Глобальная геодезическая система 1984 г. WGS-84

Глобальная геодезическая система или WGS является стандартом для использования в картографии, геодезии и спутниковой навигации, включая GPS. Этот стандарт включает в себя определение фундаментальных и производных констант системы координат, эллипсоидальную (нормальную) гравитационную модель Земли (EGM), описание связанной мировой магнитной модели (WMM) и текущий список локальных преобразований данных.

Последняя версия WGS — глобальная геодезическая система 1984 г. или WGS 84 (также известна как WGS 1984, EPSG: 4326), созданная в 1984 году и последний раз пересмотренная в 2004 году. Более ранние схемы включали WGS 72, WGS 66 и WGS 60. WGS 84 — эталонная система координат, используемая системой глобального позиционирования (GPS).

Начало координат WGS 84 предназначено для расположения в центре масс Земли; неопределённость считается менее 2 см. 

Меридиан WGS 84 нулевой долготы — это международный опорный меридиан (IRM), 5,3 угловых секунды или 102 метра (335 футов) к востоку от гринвичского меридиана на широте Королевской обсерватории.

Базовая поверхность WGS 84 представляет собой сплюснутый сфероид с экваториальным радиусом a = 6 378 137 метров на экваторе и уплощением f = 1 / 298,257 223 563. Уточнённое значение гравитационной постоянной WGS 84 (включая массу атмосферы Земли) составляет GM = 3 986 004,418 × 108 м³ / с². Угловая скорость Земли определяется как ω = 72,92115 × 10−6 рад / с.

Это приводит к нескольким вычисленным параметрам, таким как полярная полуосновная ось b, которая равна a × (1 - f) = 6 356 752,3142 м, и первый квадрат эксцентриситета, e² = 6,694 379 990 14 × 10−3.

В настоящее время в WGS 84 используется гравитационная модель Земли (EGM) 2008 г. Этот геоид определяет номинальную поверхность уровня моря с помощью ряда сферических гармоник степени 360 (который обеспечивает около 100 км широтного разрешения вблизи экватора). Отклонения геоида EGM96 от эталонного эллипсоида WGS 84 составляют от -105 до +85 м. EGM96 отличается от оригинального геоида WGS 84, называемого EGM84.

В WGS 84 используется Всемирная магнитная модель (WMM) 2015v2. Новая версия WMM 2015 стала необходимой из-за необычайно больших и неустойчивых движений северного магнитного полюса. Следующее очередное обновление (WMM2020) произойдёт в конце 2019 года.

Усилия по дополнению различных национальных геодезических систем начались в 19 веке со знаменитой книги Ф.Р. Гельмерта “Математические и физические теории физической геодезии”. Австрия и Германия основали Центральное бюро международной геодезии, и был получен ряд глобальных эллипсоидов Земли (например, Хелмерт 1906, Хайфорд 1910/1924).

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

• Международная космическая наука и начало космонавтики.

• Отсутствие межконтинентальной геодезической информации.

• Неспособность больших геодезических систем, таких как European Datum (ED50), North American Datum (NAD) и Tokyo Datum (TD), обеспечить глобальную базу геоданных.

• Потребность в глобальных картах для навигации, авиации и географии.

• Готовность к холодной войне в Западной Европе требовала стандартизированной геопространственной системы координат в масштабах НАТО в соответствии с Соглашением о стандартизации НАТО.

В конце 1950-х годов Министерство обороны Соединённых Штатов вместе с учёными из других учреждений и стран начали разработку необходимой мировой системы, к которой можно было бы обращаться с геодезическими данными и устанавливать совместимость между координатами широко разнесённых участков, представляющих интерес. Усилия армии, флота и авиации США были объединены, что привело к созданию Глобальной геодезической системы Министерства обороны 1960 (WGS 60). Используемый здесь термин datum относится к гладкой поверхности, несколько произвольно определенной как нулевая отметка, в соответствии с набором мер геодезистов, определяющих расстояния между различными станциями и разностями высот, все они сводятся к сетке широт, долгот и высот. Методы исследования наследия выявили отличия высот от локальной горизонтали, определяемой уровнем, отвесом или эквивалентным устройством, которое зависит от локального гравитационного поля. В результате высотные отметки в данных относятся к геоиду, поверхности, которую нелегко найти с помощью спутниковой геодезии. Последний метод наблюдений больше подходит для глобального картирования. Следовательно, мотивация и существенная проблема в WGS и аналогичных работах — это объединение данных, которые были сделаны не только отдельно для разных регионов, но и для повторной привязки высот к модели эллипсоида, а не к геоиду.

