Что такое wgs 84. Разница в определении координат в WGS84 и СК42

Общеземной эллипсоид WGS84 - это геодезический эллипсоид с фиксированной геоцентрической общеземной системой координат. Эллипсоид WGS84 задан набором констант и параметрами модели эллипсоида, которые описывают размеры и форму Земли, гравитационное и магнитное поля. WGS84 является стандартным общеземным эллипсоидом, принятым за глобальную координатную систему Департаментом Обороны США, а также системой координат для глобальной системы позиционирования (GPS). Она совместима с Международной Земной Системой Координат (ITRS). В настоящее время WGS84 (G1674) придерживается критериев, описанных в Техническом Пояснении 21 (TN 21) Международной Службы Вращения Земли (IERS). Ответственной организацией является Национальное Управление Геопространственной Разведки США (NGA). Управление (NGA) планирует произвести регулировку координатной системы WGS84 в 2013, чтобы совместить ее с правилами Конвенции 2010 IERS Техническое Пояснение 36 (TN 36).

• Origin (Начало координат): За начало системы координат принят центр масс Земли, включая океаны и атмосферу.
• Z-Axis (Ось Z) : Направлена на опорный полюс, определенный Международной Службой Вращения Земли (IERS Reference Pole). Это направление соответствует направлению на условный полюс Земли (BIH Conventional Terrestrial Pole) (на период 1984.0) с погрешностью 0.005".
• X-Axis (Ось X) : Ось X лежит в плоскости опорного меридиана (IERS Reference Meridian) и проходит через начало координат по нормали к оси Z. Опорный меридиан (IRM) совпадает с нулевым меридианом (BIH Zero Meridian) (на период 1984.0) с погрешностью 0.005".
• Y-Axis (Ось Y) : Дополняет геоцентрическую фиксированнуюя систему ортогональных координат (Earth-Centered Earth-Fixed (ECEF) orthogonal coordinate system) до правой.
• Scale (Масштаб): Ее м асштаб - масштаб структуры Земли согласуется с альтернативной теорией гравитации (relativistic theory of gravitation). Совмещён с ITRS.
• Orientation (Ориентация): Представлена Международным Бюро Времени (Bureau International de l’Heure) на период 1984.0.
• Time Evolution (Временное развитие): Изменение во времени не будет создавать никаких невязок глобального вращения относительно земной коры.

Параметры

WGS84 можно идентифицировать с помощью четырех параметров: большая полуось эллипсоида (semi-major axis) WGS84, коэффициент сжатия (flattening factor) Земли, номинальная средняя угловая скорость (nominal mean angular velocity) Земли, и геоцентрическая гравитационная постоянная (geocentric gravitational constant). Значения параметров представлены в таблице ниже.

Параметр	Обозначение	Значение
Большая полуось (Semi-major Axis)	a
Коэффициент сжатия (Flattening Factor) Земли	1/f
Номинальная средняя угловая скорость (Nominal Mean Angular Velocity)	ω	7292115 10 -11 радиан/сек
Геоцентрическая гравитационная постоянная (Geocentric Gravitational Constant)	GM	3986004.418 10 8 м 3 /сек 2

Значение GM включает массу атмосферы Земли. Пользователи глобальной системы позиционирования (GPS) должны помнить первоначальное значение WGS84 GM равное 3986005.0 10 8 м3 /сек 2 , которое определено в контрольном документе GPS (ICD-GPS-200) и в Техническом отчете 8350.2 NIMA (Technical Report).

Реализации WGS84

База данных международной ассоциации производителей нефти и газа (EPSG database) и вебсайт NGS используют в названии "WGS 84" пробел между "WGS" и "84". База данных EPSG не содержит никаких особых реализаций эллипсоида WGS84.

Geog 2D Code	Код эллипсоида	Краткое название	Эпоха эллипсоида	Код района	Название района	Примечание	Смещение
4326	6326	WGS84	1984	1262	Всемирный (World)	Первая реализация установленная Министерством обороны США в 1987 используя доплеровские наблюдения. Также известен как WGS84 (1987), WGS84 (original), WGS84 (TRANSIT). Для научных целей, первоначальный WGS84 является идентичным NAD83 (1986). WGS84 связан с ITRF90 с помощью 7 параметров перехода по Хельмерту (Helmert).	нет
		WGS84 (G730)	1994.0			Реализация представлена Министерством обороны США от 29 июня 1994 основана на GPS наблюдениях. Буква G обозначает "GPS", а 730 - это номер недели GPS. Основан на ITRF91.	0.70 м
		WGS84 (G873)	1997.0			Реализация представлена Министерством обороны США от 29 января 1997 основана на GPS наблюдениях. Буква G обозначает "GPS", а 873 - это номер недели GPS. Основан на ITRF94.	0.20 м
		WGS84 (G1150)	2001.0			Реализация представлена Министерством обороны США от 20 января 2002 основана на GPS наблюдениях. Буква G обозначает "GPS", а 1150 - это номер недели GPS. Основан на ITRF2000.	0.06 м
		WGS84 (G1674)	2005.0			Реализация представлена Министерством обороны США от 08 февраля 2012 основана на GPS наблюдениях. Буква G обозначает "GPS", а 1674 - это номер недели GPS. Основан на ITRF2008.	0.01 м

Параметры трансформации

Ниже представлены параметры перехода между WGS84 (G1674) и предыдущими реализациями WGS84, а также некоторыми реализациями ITRF.

Параметры перехода между различными реализациями ITRF можно найти в файле .

