Всемирная геодезическая система ( WGS ) — стандарт, используемый в картографии , геодезии и спутниковой навигации , включая GPS . Текущая версия, WGS 84 , определяет геоцентрическую, фиксированную на Земле систему координат и геодезическую систему отсчета , а также описывает связанные с ней гравитационную модель Земли (EGM) и магнитную модель мира (WMM). Стандарт опубликован и поддерживается Национальным агентством геопространственной разведки США . [1]
Попытки дополнить различные национальные системы геодезии начались в 19 веке с известной книги Ф. Р. Гельмерта «Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie» ( Математические и физические теории физической геодезии ). Австрия и Германия основали Центральное бюро международной геодезии (Zentralbüro für die Internationale Erdmessung ), и был выведен ряд глобальных эллипсоидов Земли (например, Гельмерт 1906, Хейфорд 1910 и 1924).
Единая геодезическая система для всего мира стала необходимой в 1950-х годах по нескольким причинам:
В конце 1950-х годов Министерство обороны США совместно с учеными других учреждений и стран приступило к разработке необходимой мировой системы, к которой можно было бы отнести геодезические данные и установить совместимость между координатами далеко разнесенных объектов, представляющих интерес. Усилия армии, флота и военно-воздушных сил США были объединены, что привело к созданию Всемирной геодезической системы Министерства обороны 1960 года (WGS 60). Термин «датум» , используемый здесь, относится к гладкой поверхности, несколько произвольно определенной как нулевая высота, согласующаяся с набором геодезических измерений расстояний между различными станциями и разностями высот, которые все сведены к сетке широт , долгот и высот . Методы съемки наследия обнаружили разницу высот от локальной горизонтали, определяемой спиртовым уровнем , отвесом или эквивалентным устройством, которое зависит от локального поля силы тяжести (см. физическую геодезию ). В результате высоты в данных соотносятся с геоидом , поверхностью, которую нелегко найти с помощью спутниковой геодезии . Последний метод наблюдения больше подходит для глобального картирования. Поэтому мотивация и существенная проблема в WGS и подобных работах заключается в том, чтобы склеить данные, которые были сделаны не только отдельно для разных регионов, но и повторно соотнести высоты с моделью эллипсоида, а не с геоидом .
При создании WGS 60 использовалось сочетание имеющихся данных о поверхностной гравитации , астрогеодезических данных и результатов исследований HIRAN [2] и канадской SHORAN для определения наиболее подходящего эллипсоида и ориентации относительно центра Земли для каждого изначально выбранного датума. (Каждый датум относительно ориентирован по отношению к различным частям геоида с помощью уже описанных астрогеодезических методов.) Единственным вкладом спутниковых данных в разработку WGS 60 было значение для сплющивания эллипсоида , которое было получено из узлового движения спутника.
До WGS 60 армия США и ВВС США разработали мировую систему, используя различные подходы к методу ориентации гравиметрического датума. Для определения своих параметров гравиметрической ориентации ВВС использовали среднее значение разностей между гравиметрическими и астро-геодезическими отклонениями и высотами геоида (волнистостью) на специально выбранных станциях в областях основных датумов. Армия выполнила корректировку, чтобы минимизировать разницу между астро-геодезическими и гравиметрическими геоидами . Сопоставив относительные астро-геодезические геоиды выбранных датумов с гравиметрическим геоидом с центром в Земле, выбранные датумы были приведены к ориентации с центром в Земле. Поскольку системы армии и ВВС прекрасно согласовывались для областей NAD, ED и TD, они были объединены и стали WGS 60.
Улучшения глобальной системы включали астрогеоид Ирен Фишер и астронавтическую систему меркурия. В январе 1966 года Комитету по всемирной геодезической системе, 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 поверхностной 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, была создана WGS 66, которая служила потребностям Министерства обороны в течение примерно пяти лет после ее внедрения в 1967 году. Определяющими параметрами эллипсоида WGS 66 были сплющивание ( 1 ⁄ 298,25, определенное по спутниковым данным) и большая полуось (6 378 145 м , определенное из комбинации данных спутника Доплера и астрогеодезических данных). Глобальное поле аномалии свободного гравитационного поля 5° × 5° предоставило основные данные для создания гравиметрического геоида WGS 66. Кроме того, геоид, привязанный к эллипсоиду WGS 66, был получен из доступных астрогеодезических данных для предоставления подробного представления ограниченных территорий суши.
