Геодезические системы отсчета и определение местоположения.

Введение

Система отсчета для определения местоположения

Геодезический датум или геодезическая система (также: геодезическая опорная система, геодезическая система отсчета или геодезическая система координат) – это глобальная опорная система или система отсчета для точного определения положения точек на Земле или других планетарных телах с помощью геодезических координат. Датумы имеют решающее значение для любых технологий или методов, основанных на пространственном местоположении, включая геодезию, навигацию, съемку, географические информационные системы, дистанционное зондирование и картографию. Горизонтальный датум используется для измерения местоположения на поверхности Земли в широте и долготе или другой системе координат; вертикальный датум используется для измерения высоты или глубины относительно стандартного начала отсчета, такого как средний уровень моря (СУМ). С развитием глобальной системы позиционирования (GPS) эллипсоид и датум WGS 84, используемые в ней, заменили большинство других в многих областях применения. WGS 84 предназначен для глобального использования, в отличие от большинства более ранних датумов. До появления GPS не было точного способа определения положения точки, удаленной от универсальных опорных точек, таких как главный меридиан в Гринвичской обсерватории для долготы, экватор для широты или ближайший берег для уровня моря. Астрономические и хронологические методы имеют ограниченную точность, особенно на больших расстояниях. Даже GPS требует предварительно определенной системы координат для базирования своих измерений, поэтому WGS 84 по сути функционирует как датум, хотя в некоторых аспектах он отличается от традиционных стандартных горизонтальных или вертикальных датумов. Стандартная спецификация датума (горизонтального или вертикального) состоит из нескольких частей: модели формы и размеров Земли, такой как эталонный эллипсоид или геоид; начала отсчета, в котором эллипсоид/геоид привязан к известному (часто закрепленному) местоположению на или внутри Земли (не обязательно на 0° широты и 0° долготы); и нескольких опорных пунктов, координаты которых были точно измерены относительно начала отсчета и закреплены. Затем координаты других точек измеряются относительно ближайшего опорного пункта посредством геодезических измерений. Поскольку эллипсоид или геоид различаются между датумами, а также их начала отсчета и ориентация в пространстве, связь между координатами, относящимися к одному датуму, и координатами, относящимися к другому датуму, не определена и может быть только приблизительно оценена. При использовании локальных датумов расхождение на местности между точкой с одинаковыми горизонтальными координатами в двух разных датумах может достигать километров, если точка находится далеко от начала отсчета одного или обоих датумов. Это явление называется сдвигом датума. Поскольку Земля является несовершенным эллипсоидом, локальные датумы могут обеспечить более точное представление определенной области, чем WGS 84. Например, OSGB36 является лучшим приближением к геоиду, покрывающему Британские острова, чем глобальный эллипсоид WGS 84. Однако, поскольку преимущества глобальной системы перевешивают большую точность, глобальный датум WGS 84 получил широкое распространение.

A geodetic datum or geodetic system (also: geodetic reference datum, geodetic reference system, or geodetic reference frame) is a global datum reference or reference frame for precisely representing the position of locations on Earth or other planetary bodies by means of geodetic coordinates. Datums are crucial to any technology or technique based on spatial location, including geodesy, navigation, surveying, geographic information systems, remote sensing, and cartography. A horizontal datum is used to measure a location across the Earth's surface, in latitude and longitude or another coordinate system; a vertical datum is used to measure the elevation or depth relative to a standard origin, such as mean sea level (MSL). Since the rise of the global positioning system (GPS), the ellipsoid and datum WGS 84 it uses has supplanted most others in many applications. The WGS 84 is intended for global use, unlike most earlier datums. Before GPS, there was no precise way to measure the position of a location that was far from universal reference points, such as from the Prime Meridian at the Greenwich Observatory for longitude, from the Equator for latitude, or from the nearest coast for sea level. Astronomical and chronological methods have limited precision and accuracy, especially over long distances. Even GPS requires a predefined framework on which to base its measurements, so WGS 84 essentially functions as a datum, even though it is different in some particulars from a traditional standard horizontal or vertical datum. A standard datum specification (whether horizontal or vertical) consists of several parts: a model for Earth's shape and dimensions, such as a reference ellipsoid or a geoid; an origin at which the ellipsoid/geoid is tied to a known (often monumented) location on or inside Earth (not necessarily at 0 latitude 0 longitude); and multiple control points that have been precisely measured from the origin and monumented. Then the coordinates of other places are measured from the nearest control point through surveying. Because the ellipsoid or geoid differs between datums, along with their origins and orientation in space, the relationship between coordinates referred to one datum and coordinates referred to another datum is undefined and can only be approximated. Using local datums, the disparity on the ground between a point having the same horizontal coordinates in two different datums could reach kilometers if the point is far from the origin of one or both datums. This phenomenon is called datum shift. Because Earth is an imperfect ellipsoid, local datums can give a more accurate representation of some specific area of coverage than WGS 84 can. OSGB36, for example, is a better approximation to the geoid covering the British Isles than the global WGS 84 ellipsoid. However, as the benefits of a global system outweigh the greater accuracy, the global WGS 84 datum has become widely adopted.

