Геоцентрическая система координат ПЗ-90

Система координат ПЗ-90 (Параметры Земли 1990) года ПЗ-90 была разработана Топографической службой Вооруженных сил Российской Федерации. Параметры ПЗ-90 включают:

- фундаментальные астрономическими и геодезические постоянные,

- характеристики координатной основы (параметры земного эллипсоида, координаты пунктов, закрепляющих систему, параметры связи с другими системами координат),

- планетарные модели нормальных и аномальных гравитационных полей Земли, локальные характеристики гравитационных полей (высоты геоида над общим земным эллипсоидом и аномалии силы тяжести).

Начало системы расположено в центре масс Земли.

Ось Z направлена к среднему северному полюсу на среднюю эпоху 1900-1905 г.г. (МУН).

Ось X лежит в плоскости земного экватора эпохи 1900-1905 г.г., и плоскость (XOZ) определяет положение нульпункта принятой системы счета долгот.

Ось Y дополняет систему координат до правой.

Геодезические координаты В, L, H относятся к общему земному эллипсоиду с большой полуосью а и сжатием a (табл.1). Ось вращения (малая полуось) совпадает с осью Z, плоскость начального меридиана (L=0) совпадает с плоскостью (XOZ).

Спутниковая геоцентрическая система координат закреплена на территории СНГ координатами 30 опорных пунктов космической геодезической сети со средними расстояниями 1-3 тысячи километров. Точность взаимного расположения пунктов характеризуется ошибками в 10, 20 и 30 см для расстояний соответственно в 100, 1000 и 10000 км. Ошибки привязки СГС-90 к геоцентру по абсолютной величине не превышают 1.5 м. Планетарные модели гравитационного поля Земли получены в виде разложений в ряд по сферическим функциям до 36 и 200 степени и порядка систем точечных масс (32000 параметров). Средняя квадратическая ошибка высоты геоида над эллипсоидом равна 1.5 м, что не уступает зарубежным моделям, а на территории СНГ превосходит их по точности. Для системы ПЗ-90 получены параметры связи с системами СК-42 и WGS-84 (табл. 1.3).

Cистема WGS-84.Мировая геодезическая система WGS-84 (World Geodetic System - 84) была разработана Военно-картографическим агентством Министерства обороны США [DMA 1991]. Система WGS-84 реализована путем модификации координатной системы NSWC-9Z-2, путем приведения ее в соответствие с данными Международного Бюро Времени (МБВ). Для этого система NSWC-9Z-2 была сдвинута на -4.5 м по оси Z, повернута к западу на 0.814”, и масштабирована на - 0.6·10^-6.

Начало системы WGS-84 находится в центре масс Земли, ось Z направлена к Условному земному полюсу (УЗП), установленного МБВ на эпоху 1984.0. Ось X находится на пересечении плоскости опорного меридиана WGS-84 и плоскости экватора УЗП. Опорный меридиан является начальным (нулевым) меридианом, определенным МБВ на эпоху 1984.0. Ось Y дополняет систему до правой, т.е. под углом 90^о на восток. Начало координатной системы WGS-84 и ее оси также служат геометрическим центром и осями референц-эллипсоида WGS-84. Этот эллипсоид является эллипсоидом вращения. Его параметры почти идентичны параметрам международного эллипсоида GRS80.

РЕФЕРЕНЦНЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ - эти земные системы связаны с локальными референц-эллипсоидами. Центры референц-эллипсоидов как правило не совпадают с центром масс Земли из-за ошибок ориентирования. Поэтому эти системы иногда называют еще квазигеоцентрическими.

Основной плоскостью в референцной системе является плоскость экватора референц-эллипсоида. Ось Z направлена по нормали к экватору, вдоль малой оси эллипсоида. Ось X направлена в плоскости начального меридиана геодезической системы, то есть проходит через точку B=0, L=0. Ось Y дополняет две предыдущие оси до правой (или левой) координатной системы. Возможно использование размеров и формы одного и того же эллипсоида в различных координатных системах, отличающихся своей ориентировкой (исходными геодезическими датами).

