Занимательная геодезия. Обратите внимание на координатные системы, связанные с общеземным эллипсоидом WGS84

Эллипсоид GRS80 (GeodeticReferenceSystem– геодезическая референцная система) был принятXVIIгенеральной ассамблеей Международного союза геодезии и геофизики в Канберре, в декабре 1979 г. в качестве общеземного референц-эллипсоида.

Малая полуось GRS80 параллельна направлению на Международное условное начало (МУН), а начальный меридиан параллелен нулевому меридиану счёта долгот МБВ.GRS80 основывается на теории эквипотенциального (уровенного или нормального) эллипсоида. ЭллипсоидGRS80 рекомендован для проведения геодезических работ и вычисления характеристик гравитационного поля на поверхности Земли и во внешнем пространстве.

Система координат пз-90.

Параметры Земли 1990 г. ПЗ-90 были определены Топографической службой ВС РФ. Параметры ПЗ-90 включают:

Фундаментальные астрономические и геодезические постоянные.

Характеристики координатной основы (параметры земного эллипсоида, координаты пунктов, закрепляющих систему, параметры связи с другими системами координат).

Модели нормальных и аномальных гравитационных полей Земли, локальные характеристики гравитационного поля (высота квазигеоида над общеземным эллипсоидом и аномалии силы тяжести).

Входящая в состав ПЗ-90 система координат иногда называется СГС-90 (Спутниковая геоцентрическая система 1990 г.).

Начало системы расположено в центре масс Земли, Ось Zнаправлена к среднему северному полюсу на среднюю эпоху 1900-1905 гг. (МУН). Ось Х лежит в плоскости земного экватора эпохи 1900-1905 гг. и плоскость (ХОZ) определяет положение нуль-пункта принятой системы отсчёта долгот. Ось У дополняет систему до правой. Геодезические координатыB,L,Hотносятся к общему земному эллипсоиду. Ось вращения (малая полуось) совпадает с осьюZ, плоскость начального меридиана с плоскостью (ХОZ).

Спутниковая геоцентрическая система координат закреплена на территории СНГ координатами 30 опорных пунктов космической геодезической сети со средним расстоянием 1-3 тысячи километров. Для системы ПЗ-90 получены параметры связи с системами СК-42 и WGS-84.

Система wgs-84.

Мировая геодезическая система WGS-84 (WorldGeodeticSystem– 84) была разработана Военно-картографическим агентством Министерства обороны США. СистемаWGS-84 реализована путём модификации координатной системыNSWC-9Z-2, созданной по доплеровским измерениям, путём приведения её в соответствие с данными Международного Бюро Времени.

Начало системы WGS-84 находится в центре масс Земли, осьZнаправлена к Условному земному полюсу (УЗП), установленному МБВ на эпоху 1980.0. Ось Х находится на пересечении опорного меридианаWGS-84 и плоскости экватора УЗП. Опорный меридиан является начальным (нулевым) меридианом, определённым МБВ на эпоху 1980.0. Ось У дополняет систему до правой, то есть под углом 90˚ на восток. Начало координатной системыWGS-84 и её оси также служат геометрическим центром и осями референц-эллипсоидаWGS-84. Этот эллипсоид является эллипсоидом вращения. Его параметры почти идентичны параметрам международного эллипсоидаGRS80.

Система WGS-84 используется как система для бортовых эфемерид спутниковGPSс 23 января 1987 г., заменив собою системуWGS-72. Обе системы были получены на основе доплеровских измерений спутниковTRANSIT. Носителями системы были пять станций Контрольного сегментаGPS. С середины 1990-х годов сеть станцийWGS-84 значительно возросла. В 1994 г. МО США ввело реализациюWGS-84, которая полностью базировалась наGPSизмерениях. Эта новая реализация известна какWGS-84(G730), где букваGстоит для обозначенияGPS, а «730» обозначает номер неделя (начиная с 0 h UTS2 января 1994 г.), когда Национальное управление по отображению и картированию начало представлять свои орбитыGPSв этой системе. Следующие реализации этой системы:

WGS-84(G1150) на эпоху 2001.0.

Практически отсчётная основа WGS-84(G1150) идентична отсчётной основеITRF2000.