Переход от	Переход к	Эпоха	T1 м	T2 м	T3 м	D ppb	R1 mas	R2 mas	R3 mas	Точность м
		2001.0	-0.0047	+0.0119	+0.0156	+4.72	+0.52	+0.01	+0.19	0.0059
ITRF2008	WGS84 (G1674)	2005.0	0	0	0	0	0	0	0	0.10
ITRF2000	WGS84 (G1150)	2001.0	0	0	0	0	0	0	0	0.10
ITRF94	WGS84 (G873)	1997.0	0	0	0	0	0	0	0	0.10
ITRF91	WGS84 (G730)	1994.0	0	0	0	0	0	0	0	0.10
ITRF90	WGS84 (original)	1984.0	+0.060	-0.517	-0.223	-11.0	+18.3	-0.3	+7.0	0.01

Направление вращения системы координат по часовой стрелке. Единицы измерения: м (метры), mas (угловых миллисекунд) и ppb (частей на миллиард).
1 mas = 0.001 " = 2.77778 e -7 градуса = 4.84814 e -9 радиан. 0.001 " приблизительно равна 0.030 м на поверхности Земли.

WGS84 и ITRF

Вообще ITRS (и её реализации ITRFyy) идентичны WGS84 в пределах одного метра. При этом есть два типа реализации WGS84.

• Старая реализация, основанная на навигационной спутниковой системе ВМС США, также известная как доплеровская система "Транзит" (DOPPLER Transit), и обеспечивающая координаты станций с точностью приблизительно в один метр.
  Что касается этой реализации, то Международной Службой Вращения Земли (International Earth Rotation Service) опубликованы параметры трансформации между ITRF90 и этой доплеровской системой в файле: WGS84.TXT .
• Обновленные реализации WGS84, основанные на данных GPS, такие как G730, G873 и G1150. Эти обновленные реализации WGS84 совпадают с ITRF с 10-сантиметровом уровнем точности.
  Для этих реализаций нет официально опубликованных параметров трансформации. Это означает, что координаты ITRF также могут быть выражены в WGS84 с уровнем точности 10 см.

Комитет производителей нефти и газа (OGP Surveying & Positioning Committee) рекомендует в своей пояснительной записке №4 (Guidance note 4) : "В качестве опорной геодезической системы для целей съёмки и позиционирования в реальном режиме времени использовать международную земную систему отсчета (ITRF)", в случае когда опубликованные значения параметров перехода позволяют трансформировать координаты с точностью хуже чем один метр - придерживаться старой формулировки "от местной системы координат к WGS84", и использовать новую формулировку "от местной системы координат к ITRFyy на эпоху yyyy.y" когда опубликованные значения параметров перехода обеспечивают субметровую точность.

WGS84, ITRF и NAD83

Исходная реализация WGS84 в значительной степени согласуется с NAD83 (1986). Последующие реализации WGS84, однако, приблизительно совпадают с реализациями ITRS.

Североамериканская система координат (North American Datum) от 1983 года (NAD83) используется на всей территории Северной Америки, за исключением Мексики. Эта система координат реализована на территории США и Аляски (Североамериканская плита) посредством Национальных референцных станций (National CORS), которые предоставляют основу для получения строгих параметров перехода между реализациями ITRF и NAD83, а также для бесчисленного количества научных работ.

Начиная с ноября 2011 года, сеть референцных станций (CORS) насчитывает свыше 1800 станций, на них работает более 200 различных организаций, и сеть продолжает расширяться. Самая свежая реализация системы NAD83 имеет техническое название NAD83 (2011/PA11/MA11) эпоха 2010.00, и образует структуру для определения Национальной пространственной системы координат (NSRS). В Канаде система NAD83 также контролируется посредством Канадской системы активного управления (Canadian Active Control System). Таким образом, за контроль и обслуживание системы NAD83 отвечают две организации Национальная геодезическая служба США (NGS), http://www.ngs.noaa.gov , и Министерство природных ресурсов Канады (NRCan), http://www.nrcan.gc.ca .

Мексиканская система координат от 1993 (Mexican Datum of 1993)

Национальный институт статистики и географии Мексики (INEGI), http://www.inegi.org.mx , Федеральное агенство, ответственное за геодезию и картографию в стране, приняли за свою геодезическую основу геоцентрическую систему координат ITRF92, на эпоху 1988.0. Реализация данной системы достигается посредством сети из 14 станций стационарных GPS приёмников Национальной геодезической сети (RGNA). Недавно за новую основу мексиканской системы координат была принята система ITRF2008, на эпоху 2010.0.

WGS84, ITRF и SIRGAS

Геоцентрическая референцная система Америки от 1995 года (SIRGAS 1995) была утверждена для использования на всём континенте Южной Америки в области геодезии и картографии. Большинство стран Южной Америки и стран Карибского бассейна принимали участие в этом предприятии, при этом использовалось 58 референцных станций, которые позже были распространены на территорию Центральной и Северной Америки. За начальную систему координат была принята ITRF94, на эпоху 1995.42. Геоцентрическая референцная система Америки от 2000 года (SIRGAS 2000) была реализована посредством наблюдений на сети из 184 станций в 2000 году и была установлена система ITRF2000, на эпоху 2000.40. Система координат SIRGAS 2000 включает привязку к уровенным постам и заменяет предыдущую систему SIRGAS 1995, использующуюся только в Южной Америке на систему координат SIRGAS, покрывающую также и Центральную Америку. Название было изменено в 2001 году для использования на всей территории Латинской Америки. В Интернете существует несколько страниц с информацией о системе координат SIRGAS, например: http://www.ibge.gov.br/home/geociencias/geodesia/sirgas .

WGS84, ITRF и ETRS89

Европейская земная система координат ETRS89 базируется на Международной системе отсчёта ITRF89, на эпоху 1989.0 и отслеживается посредством сети из приблизительно 250 постоянно действующих станций Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), известной как Европейская постоянно действующая референцная сеть (EPN). За обслуживание Европейской земной системы координат (ETRS89) отвечает подкомитет Международной геодезической ассоциации европейской референцной системы (IAG Sub-commission EUREF). Подробнее об этой системе можно узнать в Интернете на сайте: http://www.euref.eu . Центральное Бюро референцной сети (EPN) расположена в Королевской обсерватории в Бельгии (Royal Observatory of Belgium), http://www.epncb.oma.be .

