Координаты в GPS
Система GPS (Global Positioning System) основана на использовании координатной системы WGS 84 (World Geodetic System 1984), которая определяет географическое местоположение точки на поверхности Земли с помощью широты и долготы.
Широта – это угол между плоскостью экватора и вектором, проведенным от центра Земли до точки на поверхности. Она измеряется в градусах и может быть как северной, так и южной, в зависимости от положения точки относительно экватора. Широта может варьироваться от –90° до +90°.
Долгота – это угол между плоскостью меридиана Гринвича и вектором, проведенным от центра Земли до точки на поверхности. Она также измеряется в градусах и может быть как западной, так и восточной, в зависимости от положения точки относительно Гринвича. Долгота может варьироваться от –180° до +180°.
В GPS приемнике координаты точки находятся с помощью связки спутниковых навигационных сигналов, которые поступают на приемник. Приемник анализирует эти сигналы и определяет время, полученное от каждого спутника. Зная время и местоположение спутников, приемник может вычислить свои координаты с помощью трехмерной трилатерации.
Вывод координат на дисплей GPS приемника происходит в формате градусов, минут и секунд или в формате десятичных градусах. Например, координаты точки могут быть представлены как 55° 45′ 30″ с.ш., 37° 36′ 15″ в.д. или 55.7583° с.ш., 37.6042° в.д.
Применение системы координат WGS 84
Система координат WGS 84 (World Geodetic System 1984) широко используется в геодезии, географии и навигации. Она обеспечивает точную и универсальную систему координат для определения местоположения объектов на Земле.
Применение системы координат WGS 84 включает:
| Область применения | Пример |
|---|---|
| Глобальная навигация | GPS-навигация на автомобилях |
| Картография | Создание географических карт |
| Геодезия | Съемка и измерение местности |
| Геоинформатика | Анализ пространственных данных |
| Геология | Определение месторождений полезных ископаемых |
Система координат WGS 84 предоставляет трехмерные координаты — широту, долготу и высоту — для точного определения местоположения объекта на поверхности Земли. Эти координаты могут быть использованы для навигации, создания карт, геодезических измерений и других географических приложений.
Важно отметить, что система координат WGS 84 является глобальной и общепринятой, что позволяет совмещать данные разных источников и использовать их в различных приложениях. Она также обновляется и совершенствуется со временем, чтобы отражать изменения в форме Земли и обеспечить максимально точные результаты
История
Усилия по дополнению различных национальных геодезия системы начались в 19 веке с F.R. Гельмерта известная книга Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie (Математические и физические теории физической геодезии). Австрия и Германия основал Zentralbüro für die Internationale Erdmessung (Центральное бюро международных Геодезия ), а также ряд глобальных эллипсоиды Земли были получены (например, Helmert 1906, Хейфорд 1910/ 1924).
Единая геодезическая система для всего мира стала необходимой в 1950-х годах по нескольким причинам:
- Международный космическая наука и начало космонавтика.
- Отсутствие межконтинентальной геодезической информации.
- Неспособность большого геодезические системы, например, European Datum (ED50 ), Североамериканский датум (НАД) и Tokyo Datum (TD), чтобы обеспечить всемирную базу геоданных
- Потребность в глобальных картах для навигация, авиация и география.
- Западный Холодная война готовность требовала стандартизированного, НАТО -широкая система геопространственной привязки, в соответствии с НАТО Соглашение о стандартизации
В конце 1950-х гг. Министерство обороны США, вместе с ученые других организаций и стран начали разрабатывать необходимую мировую систему, к которой можно было бы отнести геодезические данные и установить совместимость между координатами широко разнесенных представляющих интерес участков. Усилия армии, военно-морского флота и авиации США были объединены, что привело к созданию Всемирной геодезической системы Министерства обороны США 1960 года (WGS 60). Период, термин датум как здесь используется, относится к гладкой поверхности, несколько произвольно определяемой как нулевая отметка, в соответствии с набором измерений расстояний между различными станциями и разницей высот, сделанных геодезистом, все сведенные к сетке широты, долготы, и возвышения. Методы съемки наследия обнаружили отличия высот от местного горизонта, определяемые духовный уровень, отвес, или аналогичное устройство, которое зависит от местного гравитационного поля (см. физическая геодезия ). В результате отметки в данных относятся к геоид, поверхность, которую нелегко найти с помощью спутниковая геодезия. Последний метод наблюдений больше подходит для глобального картирования. Следовательно, мотивация и существенная проблема в WGS и аналогичной работе состоит в том, чтобы соединить вместе данные, которые были сделаны не только по отдельности для разных регионов, но и повторно привязать высоты к модели эллипсоида, а не к модели. геоид.
