Координатные системы

Для картографирования и решения научных и прикладных задач вводят геодезические системы координат: общеземные — для всей планеты и референцные, распространяемые на отдельные регионы или государства.

Общеземную координатную систему используют для картографирования и решения глобальных задач, таких как изучение фигуры, внешнего гравитационного поля, их изменений во времени, движения полюсов, неравномерности вращения Земли, управле­ния полетами космических аппаратов в гравитационном поле Земли и др. С этой целью создают модель планеты — эллипсоид, имеющий размеры, массу, угловую скорость вращения и другие, так называемые фундаментальные параметры, весьма близкие реальной Земле. Гравитационное поле вокруг модели и сила тяжести на ее поверхности, являющаяся равнодействующей сил притяжения и центробежной силы, близки к реальным силам, существующим на Земле и в околоземном пространстве.

К фундаментальным параметрам Земли относят также скорость распространения электромагнитных волн в вакууме. Расстояния определяют умножением скорости световых или радиоволн на время, за которое они проходят это расстояние. Преуменьшение или преувеличение этой скорости приведет к преуменьшению или преувеличению геометрических расстояний. Поэтому заданием скорости распространения электромагнитных волн устанавливают единый линейный масштаб для всех геометрических построений на Земле.

В таком эллипсоиде устанавливают пространственные прямоугольные координаты X, Y, Zcначалом в центре эллипсоида. Ось Z направлена по оси вращения, а ось Xлежит на пересечении плоскости начального меридиана с плоскостью экватора и с осью /образует правую систему (см. рис. 3.2).

Для ориентирования координатной системы в теле Земли начало эллипсоида помещают в центр масс Земли, начальный меридиан совмещают с меридианом Гринвича, а ось вращения направляют на северный условный земной полюс, соответствующий неко­торому фиксированному среднему его положению. Это обусловлено тем, что ось вращения Земли со временем перемещается в теле Земли и относительно звезд. Такой условный земной полюс называют Международным условным началом. Тем самым устанавливается геоцентрическая гринвичская координатная система.

Практически для закрепления геоцентрической гринвичской ко­ординатной системы создается геодезическая сеть— совокупность геодезических пунктов, положение которых определено по результатам измерений в единой для них системе координат.

Каждый пункт, закрепленный на местности или на космичес­ком аппарате, имеет координаты X, Y, Z. Их можно пересчитать в широты (В), долготы (L), определяющие положение пункта на эллипсоиде, и высоту (Н) над ним. Эллипсоид можно отобразить в некоторой проекции в плоскости карты и определить для пунк­тов плоские прямоугольные координаты х, у. От пунктов сети по­средством измерений координаты передаются на другие новые пункты, в том числе и на космические аппараты, а с них — вновь на точки на Земле.

Геодезические сети — это наиболее надежный и совершенный способ практического закрепления координатной системы. Измерения на пунктах сети выполняют с наибольшей тщательностью, многократно повторяют и подвергают строгой математической обработке. Современные геодезические сети создают методами космической геодезии по измерениям с использованием внегалактических точеч­ных радиоисточников, весьма удаленных от Солнечной системы и спутников Земли. В создании геодезических сетей значительная роль отводится глобальным системам позиционирования.

Известно несколько общеземных координатных систем. Они опираются на одинаковые теоретические положения, а различия обусловлены, главным образом, геодинамическими процессами, небольшими расхождениями фундаментальных параметров, погрешностями измерений, неравномерностью размещения геоде­зических пунктов и особенностями их математической обработки.

Международная служба вращения Земли IEJRS (InternationalEarthRotationService) на основе высокоточных измерений формирует общеземную координатную систему ITRS(InternationalTerrestrialReferenceSystem) и использует эллипсоид GRS-80. Системазак­репленасетьюпунктов, называемойITRF (International Terrestrial Reference Frame). Сотни пунктов ITRF расположены на всех мате­риках и островах во всех океанах, погрешности их положения не превышают 10 см. Из-за геодинамических процессов координаты4-1700

пунктов изменяются со скоростью около 1—2 см/год, поэтому они постоянно обновляются, а в каталогах указывают год, к которому они отнесены, например ITRF-94.

В связи с широким применением во всем мире американской спутниковой системы позиционирования получила распростране­ние Мировая геодезическая система 1984 г.— WGS-84 (WorldGeodeticSystem, 1984, см. табл. 3.2.). Ее геометрические параметры практичес­ки совпадают с постоянными эллипсоида GRS-80. Точность систе­мы находится на уровне дециметров. В версии 1984 г. использованы уточненные координаты пунктов слежения за спутниками глобаль­ной системы позиционирования, что позволяет согласовать коорди­наты WGS-84 и ITRF с точностью до нескольких дециметров.

С 1993 г. в мире действует сеть станций Международной геодинамической службы IGS{InternationalGeodynamicsGPSService), сбли­жающих координатные системы WGS-84 и ITRS. К концу XX в. в сети имелось почти 200 пунктов, на которых велись непрерывные измерения приемниками американской спутниковой системы позиционирования. При этом России доступны 22 станции, расположенные на ее территории или вблизи границ. Наблюдения на пунктах IGS используют для уточнения координат спутников, ре­шения других геодезических и геодинамических задач.

Референцные системы координат устанавливают в отдельных регионах или государствах с помощью референц-эллипсоидов, наилучшим образом соответствующих данному региону. Это не только дань традиции, но потребность иметь наиболее удобный для данной территории эллипсоид, когда уклонения отвесных линий от нормалей к нему минимальны. Другая важная причина — необходимость сохранять стабильность взаимного положения пунктов гео­дезической сети, которая может быть нарушена геодинамически­ми процессами, приводящими к перемещению одних регионов относительно других. Референц-эллипсоид ориентируют в теле Зем­ли при помощи исходных геодезических дат, т.е. параметров, кото­рые устанавливают значения широт, долгот и их взаимосвязь с астрономическими координатами в некотором исходном пункте.

Простейший способ установления исходных геодезических дат — это приравнивание в исходном пункте координат эллипсоида к зна­чениям, определенным из астрономических наблюдений. Так были установлены исходные геодезические даты большинства стран Ев­ропы, США, Японии, а также бывшего СССР с исходным пунктом в Пулково и референц-эллипсоидом Бесселя. Однако значительные уклонения отвеса в исходном пункте могут привести к смещению эллипсоида в теле Земли. Правильнее ориентировать референц-эл­липсоид не по одному пункту, а по измерениям на множестве

астрономо-геодезических пунктов страны. В России без интеграции с западными странами создана общеземная координатная система ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990 г.). Она закреплена пунктами космической геодезической сети, часть которых расположена в Антарктиде. При расстояниях между пункта­ми до 10 000 км погрешность их взаимного положения не более 30 см. И 2000 г. принято Постановление Правительства Российской Федерации о введении ПЗ-90 в качестве единой государственной сис­темы координат в целях геодезического обеспечения орбитальных полетов космических аппаратов и решения навигационных задач. Тем же Постановлением для геодезических и картографических работ России введена референцная система координат 1995 г. — СК-95.