Системы координат

ГНСС ТЕХНОЛОГИИ
Проф. К.М. Антонович
Лекция 7. Системы координат.
Классификация систем отсчета
Земная система координат
Прямоугольные и геодезические
координаты
Движение земного полюса
Основные и дополнительные параметры для
эллипсоидов GRS80, WGS-84, ПЗ-90
и для стандартов МСВЗ 1996 и 2000 г.г.
Системы отсчета ITRS и
отсчетные основы ITRF
Международная служба вращения Земли и референцных систем (МСВЗ)
выделяет теоретические системы, для которых дается концепция
системы, фундаментальная теория и стандарты, и практические
реализации этих систем через наборы координат точек. Для системы
первого вида применяется термин Terrestrial Reference System (TRS),
то есть земная система отсчета. Концепции таких систем были
разработаны астрономами и геодезистами в конце 1980-х. Системы
второго вида называют Terrestrial Reference Frame (TRF), для них
ЦНИИГАиК рекомендует термин земная отсчетная основа.
В настоящее время отсчетные основы ITRF являются наиболее
точными реализациями общеземных систем. Название ITRFyy
расшифровывается как International Terrestrial Reference Frame Международная земная отсчетная основа (или каркас), yy - две
последние цифры года образования системы. Вывод ITRF основан на
объединении координат более чем 200 станций МСВЗ и их скоростей
движения, полученных по данным наблюдений РСДБ, лазерной
локации Луны и искусственных спутников Земли, GPS, доплеровской
орбитографической радиопозиционной интегрированной спутниковой
системы DORIS и микроволновой спутниковой системы PRARE .
Системы ITRS удовлетворяют следующим требованиям:
• начало систем находится в центре масс всей Земли, включая океаны и
атмосферу,
• единицей длины является метр (SI), определенный в локальной земной
системе в смысле релятивистской теории гравитации,
• ориентировка осей задается по данным МБВ на эпоху 1984.0,
• временная эволюция ориентировки осей такова, что она не имеет
остаточной вращательной скорости в плоскости горизонта по
отношению к земной коре.
Поле скорости координатных систем ITRF не имеет вращения
относительно геофизической модели движения тектонических плит.
Для систем ITRF88 - ITRF91 использовалась модель абсолютного
движения AMO-2, для ITRF91 и ITRF92 - модель NNR-NUVEL1, а,
начиная с ITRF93, используется модель NNR-NUVEL1А.
Образовавшаяся в 1988 г. Служба МСВЗ выполняет регулярные решения
ITRF и публикует их в IERS Annual Reports и в Technical Notes. ITRFкоординаты станций наблюдений можно получить через Интернет в
форме декартовых координат и скоростей. Были получены версии с
номерами 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 96, 97, 2000 и 2005.
Вектор положения в системе ITRS:
Скорости тектонических движений
Карта тектонических плит для модели NNR
NUVEL1A
Система WGS-84
•
•
Мировая геодезическая система WGS-84 (World Geodetic System - 84)
была разработана Военно-картографическим агентством
Министерства обороны США. Система WGS-84 реализована путем
модификации координатной системы NSWC-9Z-2, путем приведения ее
в соответствие с данными Международного Бюро Времени (МБВ). Для
этого система NSWC-9Z-2 была сдвинута на -4.5 м по оси Z, повернута
к западу на 0.814”, и масштабирована на - 0.610-6.
Начало системы WGS-84 находится в центре масс Земли, ось Z
направлена к Условному земному полюсу (УЗП), установленного МБВ
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, то есть под углом
90 на восток. Начало координатной системы WGS-84 и ее оси также
служат геометрическим центром и осями референц-эллипсоида WGS84. Этот эллипсоид является эллипсоидом вращения. Его параметры
почти идентичны параметрам международного эллипсоида GRS80.
Система WGS-84
•
•
В 1994 г. Министерство обороны США ввело реализацию WGS-84,
которая полностью базировалась на GPS измерениях, а не на
доплеровских измерениях. Эта новая реализация известна как WGS84(G730), где буква G стоит для обозначения GPS, а 730 обозначает
номер недели (начиная с h UTC 2 января 1994 г.), когда Управление
NIMA начало представлять свои орбиты GPS в этой системе.