Для того чтобы уметь грамотно пользоваться любым приемником GPS необходимо знать его некоторые особенности. Давайте поговорим немного о форме Земли. В дальнейшем нам это понадобиться. Форма Земли, Датумы . Многие из нас привыкли представлять нашу планету в виде шара. В действительности форма Земли представляет из себя сложную геометрически неправильную фигуру. Если продлить поверхность вод Мирового океана под всеми материками, то такая поверхность будет называться уровенной . Главным её свойством является то, что она перпендикулярна силе тяжести в любой ее точке. Фигура образованная этой поверхностью называется Геоид. В целях навигации форму геоида применять сложно, поэтому его решили привести к математически правильному телу – эллипсоиду вращения или сфероиду . Проецируемая поверхность геоида на эллипсоид вращения именуется как Референц – Эллипсои д . Так как расстояние от центра земли до ее поверхности в различных местах неодинаково, возникают определенные погрешности в линейных расстояниях. Каждое государство, проводя геодезические и картографические измерения, закрепляет за собой собственный набор параметров и режимов ориентации для референц - эллипсоида. Такие параметры называются геодезическими датумами (Datum). Датум смещает (ориентирует) референц - эллипсоид относительно определенной точки отсчета (центра масс Земли), задавая более правильную ориентацию относительно линий широты и долготы. Грубо говоря, это подобие координатной сетки привязанной к референц - эллипсоиду конкретного места.

World Geodetic System 1984 (WGS–84) или Всемирная Геодезическая Система . В нынешнее время, контроль над системой WGS84 осуществляет организация под названием US National Geospatial-Intelligence Agency - NGA т.е. Национальное агентство геопространственной разведки США. Первоначально, система WGS84 разрабатывалась для целей аэронавигации. 3 марта 1989 года совет Международной организации гражданской авиации IСAO, утвердил WGS84 стандартной (всемирной) геодезической системой отсчета. В морскую транспортную отрасль система вступила после ее принятия Международной морской организацией IMO.

В основе процесса ориентации WGS84 лежит трехмерная система геоцентрических координат. Начало отсчета начинается из центра масс Земли. Ось Х лежит в плоскости экватора и направлена на меридиан принятый Международным Бюро Времени (BIH). Ось Z направлена на Северный полюс и совпадает с осью вращения Земли. Ось Y дополняет систему до правосторонней (правило правой руки) и лежит в плоскости экватора между осью Х под углом 90° к востоку.

К основным параметрам референц - эллипсоида WGS84 относятся:

Следует помнить, что UKHO (United Kingdom Hydrographic Office) публикуя свои карты, использует около сотни различных датумов (референц-эллипсоидов). Но приемник GPS определяет координаты по умолчанию в датуме WGS84 . Забегая вперед, большинство современных приемников GPS имеют функцию мануального (ручного) переключения датума (т.е. в памяти приемника содержится огромное количество различных датумов). При переносе координат из приемника на карту, необходимо заблаговременно просмотреть, в каком Датуме опубликована карта. Для упрощения этой процедуры с 1982 года UKHO (United Kingdom Hydrographic Office) добавило в легенду своих карт примечание под названием “Position ” и “Satellite Derived Position ”. В этих пунктах нас информируют о том, в каком Датуме опубликована карта. И если это не WGS84 - то, как произвести пересчет координат. Уделите этому особое внимание!

Однако предполагается, что во время национальных чрезвычайных ситуаций Министерство обороны США может воспользоваться своим контролем над GPS, т.е. не дать гражданским пользователям доступа к сигналу или уменьшить сигнал так, что навигационная система не сможет обеспечивать гражданскую авиацию.

Преимущества и недостатки СНС

Спутниковые навигационные системы обладают рядом преимуществ по сравнению с действующими радиотехническими системами (РТС) навигации. К основным преимуществам спутниковой навигации следует отнести обеспечение точной и надежной 4-х мерной навигации во всех районах и на всех высотах полета ВС и, как следствие:

снижение риска катастроф, связанного с неточностью информации о местоположении ВС, особенно в тех районах (высотах) полета ВС, где использование действующих средств невозможно или экономически нецелесообразно;

использование единого средства навигации для обеспечения всех этапов полета ВС, включая точные заходы на посадку на необорудованные аэродромы;

возможность реализации автоматического зависимого наблюдения, обеспечит повышение пропускной способности при сокращении продольных и боковых интервалов разделения ВС в тех районах, где организация наблюдения при использовании радиолокационных станций невозможна или экономически нецелесообразна;

повышение гибкости и экономичности полетов ВС при высокой точности самолетовождения и использовании зональной навигации за счет сокращения полетного времени и экономии топлива;

снижение затрат на обслуживание воздушного движения при списании парка действующих средств навигации и посадки и на эксплуатацию ВС путем замены разнотипного бортового оборудования едиными средствами.

