Światowy system geodezyjny

Geodezja
Azimutalprojektion-schief kl-cropped.png
Podstawy
koncepcje
Technologie
Normy (historia)
NGVD 29 Odniesienie poziomu morza 1929
OSGB36 Ordnance Survey Wielka Brytania 1936
SK-42 System koordynacyjny 1942 goda
ED50 Europejska data 1950
SAD69 Datum Ameryki Południowej 1969
GRS 80 Geodezyjny system odniesienia 1980
ISO 6709 Współrzędna punktu geograficznego. 1983
NAD 83 North American Datum 1983
WG 84 Światowy System Geodezyjny 1984
NAWD 88 N. American Vertical Datum 1988
ETRS89 Europejski naziemny ref. Sys. 1989
GCJ-02 Chińskie zaciemnione dane 2002
Geo URI Link internetowy do punktu 2010

Światowy System Geodezyjny ( WGS ) to standard stosowany w kartografii , geodezji i nawigacji satelitarnej, w tym GPS . Obecna wersja, WGS 84 , definiuje wyśrodkowany na Ziemi układ współrzędnych niezwiązany z Ziemią oraz geodezyjny układ odniesienia , a także opisuje powiązany model grawitacyjny Ziemi (EGM) i model magnetyczny świata (WMM). Standard jest publikowany i utrzymywany przez Stany Zjednoczone Narodowa Agencja Wywiadu Geoprzestrzennego .

Historia

Wysiłki mające na celu uzupełnienie różnych krajowych systemów geodezyjnych rozpoczęły się w XIX wieku od słynnej książki FR Helmerta Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie ( Matematyczne i fizyczne teorie geodezji fizycznej ). Austria i Niemcy założyły Zentralbüro für die Internationale Erdmessung (Centralne Biuro Międzynarodowej Geodezji ) i wyprowadzono serię globalnych elipsoid Ziemi (np. Helmert 1906, Hayford 1910/1924).

Zunifikowany system geodezyjny dla całego świata stał się niezbędny w latach pięćdziesiątych z kilku powodów:

WG 60

Pod koniec lat pięćdziesiątych Departament Obrony Stanów Zjednoczonych wraz z naukowcami z innych instytucji i krajów zaczął opracowywać potrzebny światowy system, do którego można by odnosić dane geodezyjne i ustalać kompatybilność między współrzędnymi bardzo oddalonych od siebie interesujących miejsc. Wysiłki armii amerykańskiej, marynarki wojennej i sił powietrznych zostały połączone, co doprowadziło do powstania DoD World Geodetic System 1960 (WGS 60). Termin data użyte tutaj odnosi się do gładkiej powierzchni nieco arbitralnie zdefiniowanej jako zerowa wysokość, zgodna z zestawem miar geodezyjnych odległości między różnymi stacjami i różnicami wysokości, wszystkie zredukowane do siatki szerokości , długości i wysokości . Metody badania dziedzictwa wykazały różnice wysokości w stosunku do lokalnego poziomu, określone przez poziomicę , pion lub równoważne urządzenie, które zależy od lokalnego pola grawitacyjnego (patrz geodezja fizyczna ). W rezultacie wysokości w danych są odnoszone do geoidy , powierzchni, której nie można łatwo znaleźć za pomocą geodezji satelitarnej . Ta ostatnia metoda obserwacyjna jest bardziej odpowiednia do mapowania globalnego. Dlatego motywacją i istotnym problemem w WGS i podobnych pracach jest łączenie danych, które nie tylko zostały wykonane osobno, dla różnych regionów, ale także ponowne odniesienie wysokości do modelu elipsoidy, a nie do geoidy .