История

Сферическая форма Земли была известна древним грекам, которые также разработали понятия широты и долготы и первые астрономические методы их измерения. Эти методы, сохраненные и далее развитые мусульманскими и индийскими астрономами, были достаточны для глобальных исследований XV и XVI веков. Однако научный прогресс эпохи Просвещения привел к признанию ошибок в этих измерениях и потребности в большей точности. Это привело к технологическим инновациям, таким как морской хронометр 1735 года, созданный Джоном Харрисоном, а также к пересмотру основных предположений о форме самой Земли. Исаак Ньютон предположил, что сохранение момента импульса должно сделать Землю сплюснутой у полюсов (более широкой на экваторе), в то время как ранние исследования Жака Кассини (1720) привели его к выводу, что Земля вытянута (более широкая на полюсах). Последующие французские геодезические миссии (1735–1739) в Лапландию и Перу подтвердили теорию Ньютона, но также обнаружили изменения в силе тяжести, которые в конечном итоге привели к созданию модели геоида. Одновременным развитием стало использование тригонометрической съемки для точного измерения расстояний и определения местоположения на больших расстояниях. Начиная с исследований Жака Кассини (1718) и англо-французской съемки (1784–1790), к концу XVIII века сети геодезического контроля охватывали Францию и Соединенное Королевство. Более масштабные проекты, такие как Геодезическая дуга Стрюве в Восточной Европе (1816–1855) и Великий тригонометрический съем Индии (1802–1871), заняли гораздо больше времени, но привели к более точным оценкам формы земного эллипсоида. Первая триангуляция на территории Соединенных Штатов была завершена только в 1899 году. В результате американской съемки были созданы Североамериканский горизонтальный датум 1927 года (NAD27) и Вертикальный датум 1929 года (NAVD29) – первые стандартные датумы, доступные для общего пользования. За этим последовало создание национальных и региональных датумов в течение следующих нескольких десятилетий. Совершенствование измерений, включая использование первых спутников, позволило получить более точные датумы в конце XX века, такие как NAD83 в Северной Америке, ETRS89 в Европе и GDA94 в Австралии. В это время были разработаны и первые глобальные датумы для использования в спутниковых навигационных системах, в частности Всемирная геодезическая система (WGS 84), используемая в американской системе глобального позиционирования (GPS), и Международная наземная система отсчета и рамка (ITRF), используемая в европейской системе Galileo.

