6.2. Системы координат wgs-84 и пз-90

К началу космической эры в мире существовало несколько геодезических референцных систем, начала которых совмещались с геометрическими центрами различных эллипсоидов. Параметры референц-эллипсоидов (большая полуось a и сжатие f), а также ориентировка различались между собой, поскольку они аппроксимировали лишь локальную поверхность Земли, как правило, в пределах территории той или иной страны. Например, национальная референцная система США NAD-27 (начало в геометрическом центре эллипсоида Кларка a = 6378249 м, f = 1:293,5), национальная референцная система СССР (начало в геометрическом центре эллипсоида Красовского a = 6378245 м, f = 1:298,3).

В спутниковом геометрическом методе, который применялся в начале космической эры, искусственный спутник Земли рассматривался как подвижная визирная цель, и теория его движения в гравитационном поле Земли не использовалась.

Тем не менее, разнообразие средств спутниковых измерений (фотографические наблюдения на фоне звёзд, лазерные, доплеровские) делало спутниковые геометрические построения весьма надёжными. В результате таких наблюдений в 70-е годы прошлого века удалось построить мировую триангуляцию с длинными сторонами.

При этом достигнута точность передачи координат на большие расстояния спутниковым геометрическим методом порядка нескольких дециметров.

Методы космической геодезии позволили уже к середине семидесятых годов XX века соединить все имеющиеся референцные системы и построить общеземную систему координат.

Первой такой системой была система WGS-72 (World Global System - 72), созданная в США на базе спутниковых измерений.

В середине восьмидесятых годов была построена общеземная глобальная система WGS-84 со следующими параметрами: a = 6378137 м,

f = 1:298,257223563.

Мировая геодезическая система WGS-84 (World Geodetic System - 84) была разработана Военно-картографическим агентством Министерства обороны США в результате модификации координатной системы NSWC-9Z-2, путем приведения ее в соответствие с данными Международного Бюро Времени. Для этого система NSWC-9Z-2 была сдвинута на -4,5 м по оси Z, повернута к западу на и масштабирована на – 0,6·10^-6.

Начало системы WGS-84 находится в центре масс Земли, ось Z направлена в Условный земной полюс (УЗП), установленный Междунаордным Бюро Времени на эпоху 1984.0. Ось X находится на пересечении плоскости опорного меридиана WGS-84 и плоскости экватора УЗП. Опорный меридиан является начальным (нулевым) меридианом, определенным МБВ на эпоху 1984.0. Ось Y дополняет систему до правой тройки векторов. Начало координатной системы WGS-84 и ее оси также служат геометрическим центром и осями референц-эллипсоида WGS-84. Этот эллипсоид является эллипсоидом вращения. Его параметры почти идентичны параметрам международного эллипсоида GRS80.

Система WGS-84 используется как система для бортовых эфемерид спутников GPS с 23 января 1987 года, заменив собою WGS-72. Обе системы были получены на основе доплеровских измерений спутников TRANSIT. Носителями системы были пять станций Контрольного сегмента GPS. Точность привязки начальной реализации системы WGS-84 к центру масс Земли не хуже, чем 1 м.

С середины 90-х годов XX века сеть станций WGS-84 значительно выросла. В 1994 году Министерство обороны США ввело реализацию WGS-84, которая полностью базировалась на GPS-измерениях, а не на доплеровских измерениях. Эта новая реализация известна как WGS-84(G730), где буква G стоит для обозначения GPS, а 730 обозначает номер недели (начиная с ^h UTC 2 января 1994 года), когда Национальное управление по отображению и картированию (NIMA) начало представлять свои орбиты GPS в этой системе. Следующая реализация WGS-84, названная WGS-84(G873), также полностью основывалась на GPS наблюдениях. Вновь буква G отражает этот факт, а “873” относится к номеру недели GPS, начавшейся в 0^h UTC 29 сентября 1996 г. Хотя NIMA начало вычисление орбит GPS в этой системе с этой даты, сегмент Операционного контроля GPS не принимал WGS-84(G873) до 29 января 1997 г.

Начало, ориентировка и масштаб WGS-84(G873) определены относительно принятых координат для 15 станций слежения GPS: 5 из них поддерживаются ВВС, а 10 – NIMA. Система WGS-84(G873) приближена к ITRF94 с субдециметровой точностью.

В 2001 г. Национальное управление по отображению и картированию совместно с Дальгреновским дивизионом военно-морского центра надводных вооружений провело 15-суточный сеанс наблюдений, в ходе которого выполнена привязка глобальной сети из 11 постоянных станций и шести станций Контрольного сегмента, управляемых ВВС, к сети станций Международной GPS-службы. Координаты этих станций составили оперативную реализацию системы WGS-84, используемую МО США для высокоточных геодезических работ. Получены улучшенные оценки координат этих станций, привязанных к системе ITRF-2000, которые включены в оперативное использование NIMA и ВВС в январе 2002 г. Стандартные отклонения станций по каждой координате составляют около 1 см.