Grawimetryczna orientacja odniesienia

Osiągając WGS 60, wykorzystano kombinację dostępnych danych grawitacji powierzchniowej , danych astro-geodezyjnych oraz wyników badań HIRAN i kanadyjskiego SHORAN w celu zdefiniowania najlepiej dopasowanej elipsoidy i orientacji wyśrodkowanej na ziemi dla każdego z początkowo wybranych punktów odniesienia. (Każdy układ odniesienia jest względnie zorientowany w odniesieniu do różnych części geoidy za pomocą opisanych już metod astro-geodezyjnych). Jedynym wkładem danych satelitarnych w rozwój WGS 60 była wartość elipsoidy spłaszczenia, które uzyskano z ruchu węzłowego satelity.

Przed WGS 60 armia amerykańska i siły powietrzne USA opracowały system światowy, stosując różne podejścia do grawimetrycznej metody orientacji punktu odniesienia. Aby określić ich parametry orientacji grawimetrycznej, Siły Powietrzne wykorzystały średnią różnic między odchyleniami grawimetrycznymi i astrogeodezyjnymi oraz wysokościami (falami) geoidy na specjalnie wybranych stacjach w obszarach głównych punktów odniesienia. Armia dokonała korekty, aby zminimalizować różnicę między geoidami astro-geodezyjnymi i grawimetrycznymi . Dopasowując względne astro-geodezyjne geoidy wybranych punktów odniesienia z geoidą grawimetryczną ze środkiem ziemi, wybrane punkty odniesienia zostały zredukowane do orientacji ze środkiem ziemi. Ponieważ systemy armii i sił powietrznych były wyjątkowo dobrze zgodne dla obszarów NAD, ED i TD, zostały skonsolidowane i stały się WGS 60.

WG 66

Ulepszenia systemu globalnego obejmowały astrogeoidę Irene Fischer i astronautyczny układ odniesienia Merkurego. W styczniu 1966 r. Komitet Światowego Systemu Geodezyjnego złożony z przedstawicieli armii, marynarki wojennej i sił powietrznych Stanów Zjednoczonych otrzymał zadanie opracowania ulepszonego WGS, potrzebnego do spełnienia wymagań dotyczących mapowania, mapowania i geodezji. Dodatkowe grawitacji powierzchniowej wynikają z rozszerzenia sieci triangulacji i trilateracji oraz dużej ilości dopplerowskich i optycznych dane satelitarne stały się dostępne od czasu opracowania WGS 60. Korzystając z dodatkowych danych i ulepszonych technik, stworzono WGS 66, który służył potrzebom Departamentu Obrony przez około pięć lat po jego wdrożeniu w 1967 r. Parametrami definiującymi elipsoidę WGS 66 były spłaszczenie ( 1/298,25 wyznaczona na podstawie danych satelitarnych) i półoś wielka ( 6 378 145 m wyznaczona na podstawie połączenia danych satelitarnych Dopplera i danych astro-geodezyjnych). Światowa średnia anomalia grawitacyjna 5 ° × 5 ° dostarczyło podstawowych danych do stworzenia geoidy grawimetrycznej WGS 66. Ponadto geoida odniesiona do elipsoidy WGS 66 została wyprowadzona z dostępnych danych astrogeodezyjnych, aby zapewnić szczegółową reprezentację ograniczonych obszarów lądowych.

WG 72

Po szeroko zakrojonych wysiłkach trwających około trzech lat, Departament Obrony Światowy System Geodezyjny 1972 został ukończony. Wybrane dane satelitarne, grawitacyjne i astrogeodezyjne dostępne do 1972 r., zarówno ze źródeł DoD, jak i innych niż DoD, zostały wykorzystane w ujednoliconym rozwiązaniu WGS ( najmniejszych kwadratów na dużą skalę ). Wynikiem korekty były poprawki do współrzędnych stacji początkowej oraz współczynników pola grawitacyjnego.