The spherical nature of Earth was known by the ancient Greeks, who also developed the concepts of latitude and longitude, and the first astronomical methods for measuring them. These methods, preserved and further developed by Muslim and Indian astronomers, were sufficient for the global explorations of the 15th and 16th Centuries. However, the scientific advances of the Age of Enlightenment brought a recognition of errors in these measurements, and a demand for greater precision. This led to technological innovations such as the 1735 Marine chronometer by John Harrison, but also to a reconsideration of the underlying assumptions about the shape of Earth itself. Isaac Newton postulated that the conservation of momentum should make Earth oblate (wider at the equator), while the early surveys of Jacques Cassini (1720) led him to believe Earth was prolate (wider at the poles). The subsequent French geodesic missions (1735 1739) to Lapland and Peru corroborated Newton, but also discovered variations in gravity that would eventually lead to the geoid model. A contemporary development was the use of the trigonometric survey to accurately measure distance and location over great distances. Starting with the surveys of Jacques Cassini (1718) and the Anglo French Survey (1784–1790), by the end of the 18th century, survey control networks covered France and the United Kingdom. More ambitious undertakings such as the Struve Geodetic Arc across Eastern Europe (1816 1855) and the Great Trigonometrical Survey of India (1802 1871) took much longer, but resulted in more accurate estimations of the shape of the Earth ellipsoid. The first triangulation across the United States was not completed until 1899. The U. S. survey resulted in the North American Datum (horizontal) of 1927 (NAD27) and the Vertical Datum of 1929 (NAVD29), the first standard datums available for public use. This was followed by the release of national and regional datums over the next several decades. Improving measurements, including the use of early satellites, enabled more accurate datums in the later 20th century, such as NAD83 in North America, ETRS89 in Europe, and GDA94 in Australia. At this time global datums were also first developed for use in satellite navigation systems, especially the World Geodetic System (WGS 84) used in the U. S. global positioning system (GPS), and the International Terrestrial Reference System and Frame (ITRF) used in the European Galileo system.

Горизонтальная точка отсчета

Горизонтальная геодезическая система отсчета – это модель, используемая для определения местоположения на Земле. Координаты конкретной точки могут существенно различаться в зависимости от используемой геодезической системы отсчета. В мире существуют сотни локальных горизонтальных систем отсчета, обычно привязанных к удобной местной точке отсчета. Современные системы отсчета, основанные на всё более точных измерениях формы Земли, предназначены для охвата больших территорий. WGS 84 – распространенный стандартный геодезический стандарт, почти идентичный NAD83, используемому в Северной Америке, и ETRS89, используемому в Европе.

Вертикальный датчик

Вертикальная опорная поверхность – это эталонная поверхность для определения вертикальных положений, таких как высоты объектов земной поверхности, включая рельеф, батиметрию, уровень воды и искусственные сооружения. Приблизительным определением уровня моря является эллипсоид WGS 84, а более точным – Земная гравитационная модель 2008 (EGM2008), использующая не менее 2159 сферических гармоник. Другие опорные поверхности определены для других регионов или в другое время; ED50 был определен в 1950 году для Европы и отличается от WGS 84 на несколько сотен метров в зависимости от местоположения в Европе. На Марсе нет океанов, следовательно, и уровня моря, однако как минимум две марсианские опорные поверхности использовались для определения местоположения объектов на Марсе.

Геодезические координаты

В геодезических координатах поверхность Земли аппроксимируется эллипсоидом, а местоположения вблизи поверхности описываются геодезической широтой, долготой и эллипсоидальной высотой.

Геодезическая система отсчета 1980 (GRS80)

+ GRS80 параметры Обозначение параметра Значение большая полуось 6378137 Обратная сплюснутость 298.257222101

Всемирная геодезическая система 1984 (WGS 84)

Глобальная система позиционирования (GPS) использует Всемирную геодезическую систему 1984 года (WGS 84) для определения местоположения точки вблизи поверхности Земли. + WGS 84 определяющие параметры Параметр Обозначение Значение Большая полуось 6378137.0 Обратная плоскость 298.257223563

+ WGS 84 производные геометрические константы Константа Обозначение Значение Малая полуось 6356752.3142 Первая эксцентриситет в квадрате 6.69437999014 Вторая эксцентриситет в квадрате 6.73949674228