Ориентация гравиметрической базы
При выполнении WGS 60 комбинация доступной поверхности сила тяжести данные, астрогеодезический данные и результаты HIRAN и канадский ШОРАН опросы были использованы для определения наиболее подходящих эллипсоид и ориентация по центру земли для каждой из первоначально выбранных данных. (Каждая система координат относительно ориентирована по отношению к различным частям геоида с помощью уже описанных астрогеодезических методов.) Единственный вклад спутник данные для разработки WGS 60 были ценностью для эллипсоид уплощение, полученное в результате узлового движения спутника.
До WGS 60 армия США и ВВС США каждый из них разработал мировую систему, используя различные подходы к методу ориентации гравиметрических данных. Для определения параметров гравиметрической ориентации ВВС использовали среднее значение разностей гравиметрических и астрогеодезических данных. отклонения и высоты геоида (волнистости) на специально выбранных станциях в областях основных датумов. Армия выполнила корректировку, чтобы минимизировать разницу между астрогеодезическими и гравиметрический геоиды. Путем сопоставления относительных астро-геодезических геоидов выбранных датумов с земно-центрированным гравиметрическим геоидом, выбранные датумы были уменьшены до ориентированного на Землю. Поскольку системы армии и ВВС прекрасно согласовывались в областях NAD, ED и TD, они были объединены и стали WGS 60.
Влияние погрешностей WGS 84 на навигацию
Однако, как и любая другая система, WGS 84 имеет некоторые погрешности, которые могут влиять на точность навигации. Погрешности в WGS 84 могут возникать из-за нескольких факторов:
| Погрешность | Влияние |
|---|---|
| Гравитационные аномалии | Распределение массы Земли неоднородно, что может привести к отклонениям в измерениях высоты. Это может вызывать ошибки в навигационных данных, особенно при использовании GPS. |
| Подвижность земной коры | Земля постоянно находится в движении, и это может привести к изменению координат точек во времени. Повседневные колебания коры Земли могут вносить погрешности в измерения. |
| Глобальное позиционирование (GPS) | GPS-сигналы передаются через атмосферу и могут столкнуться с различными искажениями, такими как отражение, преломление или поглощение. Это может привести к неточности в определении координат. |
| Геоид | WGS 84 использует эллипсоид для представления Земли, но реальная форма Земли ближе к геоиду. Разница между эллипсоидом и геоидом может вызывать погрешности в измерениях. |
Несмотря на эти погрешности, WGS 84 по-прежнему является широко принятой системой координат и используется в большинстве навигационных приложений и устройств
Однако, при использовании WGS 84 в навигации, всегда важно учитывать возможные погрешности и применять соответствующие корректировки
Версия 1966 года
Усовершенствования глобальной системы включали астрогеоид Ирен Фишер и данные астронавтики Меркурий. В январе 1966 года Комитету всемирной геодезической системы, состоящему из представителей армии, флота и военно-воздушных сил Соединенных Штатов, было поручено разработать улучшенную систему геодезической геодезии , необходимую для выполнения картографических , картографических и геодезических требований. Дополнительные наблюдения за приземной гравитацией , результаты расширения сетей триангуляции и трилатерации , а также большие объемы доплеровских и оптических спутниковых данных стали доступны после разработки WGS 60. Используя дополнительные данные и улучшенные методы, была создана WGS 66, которая удовлетворяла потребности Министерства обороны. в течение примерно пяти лет после его внедрения в 1967 году. Определяющими параметрами эллипсоида WGS 66 были сплющивание (1 / 298,25, определенное по спутниковым данным) и большая полуось (6 378 145 м, определенная по комбинации доплеровских спутниковых и астрогеодезических данных). Основными данными для создания гравиметрического геоида WGS 66 стало всемирное поле средней гравитационной аномалии в свободном воздухе 5 ° × 5 ° . Кроме того, геоид, привязанный к эллипсоиду WGS 66, был получен из имеющихся астрогеодезических данных, чтобы обеспечить подробное представление ограниченных участков суши.
Картография и геодезия
Одной из основных систем координат, используемых в картографии и геодезии, является WGS 84 (World Geodetic System). Эта система координат была разработана Вооруженными Силами США и широко применяется в геодезии, географии и навигации. WGS 84 определяет геодезическую систему сфероидов, эллипсоидов и геоцентрических координат Земли.