Следующая реализация WGS-84, названная WGS-84(G873), также
полностью основывалась на GPS наблюдениях. Она введена в 0h UTC
29 сентября 1996 г. Система WGS-84(G873) приближена к ITRF94 с
точностью лучше дециметра.
В 2001 г. Национальное управление по отображению и картированию
(NIMA) совместно с Дальгреновским дивизионом военно-морского
центра надводных вооружений получило набор координат 17 станций,
которому было дано обозначение WGS84(G1150); он включает также
набор принятых скоростей тектонических движений для станций на
эпоху 2001.0. Это обозначение указывает, что координаты были
получены через метод 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 координат ПЗ-90
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,
координаты пунктов, закрепляющих систему, параметры связи с другими
системами координат),
• модели нормальных и аномальных гравитационных полей Земли, локальные
характеристики гравитационного поля (высоты квазигеоида над общим земным
эллипсоидом и аномалии силы тяжести).
Параметры Земли ПЗ-90 получены по результатам почти 30 миллионов
фотографических, радиодальномерных, доплеровских, лазерных и
альтиметрических измерений спутника Гео-ИК с привлечением
радиотехнических и лазерных измерений дальностей до спутников систем
ГЛОНАСС и «Эталон» .
Начало системы расположено в центре масс Земли. Ось Z направлена к 1среднему
северному полюсу на среднюю эпоху 1900-1905 г.г. (МУН). Ось X лежит в
плоскости земного экватора эпохи 1900-1905 г.г., и плоскость (XOZ) определяет
положение нульпункта принятой системы счета долгот. Ось Y дополняет
систему координат до правой.
Спутниковая геоцентрическая система координат закреплена на территории СНГ
координатами 30 опорных пунктов космической геодезической сети со средними
расстояниями 1-3 тысячи километров. Точность взаимного расположения
пунктов характеризуется ошибками в 10, 20 и 30 см для расстояний
соответственно в 100, 1000 и 10000 км. Ошибки привязки СГС-90 к геоцентру
по абсолютной величине не превышают 1.5 м.
Геоцентрическая система координат
ПЗ-90.02
•
•
•
•
•
•
•
•
НАЧАЛО КООРДИНАТ расположено в центре масс Земли;
ОСЬ Z направлена на Условный полюс Земли, как определено в
рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);
ОСЬ X направлена в точку пересечения плоскости экватора и
начального (нулевого) меридиана, установленного Международным
бюро времени (BIH);
ОСЬ Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат
до правой.
В этой системе координат положение точки в пространстве
определяется значениями координат X,Y,Z.
Геодезические координаты точки в системе координат ПЗ-90.02
относятся к эллипсоиду с большой полуосью a = 6378136.0 м, и
полярным сжатием  = 1/298,257 84.
20.09.2007 спутники системы ГЛОНАСС переведены на новую систему
координат.
С 21.09.2007 ИАЦ ГЛОНАСС рекомендует использовать нулевые
параметры перехода между ПЗ 90.02 к ITRF-2000.
РЕФЕРЕНЦНЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ
Большая полуось a
(м)
Знаменатель
сжатия 1/
Система
Эллипсоид
СК-42
Красовского, 1940
6 378 245
298.3
СК-95
Красовского, 1940
6 378 245
298.3
NAD-27
Кларка, 1886
NAD-83
GRS80
6 378 136
298.257222101
ED-50
Хейфорда, 1924
6 378 388
297.0
6 378 206.4
294.9786982
Система СК-42
•
•
•
•
Система 1942 года (СК-42) являлась основной системой координат, принятой
для использования в России (и в бывшем Советском Союзе). После 1946 года,
когда были приняты параметры нового эллипсоида, более подходящего на
территории нашей страны для обработки астрономо-геодезических построений
и картографирования, в России была установлена система исходных
геодезических дат с началом в пункте Пулково и поверхностью относимости в
виде референц-эллипсоида Красовского. Работы по выводу параметров нового
референц-эллипсоида велись в течение 10 лет в ЦНИИГАиК под руководством
проф. Красовского Ф.Н.