Однако длительная эксплуатация GPS и ГЛОНАСС показала, что спутниковым навигационным системам свойственны следующие недостатки :

чувствительность к непреднамеренным помехам, вызванными атмосферными эффектами;

блокировка сигнала при затенении антенны элементами конструкции воздушного судна во время выполнения эволюций;

чувствительность к преднамеренным помехам, которые могут ограничивать область обслуживания;

недостаточная точность при использовании для целей точного захода на посадку.

Приведенные выше недостатки могут быть устранены при использовании различного рода функциональных дополнений. Существуют три категории функциональных дополнений: бортовые, наземные и спутниковые.

Стратегия ИКАО в области развития аэронавигации при использовании СНС

В течение последних лет происходит активное внедрение спутниковых навигационных систем для решения задач зональной навигации на различных этапах полёта. В перспективе СНС постепенно заменит все наземные навигационные системы и станет единственным средством, обеспечивающим навигацию на всём протяжении маршрута.

В настоящее время в ИКАО разработаны требуемые навигационные характеристики (RNP), которые определяют требования, предъявляемые к точности выдерживания навигационных параметров в пределах конкретного воздушного пространства. Этот показатель не связан с конкретным видом навигационного оборудования, что придаёт ему общий характер и делает применимым и для спутниковых навигационных систем. Значение RNP определяется величиной удержания, которая характеризует размер области с центром в точке заданного местоположения ВС, в пределах которой оно будет находиться в течение 95% полётного времени (рис. 2.1) .

Рис. 2.1. Область RNP

Величина удержания выражается в морских милях. Для упрощения использования RNP при планировании воздушного пространства, эллиптическая форма этой области заменяется круговой. Поэтому, например, тип RNP 1 означает, что в произвольный момент времени с вероятностью 0.95 воздушное судно должно находиться в радиусе одной морской мили от точки, указанной органом воздушного движения.

Типы RNP определяют минимальную точность выдерживания навигационных характеристик в данной области воздушного пространства. Они устанавливаются с учетом точности бортового навигационного оборудования, а также погрешностей пилотирования.

В целях обеспечения требуемого уровня точности на различных этапах полета разработаны следующие типы RNP: маршрутные и аэродромные.

К примеру, в условиях полёта по маршруту, где плотность движения не столь велика, значение RNP будет находиться в пределах от 20 до 1,а при маневрировании в районе аэродрома в условиях захода на посадку от 0.5 до 0.3.

Маршрутные типы RNP представлены в табл. 2.2. .

Таблица 2.2

Маршрутные типы RNP

Тип RNP 1 предусматривается для обеспечения наиболее эффективных полетов по маршрутам ОВД в результате использования наиболее точной информации о МВС, а также для применения метода зональной навигации, позволяющего получить наибольшую гибкость при организации маршрутов, изменении маршрутов и осуществлении в реальном времени необходимых корректировок в соответствии с потребностями структуры воздушного пространства. Этот тип RNP предусматривает наиболее эффективное обеспечение полетов, использование правил полетов и организации воздушного пространства при переходе из района аэродрома к полету по маршруту ОВД и в обратном порядке, т.е. при выполнении SID и STAR.

Тип RNP 4 предназначается для маршрутов ОВД основанных на ограниченном расстоянии между навигационными средствами. Этот тип RNP обычно используется в воздушном пространстве, расположенном над континентом. Данный тип RNP предусматривается для сокращения минимума бокового и продольного эшелонирования и повышения эксплуатационной эффективности в океаническом воздушном пространстве и районах, где возможности использования наземных навигационных средств ограничены.

Тип RNP 10 обеспечивает сокращенные минимумы бокового и продольного эшелонирования и повышает эксплуатационную эффективность в океаническом воздушном пространстве и отдельных районах, где возможности аэронавигационных средств ограничены.

Тип RNP 12.6 обеспечивает ограниченную оптимизацию маршрутов в районах с пониженным уровнем обеспечения навигационными средствами.

Тип RNP 20 характеризует минимальные возможности по точности определения МВС, которые считаются приемлемыми для обеспечения полетов по маршрутам ОВД любым ВС в любом контролируемом воздушном пространстве в любое время.