Największy zbiór danych, jaki kiedykolwiek wykorzystano do celów WGS, został zebrany, przetworzony i zastosowany w rozwoju WGS 72. Wykorzystano zarówno optyczne, jak i elektroniczne dane satelitarne. Elektroniczne dane satelitarne składały się częściowo z danych Dopplera dostarczonych przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych i współpracujące stacje śledzenia satelitarnego spoza DoD, utworzone w celu wsparcia Systemu Nawigacji Satelitarnej Marynarki Wojennej (NNSS). Dane dopplerowskie były również dostępne z licznych miejsc założonych przez GEOCEIVERS w latach 1971 i 1972. Dane dopplerowskie były głównym źródłem danych dla WGS 72 (patrz zdjęcie). Dodatkowe elektroniczne dane satelitarne zostały dostarczone przez sieć równikową SECOR (Sequential Collation of Range), ukończoną przez armię amerykańską w 1970 r. Optyczne dane satelitarne z programu Worldwide Geometric Satellite Triangulation zostały dostarczone przez system kamer BC-4 (patrz zdjęcie). Dane z Wykorzystano również Smithsonian Astrophysical Observatory , które obejmowało kamerę ( Baker-Nunn ) i pewną odległość laserową.

Naziemne stacje satelitarne Dopplera dostarczające danych do rozwoju WGS 72
Światowa geometryczna sieć triangulacji satelitarnej, kamery BC-4

Powierzchniowe pole grawitacyjne zastosowane w zunifikowanym rozwiązaniu WGS składało się z zestawu 410 10° × 10° równych średnich anomalii grawitacyjnych swobodnego powietrza, określonych wyłącznie na podstawie danych ziemskich. To pole grawitacyjne zawiera średnie wartości anomalii skompilowane bezpośrednio z obserwowanych danych grawitacyjnych, o ile te ostatnie były dostępne w wystarczającej ilości. Wartości dla obszarów z rzadkimi danymi obserwacyjnymi lub bez danych obserwacyjnych zostały opracowane na podstawie zgodnych geofizycznie przybliżeń grawitacji przy użyciu technik korelacji grawitacyjno-geofizycznej. Około 45 procent z 410 średnich wartości anomalii grawitacyjnych w swobodnym powietrzu określono bezpośrednio na podstawie obserwowanych danych grawitacyjnych.

Dane astrogeodezyjne w swojej podstawowej formie składają się z odchyleń składowych pionowych odniesionych do różnych krajowych układów odniesienia geodezyjnego. Te wartości odchylenia zostały włączone do astrogeodezyjnych map geoidy odnoszących się do tych krajowych punktów odniesienia. Wysokości geoidy przyczyniły się do ujednoliconego rozwiązania WGS, dostarczając dodatkowych i bardziej szczegółowych danych dla obszarów lądowych. W rozwiązaniu uwzględniono konwencjonalne dane geodezyjne, aby wymusić spójne dostosowanie współrzędnych sąsiednich punktów obserwacyjnych systemów BC-4, SECOR, Doppler i Baker-Nunn. Również osiem geodimetrów precyzyjne trawersy długich linii zostały uwzględnione w celu kontrolowania skali rozwiązania.

Rozwiązanie Unified WGS, jak wspomniano powyżej, było rozwiązaniem dla pozycji geodezyjnych i związanych z nimi parametrów pola grawitacyjnego w oparciu o optymalną kombinację dostępnych danych. Parametry elipsoidy WGS 72, przesunięcia odniesienia i inne powiązane stałe zostały wyprowadzone oddzielnie. Dla ujednoliconego rozwiązania utworzono macierz równań normalnych na podstawie każdego z wymienionych zbiorów danych. Następnie poszczególne macierze równań normalnych zostały połączone i wynikowa macierz rozwiązana w celu uzyskania pozycji i parametrów.