По теоретическому определению начало системы координат 1942 года (СК-42)
близко к центру масс Земли. Ось Z42 параллельна оси Z общеземной системы,
ось X42 определяется положением нульпункта принятой системы счета долгот,
ось Y42 дополняет систему до правой.
Центр референц-эллипсоида СК-42 совпадает с началом прямоугольной
системы координат (X42, Y42, Z42), ось вращения совпадает с осью Z42,
плоскость начального меридиана совпадает с плоскостью (XOZ)42.
Система была реализована на территории страны в виде сети из 87 уравненных
полигонов триангуляции 1-го класса, полностью покрывавших Европейскую
часть страны и распространявшихся на восток в виде узкой цепочки полигонов.
Сеть триангуляции уравнивалась отдельными блоками. На границе блоков
результаты предыдущего уравнивания принимались за безошибочные и таким
образом координаты постепенно передавались все далее на восток. В каркас
полигонов 1-го класса вставлялась заполняющая сеть триангуляции 2-го класса.
Такой принцип построения сети привел к неизбежным деформациям сети.
Система СК-95
• Оси системы СК-95 параллельны осям общеземной системы
ПЗ-90, то есть связь между этими системами устанавливается
только тремя параметрами переноса. Другое условие
реализации системы заключалось в неизменности
геодезических координат пункта Пулково, то есть координаты
начала геодезической сети в системах СК-42 и СК-95 были
приняты одинаковыми. Это нестандартное решение привело к
тому, что поправки в координаты пунктов на Европейской части
России и на юге Сибири оказались настолько минимальными,
что не потребовалось переиздание карт до масштаба 1:10000.
А для районов северо-востока страны карты этого масштаба
практически отсутствуют.
• Точность привязки СК-95 к центру масс Земли характеризуется
СКО порядка 1 м. Координаты пунктов ГГС в системе СК-95
имеют одинаковую точность для всей сети. Ошибка взаимного
положения для смежных пунктов составляет 3-5 см, для
пунктов, удаленных на 200 - 300 км – 20 - 30 см, для 500 и
более км ошибка возрастает до 50 - 80 см. За отсчетную
поверхность принят референц-эллипсоид Красовского.
Топоцентрическая система NEU
• Ось U направлена в
геодезический зенит пункта,
ось N - на север, а ось E - на
восток
.
Топоцентрическая система NEU
Связь между земными системами координат
•
•
•
•
Геодезисту, занимающемуся спутниковыми технологиями, приходится
сталкиваться с двумя видами координатных преобразований:
- использование опубликованных параметров преобразования,
- преобразование через определение соответствующих параметров.
Иногда эти два вида преобразований называют соответственно глобальным и
локальным преобразованиями, и, соответственно, параметры преобразования
называют глобальными (иногда национальными, для отдельной страны) и
локальными параметрами.
Преобразование прямоугольных координат
•
Преобразование компонент
вектора из системы СК1 в
систему СК2 в общем случае
сводится к трем операциям:
переносу, повороту и
масштабированию. В
частном случае любая из
операций может
применяться
самостоятельно или в
комбинации с любой другой.
Связь геодезических координат
Определение нормальных высот по спутниковым
наблюдениям
Геоид
• Поверхность геоида имеет
сложную, неправильную
форму. Это связано как с
рельефом местности, так и с
неравномерным
распределением плотности
земных пород. Отступления
геоида от эллипсоида
колеблются от -100 м до +75
м.
• Спектральная информация о
геоиде, содержащемся в его
модели, имеет короткие,
средние и длинные волны.
Короткие волны, имеющие
амплитуду порядка метра, не
превышают 100 км, средние,
с амплитудой до 10 м, имеют
ширину от 100 до 1000 км.
Модели геоидов в зависимости от методов
получения характеристик
Модели геоидов в зависимости от методов
получения характеристик
Модели геоидов в зависимости от
охватываемой территории
Модели геоидов в зависимости от
охватываемой территории