WGS84, ITRF и GDA94

Геоцентрическая система координат Австралии от 1994 года (GDA94) изначально была отнесена к международной геодезической системе координат ITRF92, на эпоху 1994.0. Система GDA94 контролируется посредством австралийской региональной ГНСС сети (ARGN), включающей 15 постоянно действующих GPS станций на территории Австралии, а также с помощью 8 станций в Австралии, известных как австралийская основная сеть (AFN). Ответственной организацией за мониторинг системы GDA94 является австралийское агенство геофизических исследований (Geoscience Australia), http://www.auslig.gov.au .

Ссылки

• WGS84 (G730), (G873) и (G1150) - http://www.ngs.noaa.gov/CORS/Articles
• ITRF94, ITRF96, ITRF97, ITRF2000, ITRF2005 и ITRF2008 -

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°, определение системы координат WGS-84 приведено на рисунке 4.

Рисунок 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 таблице 5 .

Системы координат, применяемые в навигации - Таблица 5

Параметр	Обозначение
Большая полуось, м
Малая полуось, м
Смещение от
центра массы
Земли по оси, м
Ориентирование
относительно
оси, углов. сек.

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

Из таблицы 5 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.

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 .

Системы координат.

Представления людей о форме Земли менялись со временем. В те времена, когда Земля была плоской и покоилась на трёх слонах, особых трудностей с отображением её поверхности не возникало (рис. 1).

Но уже во времена античности пришло понимание шарообразной форме Земли (рис. 2а). А в 17 веке из знания о том, что планета вращается вокруг своей оси логично вытекало следствие о сплюснутости её с полюсов (рис. 2б). Дальнейшие измерения показали, что форма Земли грушевидная, сплюснутая у полюсов и выпяченная на экваторе (рис. 2в).

В результате длительного развития представлений о форме Земли как планеты сложилось понятие о геоиде . Термин предложил в 1873 году немецкий физик Листинг. Поверхность геоида совпадает с поверхностью морей и океанов в их спокойном состоянии и мысленно продолжается под материки. Эта поверхность принимается за математическую поверхность Земли, или "уровень моря", от которого отсчитывают высоты точек земной поверхности (так называемые ортометрические высоты). Но форма геоида весьма сложна и зависит от распределения масс и плотностей в теле Земли. Точно установить положение геоида под материками очень сложно, поскольку измерения силы тяжести выполняются на физической поверхности Земли, а затем довольно сложными приемами редуцируются на поверхность геоида с известной долей неопределенности. Чтобы упростить решение проблемы, М.С.Молоденский вместо геоида предложил использовать поверхность квазигеоида , для описания которого достаточно теоретически расчитанных значений так называемой нормальной силы тяжести на земной поверхности без привлечения данных по распределению масс и плотностей в теле Земли. Фигура квазигеоида совпадает с геоидом на территории Мирового океана и очень близко подходит к нему на суше, отклоняясь не более чем на 2 метра в высоких горах и на несколько сантиметров на равнинной местности (рис. 3). Поверхность квазигеоида не является уровенной . Тем не менее, она принимается отсчетной для определения так называемых нормальных высот, то есть, расстояния от данной точки на физической поверхности до квазигеоида. Однако система нормальных высот не нашла повсеместного применения. Не смотря на сложность математического выражения уровенной поверхности, в большинстве стран принята ортометрическая система высот, в основе готорой лежит тот или иной геоид. Модель такой поверхности можно описать путем вычисления значений потенциала земного притяжения в точках с известными координатами с помощью разложения по сферическим функциям - гармоникам , с последующим выделением поверхности с равными значениями потенциала . Это требует использования в уравнении десятков тысяч коэффициентов. Их количество зависит от желаемого разрешения описываемой модели, то есть, чем их больше, тем точнее модель. Например, в модели используются формула полинома 360 порядка с 65338 коэффициентами. Коэффициенты сферических гармоник для различных моделей геоидов можно скачать с сайта Очевидно, что использовать формулу с таким большим количеством коэффициентов для расчета поверхности достаточно сложно.

Но если в рядах сферических функций оставить гораздо меньшее количество членов, то можно получить более простую модель геоида. Наиболее удобной из таких моделей (математической поверхностью) является двухосный эллипсоид вращения (рис. 4) вследствие того, что он имеет намного более простую математическую форму, доступен для математических расчетов и сильно не отличается от фактической грушевидной формы Земли. Поверхность геоида отличается от поверхности эллипсоида в пределах 100 метров в ту или иную сторону, что гораздо меньше, чем отличия эллипсоида и сферы.

Чтобы с такой поверхностью можно было работать, необходимо знать его основные параметры: большая полуось a , малая полуось b , полярное сжатие (a-b)/a (рис. 4).

В последние пятнадцать лет спутниковые данные позволили, используя новые методы измерений, определить оптимально соответствующий поверхности Земли эллипсоид, который связывает координаты с центром масс Земли. Являясь геоцентрическим (глобальным), этот эллипсоид использует центр масс Земли в качестве начала отсчета. Наиболее широкое использование в настоящее время получил геоцентрический (глобальный) эллипсоид (World Goodetic System 1984). Он служит основой для измерения местоположений во всем мире. Общеземной эллипсоид ориентируется в теле Земли согласно следующим условиям (определяемыми международными геодезическими организациями, которые организуются и направляются Международной ассоциацией геодезии, действующей по инициативе и в рамках Международного геодезического и геофизического союза):

1. Малая полуось должна совпадать с осью вращения Земли.
2. Центр эллипсоида должен совпадать с центром масс Земли.
3. Сумма квадратов отступлений геоида от общеземного эллипсоида должна быть по всей Земле наименьшей из всех возможных

Но требования к общеземным эллипсоидам на практике удовлетворяются с некоторыми допусками из-за отличных друг от друга методов и средств наблюдений и измерений. Поэтому в геодезии и смежных науках могут использоваться различные реализации эллипсоида, параметры которых очень близки, но не совпадают.
Система спутниковой навигации GPS сообщает координаты в системе эллипсоида WGS84 (World Goodetic System 1984). Эллипсоид IERS96 (International Earth Rotation Service 1996), предлагаемый в стандартах Международной службы вращения Земли , рекомендуется использовать при обработке РСДБ-наблюдений . Для геодезических работ рекомендуется использовать средний эллипсоид GRS80 (Geodetic Reference System 1980), принятый Генеральной Ассамблеей Международной ассоциацией геодезии в 1979 г.