Преобразование дат

Разница в координатах между датами обычно называется смещением даты. Смещение даты между двумя конкретными датами может варьироваться от одного места к другому в пределах одной страны или региона и может составлять от нуля до сотен метров (или нескольких километров для некоторых отдаленных островов). Северный полюс, Южный полюс и экватор будут иметь разные положения в разных датах, поэтому истинный север будет немного отличаться. Разные даты используют различные интерполяции для определения точной формы и размера Земли (эллипсоидов привязки). Например, в Сиднее разница между координатами GPS, настроенными в GDA (на основе глобального стандарта WGS 84) и AGD (используемой для большинства местных карт), составляет 200 метров (700 футов), что является неприемлемо большой ошибкой для некоторых приложений, таких как геодезические работы или определение местоположения для дайвинга. Преобразование даты – это процесс преобразования координат точки из одной системы координат в другую. Поскольку геодезические сети, на которых традиционно основывались даты, нерегулярны, а погрешность в ранних измерениях не распределена равномерно, преобразование даты не может быть выполнено с использованием простой параметрической функции. Например, преобразование из NAD27 в NAD83 выполняется с использованием NADCON (впоследствии улучшенного как HARN), растровой сетки, охватывающей Северную Америку, где значение каждой ячейки представляет собой среднее расстояние коррекции для данной области по широте и долготе. Преобразование даты часто сопровождается изменением картографической проекции.

Обсуждение и примеры

Геодезический опорный datum – известная и постоянная поверхность, используемая для определения местоположения неизвестных точек на Земле. Поскольку опорные datum могут иметь разные радиусы и разные центры, конкретная точка на Земле может иметь существенно отличающиеся координаты в зависимости от используемого datum для измерений. В мире существует сотни локально разработанных опорных datum, обычно привязанных к удобной местной точке отсчета. Современные datum, основанные на все более точных измерениях формы Земли, предназначены для охвата больших территорий. Наиболее распространенными опорными datum, используемыми в Северной Америке, являются NAD27, NAD83 и WGS 84. Североамериканский datum 1927 года (NAD 27) – «горизонтальный контрольный datum для Соединенных Штатов, определенный местоположением и азимутом на сфероиде Кларка 1866 года, с началом отсчета в (пункте геодезической съемки) Meades Ranch (Канзас)». Геоидальная высота в Meades Ranch была принята равной нулю, поскольку достаточных данных о гравитации не было, и это требовалось для сопоставления наземных измерений с datum. «Геодезические положения на Североамериканском датуме 1927 года были получены из (координат и азимута в Meades Ranch) путем повторной триангуляции всей сети с введением лапласовских азимутов и использованием метода Боуи». (http://www.ngs.noaa.gov/faq.shtml#WhatDatum) NAD27 – это локальная система отсчета, охватывающая Северную Америку. Североамериканский datum 1983 года (NAD 83) – «горизонтальный контрольный datum для Соединенных Штатов, Канады, Мексики и Центральной Америки, основанный на геоцентрическом начале координат и Геодезической системе отсчета 1980 года (GRS80)». Этот datum, обозначенный как NAD 83, основан на корректировке 250 000 точек, включая 600 станций спутникового доплеровского позиционирования, которые привязывают систему к геоцентрическому началу координат. NAD83 можно рассматривать как локальную систему отсчета. WGS 84 – это Всемирная геодезическая система 1984 года. Это система отсчета, используемая Министерством обороны США (DoD) и определяемая Национальным агентством геопространственной разведки (NGA) (ранее Агентство оборонного картографирования, затем Национальное агентство изображений и картографирования). WGS 84 используется Министерством обороны для всех картографических, навигационных и геодезических нужд, включая «транслируемые» и «точные» орбиты GPS. WGS 84 был определен в январе 1987 года с использованием методов спутниковой съемки Доплера и использовался в качестве системы отсчета для эфемерид GPS (орбит), начиная с 23 января 1987 года. В 00:00 GMT 2 января 1994 года точность WGS 84 была повышена с использованием измерений GPS. Официальное название стало WGS 84 (G730), поскольку дата обновления совпала с началом 730-й недели GPS. Она стала системой отсчета для транслируемых орбит 28 июня 1994 года. В 00:00 GMT 30 сентября 1996 года (начало 873-й недели GPS) WGS 84 был переопределен и приведен в большее соответствие с системой ITRF 94 Международной службы вращения Земли (IERS). Тогда он был официально назван WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) был принят в качестве системы отсчета для транслируемых орбит 29 января 1997 года. Последующее обновление привело к появлению WGS 84 (G1674). Datum WGS 84, находящийся в пределах двух метров от datum NAD83, используемого в Северной Америке, является единственной общемировой системой отсчета, используемой в настоящее время. WGS 84 является стандартным datum по умолчанию для координат, хранящихся в бытовых и коммерческих GPS-приемниках. Пользователям GPS рекомендуется всегда проверять datum используемых карт. Для правимого ввода, отображения и хранения координат, связанных с картой, datum карты необходимо ввести в поле datum карты GPS.