Анализ предложенных ИКАО типов RNP показывает, что для обеспечения возможности продолжения использования имеющегося навигационного оборудования без изменения, существующей структуры маршрутов ОВД в некоторых районах или регионах, может быть установлено значение RNP 5 (9.3 км). Доказательством этого является внедрение метода зональной навигации с типом RNP5 (B-RNAV) в Европейском регионе в 1998 г.

Аэродромные типы RNP представлены в табл. 2.3 .

Таблица 2.3

Типы RNP при маневрировании в районе аэродрома

*) По данным .

Примечания:

1) Для осуществления планируемой операции на самой низкой высоте над поро­гом ВПП требуется 95% значения ошибки определения местоположения с помощью GNSS .

2) Требования к точности и задержке срабатывания сигнализации включают номинальные эксплуатационные характеристики безотказного приемника.

Применение СНС на этапе захода на посадку позволит в комплексе с системой функционального дополнения широкой зоны действия (WAAS) повысить свою точность до субметровой и, как следствие, обеспечить выполнение неточного захода на посадку (без наведения по глиссаде).

Использование СНС на этапе захода на посадку в комплексе с системой функционального дополнения с ограниченной зоной действия (LAAS) позволит повысить её точность до сантиметровой и обеспечить выполнение точного захода на посадку (с наведением по глиссаде).

Существующая система организации воздушного движения основана на концепции заранее определенного разведения маршрутов. Такая система гарантирует безопасность полетов за счет снижения пропускной способности. Применение СНС позволит изменить существующую структуру маршрутов путем сокращения норм (минимумов) эшелонирования. Это приведет к увеличению пропускной способности мировой транспортной системы, повышению ее эффективности и рентабельности вследствие оптимизации маршрутов. Первые шаги в этом направлении уже сделаны. Например, во-первых, ширина маршрутов (треков) в районе Тихого Океана для ВС, оснащенных оборудованием СНС, изменена с 60 м. миль (111 км) до 30 м. миль (55.5 км). Во вторых, с 1997 г. введено сокращенное вертикальное эшелонирование в районе Северной Атлантики с 600 м (2000 фут) до 300 м (1000 фут) между эшелонами полета 290 (8840м) и 410 (12500м). В Европейском регионе поэтапное введение норм сокращенного вертикального эшелонирования, между указанными выше эшелонами, началось с 2001г.

СНС и новые возможности технологий в области систем связи, навигации и наблюдения позволят в будущем осуществить идею свободного полета. Идея свободного полета означает оптимизацию маршрута в динамике полета в любой данный момент времени на основе знания точного местоположения ВС и вектора скорости в данном регионе. В этом случае план полета становится простым предварительным заявлением о намерениях.

Эта идея является конечной целью будущей системы воздушной навигации.

В свободном полете бортовые системы ВС рассчитывают и передают диспетчерским службам организации воздушного движения информацию о местоположении и краткосрочных намерениях. Диспетчерские службы выполняют мониторинг удовлетворительного разделения воздушных судов и вмешиваются кратковременно в процесс полета при наличии угрозы опасного сближения или столкновения.

Таким образом, спутниковые навигационные системы рассматриваются как необходимый инструмент для полетов по маршруту, выполнения неточных заходов на посадку, разведения воздушных судов в воздушном пространстве, оптимизации маршрутов и осуществлении идеи свободного полета.

Контрольные вопросы

Какие СНС входят в состав GNSS?

Какая конфигурация расположения спутников в системах GPS и ГЛОНАСС?

Из каких основных сегментов состоит спутниковая навигационная система?

Каким величинам соответствуют точностные характеристики GPS и ГЛОНАСС?

В каком случае Министерство обороны США может воспользоваться своим контролем над GPS?

Как расшифровывается аббревиатура RNP?

Каким величинам соответствуют маршрутные и аэродромные типы RNP?

Какая система функционального дополнения, совместно с СНС, позволит обеспечить выполнение точного захода на посадку?

Каким образом применение СНС позволит изменить существующую структуру маршрутов?

Что означает идея свободного полета?

СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

Системы координат, используемые в геодезии

В геодезии используется три системы координат:

• геоцентрическая (привязанная к Земле);

  эллипсоидальная.

В отдельных странах применяются при обработке геодезических измерений эллипсоиды, выведенные по результатам геодезических работ охватывающих территорию данной страны или нескольких стран. Такие “рабочие” эллипсоиды называются референц-эллипсоидами . Система координат, определяемая на таком эллипсоиде, называется местной.