Название		Страна/организация	a, км (большая полуось)	b, км (малая полуось)	1/f (сжатие)
				6356,75231424518

И, если глобальный эллипсоид наилучшим образом согласуется с поверхностью геоида в целом, то для того, чтобы описать поверхность Земли для данной конкретной территории, используют так называемые локальные эллипсоиды, которые наилучшим образом согласуются с геоидом на ограниченной части его поверхности (рис. 5).

Ориентирование локального эллипсоида в теле Земли подчиняется следующим требованиям:

1. Сумма квадратов отступлений геоида от эллипсоида должна быть наименьшей из всех возможных для данной территории
2. Сумма квадратов уклонений отвесных линий отвесных линий от перпендикуляра (нормали) к поверхности эллипсоида должна быть наименьшей из всех возможных для данной территории

Для точных работ необходимо учитывать положение конкретного эллипсоида по отношению к геоиду. Эта базовая информация, необходимая для преобразования координатных систем и картографических проекций, в основе которых лежат различные эллипсоиды. Существует несколько методов преобразований координатных систем. Самый простой (и наиболее грубый) осуществляется пересчетом географических координат (широты, долготы и высоты) из исходной координатной системы в требуемую путем перевода исходных географических координат в прямоугольные геоцентрические, вычислением величины сдвига центров координат и последующем переводом опять в географические координаты. Такой метод предполагает, что направления осей двух эллипсоидов параллельны, что во многих случаях не соответствует действительности. Для работ на небольшой территории погрешности, вносимые этим предположением, были меньше, чем точность самих данных. Однако, по мере накопления и уточнения данных и повышения точности измерений, стало очевидно, что преобразование по трем параметрам не подходит для больших территорий и глобального использования, если требуется максимальная точность и единый набор параметров преобразования. Молоденский разработал формулы для применения параметров сдвига географических координат (без перевода их в прямоугольные геоцентрические) по трем параметрам (сдвиг по трем осям) и разности между большими полуосями и сжатием исходного эллипсоида и целевого эллипсоида - еще два параметра. Повышенная точность достигается преобразованием Хелмерта с 7-ю параметрами - смещение центра одного эллипсоида относительно другого по трем координатам и поворотом его по трем углам с учетом масштабного коэффициента, показывающего изменение линейного масштаба. Есть две его разновидности, различающиеся присвоением знака для параметров поворота.

Методы преобразования систем координат.

1. По трем параметрам - ΔX, ΔY, ΔZ, где ΔX ΔY ΔZ - это линейные смещения центров двух систем координат по трем осям в метрах.
2. По пяти параметрам (метод Молоденского) - ΔX, ΔY, ΔZ, Δа, Δf, где ΔX ΔY ΔZ - это линейные смещения центров двух эллипсоидов по трем осям в метрах, Δа - разности между большими полуосями эллипсоидов, Δf - разности между величиной сжатия двух эллипсоидов)
3. По семи параметрам - ΔX, ΔY, ΔZ, ΩX, ΩY, ΩZ, Δs, где ΔX ΔY ΔZ - это линейные смещения центров двух эллипсоидов по трем осям в метрах, ΩX ΩY ΩZ - это углы поворота омега, фи и каппа осей исходного эллипсоида, Δs - это масштабный коэффициент, показывающий изменение линейного масштаба

Такие линейные и угловые смещения референц-эллипсоидов относительно центра масс Земли в англоязычной литературе принято называть словом Datum. В отечественной геодезии применяют термин "геодезические даты". Это так называемые исходные данные, необходимые для задания начала отсчета в географической системе координат. Они определяются для некой реальной точки на поверхности Земли, для которой фиксируются значения широты и долготы, производится совмещение нормали к поверхности референц-эллипсоида и отвесной линии в данной точке, а плоскость меридиана устанавливается параллельно оси вращения Земли. Таким образом, резюмируя, можно сказать, что географическая координатная система - это совокупность параметров, определяющих форму эллипсоида и его положение в теле Земли (рис. 6).

ГОСТ
Projection Utility в ArcView, ERDAS Imagine (преобразование Молоденского)
ERDAS Imagine (преобразование по 7 параметрам)
Image Processor (преобразование по 7-ми параметрам)

Проекции.

Положение объекта на какой-либо поверхности или в пространстве определяется с помощью угловых или линейных величин, называющихся координатами. В системе географических координат положение любой точки земной поверхности относительно начала координат определяется указанием угловых величин широты и долготы. Географическую систему координат можно изобразить на плоскости в виде сетки с ячейками одинакового размера, где по оси ординат откладывается широта, а по оси абсцисс - долгота (рис. 7).

Однако помимо сферической системы координат, использующей угловые кординаты, существуют и другие, позволяющие описывать не только абсолютные положения объектов, но и метрические характеристики (длина, площадь) и отношения с другими объектами в географическом пространстве. Угловые величины не удобны для этих целей, поскольку не имеют стандартной длины - величина градуса в метрах меняется в зависимости от широты местности ( можно воспользоваться калькулятором для пересчета угловых единиц в линейные). Для преодоления этих трудностей, данные переводят из угловых географических координат в прямоугольные спроектированные координаты.

Спроектированная система координат - прямоугольная система, с началом координат в определенной точке, чаще всего имеющей координаты 0,0. Спроектированная система координат связана с географической набором специальных формул - проекцией (рис. 8).

Рисунок 8. Связь между спроектированной и географической системами координат

То есть, другими словами, проекция - это математически выраженный способ отображения (пример) поверхности Земли или других небесных тел, принимаемых за эллипсоид, сферу или другие регулярные поверхности, на плоскости (рис. 9).

