Географические и геодезические координаты

Географические координаты ввел во II в. до н. э. греческий ученый Гиппарх. Земля представлялась в то время как однородный шар.

Географическими координатами являются угловые величины, называемые широтой и долготой, определяющие положение точки земной поверхности относительно экватора и начального меридиана.

Плоскость экватора проходит через центр Земли и перпендикулярна к ее оси вращения. В качестве начального меридиана избран меридиан, проходящий через Гринвичскую обсерваторию (Англия). Однако сама Гринвичская обсерватория в настоящее время не функционирует и сохраняется лишь как историческое место. Следует заметить, что на почетную роль начального меридиана в разное время претендовали Пулковский, Парижский, Лиссабонский и другие меридианы. Плоскость любого меридиана проходит через ось вращения Земли.

Географическая долгота – двугранный угол (l) между плоскостью начального меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через данную точку, измеряемый в экваториальной плоскости (рис. 2, а) вправо и влево от начального меридиана, т. е. долгота бывает восточная (+) и западная (-) от 0 до 180°.

Географическая широта – угол (j) между радиусом шара, т. е. отвесной линией проходящей через данную точку, и плоскостью экватора. Широта на экваторе равна 0, на полюсах: северном +90°, на южном –90°.

Координаты, получаемые из непосредственных полевых наблюдений светил, стали называть астрономическими.

Астрономическая широта (j_А) – угол, образованный отвесной линией в данной точке и плоскостью, перпендикулярной к оси вращения Земли.

Астрономическая долгота (l_А) – двугранный угол между плоскостями астрономических меридианов данной точки и начального меридиана. Астрономический меридиан образуется сечением земной поверхности плоскостью, проходящей через отвесную линию в данной точке параллельно оси вращения Земли.

Рис. 2. Системы координат. Определение координат точки А:

а – географической долготы (l) и широты (j) на шаре;
б – в эллипсоидальной (В, L, Н = АА₀) и
пространственной системах координат (Х_А, Y_A, Z_A)

Системы координат, применяемые в современной геодезии, можно разделить на две группы: эллипсоидальные, определяющие положение точки на поверхности эллипсоида; прямоугольные (двухмерные на плоскости, трехмерные в пространстве). К эллипсоидальным относятся геодезические координаты.

Геодезическая широта (В) – угол между нормалью к поверхности эллипсоида в данной точке и плоскостью экватора (рис. 2, б).

Геодезическая долгота (L) – двугранный угол между плоскостями геодезического меридиана (на поверхности эллипсоида) данной точки и начального меридиана.

В настоящее время географические координаты рассматриваются как обобщенное понятие об астрономических и геодезических координатах, когда уклонения отвеса от нормали к эллипсоиду не учитываются.

Геодезическую систему координат, связанную с общеземным эллипсоидом, распространенную на всю планету и предназначенную для решения научных и практических задач на планетарном или региональном уровнях, называют общеземной системой.

На поверхности Земли координатные системы закрепляют пункты геодезических сетей, которые являются их составной частью. Поэтому из-за неравномерности размещения геодезических пунктов, погрешностей измерений, особенностей их математической обработки общеземные системы координат различаются между собой.

Геодезическую систему координат, связанную с референц-эллипсоидом, распространяемую в пределах материка или территории того или иного государства, называют референцной системой.

Геодезические системы координат включают:

параметры эллипсоида;

высоту геоида над эллипсоидом в начальном пункте;

исходные геодезические даты (геодезические широта и долгота начального пункта, азимут с начального пункта на ориентирный пункт геодезической сети).

В работах по геодезии, картографии и топографии, выполняемых в СССР и затем в России, с 1946 г. принят эллипсоид Красовского (начальный пункт Пулково; превышение геоида над референц-эллипсоидом в начальном пункте равно нулю).

Размеры эллипсоида Красовского довольно близки к размерам общеземного эллипсоида, а их сжатия практически совпадают.

Эллипсоид Красовского в качестве координатной поверхности вместе с выбранными исходными геодезическими датами (координатами начального пункта геодезической сети страны и азимутом исходной стороны) образует государственную референцную «Систему координат 1942 г.» (СК-42).