Референц-эллипсоид отличается от общего земного эллипсоида размерами, и центр его не совпадает с центром Земли. Вследствие несовпадения центров референц-эллипсоидов и реальной Земли малая ось референц-эллипсоида не совпадает с осью вращения Земли (рис. 3.1).

эллипсоид

Глобальный

эллипсоид

Рис.3.1. Различия между общеземным эллипсоидом

и референц-эллипсоидом

В качестве основной земной системы координат принята геоцентрическая, привязанная к Земле, пространственная прямоугольная система (X, Y, Z), началом которой является центр массы Земли S (геоцентр, т.е. центр массы, включая массу атмосферы) (рис. 3.2). Ось Z совпадет с осью вращения Земли.

Рис. 3.2. Геоцентрическая прямоугольная система координат (X, Y, Z)

Геоцентрическая система координат используется при определении места воздушного судна при решении соответствующей системы уравнений. Поверхность Земли можно достаточно точно аппроксимировать эллипсоидом вращения со сплюснутыми полюсами. При этом величина отклонений поверхности эллипсоида по высоте от геоида не превышает 100 м.

Эллипсоид вращения получается при вращении меридианного эллипса вокруг его малой оси. Поэтому форма эллипсоида описывается двумя геометрическими параметрами: большой полуосью a и малой полуосью b . Обычно b заменяют параметром сжатия (сплюснутости) эллипсоида:

Для пространственного определения положения точки на физической поверхности Земли (или в пространстве) по отношению к эллипсоиду вращения используют геодезические координаты: φ - широта и λ – долгота, h - высота от поверхности эллипсоида. Высота h над эллипсоидом измеряется вдоль нормали (перпендикуляра) к его поверхности (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Система геодезических координат и высота

Можно отметить тот факт,что в навигации обычно вместо геодезических координат используется понятие географические координаты. Причиной этого является то, что до появления СНС точность определения МВС была такой, что между названными системами координат не было необходимости делать различия.

Системы координат WGS -84 и ПЗ-90

Осуществление навигации невозможно без применения систем координат. При использовании СНС для целей аэронавигации используется геоцентрическая система координат.

В 1994 г. ИКАО в качестве стандарта рекомендовало для всех государств членов ИКАО с 1 января 1998 г. использовать глобальную геодезическую систему координат WGS-84 , т.к. в этой системе координат производится определение местоположения воздушного судна при использовании системы GPS. Причиной этого является то, что применение местных геодезических координат на территории различных государств, а таких систем координат более 200, приводило бы к дополнительной погрешности в определении МВС за счет того, что введенные в приемо-индикатор СНС пункты маршрута принадлежат системе координат, которая отличается от WGS-84.

Центр глобальной системы координат WGS-84 совпадает с центром массы Земли. Ось Z соответствует направлению обычного земного полюса, который перемещается из-за колебательного вращения Земли. Ось X лежит в плоскости экватора на пересечении с плоскостью нулевого (Гринвичского) меридиана. Ось Y лежит в плоскости экватора и отстоит от оси X на 90° (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Определение системы координат WGS-84

В Российской Федерации, в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач при использовании ГЛОНАСС, применяется геоцентрическая система координат «Параметры Земли 1990 г.» (ПЗ-90) . Для осуществления геодезических и картографических работ, начиная с 1 мая 2002 г., используется система геодезических координат 1995 г. (СК-95). Переход от геодезической системы координат 1942 г. (СК-42) к СК-95 займет определенный промежуток времени, прежде чем все навигационные пункты на территории России будут переведены в новую систему координат.

Основные параметры рассмотренных выше систем координат, представлены в табл. 3.1 .

Таблица 3.1

Системы координат, применяемые в навигации

Примечание. Значения ∆х, ∆у, ∆ z и ω х , ω у , ω z для ПЗ-90 даны относительно WGS-84, а для СК-95 и СК-42 относительно ПЗ-90.

Из табл. 3.1 видно, что системы координат WGS-84 и ПЗ-90 практически одинаковы. Из этого вытекает, что при полете по маршруту и в районе аэродрома при существующей точности определения МВС не принципиально, в какой системе координат будут определяться навигационные пункты.