В референцных системах обычно применяются геодезические (сфероидические) координаты (рис. 3.6): геодезическая широта B, геодезическая долгота L и высота над эллипсоидом H.

Система 1942 года (СК-42) является основной системой координат, принятой для использования в России (и в бывшем Советском Союзе). После 1946 года, когда были приняты параметры нового эллипсоида, более подходящего на территории нашей страны для обработки астрономо-геодезических построений и картографирования, в России была установлена система исходных геодезических дат с началом в пункте Пулково и поверхностью относимости в виде референц-эллипсоида Красовского.

По теоретическому определению начало системы координат 1942 года (СК-42) близко к центру масс Земли, но не совпадает с ним примерно на 200 м. Ось Z₄₂ параллельна оси Z общеземной системы, ось X₄₂ определяется положением нульпункта принятой системы счета долгот, ось Y₄₂ дополняет систему до правой.

Центр референц-эллипсоида СК-42 совпадает с началом прямоугольной системы координат (X₄₂, Y₄₂, Z₄₂), ось вращения совпадает с осью Z₄₂, плоскость начального меридиана совпадает с плоскостью (XOZ)₄₂.

Линейные и угловые элементы ориентирования задают координаты центра референц-эллипсоида Красовского и ориентировку осей системы 1942 г. в общеземной системе координат. Система была реализована на территории страны системой 87 уравненных полигонов триангуляции 1-го класса, полностью покрывавших Европейскую часть страны и распространявшихся на восток в виде узкой цепочки полигонов. Сеть триангуляции уравнивалась отдельными блоками. На границе блоков результаты предыдущего уравнивания принимались за безошибочные и таким образом координаты постепенно передавались все далее на восток. В каркас полигонов 1-го класса вставлялась заполняющая сеть триангуляции 2-го класса. Такой принцип построения сети привел к неизбежным деформациям сети.

Система 1995 года (СК-952) В 1991 г. построенная на территорию страны астрономо-геодезическая сеть (АГС) из 164000 пунктов была уравнена как единое целое. Результаты уравнивание подтвердили наличие значительных деформаций в сети, достигавших на севере и на востоке 20 – 30 метров. Локальные деформации на границах блоков иногда достигали 10 м.

Точность взаимного положения пунктов в уравненной сети характеризуется средними квадратическими ошибками в 6, 20, 60 и 200 см при расстояниях соответственно в 10, 100, 1000 и 10000 км. Проведенное уравнивание АГС показало необходимость в новой системе с однородной точностью координат по всей стране. Для повышения точности было решено использовать результаты высокоточных спутниковых измерений на 26 пунктах Космической геодезической сети (КГС), построенной ВТУ, и 134 пунктах Доплеровской геодезической сети (ДГС), созданной Роскартографией. В качестве дополнительных измерений в общее решение вошли геоцентрические расстояние геодезических пунктов, с использованием гравиметрических высот квазигеоида. Результаты проведенного в 1995 г. совместного уравнивания стали основой системы геодезических координат 1995 г. (СК-95).

Оси системы СК-95 параллельны осям общеземной системы ПЗ-90, то есть связь между этими системами устанавливается только тремя параметрами переноса. Другое условие реализации системы заключалось в неизменности геодезических координат пункта Пулково, то есть координаты начала геодезической сети в системах СК-42 и СК-95 были приняты одинаковыми. Это нестандартное решение привело к тому, что поправки в координаты пунктов на Европейской части России и на юге Сибири оказались настолько минимальными, что не потребовалось переиздание карт до масштаба 1:10000. А для районов северо-востока страны карты этого масштаба практически отсутствуют.

Точность привязки СК-95 к центру масс Земли характеризуется СКО порядка 1 м. Координаты пунктов ГГС в системе СК-95 имеют одинаковую точность для всей сети. Точность взаимного положения для смежных пунктов составляет 3-5 см, для пунктов, удаленных на 200 - 300 км – 20 - 30 см, для 500 и более км ошибка возрастает до 50 - 80 см. За отсчетную поверхность принят референц-эллипсоид Красовского [Макаренко и др. 2000].