Системы координат, используемые при создании геодезических сетей

Размещено на http://www.allbest.ru

1.Введение

Основой систем геодезического, картографического и навигационного обеспечения являются геодезические системы координат.

Геодезические системы координат характеризуются декларируемыми принципами ориентации их осей в теле Земли и средствами геодезических астрономических, космических и прочих видов измерений на геодезических пунктах, практически реализующих эти декларируемые принципы. Именно состав и точность измерений на геодезических пунктах, в конечном счете, определяют точность реализации геодезической системы координат. Степень доступности и пригодности геодезических пунктов, реализующих ту или иную систему координат, для последующего использования потребителем на современном этапе и определяет эффективность её применения в системе геодезического, картографического и навигационного обеспечения.

Геодезическая система координат не только математическое понятие, но имеет под собой вполне определённое “физическое” понимание её сути. И дело не только в том, что геодезические системы координат должны иметь практическую реализацию в виде системы геодезических пунктов, закрепленных на физической поверхности Земли и отслеживающих её динамику. Но так же и в том, что системы координат в геодезии, были во все времена и ныне особенно, неразрывно связаны с параметрами гравитационного поля и уровнённой поверхностью.

Как и любой вид хозяйственной и научной деятельности, геодезия и картография и темпы их развития зависят от уровня технических средств и степени востребованности общества в геодезической и картографической продукции.

На современном этапе оба этих фактора определяются созданием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). С одной стороны, создание ГНСС привело к качественному (можно даже сказать революционному) повышению точности и оперативности геодезических измерений. А с другой стороны, широкое внедрение ГНСС технологий практически во все виды хозяйственной и научной деятельности общества обуславливают необходимость создания системы координат, оптимальным образом соответствующей эффективному применению ГНСС технологий.

На современном этапе «оптимальная» геодезическая система координат должна отвечать двум основным требованиям, на первый взгляд трудно совместимым:

-система координат должна обеспечивать эффективное применение современных технологий глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС);

- система координат должна обеспечивать максимально возможную реализацию потенциала геодезических и картографических данных, созданных к настоящему времени на основе применения традиционных средств и методов.

2. Геодезическая система отсчета WGS-84

Глобальные системы координат широко используются в геодезии, картографии и навигации. Они обеспечивают взаимную привязку различных локальных и региональных систем отсчета. Замена множества локальных систем отсчета единой глобальной существенно упростило бы практическое использование карт, снимков и другой геодезической продукции. Традиционно в геодезии различают локальные плановые координаты и локальные высотные координаты. Мировая геодезическая система отсчета 1984 года (WGS-84) является четвертой из серии глобальных геоцентрических систем координат, созданных Министерством обороны США, начиная с 1960 года. Военно- топографическое агентство США выполнило преобразование около 100 локальных систем отсчета к WGS-84. С этой целью военно-топографическое агентство США выполнило локальную привязку многих геодезических реперов к соответствующим реперам, координаты которых были определены по наблюдениям. Сначала это были наблюдения спутников системы TRANSIT, а в последнее время - системы GPS.

Исходное определение и реализация WGS-84 удовлетворяют требованиям Министерства обороны США к картографированию территорий и геодезическим требованиям. Точность плановых координат в этой системе, равная 1 -2 м, была более чем, достаточной для крупномасштабного картографирования. Точность высот зависела от того, как были определены превышения. Если для этой цели использовалось нивелирование I-го класса, высоты определялись очень точно (до см) по отношению к локальному уровню моря. При нивелировании превышения оценивались по высотам по отношению к эллипсоиду WGS- 84, и использовались высоты геоида, определенные по модели WGS геоида. Для карт масштаба 1:20000 или меньше эта точность удовлетворительна, а для карт более крупного масштаба - нет. По этому очевидно, что основным источником ошибок являются ошибки модели геоида. Задание и реализация WGS-84 основывались на наблюдениях начала 80-х годов. C тех пор появились спутники GPS системы и многие исследователи предложили новые методы определения местоположения, точность которых существенно превышала точность WGS-84. Исследования, проведенные в Министерстве обороны США, показали, что, благодаря уточнению WGS-84, можно существенно уточнить методику определения орбит спутников GPS. Это особенно важно для тех пользователей GPS, которые применяют недифференциональный метод GPS.