A geodetic reference datum is a known and constant surface which is used to describe the location of unknown points on Earth. Since reference datums can have different radii and different center points, a specific point on Earth can have substantially different coordinates depending on the datum used to make the measurement. There are hundreds of locally developed reference datums around the world, usually referenced to some convenient local reference point. Contemporary datums, based on increasingly accurate measurements of the shape of Earth, are intended to cover larger areas. The most common reference Datums in use in North America are NAD27, NAD83, and WGS 84. The North American Datum of 1927 (NAD 27) is "the horizontal control datum for the United States that was defined by a location and azimuth on the Clarke spheroid of 1866, with origin at (the survey station) Meades Ranch (Kansas)." The geoidal height at Meades Ranch was assumed to be zero, as sufficient gravity data was not available, and this was needed to relate surface measurements to the datum. "Geodetic positions on the North American Datum of 1927 were derived from the (coordinates of and an azimuth at Meades Ranch) through a readjustment of the triangulation of the entire network in which Laplace azimuths were introduced, and the Bowie method was used." (http://www. ngs. noaa. gov/faq. shtml#WhatDatum ) NAD27 is a local referencing system covering North America. The North American Datum of 1983 (NAD 83) is "The horizontal control datum for the United States, Canada, Mexico, and Central America, based on a geocentric origin and the Geodetic Reference System 1980 (GRS80). "This datum, designated as NAD 83 is based on the adjustment of 250,000 points including 600 satellite Doppler stations which constrain the system to a geocentric origin." NAD83 may be considered a local referencing system. WGS 84 is the World Geodetic System of 1984. It is the reference frame used by the U. S. Department of Defense (DoD) and is defined by the National Geospatial Intelligence Agency (NGA) (formerly the Defense Mapping Agency, then the National Imagery and Mapping Agency). WGS 84 is used by the DoD for all its mapping, charting, surveying, and navigation needs, including its GPS "broadcast" and "precise" orbits. WGS 84 was defined in January 1987 using Doppler satellite surveying techniques. It was used as the reference frame for broadcast GPS Ephemerides (orbits) beginning January 23, 1987. At 0000 GMT January 2, 1994, WGS 84 was upgraded in accuracy using GPS measurements. The formal name then became WGS 84 (G730), since the upgrade date coincided with the start of GPS Week 730. It became the reference frame for broadcast orbits on June 28, 1994. At 0000 GMT September 30, 1996 (the start of GPS Week 873), WGS 84 was redefined again and was more closely aligned with International Earth Rotation Service (IERS) frame ITRF 94. It was then formally called WGS 84 (G873). WGS 84 (G873) was adopted as the reference frame for broadcast orbits on January 29, 1997. Another update brought it to WGS 84 (G1674). The WGS 84 datum, within two meters of the NAD83 datum used in North America, is the only world referencing system in place today. WGS 84 is the default standard datum for coordinates stored in recreational and commercial GPS units. Users of GPS are cautioned that they must always check the datum of the maps they are using. To correctly enter, display, and to store map related map coordinates, the datum of the map must be entered into the GPS map datum field.

Движение пластин

Тектонические плиты Земли движутся относительно друг друга в различных направлениях со скоростью порядка нескольких сантиметров в год. Поэтому объекты, расположенные на разных плитах, находятся в движении относительно друг друга. Например, разница в долготе между точкой на экваторе в Уганде, находящейся на Африканской плите, и точкой на экваторе в Эквадоре, находящейся на Южно-Американской плите, увеличивается примерно на 0,0014 угловой секунды в год. Эти тектонические движения также влияют на широту. Если используется глобальная система координат (например, WGS84), координаты точки на поверхности Земли обычно меняются с каждым годом. Большинство картографических работ, например, в пределах одной страны, не охватывают границы плит. Для минимизации изменений координат в таких случаях может использоваться другая система координат, привязанная к конкретной плите. Примерами таких систем являются "NAD83" для Северной Америки и "ETRS89" для Европы.