WGS 84 использует геодезические параметры, чтобы задать точную форму Земли и определить ее размеры и геометрическую форму. Это позволяет определить точные географические координаты объектов на Земле и их местоположение в пространстве.
Применение WGS 84 в картографии и геодезии позволяет создавать точные карты, навигационные системы и геоинформационные системы. Она также используется в глобальной позиционной системе (GPS), которая определяет местонахождение объектов на Земле с высокой точностью.
Картография и геодезия играют важную роль в современном мире, обеспечивая точные данные о местоположении объектов и форме Земли. Они используются во множестве областей, от научных исследований до практических применений, и являются неотъемлемой частью развития и функционирования современного общества.
Определение WGS 84
Система WGS 84 базируется на глобальной сети триангуляционных и трилатерационных станций, расположенных на всей планете. Она опирается на эллипсоид Земли, который имеет форму геоида, а также на современные методы измерения и наблюдения для предоставления точных данных о географических координатах.
Одной из особенностей WGS 84 является использование глобальной системы навигации и позиционирования GPS (Global Positioning System). GPS получает информацию о спутниках и использует ее для определения точной географической позиции объекта на Земле.
Координаты, полученные с помощью WGS 84, широко используются в различных областях, включая картографию, навигацию, геодезию, геоинформационные системы и географические приложения. Он также является стандартом для международной аэронавигации и военных операций.
История создания WGS 84
В основе WGS 84 лежат работы исследователей из различных стран. Еще до его создания предшествующая версия, WGS 72, была разработана в конце 1960-х годов совместными усилиями американского военного приложения и Национального института стандартов и технологий (NIST). Однако, WGS 72 имел некоторые недостатки, которые привели к созданию более точной и современной версии — WGS 84.
Процесс разработки WGS 84 начался в 1980 году и занял несколько лет. Геодезические данные, собранные различными странами, были собраны и обработаны для создания новой системы координат. Основная цель заключалась в создании единых глобальных пространственных данных, которые могут использоваться для навигации на море, воздушном и космическом пространстве.
WGS 84 был впервые опубликован в 1987 году. С тех пор система была обновлена несколько раз, чтобы отразить изменения в топографических и геодезических данных. Самое последнее обновление, WGS 84 (G1674), было опубликовано в 2014 году и используется в настоящее время.
Система WGS 84 стала стандартом для таких современных технологий, как GPS (глобальная система позиционирования), GIS (географические информационные системы) и многих других приложений, которые требуют точного определения местоположения на поверхности Земли.
- WGS 84 была создана в 1984 году на основе предыдущих версий, включая WGS 72.
- Геодезические данные из различных стран использовались для разработки WGS 84.
- Цель разработки WGS 84 — создание единых глобальных пространственных данных для навигации.
- WGS 84 была обновлена несколько раз, последнее обновление было в 2014 году.
- WGS 84 является стандартом для GPS и GIS.
Применение WGS 84 в навигационных системах
WGS 84 система координат, основанная на геодезической широте и долготе, широко применяется в навигационных системах.
Одним из главных применений WGS 84 в навигации является определение точного местоположения объекта на Земле. Благодаря использованию широты и долготы в системе WGS 84, возможно точно определить координаты объекта и его перемещение в пространстве.
Навигационные системы, такие как GPS (Global Positioning System), Galileo и ГЛОНАСС, основаны на системе WGS 84. Эти системы позволяют пользователям точно определить свое местоположение в реальном времени с помощью спутников и получить навигационную информацию для маршрутизации и ориентации.
WGS 84 также используется в авиации и морской навигации. Пилоты и моряки могут использовать систему WGS 84 для определения своего местоположения, планирования маршрутов и навигации в пространстве.
Кроме того, WGS 84 применяется в геодезии для определения географических координат и высот точек на Земле. Геодезисты могут использовать систему WGS 84 для создания карт и геодезических измерений, а также для обмена данных с другими системами координат.
| Применение | Пример |
|---|---|
| GPS | Определение местоположения с помощью спутников |
| Авиация | Навигация и планирование маршрутов |
| Морская навигация | Определение позиции судна |
| Геодезия | Определение географических координат и высот |
Таким образом, WGS 84 система координат имеет широкое применение в навигационных системах, позволяя точно определить местоположение и перемещение объектов на Земле.
Геодезические координаты
сфероидеплоскостность»
В геодезических координатах поверхность Земли аппроксимируется эллипсоидом , и описываются местоположения вблизи поверхности в единицах широты (ϕ {\ displaystyle \ phi}), долготы (λ {\ displaystyle \ lambda}) и высота (h {\ displaystyle h}).