В 1993-1994 гг. появились новые требования к точности WGS-84 со стороны геодезических пользователей GPS. Было признано, что создание точной сети геодезических контрольных станций поможет решению задачи удовлетворения этим требованиям. По этой причине военно-топографическое агентство США систематизировала все требования к увеличению точности WGS-84 и в середине 1993 года осуществила специальную программу, имеющую целью улучшение WGS-84. Исходные требования к точности уточненной системы были на уровне дециметров. В июне 1994 г. была введена новая версия WGS-84, обозначаемая как WGS-84 (G730). В этой версии используются уточненные координаты пунктов слежения МО США за спутниками GPS, что привело к согласию системы координат WGS-84 с системой ITRF (Международная земная система координат - International Terrestrial Reference Frame) на уровне 10 см. Военно-топографическое агентство США также приступила к работе по уточнению модели гравитационного поля Земли и геоида. Разработана краткосрочная и долгосрочная стратегия, которая обеспечивает максимальное улучшение WGS-84 и минимизирует соответствующие расходы на её выполнение.

3. Система координат 1942 года (СК-42)

В 1930 году под общим руководством Ф.Н. Красовского вычислительное бюро Главного геодезического управления приступило к уравниванию 8 полигонов 1 класса для Европейской части СССР. Позднее к этим полигонам был присоединен Уральский полигон. Вычисления велись относительно эллипсоида Бесселя методом развертывания, за начальный пункт принимался пункт Саблино. Основная особенность и главный недостаток метода развертывания состоит в том, что результаты измерений, выполненные на земной поверхности и редуцированные к уровню моря при дальнейшей обработки считались выполненными на поверхности референц-эллипсоида без каких либо поправок за несовпадение поверхности эллипсоида и уровенной поверхности нулевой высоты.

Работы по уравниванию триангуляции были завершены в 1932 году и принятая система координат получила название системы 1932 года. В те же годы в ЦНИИГАиК под руководством Ф.Н. Красовского и А.А. Изотова начались работы по выводу референц- эллипсоида, наилучшим образом подходившего для территории СССР. Под руководством и участием М.С. Молоденского велись работы по определению высот геоида по данным астрономо-гравиметрического нивелирования.

В 1942 году начались работы по переуравниванию АГС. Совместным решением Главного управления геодезии и картографии (ГУГК) и Военно-топографического управления Генерального Штаба Министерства Обороны (ВТУ ГШ МО) от 4 июня 1942 года в качестве референц-эллипсоида при уравнивании был принят эллипсоид (в последующем получившего имя Красовского) со следующими параметрами:

большая полуось а = 6378245,0 м обратное сжатие a = 298,3

Систему координат, в которой велись вычисления, было решено именовать системой координат 1942 года. Установление системы координат 1942 года предполагало также вывод значений исходных геодезических дат в исходном пункте геодезической сети Пулково. В состав исходных геодезических дат входят геодезические широта и долгота исходного пункта на референц-эллипсоиде Красовского, геодезический азимут исходного направления, составляющие уклонения отвесной линии и высота квазигеоида над эллипсоидом Красовского в исходном пункте. Эти данные в совокупности определяют пространственную ориентировку осей референц-эллипсоида в теле Земли при выполнении следующих теоретически строгих условий:

малая ось эллипсоида параллельна направлению к положению среднего полюса;

плоскость нулевого меридиана параллельна плоскости начального астрономического меридиана;

поверхность референц-эллипсоида имеет в среднем наименьшие уклонения от поверхности геоида на всей территории расположения обрабатываемой геодезической сети.

Реальная строгость выполнения перечисленных условий определяется точностью всех использованных астрономо-геодезических данных и не зависит от конкретного выбора исходного пункта. Значения исходных геодезических дат устанавливают систему отсчета координат, но не определяют внутреннюю точность самой геодезической сети. Точность взаимного положения геодезических пунктов в сети также не зависит от местоположения исходного пункта, а также от значений исходных геодезических дат. Подобное установление по существу референцных систем координат был единственно возможным в то время при использовании традиционных астрономо-геодезических измерений, выполняемых на земной поверхности. Исходные геодезические даты лишь частично определяют пространственное положение референцной системы в теле Земли через взаимное положение поверхности референц-эллипсоида и геоида для данной территории. Однако положение центра референц-эллипсоида относительно центра масс Земли остается неизвестным без привлечения дополнительной информации. Например, высот геоида над общим земным эллипсоидом или координат некоторого количества пунктов, известных в референцной и общеземной геоцентрической системе координат.

