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). Стандарт публикуется и поддерживается Национальным агентством геопространственной разведки США . [1]
Попытки дополнить различные национальные геодезические системы начались в XIX 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 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:
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 спутниковой геодезии . 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 получены отдельно для разных регионов, но и повторная привязка высот к модели эллипсоида, а не к модели геоида .
При выполнении WGS 60 использовалась комбинация доступных данных поверхностной гравитации , астрогеодезических данных и результатов исследований HIRAN [2] и канадского SHORAN для определения наиболее подходящего эллипсоида и ориентации вокруг Земли для каждой первоначально выбранной системы отсчета. (Каждая система координат ориентирована относительно различных частей геоида уже описанными астрогеодезическими методами.) 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 областях NAD, ED и TD, они были объединены и стали WGS 60.
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 усовершенствованные 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 определено по совокупности доплеровских спутниковых и астрогеодезических данных). 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 доступных астрогеодезических данных, чтобы обеспечить детальное представление ограниченных территорий суши.
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. Допплеровские 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 Unified WGS Solution, 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, для контроля масштаба решения были включены восемь точных ходов длиной в геодиметр .
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 ( a ) эллипсоида WGS 72 равно6 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 для большой полуоси эллипсоида WGS. Восемь решений были сделаны с различными наборами входных данных, как с исследовательской точки зрения, так и из-за ограниченного числа неизвестных, которые можно было найти в любом отдельном решении из-за ограничений компьютера. В различные решения были включены выбранные станции доплеровского спутникового слежения и астрогеодезической ориентации. На основании этих результатов и других соответствующих исследований, проведенных комитетом, было установлено значениеБыли приняты 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.
В начале 1980-х годов потребность в новой мировой геодезической системе 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 последовательное комбинированное решение на основе различных типов измерений, связанных с гравитационным полем Земли, таких измерений, как геоид, гравитационные аномалии, отклонения и динамический допплер.
Новая мировая геодезическая система получила название WGS 84. Это базовая система, используемая Глобальной системой позиционирования . Он геоцентричен и глобально последователен внутри1 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.
Эталонный эллипсоид WGS 84 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 незначительной разнице в0,105 мм по малой полуоси. [4] В следующей таблице сравниваются основные параметры эллипсоида.
.svg/1280px-WGS_84_reference_frame_(vector_graphic).svg.png)
Начало координат WGS 84 должно находиться в центре масс Земли ; считается, что неопределенность меньше, чем2 см . [6]
Меридиан нулевой долготы WGS 84 — это опорный меридиан 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.) Долгота Позиции на WGS 84 совпадают с позициями на более старых североамериканских датумах 1927 года примерно на 85 ° долготы к западу , 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 уплощение 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 полярная малая полуось b , которая равна a × (1 - f ) =6 356 752 , 3142 м и квадрат первого эксцентриситета e 2 =6,694 379 990 14 × 10 -3 . [10]
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 дважды вносились поправки, в январе 2000 г. и июне 2004 г. [11] Документ по стандартизации был снова пересмотрен и опубликован в июле 2014 г. Национальным агентством геопространственной разведки под номером NGA.STND.0036. [12] Эти обновления предоставляют уточненные описания Земли и реализации системы с более высокой точностью.
Оригинальная 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 системы отсчета G2296 , которая была выпущена 7 января 2024 года как обновление G2139. [15] Этот кадр соответствует реализации IGb14 Международной наземной эталонной системы координат (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]
Компоненты WGS 84 идентифицируются кодами в наборе данных геодезических параметров EPSG : [20]
Эта статья включает общедоступные материалы с веб-сайтов или документов Национальной геодезической службы .