После обширных усилий в течение приблизительно трех лет, была завершена Всемирная геодезическая система Министерства обороны 1972 года. Выбранные спутниковые, поверхностные гравитационные и астрогеодезические данные, доступные до 1972 года из источников как Министерства обороны, так и не Министерства обороны, были использованы в унифицированном решении WGS (масштабная корректировка наименьших квадратов ). Результаты корректировки состояли из поправок к начальным координатам станции и коэффициентам гравитационного поля. [3]
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 сотрудничающих не-МОБ спутниковых станций слежения, созданных для поддержки навигационной спутниковой системы ВМС (NNSS). Доплеровские данные также были доступны с многочисленных сайтов, 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 (Sequential Collation of Range), завершенной армией США в 1970 году. Оптические спутниковые данные из Всемирной геометрической спутниковой триангуляции были предоставлены системой камер BC-4 (см. изображение). Также использовались данные Смитсоновской астрофизической обсерватории , которые включали камеру ( Baker–Nunn ) и некоторое лазерное измерение дальности. [3]
Поле силы тяжести поверхности, используемое в унифицированном решении WGS, состояло из набора из 410 10° × 10° равновеликих средних аномалий свободного гравитационного поля, определенных исключительно по наземным данным. Это поле силы тяжести включает средние значения аномалий, составленные непосредственно из наблюдаемых данных о гравитации, где последние были доступны в достаточном количестве. Значения для областей с редкими или отсутствующими данными наблюдений были разработаны из геофизически совместимых приближений гравитации с использованием методов гравитационно-геофизической корреляции. Примерно 45 процентов из 410 значений средних аномалий свободного гравитационного поля были определены непосредственно из наблюдаемых данных о гравитации. [3]
Астрогеодезические данные в своей базовой форме состоят из отклонения вертикальных компонентов, относящихся к различным национальным геодезическим датумам. Эти значения отклонения были интегрированы в астрогеодезические карты геоида, относящихся к этим национальным датумам. Высоты геоида внесли вклад в унифицированное решение WGS, предоставив дополнительные и более подробные данные для территорий. Обычные данные наземной съемки были включены в решение для обеспечения последовательной корректировки координат соседних точек наблюдения систем BC-4, SECOR, Доплера и Бейкера-Нанна. Кроме того, были включены восемь геодиметровых точных ходов для контроля масштаба решения. [3]
Унифицированное решение WGS, как указано выше, было решением для геодезических позиций и связанных с ними параметров гравитационного поля на основе оптимального сочетания доступных данных. Параметры эллипсоида WGS 72, сдвиги датума и другие связанные константы были получены отдельно. Для унифицированного решения была сформирована матрица нормального уравнения на основе каждого из упомянутых наборов данных. Затем отдельные матрицы нормальных уравнений были объединены, и результирующая матрица была решена для получения позиций и параметров. [3]
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 показателях, включая комбинацию спутниковых и поверхностных данных о гравитации для определения положения и гравитационного поля. Наборы спутниковых координат станций и гравиметрического отклонения вертикали и данные о высоте геоида использовались для определения смещений локально-геоцентрического датума, параметров вращения датума, параметра масштаба датума и значения большой полуоси эллипсоида WGS. Было сделано 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. Выбранные станции доплеровского слежения за спутниками и астро-геодезические станции ориентации датума были включены в различные решения. На основании этих результатов и других связанных исследований, проведенных комитетом, было принято значение aБыли приняты 6 378 135 м и сплющивание 1/298,26. [3]
При разработке локальных сдвигов отсчета к WGS 72 результаты различных геодезических дисциплин были исследованы, проанализированы и сравнены. Эти принятые сдвиги основывались в первую очередь на большом количестве координат станций Doppler TRANET и GEOCEIVER, которые были доступны по всему миру. Эти координаты были определены с использованием метода позиционирования точек Doppler. [3]
В начале 1980-х годов потребность в новой мировой геодезической системе была в целом признана геодезическим сообществом, а также Министерством обороны США. WGS 72 больше не предоставляла достаточных данных, информации, географического покрытия или точности продукта для всех тогдашних и ожидаемых приложений. Средства для создания новой WGS были доступны в виде улучшенных данных, увеличенного покрытия данных, новых типов данных и улучшенных методов. Наблюдения с помощью доплеровской, спутниковой лазерной локации и интерферометрии со сверхдлинной базой (VLBI) представляли собой значительную новую информацию. Выдающийся новый источник данных стал доступен из спутниковой радиолокационной альтиметрии. Также был доступен усовершенствованный метод наименьших квадратов, называемый коллокацией , который позволял получить согласованное комбинированное решение из различных типов измерений, все относительно гравитационного поля Земли, измерений, таких как геоид, гравитационные аномалии, отклонения и динамический доплеровский.