В системе координат ПЗ-90 центр (S’) относительно центра WGS-84 (S) имеет смещение по осям X, Y, Z :

ΔX = 2 м, ΔY = 6 м, ΔZ = - 4,5 м,

а, кроме того, смещены и оси Y’ и Z’ относительно осей WGS-84 (Y, Z) на угловые величины:

ω Y = - 0,35’’, ω Z = - 0,11’’.

Ось X в WGS-84 и ось X’ в ПЗ-90 совпадают.

Угловое смещение оси Y’ ПЗ-90 относительно оси Y WGS-84 в 0,35’’ приводит к линейному смещению на поверхности эллипсоида на экваторе в 10,8 м , а смещение оси Z’ по отношению к оси Z в 0,11’’ - 3,4 м . Указанные смещения могут привести к общему (радиальному) смещению точки, расположенной на поверхности ПЗ-90 относительно WGS-84 на 11,3 м.

Контрольные вопросы

Дайте определение референц-эллипсоида?

Для каких целей используется геоцентрическая система координат при использовании СНС?

Какими геометрическими параметрами описывается эллипсоид вращения?

Какая система координат принята в ИКАО в качестве стандарта?

Какая система координат применяется в ГЛОНАСС?

Какие основные параметры характеризуют WGS-84 и ПЗ-90?

Принципиально ли в какой системе координат WGS-84 или ПЗ-90, будут измеряться навигационные пункты при полете по маршруту?

Чему равно радиальное смещение точки на поверхности эллипсоида в системе координат ПЗ-90 относительно WGS-84?

ПРИНЦИПЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУШНОГО СУДНА В СНС

Общие принципы функционирования СНС

Принципы функционирования GNSS сравнительно просты, однако для их реализации используются передовые достижения науки и техники.

Все спутники GPS или ГЛОНАСС являются равноправными в своей системе. Каждый спутник через передающую антенну излучает кодированный сигнал на двух несущих частотах (L1; L2), который может быть принят соответствующим приемником пользователя, находящегося в зоне действия спутника. Передаваемый сигнал содержит следующую информацию:

эфемериды спутников;

коэффициенты моделирования ионосферы;

информация о состоянии спутника;

системное время и уход часов спутника;

информация о дрейфе спутника.

В приемнике бортового оборудования ВС генерируется код, идентичный принимаемому со спутника. При сравнении двух кодов определяется временной сдвиг, который пропорционален дальности до спутника. Принимая одновременно сигналы от нескольких спутников, можно определить местоположение приемника с высокой точностью. Очевидно, что для функционирования системы необходима точная синхронизация кодов, генерируемых на спутниках и в приемниках.

Ключевым фактором, определяющим точность системы, является то, что все составляющие спутникового сигнала точно контролируются атомными часами. Каждый спутник имеет по четыре квантовых генератора, являющихся высокоточными стандартами частоты со стабильностью 10 -13 . Часы приемника менее точны, но их код постоянно сравнивается со спутниковыми часами и вырабатывается поправка, компенсирующая уход.

Наземный сегмент осуществляет контроль за спутниками, выполняет управляющие функции и определяет навигационные параметры спутников. Данные о результатах измерений, выполненных каждой контрольной станцией, обрабатываются на главной станции управления и используются для прогнозирования эфемерид спутников. Там же, на главной станции управления, формируются сигналы для коррекции спутниковых часов.

Местоположение воздушного судна с использованием GPS и ГЛОНАСС определяется в геодезических системах координат, которые могут отличаться от геодезических координат, используемых в бортовых навигационных комплексах.

Физико-технические принципы функционирования СНС.

Аббревиатура, означающая World Geodetic System, что в переводе соответствует понятию глобальная опорная система, принятая на момент 1984 года с целью геодезического обеспечения ориентирования в мировом пространстве: космической, воздушной, морской и наземной навигации.

Такая единая мировая система отсчета появилась не в один год. С конца пятидесятых годов прошлого столетия, когда практически происходило становление космической эры и в СССР, и в США возникла потребность в точном проведении, сопровождении космических запусков и полетов. Для обеспечения этой деятельности необходимо было создать единую планетарную геодезическую сеть, с помощью которой возможно было вести геодезические, гравиметрические и астрономические наблюдения.

С периодическим постоянством через каждые шесть лет, начиная с 1960 года, в США были созданы всеземные геодезические системы wgs60, wgs66, wgs72. Последняя из перечисленных систем wgs, считалась геодезической основой первой навигационной спутниковой системой Transit.

