". Технический отчет TR 8350.2 Национального агентства изображений и картографии, третье издание, поправка 1, 1 января 2000 г.
  10. ^ "NGA Geomatics - WGS 84". earth-info.nga.mil. Получено 2019-03-19.
  11. ^ "NGA: NGA / NASA EGM96, N = M = 360 Модель гравитации Земли". Earth-info.nga.mil. 2014-10-24. Получено 2017-05-24.
  12. ^ «Архивная копия». В архиве из оригинала от 23.09.2008. Получено 2008-10-24.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  13. ^ "Магнитная модель мира | NCEI". www.ngdc.noaa.gov. Получено 2020-01-23.
  14. ^ "История NOAA - Истории и сказки побережья и геодезические исследования - Личные рассказы / Измеритель Земли / Aslakson Bio". History.noaa.gov. Получено 2017-05-24.
  15. ^ "Гравитационная модель Земли 2008 (EGM2008)". Earth-info.nga.mil. 2013-05-06. Получено 2017-05-24.

внешняя ссылка

Эта статья включаетматериалы общественного достояния с веб-сайтов или документов Национальная геодезическая служба.