Новая всемирная геодезическая система получила название WGS 84. Это система отсчета, используемая Глобальной системой позиционирования . Она геоцентрична и глобально согласована в пределах1 м . Текущие геодезические реализации семейства геоцентрических систем отсчета Международной земной системы отсчета (ITRS), поддерживаемые IERS , являются геоцентрическими и внутренне согласованными на уровне нескольких сантиметров, при этом на уровне метров они по-прежнему согласованы с WGS 84.
Референц-эллипсоид WGS 84 был основан на GRS 80 , но он содержит очень небольшое изменение в обратном сглаживании, поскольку он был получен независимо, а результат был округлен до другого количества значащих цифр. [4] Это привело к небольшой разнице0,105 мм по малой полуоси. [5] В следующей таблице сравниваются параметры первичного эллипсоида.
.svg/1280px-WGS_84_reference_frame_(vector_graphic).svg.png)
Предполагается, что начало координат WGS 84 находится в центре масс Земли ; неопределенность, как полагают, составляет менее2 см . [7]
Меридиан нулевой долготы WGS 84 является опорным меридианом IERS [8] , [9] на 5,3 угловых секунды или 102 метра (335 футов) к востоку от меридиана Гринвича на широте Королевской обсерватории . [ 10] (Это связано с тем, что локальное гравитационное поле в Гринвиче не указывает точно через центр масс Земли, а скорее «промахивается к западу» от центра масс примерно на 102 метра.) Положения долготы в WGS 84 согласуются с положениями в более старой североамериканской системе отсчета 1927 года примерно на 85° западной долготы в восточно-центральной части Соединенных Штатов.
Поверхность системы координат WGS 84 представляет собой сплющенный сфероид с экваториальным радиусом a =6 378 137 м на экваторе и уплощение f = 1 ⁄298,257 223 563. Уточненное значение гравитационной постояннойWGS 84(включая массу атмосферы Земли) составляетGM=3,986 004 418 × 10 14 м 3 /с 2. Угловая скорость Земли определяется как ω =72,921 15 × 10 −6 рад/с . [11]
Это приводит к нескольким вычисляемым параметрам, таким как малая полярная полуось b , которая равна a × (1 − f ) =6 356 752 .3142 м , а первый эксцентриситет в квадрате, e 2 =6,694 379 990 14 × 10 -3 . [11]
Первоначальным документом по стандартизации для WGS 84 был Технический отчет 8350.2, опубликованный в сентябре 1987 года Агентством по картографии Министерства обороны (которое позже стало Национальным агентством по картографии и изображениям). Новые издания были опубликованы в сентябре 1991 года и июле 1997 года; последнее издание было изменено дважды, в январе 2000 года и июне 2004 года. [12] Документ по стандартизации был снова пересмотрен и опубликован в июле 2014 года Национальным агентством геопространственной разведки как NGA.STND.0036. [13] Эти обновления предоставляют уточненные описания Земли и реализации системы для более высокой точности.
Первоначальная модель WGS84 имела абсолютную точность 1–2 метра. WGS84 (G730) впервые включила наблюдения GPS, снизив точность до 10 см/среднеквадратичное отклонение компонента. [14] Все последующие версии, включая WGS84 (G873) и WGS84 (G1150), также использовали GPS. [15]
WGS 84 (G1762) — шестое обновление системы отсчета WGS. [14]
WGS 84 совсем недавно был обновлен для использования опорной системы G2296 , которая была выпущена 7 января 2024 года как обновление G2139, теперь согласованной как с ITRF2020, последней реализацией ITRF, так и с IGS20, системой, используемой Международной службой GNSS (IGS). [16] G2139 был согласован с реализацией IGb14 Международной наземной опорной системы (ITRF) 2014 и использует новый стандарт IGS Antex. [17]
Обновления оригинального геоида для WGS 84 теперь публикуются как отдельная модель гравитации Земли (EGM) с улучшенным разрешением и точностью. Аналогично, модель магнитного поля мира (WMM) обновляется отдельно. Текущая версия WGS 84 использует EGM2008 и WMM2020. [18] [19]
Также необходимо решение для параметров ориентации Земли, соответствующих ITRF2014 (IERS EOP 14C04). [20]
Компоненты WGS 84 идентифицируются кодами в наборе данных геодезических параметров EPSG : [21]
В статье использованы материалы, являющиеся общественным достоянием, с веб-сайтов или документов Национальной геодезической службы .