При выполнении WGS 60 комбинация доступных данных о поверхностной гравитации, астро-геодезических данных и результатов исследований HIRAN и канадских SHORAN использовалась для определения наиболее подходящего эллипсоида и ориентировки на землю для каждого из первоначально выбранных данных. (Каждый элемент данных относительно ориентирован в отношении различных частей геоида с помощью уже описанных астро-геодезических методов.) 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 глобальную систему, используя разные подходы к гравиметрическому методу ориентации. Для определения параметров гравиметрической ориентации ВВС использовали среднее значение различий между гравиметрическими и астрогеодезическими отклонениями и высотами геоидов на специально отобранных станциях в районах основных датумов. Армия произвела корректировку, чтобы минимизировать разницу между астрогеодезическими и гравиметрическими геоидами. Путём сопоставления относительных астро-геодезических геоидов выбранных датумов с земно-центрированным гравиметрическим геоидом выбранные датумы были приведены к ориентации на Землю. Так как системы армии и военно-воздушных сил замечательно согласовывались для нескольких областей, они были объединены и стали WGS 60.

Улучшения в глобальной системе включали в себя Астрогеоид Ирины Фишер и данные о космонавтике Меркурия. В январе 1966 года Комитет по глобальной геодезической системе, состоящий из представителей армии, флота и военно-воздушных сил Соединённых Штатов, был уполномочен разработать усовершенствованную систему WGS, необходимую для удовлетворения требований картографических и геодезических работ. Дополнительные наблюдения поверхностной гравитации, результаты расширения триангуляционных и трилатерационных сетей, а также большое количество доплеровских и оптических спутниковых данных стали доступны после разработки WGS 60. Используя дополнительные данные и усовершенствованные методы, была создана WGS 66, которая удовлетворяла потребности Министерства обороны в течение примерно пяти лет после его внедрения в 1967 году. Определяющими параметрами эллипсоида WGS 66 были уплощение (1 / 298,25, определённое по спутниковым данным) и большая полуось (6 378 145 метров, определённая по комбинации доплеровского спутника и астро-геодезических данных). Всемирное поле со средней гравитационной аномалией свободного воздуха 5° × 5° предоставило основные данные для создания гравиметрического геоида WGS 66. Кроме того, геоид, на который ссылается эллипсоид WGS 66, был получен на основе имеющихся астро-геодезических данных для подробного представления ограниченных площадей суши.

После значительных усилий в течение примерно трёх лет была завершена работа по созданию Глобальной геодезической системы Министерства обороны 1972 года. Отдельные спутниковые данные, данные о поверхностной гравитации и астро-геодезические данные, доступные до 1972 года из источников как МинОбороны, так и других, использовались в унифицированном решении WGS (крупномасштабная корректировка наименьших квадратов). Результаты настройки состояли из поправок к начальным координатам станции и коэффициентам гравитационного поля.

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 состояли, в частности, из доплеровских данных, предоставленных военно-морским флотом США и сотрудничающими станциями спутникового слежения, созданными в поддержку навигационной спутниковой системы военно-морского флота (NNSS). Доплеровские данные были также доступны на многочисленных сайтах, созданных GEOCEIVERS в 1971 и 1972 гг. Доплеровские данные были основным источником данных для WGS 72. Дополнительные электронные спутниковые данные были предоставлены Экваториальной сетью SECOR, созданной армией США в 1970 году. Данные оптических спутников из Всемирной программы геометрической спутниковой триангуляции были предоставлены системой камер BC-4. Также использовались данные Смитсоновской астрофизической обсерватории, в которую входили камера Шмидта и лазерная локация.

Поверхностное гравитационное поле, используемое в Унифицированном решении WGS, состояло из набора 410 10° × 10° равных средних аномалий гравитации свободного воздуха, определенных исключительно из наземных данных. Это гравитационное поле включает в себя средние значения аномалий, составленные непосредственно из наблюдаемых данных гравитации, где последние были доступны в достаточном количестве. Значение для областей разреженных или отсутствующих данных наблюдений было получено из геофизически совместимых гравитационных приближений с использованием методов гравитационно-геофизической корреляции. Приблизительно 45 процентов из 410 средних значений гравитационной аномалии в свободном воздухе были определены непосредственно из данных наблюдений гравитации.

Астро-геодезические данные в их основной форме состоят из отклонения вертикальных компонентов, относящихся к различным национальным геодезическим данным. Эти значения отклонения были включены в карты астро-геодезических геоидов, относящиеся к этим национальным данным. Высота геоида внесла вклад в Унифицированное решение WGS, предоставив дополнительные и более подробные данные о земельных участках. Обычные данные наземной съемки были включены в решение для обеспечения согласованной корректировки координат соседних мест наблюдения систем BC-4, SECOR, Допплера и Бейкера-Нанна. Кроме того, восемь точных поперечных линий геодиметра были включены с целью контроля масштаба решения.

