Глобальные системы координат и отсчетов.

С наступлением космической эры, наконец, удалось взглянуть на землю со стороны, более точно определить ее форму, размеры и корректно "порезать" на параллели и меридианы. В результате в США появился эллипсоид WGS84 и одноименная с ним общеземная система координат, а в СССР система координат "Параметры земли ПЗ-90", которые отличаются между собой всего на полметра. В Европе уже тоже есть своя система, предназначенная для, пока еще не существующей, навигационной системы Galileo.

Эталонной считается "Международная земная система отсчета" (ITRF). Ее положение в теле земли круглосуточно контролируется спутниковыми измерениями координат нескольких сотен пунктов по всему земному шару. Точность ее такова, что на координаты в ней влияют не только движения материков по нескольку сантиметров в год, но и таяние ледников, и крупные землетрясения. Поэтому параметры этой системы публикуются ежегодно, а координаты пунктов в этой системе даются с обязательным указанием эпохи (года) когда эти координаты были измерены. Так, WGS84 привязана к системеITRF эпохи 1984, а ПЗ-90 соответственно к ITRF 1990.

Системы координат спутниковых навигационных систем WGS84 и ПЗ-90 тоже не отстаются неизменными. Они становятся более точными и более удобными для использования. WGS84 за время своего существования утоянялась 3 раза. В настоящее время используется версия WGS84 G1150. Правда изменения настолько малы, что пользователи бытовых GPS навигаторов могут считать, что их не было.

Совсем другая ситуация с российской ПЗ-90. В ноябре 2007 года система была изменена и стала называться ПЗ-90.02. Параметры ее изменились сразу на несколько метров, но зато, она стала почти совпадать с ITRF и WGS84. Опять же, для пользователей навигаторов, теперь можно считать их идентичными.

Координаты в глобальных системах измеряют не в градусах, а в метрах знакомой нам со школы трехмерной декартовой системе, где ось Z направлена от центра земли на северный полюс, ось X пересекает гринвичский меридиан, а ось Y направлена, как всегда, вбок.

В глобальных системах отсчета не делают карт и их эллипсоиды не являются референсными. Их задача взаимоувязка разных датумов разных стран и регионов и определение коэффициентов для точного пересчета координат из одной системы в любую другую и обратно. Исключение составляет WGS84, которая, благодаря GPS, стала такой популярной, что изготовление карт на ее базе - занятие, хоть и не вполне законное, но весьма распространенное.

Преобразование координат.

Чтобы пересчитать координаты из одного датума в другой максимально точно, нужно выполнить четыре действия:

• Пересчитать градусные координаты в декартову систему X, Y, Z.
• Повернуть и сдвинуть систему координат в соответствии с новым датумом
• Вычислить новые координаты
• На новом эллипсоиде определить новые координаты в градусах.

Пересчет координат в сдвинутую и повернутую систему производится по формулам преобразования Гелмерта (Friedrich Robert Helmert). Для расчетов потребуется три параметра для смещения, три для углов поворота и один масштабный коэффициент. Поэтому это преобразование часто называется "семипараметрическим". Пересчет в градусы потребует еще два параметра эллипсоида - диаметр и степень полярного сжатия. Коэффициенты преобразования рассчитываются для каждой страны и утверждаются соответствующим нормативным документом. Для России это ГОСТ Р 51794-2001.

Мы ничего пересчитывать не будем. Для нас это слишком сложно. Обычные спутниковые навигаторы этого тоже не делают, а используют более простые формулы, предложенные российским ученым М. С. Молоденским. По этим формулам координаты пересчитываются прямо из градусов в градусы и требуют для задания датума только 3 коэффициента (dX, dY, dZ) плюс два параметра эллипсоида (da и df). В практике спутниковой навигации набор из пяти коэффициентов для пересчета координат из WGS-84 в данную систему координат и называются датумом этой системы. Эти пять коэффициентов придется ввести в ваш навигатор или навигационную программу, если она не знает нужный вам датум.

Коэффициенты сдвига для преобразования Гемерта и Молоденского в общем случает не совпадают. Первые три параметра семпараметрического преобразования в формулах Молоденского использовать нельзя.В частности не стоит использовать для ввода в GPS приемники и программы, коэффициенты и приведенного выше ГОСТа.