При установлении системы координат 1942 года в уравнивание вошли 87 полигонов АГС, покрывавших большую часть Европейской территории СССР и узкой полосой распространяющих координаты до Дальнего Востока. Обработка выполнялась на эллипсоиде Красовского с использованием метода проектирования. Метод проектирования в отличие от метода развертывания предполагал редуцирование данных геодезических измерений с земной поверхности через поверхность уровня моря на поверхность референц-эллипсоида. Определение высот квазигеоида и составляющих уклонений отвесных линий, необходимых для такого редуцирования, выполнялось с использованием гравиметрических данных: сначала для повышения точности интерполяции астрономо-геодезических уклонений отвеса и для расчета приращений высот квазигеоида, а затем с развитием гравиметрического метода высоты квазигеоида и составляющие уклонений отвесных линий определялись независимо от астрономо- геодезических данных.

Постановлением Совета Министров СССР от 7 апреля 1946 года № 760 на основе результатов выполненного уравнивания была введена единая система геодезических координат и высот на территории СССР - система координат 1942 года. Дальнейшее распространение системы координат 1942 года на территорию СССР проводилось последовательно несколькими крупными блоками полигонов триангуляции и полигонометрии 1 класса. При присоединении каждого очередного блока координаты пунктов на границах блоков уравненной сети принимались за жесткие. Для сгущения АГС, сформированной в виде системы полигонов, выполнялось их заполнение сплошными сетями триангуляции 2 класса. Реальная схема полигонов рядов триангуляции 1 класса часто существенно отличалась от приведенной на этом рисунке. Сплошные сети триангуляции 2 класса уравнивались в пределах отдельных полигонов с использованием уравненных координат пунктов триангуляции 1 класса в качестве исходных.

На смену СК-42 в результате совместного уравнивания трех самостоятельных, но связанных между собой, геодезических построений различных классов точности: КГС, ДГС, АГС по их состоянию на период 1991-93 годов, принялась новая система координат СК-95.

4. Система координат 1963 года (СК-63)

В период ядерного противостояния рубежа 1950-60-х годов, для того, чтобы "запутать врагов" и не дать сведений для точного прицеливания баллистических и крылатых ракет, в СССР была придумана и массово внедрена в практику специальная искаженная система координат СК-63. С тех пор научились определять точные координаты из космоса, коммерчески доступна и относительно недорога точно привязанная съемка с разрешением 0.6 м, а мы, официально отменив СК-63 (но не открыв параметры искажений), продолжаем "путаться" с проекцией СК-63. Дело в том, что существуют и продолжают использоваться огромные фонды крупномасштабных карт в этой системе, кроме того, земельный кадастр многих регионов (Московской области, например) сделан в этой системе и многие данные, такие как границы лесов, например, требуются именно в этой системе.

Система координат СК-63 была отменена Постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 25 марта 1987 года, однако разрешено использование созданных в ней топографо- геодезических и картографических материалов и данных, но без создания в этой системе новых материалов и данных. Совместное решение Роскартографии и Роскомзема, утверждённое 25 анваря 1993 года устанавливает порядок обеспечения координатами геодезических пунктов в системе координат СК-42 организаций Роскомзема. Использование координат геодезических пунктов в условной системе координат 1963 года разрешено в порядке исключения, для завершения начатых работ в этой системе координат на конкретных участках территории. Указания Роскартографии от 5 декабря 2003 года предписывают инспекциям госгеонадзора принять меры по запрещению применения отмененной СК-63 при выполнении топографо-геодезических и картографических работ. Так что система уже отменена, и никто не должен требовать координаты в ней. Но, нужно знать, чем она отличается от СК-42. По математической сущности это та же система Гаусса-Крюгера, только номенклатура базовых карт масштаба 1 : 100 000 построена по-другому. Страна была разбита на частично перекрывающиеся области неправильной формы размером в несколько регионов, которым присвоены буквенные обозначения. Эти области отмечены на специальных бланковых картах. В пределах области карты пронумерованы двумя цифрами - № горизонтального ряда (нумерация идет снизу вверх) и № вертикальной колонки (нумерация идет слева направо), которые и записываются в номенклатурный номер после буквы, что и составляет номенклатуру 1 : 100 000 карт. Для карт производных масштабов далее следует остальная часть номенклатурного номера, которая строится также, как в СК-42. Топографические карты СК-63 легко отличить от карт СК-42: на их полях нет никаких надписей, кроме номеров смежных листов. Номенклатурный номер на карте может выглядеть так: P-47- 083-Бв1.