Геодезическая и геоцентрическая широта
Геодезическая широта и геоцентрическая широта представляют собой аналогичные величины с разными определениями. Геодезическая широта определяется как угол между экваториальной плоскостью и нормалью поверхности в точке на эллипсоиде, тогда как геоцентрическая широта определяется как угол между экваториальной плоскостью и радиальной линией, соединяющей центр эллипсоида в точку на поверхности (см. рисунок). При использовании без уточнения термин широта относится к геодезической широте. Например, широта us в географических координатах — геодезическая широта. Стандартное обозначение геодезической широты — φ. Стандартных обозначений геоцентрической широты не существует; примеры включают θ, ψ, φ ′.
Аналогично, геодезическая высота определяется как высота над поверхностью эллипсоида, перпендикулярно эллипсоиду; тогда как геоцентрическая высота определяется как высота над поверхностью эллипсоида вдоль линии, ведущей к центру эллипсоида (радиус). При использовании без уточнения термин высота относится к геодезической высоте; как используется в авиации. Геоцентрическая высота обычно используется в орбитальной механике.
Точность и надежность данных
Система WGS 84 обеспечивает высокую точность и надежность своих данных. Она базируется на сложных математических моделях и использует современные технологии для глобального измерения и представления географических координат.
Данные, полученные с использованием системы WGS 84, обладают высокой точностью в пределах нескольких метров. Это позволяет использовать систему для различных целей, таких как навигация, картография, геодезия и геоинформационные системы.
Кроме того, система WGS 84 надежна и стабильна. Она постоянно обновляется и совершенствуется с учетом новых данных и исследований, чтобы обеспечивать точность и соответствие современным требованиям.
Однако, необходимо учитывать, что точность данных может быть ограничена различными факторами, такими как средства наблюдения, ошибки при измерении и статистические погрешности
Поэтому при использовании данных системы WGS 84 важно принять во внимание их возможную погрешность и проводить дополнительную проверку и коррекцию при необходимости
Назначение и применение WGS 84
Геодезическая система координат WGS 84 (World Geodetic System 1984) была разработана с целью обеспечить единый глобальный стандарт для определения географических координат и высоты точек на Земле.
WGS 84 широко применяется в глобальной навигации, включая такие технологии, как GPS (Global Positioning System), GLONASS (Global Navigation Satellite System) и Galileo. Система координат WGS 84 используется также в геодезии, картографии, географии и многих других областях.
Одной из главных особенностей WGS 84 является то, что она обеспечивает географическую точность и совместимость данных по всему миру. Это означает, что все GPS-приемники и другие устройства, использующие WGS 84, смогут точно определить местоположение в любой точке планеты.
WGS 84 представляет собой трехмерную систему координат, где географическая широта и долгота определяют положение точки на поверхности Земли, а высота определяет ее относительное расположение относительно уровня моря.
Система WGS 84 включает в себя эллипсоид, который наилучшим образом соответствует форме Земли, и геоцентрическую систему координат, которая определяет положение точки относительно центра Земли.
В конечном итоге, WGS 84 обеспечивает надежную и универсальную систему координат, которую можно использовать для анализа и маршрутизации пролета воздушных судов, определения координат местоположения объектов на Земле и выполнения других географических задач.
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.
Геодезия и WGS 84
WGS 84 (World Geodetic System 1984) — это глобальная геодезическая система координат, которая используется в навигации, геодезии и картографии. Она была разработана в 1984 году и стала международным стандартом для определения глобальной привязки и координат точек на Земле.
Основная особенность WGS 84 заключается в том, что она использует геоцентрическую систему координат, в которой центр координат — геометрический центр Земли. Это позволяет учесть антиподальность точек и точность определения координат в разных участках земной поверхности.
WGS 84 основана на измерениях широты и долготы, проведенных с помощью спутниковой системы навигации GPS (Global Positioning System). Это позволяет определить точные координаты объектов на поверхности Земли, что является основой для создания навигационных карт, определения маршрутов и навигации в пространстве.
Геодезия и WGS 84 важны для различных областей жизни, таких как авиация, мореплавание, строительство и геология. Благодаря точному определению координат объектов и точному картографированию, можно принимать обоснованные решения и обеспечивать безопасность при перемещении и работе с географическими объектами.
Новая мировая геодезическая система: WGS 84
Опорный кадр WGS 84. На этом изображении сжатость эллипсоида преувеличена.