Для карты с неизвестным датумом, его можно рассчитать, зная координаты трех точек в WGS и с карты, а также параметры эллипсоида, на котором она построена. Для этого существует бесплатная программа InvMol. Делается это так:

• Создаете пользовательский датум с параметрами нужного эллипсоида и нулевыми коэффициентами (как это делается в OziExplorer, написано в последней главе этой статьи), и привязываете карту в этом датуме.
• Находите три точки на карте и записываете их координаты в этом датуме.
• Находите координаты этих же точек в WGS84, съездив туда с навигатором или найдя их в GoogleEarth.
• Пересчитываете все координаты в секунды, умножив градусы на 3600 и минуты на 60, и вводите их в программу.
• Меняете нули в датуме на полученные коэффициенты, перезапускаете OziExplorer и проверяете, совпали ли фактические точки с точками на карте.

Для перехода из WGS84 в Пулково 1942 и обратно вы можете и сами рассчитать эти параметры для своего региона, воспользовавшись эксельной таблицей SK42toWGS84.xls.

Преобразование молоденского не является точным, особенно если системы координат развернуты друг относительно друга и действительно только для ограниченной территории. Для разных стран и их систем ошибки могут достигать 30 метров, но для принятого в России и Украине датума Пулково-1942 обычно не превышают единиц метров. Этого вполне достаточно, если учесть, что сама система СК42 имеет локальные деформации до 10 метров, а объекты местности на доступных нам картах зачастую нанесены с ошибками от 50 до 100 метров. Следует учестьи то, что под названием "Преобразование Молоденского" может скрываться целых три разных набора формул, отличающихся разной степенью упрощения. Какое из трех используется в данном приборе или программе, известно только ее разработчикам.

Нулевые меридианы

Если у вас хватило терпения дочитать до этого места, то вы явно еще что-то помните из школьного курса географии. Вы точно знаете, что географическая широта отсчитывается от экватора и бывает северной и южной. Меридианы считаются на запад и на восток от нулевого меридиана или Гринвича, который находится в далекой Англии. Но Британия не всегда была владычицей морей и никогда не была лидером мировой астрономии и геодезии. Поэтому и нулевой меридиан вначале принадлежал не им.

Изначально все было гораздо правильнее и умнее. Чтобы не заморачиваться с восточной и западной долготой, нулевой меридиан поместили в самую западную точку старого света - остров Ферро (El Hierro) Канарского архипелага и привязали его к одинокому маяку на безлюдной скале. В результате вся Европа оказалась в восточном полушарии, а Америка в западном, что было очень удобно. Не удобно было то, что остров находился далеко в океане, и точно померить расстояние до него было в то время практически невозможно. Тогда было принято соломоново решение - договориться, что от Ферро до Парижа, где в то время была одна из самых современных обсерваторий, по широте ровно 20 градусов. После этого все меридианы измеряли от Парижа, а на картах писали от Ферро, добавив 20 градусов. Впоследствии оказалось, что этот маяк от Парижа находится на 29 минут или на 50 километров дальше, но это ничего не изменило.

В середине XIX века российские геодезисты Карл Теннер и Василий Струве очень точно померяли дугу земного меридиана, а Федор Шуберт, погрузив с собой несколько десятков высокоточных хронометров, отправился проверять меридианы. В результате были получены точные координаты нескольких сотен населенных пунктов по всей Европе, в том числе и точные координаты Пулковской обсерватории. С тех пор все измерения в России производили от Пулково, а координаты на картах писали вначале от Ферро, а затем от Пулково и Парижа, и только в начале двадцатого века на картах появился Гринвич.

Для того, чтобы пересчитать координаты на старых картах к современному Гринвичу к ним нужно добавить или из них вычесть соответствующую разницу. Эту величину лучше брать именно ту, которой она считалась во времена составления карты, например, из книги Шуберта "Expos des travaux astronomiques et geodesiques executes in russie":

От Ферро	Вычесть	17° 39' 50.60"
От Парижа	Добавить	02° 20' 09.40"
От Пулково	Добавить	30° 19' 40.11"

При этом надо не забывать, что от Пулково долгота тоже может быть восточной, и ее надо прибавлять к долготе Пулково, и западной, которую надо вычитать. Те, кто не помнят сколько минут в градусе или не в состоянии складывать в столбик десятично-шетидесятиричные числа, могут воспользоваться эксельной табличкой - LonCalc.xls.