Рисунок 9. Спроектированная система координат (11 Кб).

Но даже аппроксимированную до эллипсоида, поверхность Земли нельзя отобразить на плоскости с сохранением всех пространственных отношений одновременно: углов между направлениями, расстояний и площадей. Любой карте присущи искажения длин, площадей, углов и форм. Искажения длин на карте выражается в том, что масштаб длин на ней изменяется при переходе от одной точки к другой, а также при изменении направления в данной точке. Искажения площадей выражаются в том, что масштаб площадей в разных местах карты различен и нарушается соотношения площадей различных географических объектов. Искажения углов заключаются в том, что углы между направлениями на карте не равны соответствующим углам на поверхности. Искажения форм заключаются в том, что фигуры объектов на карте не подобны фигурам соответствующих географических объектов на местности. Все виды искажений на карте связаны друг с другом и изменение одного из них влечет за собой изменение других. Особый характер имеет связь между искажением углов и площадей. Они на карте находятся как бы в противоречии друг с другом и уменьшение одного из них влечет увеличение другого.

Наиболее полно все виды искажений в данной точке карты можно представить в виде эллипса искажений (пакет для построения эллипсов искажений можно скачать ). Форма эллипса характеризует искажение углов и форм - они искажены тем больше, чем больше эллипс отличается от окружности. Площадь эллипса пропорциональна искажению площадей, и чем она сильнее отличается от площади эллипса на линии (в точке) нулевых искажений, тем больше искажены площади. По характеру искажений различают следующие картографические проекции:

1. Равновеликие. На карте отсутствуют искажения площадей. Значительны искажения углов и форм. Карты, составленные в таких проекциях, удобны для определения площадей (рис. 10).
2. Равноугольные. Отсутствуют искажения углов и формы небольших объектов. Весьма удобны для решения навигационных задач. Угол на местности всегда равен углу на карте, линия прямая на местности, прямая на карте. Главным примером данной проекции является поперечно-цилиндрическая Проекция Меркатора (1569г) и до сих пор она используется для морских навигационных карт (рис. 11)
3. Равнопромежуточные. Маштаб длин по одному из главных направлений (взаимно перпендикулярные направления, по одному из которых масштаб длин имеет наибольшее, а по другому - наименьшее значение) сохраняется постоянным. Искажения углов и площадей как бы уравновешиваются. Различают равнопромежуточные проекции по меридианам или параллелям. В них искажения длин отсутствуют по одному из направлений: либо вдоль меридиана, либо вдоль параллели (рис. 12)
4. Произвольные. На карте в любых соотношениях имеются искажения и углов, и площадей. Но эти искажения распределяются по карте наиболее выигрышным образом, при этом достигается некий компромисс. Например, минимальные искажения приходятся на центральную часть карты, а все сжатия и растяжения "сбрасываются" к её краям.

По виду вспомогательной поверхности (поверхности, на которую проецируется земной эллипсоид или шар при его отображении на плоскость) различают проекции:

Азимутальные (рис. 13), в которых поверхность эллипсоида или шара переносится на касательную к ней или секущую её плоскость.

Цилиндрические (рис. 14), в которых поверхность эллипсоида или шара переносится на боковую поверхность касательного к ней или секущего её цилиндра, после чего последний разрезается по образующей и развертывается в плоскость.

Конические (рис. 15), в которых поверхность эллипсоида или шара переносится на боковую поверхность касательного к ней или секущего её конуса, после чего последний разрезается по образующей и развертывается в плоскость.

По ориентировки вспомогательной поверхности относительно полярной оси или экватора эллипсоида или шара различают проекции (рис. 13-15)

Нормальные, в которых ось вспомогательной поверхности совпадает с осью земного эллипсоида или шара; в азимутальных проекциях плоскость перпендикулярна полярной оси.

Поперечные, в которых ось вспомогательной поверхности лежит в плоскости экватора земного эллипсоида или шара и перпендикулярна полярной оси; в азимутальных проекциях плоскость перпендикулярна нормали, лежащей в экваториальной плоскости поверхности.

Косые, в которых ось вспомогательной поверхности совпадает с нормалью, находящейся между полярной осью и плоскостью экватора земного эллипсоида или шара; в азимутальных проекциях плоскость к этой нормали перпендикулярна

По виду нормальной картографической сетки проекции разделяются на:

Азимутальные, в которых параллели изображаются концентрическими окружностями, а меридианы - прямыми, исходящими из общего центра параллелей под углами, равными разницы их долгот (рис. 16).

Конические, в которых параллели изображаются дугами концентрических окружностей, а меридианы - прямыми, расходящимися из общего центра параллелей под углами, пропорциональными разности их долгот. В этих проекциях искажения не зависят от долготы. Особо пригодны для территорий, вытянутых вдоль параллелей. Карты всей территории СССР часто составляются в равноугольных и равнопромежуточных конических проекциях (рис. 16).

Цилиндрические (рис. 16), в которых меридианы изображаются равноотстоящими параллельными прямыми, а параллели - перпендикулярными к ним прямыми, в общем случае не равностоящими; известны обобщенные цилиндрические проекции, в которых расстояния между меридианами есть более сложная функция долготы. В навигации используется проекция Меркатора - равноугольная цилиндрическая проекция. Проекция Гаусса - Крюгера - равноугольная поперечно-цилиндрическая - применяется при составлении топографических карт и обработке триангуляций.

Псевдоазимутальные (рис. 16), в которых параллели изображаются концентрическими окружностями, меридианы - кривыми, сходящимися в точке полюса; средний меридиан - прямой.

Псевдоконические (рис. 16), в которых параллели изображаются дугами концентрических окружностей, средний меридиан - прямой, проходящий через их общий центр, а остальные меридианы - кривыми. Часто применяется равновеликая псевдоконическая проекция Бонна; в ней с 1847 составлялась трёхвёрстная (1: 126 000) карта Европейской части России.