Полученному набору координат 17 станций было дано обозначение WGS84(G1150); он включает в себя также набор принятых скоростей тектонических движений для станций на эпоху 2001.0. Это обозначение указывает, что координаты были получены с помощью GPS и были применены для образования точных GPS эфемерид NIMA, начиная с 1150 недели GPS.

Практически отсчетная основа WGS-84(G1150) идентична отсчетной основе ITRF2000.

Система WGS была построена при помощи спутниковых измерений, а ориентация её осей уточнялась с помощью РСДБ-наблюдений. Точность координат наземных пунктов в WGS-системе достигает 1-2 см, а точность расположения геометрического центра WGS-эллипсоида по отношению к центру масс Земли составляет около 10 см.

Такого же рода работа проводилась в СССР, а затем и в РФ. На основе наземных и спутниковых наблюдений, выполненных в период 1960 – 1990 гг. была создана общеземная система координат ПЗ-90 с параметрами: a = 6378136 м, f = 1:298,257839303.

Постановлением Правительства РФ от 28 июля 2000 г. введена геоцентрическая система координат «Параметры Земли 1990 года» (ПЗ-90) для использования в целях геодезического обеспечения орбитальных полётов и решения навигационных задач.

Параметры Земли 1990 года ПЗ-90 были определены Топографической службой Вооруженных сил Российской Федерации. Параметры ПЗ-90 включают:

- фундаментальные астрономические и геодезические постоянные;

- характеристики координатной основы (параметры земного эллипсоида вращения, координаты пунктов, закрепляющих систему, параметры связи с другими системами координат);

- планетарные модели нормального и аномального гравитационных полей Земли, локальные характеристики гравитационных полей (высоты геоида над общим земным эллипсоидом и аномалии силы тяжести).

Входящая в состав ПЗ-90 система координат иногда называется СГС-90 – (Спутниковая геоцентрическая система 1990 г.). Параметры Земли ПЗ-90 заменили предыдущие модели ПЗ-77 и ПЗ-85. Параметры Земли ПЗ-90 получены по результатам почти 30 млн. фотографических, радиодальномерных, доплеровских, лазерных и альтиметрических измерений со спутника Гео-ИК с привлечением радиотехнических и лазерных измерений дальностей до спутников системы ГЛОНАСС и «Эталон» [11].

Начало системы расположено в центре масс Земли. Ось Z направлена к среднему северному полюсу на среднюю эпоху 1900-1905 гг. (МУН). Ось X лежит в плоскости земного экватора эпохи 1900-1905 гг., и плоскость XOZ определяет положение нуль-пункта принятой системы счета долгот. Ось Y дополняет систему координат до правой тройки векторов. Спутниковая геоцентрическая система координат закреплена на территории СНГ координатами 30 опорных пунктов космической геодезической сети со средними расстояниями 1-3 тыс. км. Точность взаимного расположения пунктов характеризуется погрешностями в 10; 20 и 30 см для расстояний соответственно в 100; 1000 и 10000 км. Погрешности привязки СГС-90 к центру масс Земли по абсолютной величине не превышают 1,5 м. Планетарные модели гравитационного поля Земли получены в виде разложений в ряд по сферическим функциям до 36 и 200 степени и порядка, а также в виде системы точечных масс. Средняя квадратическая погрешность высоты геоида над эллипсоидом равна 1,5 м.

У систем координат ПЗ-90 и СК-95 соответствующие оси параллельны, масштабы одинаковы, а начала координат не совпадают, поэтому уравнения связи этих систем координат записываются в виде [9]:

. (6.8)

Общеземные системы WGS-84 и ПЗ-90 близки друг к другу и используются в глобальных навигационных спутниковых системах GPS и ГЛОНАСС. Различие систем WGS-84 и ПЗ-90 сводится к небольшому развороту относительно оси аппликат и смещению начал координат по трём осям.

Формулы для перехода от ПЗ-90 к WGS-84 имеют вид [12]:

. (6.9)

28 декабря 2012 года принято Постановление Правительства РФ № 1463 «О единых государственных системах координат».

В соответствии с этим Постановлением устанавливаются следующие единые государственные системы координат:

геодезические системы координат 2011 года (ГСК-2011) – для использования при осуществлении геодезических и картографических работ;

общеземная геоцентрическая система координат «Параметры Земли 1990 года» (ПЗ-90.11) – для использования в целях геодезического обеспечения орбитальных полётов и решения навигационных задач.

В этом же Постановлении устанавливается, что СК-95 и СК-42 применяются до 1 января 2017 года в отношении материалов, созданных с их использованием.