Проекция топографических карт масштаба 1 : 10 000 в СК-63 использует 3-градусные зоны вместо стандартных 6-градусных. Соответственно искусственный сдвиг начала координат на запад имеет величину 250 000 м . Номер зоны определяется по второму числу номенклатуры, зоны отсчитываются локально слева направо в пределах буквенной области, осевые меридианы зон сдвинуты на запад на полградуса. Кроме них в каждой области имеются индивидуальные искажения: осевой меридиан сдвинут относительно базового сдвига на полградуса еще на несколько угловых минут на запад или восток, такой же случайный сдвиг на несколько минут есть и по широте, и, наконец, начало отсчета координат сдвинуто относительно экватора еще на несколько километров (обычно больше 10 км , также переменная величина). Из-за всех этих искажений, не зная их точных величин, воспроизвести систему СК-63 не удаётся.

5. Системы координат 1995 года (СК-95) и ПЗ-90

Единая государственная система геодезических координат 1995 года (СК-95) введена Постановлением Правительства Российской Федерации от 28 июля 2000 г. N 586 "Об установлении единых государственных систем координат" для использования при осуществлении геодезических и картографических работ начиная с 1 июля 2002 года. За отсчетную поверхность в СК-95 принят референц-эллипсоид Красовского с параметрами:

большая полуось 6378245 м;

сжатие 1:298,3.

Главные оси отсчетного эллипсоида параллельны пространственным осям системы координат ПЗ-90. Положение начала СК-95 задано таким образом, что значения координат пункта ГГС Пулково в системах СК-95 и СК-42 совпадают.

Указанным Постановлением Правительства Российской Федерации Роскартографии было поручено осуществить организационно-технические мероприятия, необходимые для перехода к использованию системы координат 1995 года. До завершения этих мероприятий Правительство Российской Федерации постановило использовать единую систему геодезических координат 1942 года. Целесообразность введения системы координат 1995 года состоит в повышении точности, оперативности и экономической эффективности решения задач геодезического обеспечения, отвечающего современным требованиям экономики, науки и обороны страны. Полученная в 1995 году в результате совместного уравнивания координат пунктов космической геодезической сети (КГС), доплеровской геодезической сети (ДГС) и астрономо-геодезической сети (АГС) система координат 1995 года закреплена пунктами государственной геодезической сети (ГГС). Система координат 1995 года строго согласована с единой государственной геоцентрической системой координат ПЗ-90. Система координат ПЗ-90 закреплена пунктами космической геодезической сети. Точность отнесения системы к центру масс Земли характеризуется средней квадратической ошибкой порядка 1 м. За отсчетную поверхность в государственной геоцентрической системе координат (ПЗ-90) принят общий земной эллипсоид со следующими геометрическими параметрами:

большая полуось 6378136 м;

сжатие 1:298,257839.

Центр этого эллипсоида совмещен с началом геоцентрической системы координат, плоскость начального (нулевого) меридиана совпадает с плоскостью ХZ этой системы.

Задача перехода к СК-95 от результатов спутниковых определений в большинстве случаев может быть решена с использованием программно-математического обеспечения, закупаемого вместе со спутниковой аппаратурой для полевой и камеральной обработки. Применительно к полевой обработке спутниковых определений, продаваемыми коммерческими пакетами программ, процедура обеспечения требуемого автоматического преобразования координат (как к государственной, так и к любой местной системе координат) называется калибровкой.

геодезическая система координата карта

Список используемых источников

http://www. spbtgik.ru/book/2128.htm

http://ru.wikipedia.org

http://www.astronet.ru/

www.geodesist.ru

Статья к совещанию по системам координат д.т.н. Демьянов Г.В. - Зубинский В.И.

Размещено на Allbest.ru