В 1980 году Международным союзом по геодезии была принята новая геодезическая референцная система GRS80. В ней было представлено сочетание моделей: геоида, земного эллипсоида и гравитационной модели Земли. В США в 1983 году приняли свою геодезическую систему NAD83.

И все же в 1984 году в рамках Министерства обороны Соединенные Штаты Америки принимают решение о построении для своих целей, как военного ведомства и навигационных спутниковых задач новой WGS с годовой нумерацией 84. Для этого к тому времени стала использоваться навигационная спутниковая система GPS Navstar, которая получила в последствие глобальное распространение и применяется во всем мире до настоящего времени. Введена WGS84 была в 1987 году и по своим параметрам близка к NAD83.

Основные параметры WGS 84

Мировая система WGS-84 представляет собой астрономо-геодезическую-гравиметрическую систему отсчета, вписанную в фигуру Земли. Для любой такой системы характерными являются установление определенных параметров. К таким параметрам в системе отсчета wgs 84 относятся:

• геоцентрическая прямоугольная система координат с началом в точке геометрического центра масс Земли (показана на рис.1);
• математическая основа, за которую принята форма эллипсоида вращения с конкретными геометрическими и физическими величинами;
• гравитационная модель Земли, с определенными на конкретную дату величинами и их значениями.

Ориентирование оси 0Z прямоугольной системы координат представлено в сторону условного направления на полюс, установленного в соответствии с данными международного бюро времени (BIH) на дату 1984 года. В пересечении плоскости нулевого меридиана (Гринвичского) с отклонением в 5,31 секунды к востоку и экваториальной плоскости ориентирована ось 0X. Правосторонне направленная и перпендикулярная к оси 0X в плоскости экватора, если можно так выразиться вторая плановая ось 0Y, завершает формирование геометрии отсчетной системы. Для исключения плавающего эффекта из-за движения земной коры, тектонических плит ориентация осей X, Y, Z остается неизменной.

Рис.1. Геоцентрическая World Geodetic System 84.

Физическая ориентация осей X, Y, Z в WGS84 определялась координатами на пяти контрольных станциях навигационной спутниковой системы GPS Transit в дату 1984 года (смотрите рис.2).

Рис.2. Физическая ориентация на пунктах WGS84.

В дальнейшем количество опорных точек увеличилось до семнадцати и переопределялось два раза уже с применением действующей навигационной спутниковой системой GPS Navstar. В 2002 году была принята последняя версия WGS84, в которой была достигнута высокая точность определения прямоугольных координат (X, Y, Z), геодезических координат (B, L) и геодезических высот над уровнем сфероида (H). Таким образом, эллипсоид был привязан физически к земной поверхности.

Международная геодезическая система координат

Одновременно с началом действия WGS84 в 1987 году были заложены основы новой мировой геодезической системы в рамках международной службы вращения Земли (IERS). Кроме других функциональных задач по оценке параметров Земли этой службой были применены международные земная система отсчета (ITRS) и отсчетная основа (ITRF). Если коротко, то отличия между ними заключаются в следующем. В системе отсчета (ITRS) определяются и устанавливаются параметры геодезической, математической, физической (гравиметрической) Земных моделей. В отсчетной основе (ITRF) происходит физическое построение и закрепление своего рода каркаса в виде опорных станций с фактическими их координатами, через которые реализуется практически глобальная геодезическая система.

Более просто можно объяснить путем следующего примера. Стоит задача построить на плоскости бумажного листа, например, формата А-1 прямоугольную систему координат с началом в центре этого листа, а - оси 0X и 0Y должны быть параллельны краям формата.

Такую задачу можно решить двумя способами. В первом из них центр получить при соединении между собой диагоналей. Вторым способом возможно нахождение всех четырех центров сторон прямоугольника, каковым является формат бумаги. Соединив между собой центры сторон, получают центр листа. В идеале две точки должны совпасть. Но вероятнее всего это не произойдет из-за погрешностей определения середины сторон. Далее графическая точность проведения диагоналей именно из углов также внесет свои неточности. Не идеален, возможно, и прямоугольный лист бумаги, его края могут быть не параллельны. При графическом построении непосредственно из точки центра осей координат возникают инструментальные погрешности линейки, карандаша, транспортира.

Очевидно, могут получиться две немного отличающиеся друг от друга системы координат с разными центрами и небольшими разворотами осей. Так вот сам лист, систему координат, ее центр условно можно отнести к системе отсчета ITRS. А вот опорные метки, например, точки середины сторон формата закрепляют систему координат на бумаге и относятся по аналогии условно к отсчетной основе ITRF.