В настоящее время Государственными системами геодезических координат и высот России являются система координат 1995 г. (СК-95), введенная постановлением Правительства РФ с 1 июля 2002 г., и Балтийская система высот. В качестве координатной поверхности в этой системе используется эллипсоид Красовского. За начало координат (как и в СК-42) приняты координаты центра Пулковской астрономической обсерватории, за исходный уровень отсчета высот – средний многолетний уровень Балтийского моря с исходным пунктом нивелирной сети в Кронштадте.

Положение пунктов в принятой системе координат может задаваться следующими координатами:

пространственными прямоугольными координатами X, Y, Z (направление оси Z совпадает с осью вращения отсчетного эллипсоида, ось X лежит в плоскости нулевого меридиана, а ось Y дополняет систему до правой; началом системы координат является центр отсчетного эллипсоида);

геодезическими координатами: широтой – В, долготой – L, высотой – Н. Геодезическая высота Н отсчитывается от точки на земной поверхности по нормали до поверхности эллипсоида;

плоскими прямоугольными координатами х и у, вычисляемыми в проекции Гаусса–Крюгера. Третья координата – абсолютная высота измеряется от среднего уровня Балтийского моря.

Астрономические долготы и широты, обозначаемые соответственно буквами j_А и l_А, получаются из прямых полевых наблюдений небесных светил, а геодезические обозначаются буквами В и L и связаны с размерами и ориентированием конкретного референц-эллипсоида в теле Земли и могут быть только вычислены. Началом координат в геодезической системе (на референц-эллипсоиде) служит точка ориентирования эллипсоида с известными астрономическими координатами (у нас в стране – это сигнал «А», т. е. центр круглого зала Пулковской обсерватории).

Геодезические координаты относятся к нормали к поверхности эллипсоида, а географические – к отвесной линии, т. е. нормали к уровенной поверхности, или к геоиду. Отвесная линия, нормаль к эллипсоиду и радиус-вектор эллипсоида, проведенные через одну и ту же точку на поверхности эллипсоида, занимают разные положения в пространстве.

Угол между отвесной линией и нормалью к поверхности эллипсоида называют уклонением отвесной линии, оно составляет от 2 – 3" до 30 – 40" и более в аномальных районах. Угол в 1" на поверхности Земли соответствует дуге в 30 м. Из-за этого различия в астрономических и геодезических координатах могут колебаться от сотни метров в среднем до километра и более в аномальных районах. Поэтому для перехода от астрономических широт и долгот к геодезическим необходимо определять в разных пунктах Земли уклонения отвесных линий. Учет этих различий при расчетах обязателен для всех топографических карт. Игнорировать их можно только при мелкомасштабном картографировании.

В настоящее время в спутниковой геодезии применяются две общеземные системы координат: Всемирная геодезическая система WGS-84 и Российская система ПЗ-90 (Параметры Земли).

В системе WGS-84 начало отсчета координат задано в центре масс Земли; ось Z пространственной прямоугольной системы координат параллельна направлению на условный земной полюс (Международное условное начало МУН); ось X определяется плоскостями условного меридиана (параллелен нулевому меридиану) и экватора; ось Y дополняет систему координат до правой. Начало и положение осей этой координатной системы совпадает с геометрическим центром и осями общеземного эллипсоида WGS-84 с параметрами: а = 6 378 137 м,
a = 1:298,257 223 563, е² = 0,006 694 380.

Система координат WGS-84, полученная в США по данным наблюдений ИСЗ, в дальнейшем неоднократно уточнялась, и с 1994 г. используется версия WGS-84 (G 730).

Система координат ПЗ-90 также является геоцентрической прямоугольной пространственной системой с началом в центре масс Земли; ось Z направлена к условному земному полюсу, а ось X – в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана. Полученные в результате модернизации геодезические параметры Земли относятся к 2002 г., поэтому новой системе дано обозначение ПЗ-90 (2002). Параметры эллипсоида в этой системе следующие: а = 6 378 136 м, a = 1:298,257 839 303, е² = 0,006 694 6619.

Системы координат WGS-84 и ПЗ-90 весьма близки друг к другу. Так, например, размеры больших полуосей эллипсоидов различаются на 1 м.