Wartość dla półosi wielkiej ( a ) elipsoidy WGS 72 wynosi 6 378 135 m . Przyjęcie wartości a o 10 metrów mniejszej niż dla elipsoidy WGS 66 opierało się na kilku obliczeniach i wskaźnikach, w tym na połączeniu danych satelitarnych i grawitacji powierzchniowej w celu określenia pozycji i pola grawitacyjnego. Zestawy współrzędnych stacji wyprowadzone z satelity oraz grawimetryczne dane dotyczące wysokości w pionie i geoidzie zostały wykorzystane do określenia przesunięć punktu odniesienia z lokalnego do geocentrycznego, parametrów obrotu punktu odniesienia, parametru skali odniesienia i wartości półosi wielkiej elipsoidy WGS. Osiem rozwiązań wykonano z różnymi zestawami danych wejściowych, zarówno z badawczego punktu widzenia, jak i ze względu na ograniczoną liczbę niewiadomych, które można było rozwiązać w dowolnym indywidualnym rozwiązaniu ze względu na ograniczenia komputera. W różnych rozwiązaniach uwzględniono wybrane stacje śledzenia satelitarnego Dopplera i astrogeodezyjne stacje orientacyjne. Na podstawie tych wyników i innych powiązanych badań przeprowadzonych przez komitet, an wartość a 6 378 135 m i spłaszczenie 1/298,26.

Podczas opracowywania przesunięć układu odniesienia z lokalnego względem WGS 72 zbadano, przeanalizowano i porównano wyniki z różnych dyscyplin geodezyjnych. Przyjęte przesunięcia opierały się przede wszystkim na dużej liczbie współrzędnych stacji Doppler TRANET i GEOCEIVER, które były dostępne na całym świecie. Współrzędne te zostały określone za pomocą metody pozycjonowania punktu Dopplera.

WG 84

Równikowe ( a ), biegunowe ( b ) i średnie promienie Ziemi zgodnie z definicją w rewizji Światowego Systemu Geodezyjnego z 1984 r. (Bez zachowania skali)

Na początku lat 80. społeczność geodezyjna, jak również Departament Obrony Stanów Zjednoczonych, powszechnie dostrzegła potrzebę stworzenia nowego światowego systemu geodezyjnego. WGS 72 nie zapewniał już wystarczających danych, informacji, zasięgu geograficznego ani dokładności produktu dla wszystkich obecnych i przewidywanych zastosowań. Środki do stworzenia nowego WGS były dostępne w postaci ulepszonych danych, zwiększonego zasięgu danych, nowych typów danych i ulepszonych technik. Obserwacje z Dopplera, satelitarnej odległości laserowej i interferometrii o bardzo długiej linii bazowej (VLBI) stanowiły istotne nowe informacje. Wybitne nowe źródło danych stało się dostępne dzięki satelitarnej wysokościomierzy radarowej. Dostępna była również zaawansowana najmniejszych kwadratów zwana kolokacją , która pozwoliła na spójną kombinację różnych typów pomiarów, wszystkich odnoszących się do pola grawitacyjnego Ziemi, pomiarów takich jak geoida, anomalie grawitacyjne, ugięcia i dynamiczny Doppler.

Nowy światowy system geodezyjny nazwano WGS 84. Jest to system odniesienia używany przez Global Positioning System . Jest geocentryczny i globalnie spójny w obrębie m . Obecne realizacje geodezyjne rodziny geocentrycznych systemów odniesienia International Terrestrial Reference System (ITRS) utrzymywane przez IERS są geocentryczne i wewnętrznie spójne na poziomie kilku cm, a jednocześnie są zgodne z WGS 84 na poziomie metra.

Elipsoida referencyjna WGS 84 została oparta na GRS 80 , ale zawiera bardzo niewielką zmianę spłaszczenia odwrotnego, ponieważ została wyprowadzona niezależnie, a wynik został zaokrąglony do innej liczby cyfr znaczących. Spowodowało to niewielką różnicę 0,105 mm w półosi małej. W poniższej tabeli porównano podstawowe parametry elipsoidy.

Odniesienie do elipsoidy Półoś wielka a półoś mała b Spłaszczanie odwrotne 1/ f
GRS 80 6 378 137,0 mln ≈ 6 356 752 , 314 140 m 298.257 222 100 882 711 ...
WG 84 6 378 137,0 mln ≈ 6 356 752 , 314 245 m 298.257 223 563

Definicja

Rama referencyjna WGS 84. Spłaszczenie elipsoidy jest na tym obrazie wyolbrzymione.