Унифицированное решение WGS, как указано выше, было решением для геодезических положений и связанных с ними параметров гравитационного поля на основе оптимальной комбинации имеющихся данных. Параметры эллипсоида WGS 72, сдвиги датума и другие связанные константы были получены отдельно. Для унифицированного решения матрица нормальных уравнений была сформирована на основе каждого из упомянутых наборов данных. Затем отдельные матрицы нормальных уравнений были объединены, и результирующая матрица была решена для получения позиций и параметров.

Значение для 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 расчётах и ​​показателях, включая комбинацию спутниковых данных и данных о поверхностной гравитации для определения положения и гравитационного поля. Наборы спутниковых координат станции и гравиметрического отклонения данных по вертикали и высоте геоида были использованы для определения локально-геоцентрических сдвигов отсчёта, параметров поворота отсчёта, параметра масштаба отсчёта и значения для большой полуоси эллипсоида WGS. Восемь решений были сделаны с различными наборами входных данных, как с точки зрения расследования, так и из-за ограниченного числа неизвестных, которые могут быть решены в любом отдельном решении из-за компьютерных ограничений. Отдельные доплеровские спутниковые станции слежения и станции астрогеодической ориентации были включены в различные решения. На основании этих результатов и других связанных с этим исследований, проведенных Комитетом, было принято значение a = 6 378 135 метров и уплощение 1 / 298,26.

При разработке базовых сдвигов в точке WGS 72 были проанализированы и сопоставлены результаты различных геодезических дисциплин. Принятые сдвиги были основаны главным образом на большом количестве координат доплеровских станций TRANET и GEOCEIVER, которые были доступны по всему миру. Эти координаты были определены с использованием метода позиционирования точки Доплера.

В начале 80-х годов потребность в новой глобальной геодезической системе была общепризнана геодезическим сообществом, а также в рамках Министерства обороны США. WGS 72 больше не предоставлял достаточных данных, информации, географического охвата, точности продукта для всех текущих и ожидаемых применений. Средства для создания новой WGS были доступны в виде улучшенных данных, расширенного охвата данных, новых типов данных и усовершенствованных методов. Параметры GRS 80 вместе с имеющимися допплеровскими данными, данными спутниковой лазерной локации и радиоинтерферометрии со сверхдлинными базами (VLBI) составили новую важную информацию. Выдающийся новый источник данных стал доступен благодаря спутниковой радиолокационной альтиметрии. Также был доступен усовершенствованный метод наименьших квадратов, называемый коллокацией, который позволял получать согласованное комбинированное решение из различных типов измерений, относящихся к гравитационному полю Земли, то есть геоиду, гравитационным аномалиям, отклонениям, динамическому допплеру и т.д.

Новая Глобальная геодезическая система получила название WGS 84. Это эталонная система, используемая системой глобального позиционирования (GPS). WGS 84 геоцентрична и глобально согласована в пределах ± 1 м. Текущие геодезические реализации семейства геоцентрических систем координат Международной земной системы координат (ITRS), поддерживаемые Международной службой вращения Земли (IERS), являются геоцентрическими и внутренне непротиворечивыми на уровне нескольких сантиметров, всё ещё находясь на уровне метра в соответствии с WGS 84.

WGS 84 первоначально использовал эталонный эллипсоид GRS 80, но с момента его первоначальной публикации претерпел некоторые незначительные улучшения в более поздних изданиях. Большинство из этих уточнений важны для высокоточных орбитальных расчетов для спутников, но мало влияют на типичное топографическое использование. Очень небольшая разница в уплощении между GRS 80 и WGS 84 приводит к небольшой разнице в 0,105 мм в полуполярной оси.

В WGS 84 используется международный опорный меридиан (IERS) в соответствии с определением Международного бюро времени, который был определён путем компиляции наблюдений звёзд в разных странах.

Положения долготы на WGS 84 совпадают с позициями на старом североамериканском датуме 1927 года на приблизительно 85° западной долготы, в восточно-центральной части Соединённых Штатов.

Последняя крупная версия WGS 84 также упоминается как “Модель гравитации Земли 1996” (EGM96), впервые опубликованная в 1996 году, с редакциями, выпущенными в 2004 году. Эта модель имеет тот же эталонный эллипсоид, что и WGS 84, но имеет более точный геоид (разрешение примерно 100 км против 200 км для оригинальной WGS 84).

Многие из первоначальных авторов WGS 84 внесли свой вклад в новую модель с более высокой точностью воспроизведения, получившую название EGM2008. Эта новая модель будет иметь геоид с точностью, приближающейся к 10 см, что потребует более 4,6 млн. терминов в сферическом расширении (против 130 317 в EGM96 и 32 757 в WGS 84).