Псевдоцилиндрические (рис. 16), в которых параллели изображаются параллельными прямыми, средний меридиан - прямая, перпендикулярная к параллелям, а остальные меридианы - кривые или прямые, наклоненные к параллелям.

Поликонические (рис. 16), в которых параллели изображаются дугами эксцентрических окружностей с радиусами тем большим, чем меньше их широта, средний меридиан - прямой, на которой расположены центры всех параллелей, остальные меридиаными - кривые. Одна из поликонических проекций рекомендована для международной (1: 1 000 000) карты.

По способу получения различают проекции

Перспективные, которые получают перспективным проецированием точек поверхности на плоскость, поверхность цилиндра или конуса. В зависимости от того, где расположен центр проецирования, получают проекции гномонические - проецирование из центра шара, стереографические - проецирование с поверхности шара, внешние - центр проецирования находится за пределами шара на конечном расстоянии от него, ортографические - проецирование из бесконечности параллельными прямыми лучами (рис. 17).

Производные, которые получают преобразованием одной или нескольких ранее известных проекций путем комбинирования и обобщения их уравнений, деформацией проекций в одном или нескольких направлениях и т.п.

Составные, в которых отдельные части картографической сетки построены в разных проекциях или в одной проекции, но с разными параметрами.

Выбор проекции.

На выбор проекций влияет много факторов, которые можно группировать следующим образом:

− географические особенности картографируемой территории, её положение на земном шаре, размеры и конфигурация;

− назначение, масштаб и тематика карты;

− условия и способы использования карты, задачи, которые будут решаться по ней, требования к точности результатов измерений.

Для карт мира преимущественно используют цилиндрические и псевдоцилиндрические проекции (рис. 18-19), имеющие сетки с прямолинейными и параллельными друг другу параллелями, что ценно при изучении явлений широтной зональности. Чтобы уменьшить искажения в высоких широтах, можно строить проекцию на секущем цилиндре. Псевдоцилиндрические проекции по сравнению с цилиндрическими дают в высоких широтах меньшие искажения площадей, но увеличивают искажения углов.

Карты полушарий естественно строить в азимутальных проекциях (рис. 20). Ранее широко применялись равноугольная стереографическая проекция и равновеликая Ламберта. Первой из них на краях полушария свойственны большие искажения площадей. Поэтому в настоящее время для учебных карт предлагают произвольные азимутальные проекции, промежуточные по величине искажений.
Для карт отдельных материков (Европы, Азии, Северной Америки, Южной Америки, Австралии с Океанией) применяют преимущественно равновеликую косую азимутальную проекцию Ламберта с точкой нулевых искажений в центре изображаемого материка (рис. 21). Для Африки косая проекция заменяется экваториальной. В азимутальной проекции искажения нарастают по мере удаления от центра проекции и потому достигают наибольшей величины в углах прямоугольной рамки карты. Так, на карте Азии в пределах материка угловые искажения достигают 15°.

Карты России составляются главным образом в нормальных конических проекциях (рис. 22). Все нормальные конические проекции в их применения для карт России не позволяют показать точку полюса и вследствие значительной части кривизны параллелей как бы поднимают восточные и западные части СССР, что нарушает зрительное представление о широтных зонах.

Карты крупных и средних масштабов, предназначенные для решения метрических задач, обычно составляют в равноугольных проекциях, а карты мелких масштабов, используемые для общих обозрений и определения соотношения площадей каких-либо территорий - в равновеликих.

В выборе проекций большую роль играет математический момент - величина искажений. Но этот признак не всегда решающий. Ярким примером этому служит использование для морских навигационных карт проекции Меркатора, которая при сохранении главного масштаба на экваторе преувеличивает площади на параллели 60° в 4 раза, а на параллели 80° более чем в 30 раз. Но в этой проекции курсы корабля изображаются прямыми линиями, а учет искажений длин, необходимый при определении пройденных расстояний, не вызывает затруднений. Угол, измеренный на ней между направлением меридиана и направлением на конечный пункт, точно соответствует курсу корабля. Хотя это и не будет кратчайшим путём. Одна из наиболее удобных проекций - гномоническая - уникальна в том отношении, что любой большой круг сферы (и дуга большого круга) изображается в ней прямой линией. Так как дуги больших кругов являются линиями кратчайших расстояний на карте, то по карте мелкого масштаба, составленной в такой проекции, можно легко находить (по линейке) кратчайшие пути между двумя пунктами; однако необходимо иметь в виду, что дуга большого круга не соответствует постоянному направлению, измеренному по компасу (рис. 23).

Рисунок 24. Проекции Гаусса-Крюгера (на касательный цилиндр) и UTM (секущий цилиндр) и 6-ти градусные зоны в упомянутых проекциях (10 Кб). Зона - это участок земной поверхности, ограниченный двумя меридианами Проекция делит земной эллипсоид на 60 зон шириной 6° (рис. 25). Зоны нумеруются с запада на восток, начиная с 0°: зона 1 простирается с меридиана 0° до меридиана 6°, её центральный меридиан 3°. Зона 2 - с 6° до 12°, и т.д. (рис. 25). Нумерация номенклатурных листов начинается с 180°, например, лист N-39 находится в 9-й зоне. Связь номера зоны (N) и долготы осевого меридиана (L) осуществляется по формуле:

Цилиндр разворачивают в плоскость и накладывают прямоугольную километровую сетку. За ось OX принимают изображение осевого меридиана зоны (положительное направление оси OX - на север), за ось OY принимают изображение экватора (положительное направление оси OY - на восток).

В каждой из шестиградусных зон своя система прямоугольных координат (рис. 26). Вертикальные линии сетки параллельны центральному меридиану. Для того, чтобы все прямоугольные координаты были положительны, вводится восточное смещение (false easting), равное 500 000 м, т. е. координата Y на центральном меридиане равна 500 000 м. Для определенности, чтобы только по численному значению координаты Y можно было определить, к какой зоне относятся эти значения, к ним слева приписывается номер зоны.