Współrzędne początku WGS 84 mają znajdować się w środku masy Ziemi ; uważa się, że niepewność jest mniejsza niż 2 cm .

Ręczny odbiornik GPS wskazujący, że południk Greenwich znajduje się 0,089 minuty łuku (lub 5,34 sekundy łuku ) na zachód od punktu odniesienia WGS 84 (południk odniesienia IERS)

Południk WGS 84 o zerowej długości geograficznej to południk odniesienia IERS , 5,3 sekundy kątowej lub 102 metry (335 stóp) na wschód od południka Greenwich na szerokości geograficznej Królewskiego Obserwatorium . (Jest to związane z faktem, że lokalne pole grawitacyjne w Greenwich nie przechodzi dokładnie przez środek masy Ziemi, ale raczej „chyba na zachód” od środka masy o około 102 metry.) Pozycje długości geograficznej na WGS 84 zgadzają się z tymi na starszym North American Datum 1927 na około 85 ° długości geograficznej zachodniej , w środkowo-wschodniej części Stanów Zjednoczonych.

Powierzchnia odniesienia WGS 84 jest spłaszczoną sferoidą o promieniu równikowym a = 6 378 137 m na równiku i spłaszczeniu f = 1/ 298,257 223 563 . Uściślona wartość stałej grawitacyjnej WGS 84 (z uwzględnieniem masy atmosfery ziemskiej) wynosi GM = 3 986 004 ,418 × 10 8 m 3 /s 2 . Prędkość kątowa Ziemi jest zdefiniowana jako ω 15 × 10-6 rad /s = 72,921 .

Prowadzi to do kilku obliczonych parametrów, takich jak półoś biegunowa b , która równa się a × (1 − f ) = 6 356 752 , 3142 m , oraz pierwszy mimośród do kwadratu, e 2 = 6,694 379 990 14 × 10 −3 .

Aktualizacje i nowe standardy

Oryginalnym dokumentem standaryzacyjnym dla WGS 84 był raport techniczny 8350.2, opublikowany we wrześniu 1987 r. przez Defense Mapping Agency (która później przekształciła się w National Imagery and Mapping Agency). Nowe wydania ukazały się we wrześniu 1991 i lipcu 1997; to ostatnie wydanie było dwukrotnie zmieniane, w styczniu 2000 r. iw czerwcu 2004 r. Dokument normalizacyjny został ponownie zrewidowany i opublikowany w lipcu 2014 r. przez National Geospatial-Intelligence Agency jako NGA.STND.0036. Te aktualizacje zapewniają dopracowane opisy Ziemi i realizacje systemu dla większej precyzji.

WGS 84 został ostatnio zaktualizowany, aby korzystał z ramki odniesienia G2139 , która została wydana 3 stycznia 2021 r. Jako aktualizacja G1762 '(z liczbą pierwszą). Ta ramka jest dostosowana do realizacji IGb14 Międzynarodowej Ramy Odniesienia do Ziemi (ITRF) 2014 i wykorzystuje nowy standard Antex.

Aktualizacje oryginalnej geoidy dla WGS 84 są teraz publikowane jako oddzielny model grawitacyjny Ziemi (EGM), z poprawioną rozdzielczością i dokładnością. Podobnie, światowy model magnetyczny (WMM) jest aktualizowany oddzielnie. Obecna wersja WGS 84 wykorzystuje EGM2008 i WMM2020.

Potrzebne jest również rozwiązanie dla parametrów orientacji Ziemi zgodne z ITRF2014 (IERS EOP 14C04).

Identyfikatory

Składniki WGS 84 są identyfikowane za pomocą kodów w zestawie danych parametrów geodezyjnych EPSG :

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=World_Geodetic_System&oldid=1143755355 ”