Датумы нашей Родины.

Российская империя.

Карты, для которых имеет смысл говорить о датуме, появились в России в начале XIX века. Эти карты составлялись на основе весьма точной для того времени инструментальной съемки с использованием, наиболее соответствовавшего известной на тот момент форме земли, эллипсоида Бесселя 1841. На карты наносилась градусная сетка с долготой, указанной, для более поздних карт - от Пулково и Парижа, для более ранних - от Ферро. К слову сказать, известная в то время долгота острова Ферро весьма значительно отличалась от более точных значений, которые стали известны позднее.

Карты Менде. Генерал-майор А. И. Менде руководил топографическими съемками на большей части территории европейской России в течение 1848-1866 годов. При этом Тверская, Рязанская, Тамбовская и Владимирская губернии были закартографированы в масштабе 1 верста в 1 дюйме, Ярославская - 2 версты в 1 дюйме, Симбирская и Нижегородская - 3 версты в 1 дюйме, Пензенская - в масштабе 8 верст в 1 дюйме.
Отличительной чертой этих карт является то, что они выполнены в цвете. Долгота на них указана от острова Ферро.

Карты Шуберта. Генерал-лейтенант Федор Федорович Шуберт руководил топографическими работами в Росси с 1819 по 1843 год и, поэтому, все издаваемые в те годы карты имели к нему непосредственное отношение. Однако картами Шуберта принято считать только выпущенную в 1848 году на 6 листах топографическую карту окрестностей Москвы в масштабе 1 верста в дюйме,двухверстную карту Московской губернии 1860 года на 40 листах и, издававшуюся с 1821 по 1839 годы, Специальную карту Европейской России в масштабе 10 верст в дюйме, проекции Бонне и координатами от Ферро. Трехверстные карты России, изданные позднее, (с 1850 года), картами Шуберта считать нельзя.

При составлении своих карт, Шуберт не преследовал цель получить такую высокую точность, которая была характерна для триангуляций Теннера и Струве, руководивших в то время аналогичными работами в России. Основное внимание он уделял подробности и достоверности изображения на картах местных предметов.

Карты Стрельбицкого. В 1865 году под руководством Капитана Генерального Штаба Стрельбицкого, были начаты работы по переизданию, не отличавшихся высокой точностью, десятиверсток Шуберта. Новая Специальная карта Европейской России 10 верст в дюйме на 174 листах, уже в конической проекции Гаусса с координатами от Пулково и Парижа, была издана в 1971 году, дополнялась и переиздавалась вплоть до 1919 года.

Военная топографическая карта Российской империи в масштабе 3 версты в дюйме начала издаваться с 1850 года. Съемка, корректировка и издание дополнительных листов продолжалась до начала XX века. Эти карты достаточно подробны и охватывают наибольшую территорию.

Насколько точны дореволюционные карты? Оценить точность карт, не зная их датума и параметров проекции - невозможно. Использование их с несоответствующими параметрами датума и не в тех проекциях, приводит к ошибкам определения координат до нескольких километров. Для научных кругов эти карты представляют, по-видимому, только исторический интерес. Во всяком случае, научные работы, посвященные исследованию дореволюционных карт с точки зрения геодезии, мне неизвестны.

Привязка карт в программе OziExplorer с учетом параметров их проекций на эллипсоиде Бесселя с нулевыми параметрами преобразования выявили расхождения между изображением объектов на карте и их реальным положением на местности не более километра для карт Стрельбицкого и не более 400 метров для любой из трехверсток. Статистическая обработка координат нескольких десятков объектов на трехверстной карте Екатеринославской губернии 1888 года выявило разброс их значений в пределах 300 метров со смещением среднего значения порядка 200 метров, что позволило вычислить датум для этой карты - Bessel,3,606,151,407.

Выяснить, является ли это смещение отличием датума или это локальная его деформация в пределах отдельного региона, без обработки большого объема экспериментальных данных, собранных почти по всей территории восточной Европы, пока не представляется возможным.