Рисунок 27. 6-ти градусная зона и один из листов карты (N-37) масштаба 1:1000000 (7,5 Кб). Набор листов карты, отвечающий по долготе одной зоне, имеет одну цифру в номенклатуре, но отличается буквой, обозначающей пояс по широте. В одной трапеции карты масштаба 1:1000000 содержатся 4 трапеции масштаба 1:500000, 36 трапеций масштаба 1:200000 и 144 трапеции масштаба 1:100000 (рис. 28). Карты масштаба 1:500000 обозначаются прописными буквами русского алфавита А, Б, В, Г, которые записываются после номенклатуры листа карты масштаба 1:1000000, например N37-В. Листы карты масштаба 1:200000 обзначаются римскими цифрами I - XXXVI, которые ставятся после номенклатуры листа карты масштаба 1:1000000, например, N37-XXVII. Трапеции карты масштаба 1:100000 обозначаются арабскими цифрами от 1 до 144, которые ставятся после номенклатуры листа карты масштаба 1:1000000, например N37-120.

Лист карты масштаба 1:100000 положен в основу разграфки и номенклатуры карт более крупного масштаба (рис. 29). В одном листе карты масштаба 1:100000 содержатся 4 листа масштаба 1:50000, которые обозначаются прописными буквами русского алфавита А, Б, В, Г, например, N37-120-Б. Лист карты масштаба 1:50000 содержит 4 листа карты масштаба 1:25000, которые обозначаются строчными буквами русского алфавита а, б, в, г, например, N37-120-Б-г. Лист карты масштаба 1:25000 содержит 4 листа карты масштаба 1:10000, которые обозначаются арабскими цифрами 1,2,3,4, например, N37-120-Б-г-4. Кроме того, лист карты масштаба 1:100000 содержит 256 листов карты мастаба 1:5000, которые обозначаются порядковыми арабскими цифрами от 1 до 256, взятыми в скобки, например, N37-120-(72). Лист карты масштаба 1:5000 содержит 9 листов мастшаба 1:2000, которые обозначаются русскими строчными буквами от а до и, например, N37-120-(72-е).
http://www.astronet.ru/db/msg/1169819/node2.html (Пантелеев В.Л., курс лекций "Теория фигуры Земли")

http://ssga.ru/metodich/geodesy_ep/contents.html (Дьяков Б.Н, электронная версия книги "Геодезия")

http://ne-grusti.narod.ru/Glossary/projections.html#zone

Комментариев — 2

Как неоднократно упоминалось в других статьях, одна и та же точка земной поверхности имеет разные координаты в разных системах координат. Так как для территории России наиболее актуальными на текущий момент являются системы координат WGS 1984 и СК42 остановимся на сравнение координат в этих двух системах. В предыдущих статьях было показано, что эта разница может составлять порядка 140м в Калиниградской области или 100м на Урале. Логично ожидать, что разница зависит от региона где производится сравнение.

Цель данной статьи - провести масштабную оценку разницы между измерениями в двух системах координат и определить характер распределения этого параметра. В качестве параметра сравнения выбрано расстояние между точкой в системе координат WGS84 и этой же точкой в системе координат СК42. Для того, что бы избежать проекционных искажений расстояние расчитывается как длина дуги большого круга.

Данная статья НЕ ставит целью выяснение какая система координат точнее или какой набор параметров перехода следует использовать для пересчета. Ответы на эти вопросы следует искать в других статьях.

Результаты

Все преобразования 3-х параметрические. Все результаты вычислений можно скачать в виде shapefile .

Тест 1

Параметры трансформации: dx = 28, dy = -130, dz = -95 World Geodetic System 1984. NIMA, 2000 >>>

Минимальное расстояние: 1.05506, Максимальное расстояние: 165.88456

Результат сохранен в поле pulnima3 в результирующем shapefile.

Сравнение двух расчетов

Интересным является также пространственное распределение разницы между этими двумя расчетами. Часто возникает вопрос, на сколько мои расчеты будут различаться, если я сделаю их с двумя разными наборами параметров (например набором NIMA и набором по ГОСТу).

Результаты вычисления разницы содержатся в поле Diff результирующего shape-файла, присоединенного по универсальному идентификатору с рассчета расстояния между точками в Pulkovo-NIMA и Pulkovo-GOST. Приведем иллюстрацию расстояния между ними:

Таким образом, если мы пересчитаем наш набор данных с одним и другим набором параметров, то его отличие от другого может составить до 18.5 метров, разница, как следовало ожидать, зависит от региона, но практически для всей территории России она превышает 15 метров.

Дополнительные источники ошибок

Результаты данного эксперимента могут быть улучшены за счёт учета следующих факторов:

1. Расчет расстояния между точками как длины дуги эллипсоида, а не сферы.
2. Использования других наборов параметров трансформации (например 7-параметрических).

Несмотря на перечисленные выше факторы вряд ли стоит ожидать значительного изменения результатов расчетов при их учете. Мы планируем включить эти параметры в наши расчеты и опубликовать их в будущих версиях этой статьи.

Выводы

Как и следовало ожидать, разница между координатами в двух системах неодинакова и меняется в пределах от 0 до 170 метров (в зависимости от того как расчитывается эта разница). Области максимального соответствия двух систем координат находятся в Центральном Китае и Чили, в этих областях разница между точками в разных системах координат минимальна.

Обсудить в форуме

Система координат 1995 г. (СК-95) установлена Постановлением Правительства РФ от 28.07.2002 г № 586 «Об установлении единых государственных систем координат». Используется при осуществлении геодезических и картографических работ, начиная с 1 июля 2002 года.

До завершения перехода к использованию СК правительство РФ постановило использовать единую систему геодезических координат 1942 года, введённую Постановлением Совета министров СССР от 07.04.1996 г № 760.