В отношении фигуры Земли и определения, например, ее центра масс в качестве начала геоцентрической системы координат значительно сложнее. Физически его не начертишь карандашом. В качестве опорных меток для WGS84 на рис.2 выступают контрольные станции, заложенные вдоль линии экватора. Система координат в WGS84 и система отсчета в ITRS теоретически одинаковы. Однако, точность привязки к началу отсчета в центре масс нашей планеты выше ввиду того, что в отсчетной основе ITRF находятся сотни таких опорных меток

К настоящему времени в ITRF, как физического воплощения мировой геодезической сети, наблюдается порядка 800 станций с GPS-примемниками Navstar. Периодически происходят обновления, уточнения, корректировка исходных координат как на станциях в WGS84, которые можно считать составной частью ITRF, так и во всей земной геодезической основе.

Для формирования полной и довольно сложной физико-математической картины под именем Земля в качестве параметров перехода от геоида к трехосному эллипсоиду вращения в WGS84 принимаются основные и вспомогательные параметры, указанные в таблице ниже.

Все размеры и параметры эллипсоида, вычисленного и принятого для использования в геодезической среде отдельной страны или глобальной сети, такой как WGS84, имеют свои значения, время (дату) вычисления и наименование «датум». Наиболее точными считаются параметры (датум) ITRF, которые ежесуточно контролируются спутниковыми методами измерений координат на опорных станциях и ежегодно публикуются с указанием даты.

В глобальных системах отличных от WGS84, которые в последние годы стали применяться в ведущих странах мира, в том числе и в России (ПЗ90 , ПЗ90.02, ПЗ90.11) при необходимости решения определенных задач имеются возможности увязывать разные датумы, определять коэффициенты преобразования и производить собственно пересчеты координат в разные системы. В Российской Федерации такие пересчеты регламентируются государственным стандартом 51794-2001.

Конвертер систем координат

Конвертер координат МСК, СК-42/63, ПЗ-90, WGS-84

Хотите пересчитать координаты из одной системы координат в другую?

Здесь Вы сможете преобразовать координаты точек из используемых в России местных систем координат (СК) в мировые или наоборот, а также из одной местной СК в другую местную. Пересчитать за один раз можно как одну точку, так и целыми контурами.

Необходимость пересчета возникает, например, при определении положения точки на публичной кадастровой карте, которая работает в мировой системе координат WGS-84 (проекция Меркатора), другие картографические сервисы также используют WGS-84 (долготу и широту): Google.Maps, Яндекс.Карты, OpenStreet и др.

Инструкция:

Выберите из выпадающих список слева исходную систему координат, справа - целевую систему координат. Введите координаты в левое текстовое поле. Вводите в одной строке по одной точке (пункту), координаты отделяйте друг от друга в строке: Tab, точкой с запятой, пробелом, либо запятой. Целую часть от дробной - точкой, либо запятой (если она не использована в качестве разделителя). При вводе долготы и широты вводите значения в градусах и десятичных долях градусов, отделяя целую часть от дробной точкой. Нажмите на кнопку Конвертировать . Вы можете менять направление конвертации с помощью кнопки . Для очистки текстовых полей нажмите кнопку Очистить .

Совет: Вы можете открыть программу серии и выделить всю таблицу с координатами, нажать на кнопку Копировать в программе, а затем вставить эту информацию в левое поле конвертера, нажать кнопку Конвертировать .

Внимание: конвертер "внутри" работает в математической системе координат, поэтому если Вы конвертируете из геодезической системы координат (местные СК), то поставьте галочку X ↔ Y в левой части. Если Вы конвертируете из мировой СК, например, WGS 84, то такую галочку ставить не нужно, так как эта система математическая. Для получения на выходе координат в нужной последовательности, используйте галочку X ↔ Y в правой части. Вы можете округлить координаты до сотых: как до конвертации - левая галочка 0.00, так и после - правая галочка 0.00.

Внимание: при большом количестве точек пересчет может занять некоторое время. Если операция выполняется слишком длительно, то обновите страницу клавишей F5. Конвертируйте меньшее количество информации за один раз.

Сервис работает бесплатно. Количество конвертируемых точек не ограничено.

• Поделитесь ссылкой в социальных сетях
• Напишите на форумах об этом сервисе
• Расскажите коллегам о существовании этого сервиса
• Напишите отзыв на