Портативный GPS-приемник, показывающий, что гринвичский меридиан находится в 0,089 угловых минуты (или 5,34 угловых секунды) к западу от точки отсчета WGS 84.
В начале 1980-х годов потребность в новой мировой геодезической системе была широко признана геодезическим сообществом, а также Министерством обороны США. WGS 72 больше не предоставлял достаточных данных, информации, географического охвата или точности продукта для всех текущих и ожидаемых приложений. Средства для создания новой WGS были доступны в виде улучшенных данных, расширенного охвата данных, новых типов данных и улучшенных методов. GRS 80 параметры вместе с имеющимся доплеровским, спутниковым лазерным дальномером и интерферометрия с очень длинной базой (РСДБ) наблюдения составили важную новую информацию. Замечательный новый источник данных стал доступным благодаря спутниковой радиолокационной альтиметрии. Также был доступен продвинутый наименьших квадратов метод, называемый коллокацией, который позволил получить согласованное комбинированное решение из различных типов измерений, связанных с гравитационным полем Земли, такими измерениями, как геоид, гравитационные аномалии, отклонения и динамический доплер.
Новая мировая геодезическая система получила название WGS 84. Это система координат, используемая спутниковая система навигации. Он геоцентрический и глобально согласованный в пределах ± 1 м. Современные геодезические реализации семейства геоцентрических систем отсчета Международная наземная система отсчета (ITRS) поддерживается IERS являются геоцентрическими и внутренне непротиворечивыми на уровне нескольких сантиметров, но при этом остаются на уровне метра, соответствующими WGS 84.
WGS 84 первоначально использовал GRS 80 опорный эллипсоид, но претерпел некоторые незначительные улучшения в более поздних выпусках с момента его первой публикации. Большинство этих усовершенствований важны для высокой точности орбитальный расчеты для спутников, но имеют небольшое практическое влияние на типичное топографическое использование. В следующей таблице перечислены основные параметры эллипсоида.
| Ссылка на эллипсоид | Большая полуось а | Малая полуось б | Обратный сплющивание (1/ж) |
|---|---|---|---|
| GRS 80 | 6 378 137,0 м | ≈ 6 356 752,314 140 м | 298.257 222 100 882 711… |
| WGS 84 | 6 378 137,0 м | ≈ 6 356 752,314 245 м | 298.257 223 563 |
Экваториальный (а), полярный (б) и средние радиусы Земли, как определено в редакции Мировой геодезической системы 1984 г. (не в масштабе)
Таким образом, очень небольшая разница в уплощении приводит к крошечной разнице в 0,105 мм в полуполярной оси.
Долготы на WGS 84
WGS 84 использует Контрольный меридиан IERS как определено Bureau International de l’Heure, что было определено путем компиляции звездных наблюдений в разных странах.
Позиции долготы на WGS 84 совпадают с долготами более старых Североамериканский датум 1927 г. примерно 85 ° западной долготы, в восточно-центральной части США.
Обновления и новые стандарты
Последняя крупная версия WGS 84 также упоминается как «Гравитационная модель Земли 1996 г. » (EGM96 ), впервые опубликованная в 1996 году, с изменениями совсем недавно, в 2004 году. Эта модель имеет тот же опорный эллипсоид, что и WGS 84, но имеет геоид более высокой точности (разрешение примерно 100 км по сравнению с 200 км для исходного WGS 84).
Многие из первоначальных авторов WGS 84 внесли свой вклад в новую модель более высокой точности, названную EGM2008. Эта новая модель будет иметь геоид с точностью, приближающейся к 10 см, что потребует более 4,6 миллиона членов в сферическом расширении (против 130 317 в EGM96 и 32 757 в WGS 84).
Other Gravitational Methods¶
The well known International Gravity Formula as described by
Helmut Moritz in for the Geodetic Reference System 1980
is also implemented here:
\
>>> ahrs.utils.international_gravity(10.0) 9.781884110728155
As a bonus, the normal gravity estimation of the European Cooperation on Legal
Metrology (WELMEC) is also
implemented here:
\
>>> ahrs.utils.welmec_gravity(50.0, 1000.0) # 50.0° N, 1000 m above sea level 9.807610187885896
Although this is thought and mainly used for European latitudes.
All methods above can be used for cartography and basic gravitational
references. For more advanced and precise estimations it is recommended to use
the EGM2008,
which is defined, like the WMM, with spherical harmonics, but of degree 2190
and order 2159.