Целесообразность введения СК-95 состоит в повышении точности, оперативности и экономической эффективности решения задач геодезического обеспечения, отвечающего современным требованиям экономики, науки и обороны страны. Полученные в результате совместного уравнивания координат пунктов космической государственной сети (КГС), доплеровской геодезической сети (ДГС) и астрономо-геодезической сети (АГС) на эпоху 1995 г, Система координат 1995 г закреплена пунктами государственной геодезической сети.

СК-95 строго согласована с единой государственной геоцентрической системой координат, которая называется «Параметры Земли 1990г.» (ПЗ-90). СК-95 установлена под условием параллельности её осей пространственным осям СК ПЗ-90.

За отсчётную поверхность в СК-95 принят референц эллипсоид.

Точность СК-95 характеризуется следующими средними квадратическими ошибками взаимного положения пунктов по каждой из плановых координат: 2-4 см. для смежных пунктов АГС, 30-80 см. при расстояниях от 1 до 9 тыс. км между пунктами.

Точность определения нормальных высот в зависимости от метода их определения характеризуется следующими средними квадратическими ошибками:

· 6-10 см. в среднем по стране из уровня нивелирных сетей 1 и 2 классов;

· 20-30 см из астрономо-геодезических определений при создании АГС.

Точность определения превышений высот квазигеоида астрономогравиметрическим методом характеризуется следующими средними квадратическими ошибками:

· от 6 до 9 см. при расстоянии 10-20 км;

· 30-50 см при расстоянии 1000км.

СК-95 отличается от СК-42

1) повышением точности передачи координат на расстояние свыше 1000 км в 10-15 раз и точностью взаимного положения смежных пунктов в государственной геодезической сети в среднем в 2-3 раза;

2) одинаковой точностью расстояния системы координат для всей территории РФ;

3) отсутствием региональных деформаций государственной геодезической сети, достигающих в СК-42 нескольких метров;

4) возможностью создания высокоэффективной системы геодезического обеспечения на основе использования глобальных навигационных спутниковых систем: Глонасс, GPS, Навстар.

Развитие астрономо-геодезической сети для всей территории СССР было завершено к началу 80х годов. К этому времени стала очевидность выполнения общего уравнивания АГС без разделения на ряды триангуляции 1 класса и сплошные сети 2 класса, т. к. отдельное уравнивание приводило к значительной деформациям АГС.

В мае 1991 года общее уравнивание АГС было завершено. По результатам уравнивания были установлены следующие характеристики точности АГС:

1) средняя квадратическая ошибка направлений 0,7 секунды;

2) средняя квадратическая ошибка измеренного азимута 1,3 сек.;

3) относительная средняя квадратическая ошибка измерения базисных сторон 1/200000;

4) средняя квадратическая ошибка смежных пунктов 2-4 см.;

5) средняя квадратическая ошибка передачи координат исходного пункта на пункты на краях сети по каждой координате 1 м.

Уравненная сеть включала в себя:

· 164306 пунктов 1 и 2 класса;

· 3,6 тысяч геодезических азимутов, определенных из астромомических наблюдений;

· 2,8 тысяч базисных сторон через 170-200км.

Совместному уравниванию подвергались астрономо-геодезическая сеть доплеровская и КГС.

Объём астрономо-геодезической информации обработанной при совместном уравнивании для установления СК-95 превышает на порядок объём измерительной информации.

В 1999 году Федеративная служба геодезии и картографии (ФСГиК) ГГС качественно нового уровня на основе спутниковых навигационных систем: Глонасс, GPS, Навстар. Новая ГГС включает в себя геодезические построения различных классов точности:

1) ФАГС (фундаментальные)

2) Высокоточные ВГС

3) Спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС 1)

4) Астрономогеодезическая сеть и геодезические сети сгущения.

WGS-84 сейчас стала международной системой навигации. Все аэропорты мира, согласно требованиям ICAO, определяют свои аэронавигационные ориентиры в WGS-84. Россия не является исключением. С 1999 г. издаются распоряжения о ее использовании в системе нашей гражданской авиации (Последние распоряжения Минтранса № НА-165-р от 20.05.02 г. «О выполнении работ по геодезической съемке аэронавигационных ориентиров гражданских аэродромов и воздушных трасс России» и № НА-21-р от 04.02.03 г. «О введении в действие рекомендаций по подготовке … к полетам в системе точной зональной навигации …», см. www.szrcai.ru), но до сих пор нет ясности в главном -- станет ли эта информация открытой (иначе она теряет смысл), а это зависит от совсем других ведомств, к открытости не склонных. Для сравнения: координаты концов взлетно-посадочной полосы аэродрома с разрешением 0,01” (0,3 м) сегодня выдают Казахстан, Молдова и страны бывшей Прибалтики; 0,1” (3 м) -- Украина и страны Закавказья; и только Россия, Белоруссия и вся Средняя Азия открывают эти важнейшие для навигации данные с точностью 0,1" (180 м).

У нас есть и своя общеземная система координат, альтернатива WGS-84, которая используется в ГЛОНАСС. Она называется ПЗ-90, разработана нашими военными, и кроме них, по большому счету, никому не интересна, хотя и возведена в ранг государственной.

Наша государственная система координат - «Система координат 1942 г.», или СК-42, (как и пришедшая ей недавно на смену СК-95) отличается тем, что, во-первых, основана на эллипсоиде Красовского, несколько большем по размерам, чем эллипсоид WGS-84, и во-вторых, «наш» эллипсоид сдвинут (примерно на 150 м) и слегка развернут относительно общеземного. Всё потому, что наша геодезическая сеть покрыла шестую часть суши еще до появления всяких спутников. Эти отличия приводят к погрешности GPS на наших картах порядка 0,2 км. После учета параметров перехода (они имеются в любом Garmin"e) эти погрешности устраняются для навигационной точности. Но, увы, не для геодезической: точных единых параметров связи координат не существует, и виной тому локальные рассогласования внутри государственной сети. Геодезистам приходится для каждого отдельного района самим искать параметры трансформирования в местную систему.