Земной эллипсоид
Известно, что Земля шарообразна и по форме близка к сфероиду — фигуре, которую она приняла бы под влиянием только сил взаимного тяготения и центробежной силы вращения вокруг полярной оси. Из-за неравномерного распределения масс Земля имеет обширные, хотя и довольно пологие, выпуклости и вогнутости.
Фигуру Земли можно представить, вообразив поверхность, в каждой точке которой сила тяжести направлена по нормали к ней, т.е. по отвесной линии. Такую поверхность называют уровенной. Сложную фигуру нашей планеты, ограниченную уровенной поверхностью, проходящей через точку, закрепленную на высоте среднего уровня моря и являющуюся началом отсчета высот, называют геоидом. Иначе говоря, геоид представляет фигуру Земли, сглаженную до уровня Мирового океана (рис. 3.1). Благодаря использованию искусственных спутников и наземных измерений геоид достаточно изучен. При картографировании сложную фигуру геоида заменяют математически более простой — эллипсоидом вращения — геометрическим телом, которое образуется при вращении эллипса вокруг его малой оси (рис. 3.2). Наиболее известные эллипсоиды представлены в табл. 3.1.
В нашей стране в 1940 г. расчет эллипсоида был выполнен выдающимся ученым Ф. Н. Красовским (1878—1948) и его учеником А. А. Изотовым (1907—1988). Эллипсоид Красовского был утвержден в СССР для геодезических и картографических работ, его используют в России и в настоящее время.
Параметры эллипсоида, рекомендованные в 60-х годах международными астрономо-геодезическими организациями, применялись в Австралии, прилегающих к ней странах и в Южной Америке. Эллипсоиды системы геодезических параметров GRS-67 {Geodetic
Северный Ледовитый океан |
Антарктида |
Рис. 3.1. Меридиональное сечение геоида и земного эллипсоида |
Рис. 3.2. Эллипсоид вращения (В, L — широта и долгота точки Q; L0 — начальный меридиан)
(ReferenceSystem, 1967) и WGS-72 (WorldGeodeticSystem, 1972) -это более ранние версии аналогичных современных вариантов.
По табл. 3.1 нетрудно проследить, как со временем повышалась точность определения большой полуоси и сжатия земного эллипсоида. В настоящее время параметры современной точности имеют эллипсоид системы GRS-80 {GeodeticReferenceSystem, 1980), составляющей основу современных координатных систем
Таблица 3.1 Основные земные эллипсоиды и их параметры
Эллипсоид | Годы | Большая полуось а (м) | Сжатие а |
Дсламбра | 6 375 653 | 1/334 | |
Вальбека | 6 376 896 | 1/303 | |
)йри | 6 377 563,396 | 1/299,3249646 | |
'•) нереста | 6 377 276,345 | 1/300,8017 | |
Ьссселя | 6 377 397 | 1/299,15 | |
Кларка | 6 378 206 | 1/294,98 | |
Кларка | 6 378 249 | 1/293,46 | |
Хейфорда | 6 378 388 | 1/297 | |
Красовского | 6 378 245 | 1/298,3 | |
Австралийский | 6 378 160 _j | 1/298,25 | |
GRS-67 | 6 378 160 | 1/298.247167247 | |
WGS-72 | 6 378 135 | 1/298,26 | |
GRS-80 | 6 378 137 | 1/298,257222101 | |
WGS-84 | 6 378 137 | 1/298,257223563 | |
ПЗ-90 | 6 378 136 | 1/298,257839303 |
Австралии, Европы, стран Северной и Центральной Америки, WGS-84 (WorldGeodeticSystem, 1984), получивший мировое распространение благодаря американской глобальной системе спутникового позиционирования, и российский ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990).
Различают общеземной эллипсоид,наилучшим образом подходящий для решения глобальных картографо-геодезических задач, и конференц-эллипсоиды, используемые в отдельных регионах и странах.
Эллипсоид вращения характеризуют два параметра: большая экваториальная полуось (а) и полярное сжатие.
Эти параметры, а также площади поверхностей для эллипсоидов WGS-84, ПЗ-90 и Красовского, наиболее важных для картографических и геодезических работ в России, приведены в табл. 3.2.
Параметрыосновных земных эллипсоидов
Таблица 3.2
Параметры | Эллипсоиды | ||
WGS-84 | ПЗ-90 | Красовского | |
а | 6 378 137 | 6 378 136 | 6 378 245 |
b | 6 356 752,314 | 6 356 751,362 | 6 356 863,019 |
а | 1/298,257223563 | 1/298,257839303 | 1/298,3 |
е2 | 0,006694379990 | 0,006694366193 | 0,006693421623 |
Площадь | 510 065 622 | 510 065 464 | 510 083 059 |
Положение любой точки на земном эллипсоиде определяется широтой и долготой.
Широта (В) — угол, образованный нормалью к поверхности земного эллипсоида в данной точке и плоскостью его экватора; долгота (L) — двугранный угол между плоскостями меридианов данной точки и начального меридиана (см. рис. 3.2).
Рассекая эллипсоид плоскостями, проходящими через полярную ось, получают линии меридианов, а плоскостями, проходящими перпендикулярно этой оси, — линии параллелей. Линия экватора — след сечения эллипсоида плоскостью, проходящей через его центр перпендикулярно полярной оси.
Сетка меридианов и параллелей на земном эллипсоиде, шаре или на глобусе называется географической сеткой.
Наиболее важными радиусами эллипсоида вращения являются:
М — радиус кривизны меридиана;
N — радиус кривизны первого вертикала (линии, получаемой сечением эллипсоида плоскостью, проходящей через нормаль в данной точке и перпендикулярно плоскости меридиана);
R— средний из радиусов всевозможных сечений, проведенных через нормаль в данной точке эллипсоида;
г — радиус параллели.
Легко заметить, что радиус М у полюса больше, чем на экваторе. Это означает, что кривизна меридианного эллипса убывает от экватора к полюсам. Радиус меридиана получает наибольшие изменения на средней широте, где с каждым градусом широты он изменяется примерно на 1 км. Радиус М нужен прежде всего для вычисления длин дуг меридианов и нахождения широт по этим дугам. Средний радиус кривизны Rприменяют, например, в задачах, связанных с развертыванием поверхности эллипсоида на поверхность сферы. В табл. 3.3 приведены значения радиусов эллипсоида на разных широтах и диапазоны их изменения.
Таблица 3.3 Радиусы земного эллипсоида на разных широтах
Широта, ЕР | М, км | N, км | R, км |
6 336 | 6 378 | 6 357 | |
6 351 | 6 384 | 6 368 | |
6 384 | 6 394 | 6 389 | |
6 400 | 6 400 | 6 400 | |
Л™х>КМ | |||
д , % max' | % | % |
При создании и использовании карт приходится определять длины дуг параллелей и меридианов. Наиболее просто вычисляется длина дуги параллели. Параллель — окружность, ее длина Spмежду двумя точками с долготами Lxи L2равна произведению радиуса этой параллели на разность долгот, выраженных в радианной мере. Меридиан — эллипс. Вычисления его длин дуг более сложны.