World Geodetic System 1960

World Geodetic System 1960 (WGS 60) — это первая версия глобальной геодезической системы координат, разработанная Министерством обороны США для обеспечения единой системы позиционирования на всей поверхности Земли. WGS 60 стала основой для последующих уточнённых версий, включая WGS 66, WGS 72 и современную WGS 84, которая широко используется в спутниковой навигации (в частности, в GPS). Система была создана для замены разрозненных национальных и региональных датумов (систем отсчёта) и обеспечения совместимости картографических и навигационных данных, используемых вооружёнными силами США и их союзниками.

История создания

Предпосылки

До середины XX века геодезические измерения в разных странах и регионах базировались на локальных референц-эллипсоидах и датумах, ориентированных на конкретные территории. Например, в Северной Америке использовался датум North American Datum 1927 (NAD 27), в Европе — European Datum 1950 (ED 50), а в СССР — система координат 1942 года (СК-42). Эти системы были несовместимы друг с другом: координаты одного и того же объекта, вычисленные в разных датумах, могли различаться на сотни метров. С развитием ракетной техники, авиации и систем глобального позиционирования возникла необходимость в единой системе, которая позволяла бы однозначно определять положение целей и средств наведения.

Разработка

Работы по созданию WGS 60 начались в 1958 году под руководством Картографического агентства Министерства обороны США (ныне — Национальное агентство геопространственной разведки, NGA). Для построения системы использовались данные астрономических наблюдений, гравиметрических съёмок и результаты обработки траекторий искусственных спутников Земли (в частности, спутников серии «Транзит»). Ключевой задачей было определение параметров земного эллипсоида (большая полуось и сжатие) и центра масс Земли относительно которого задавалась система координат.

Публикация и применение

WGS 60 была официально принята в 1960 году. Она использовалась в основном для военных целей: для расчёта траекторий баллистических ракет, навигации стратегической авиации и составления единых карт. Однако точность системы была ограничена: погрешность определения координат составляла порядка 100–200 метров, что было связано с недостаточным объёмом глобальных гравиметрических данных и несовершенством методов обработки спутниковых наблюдений. Уже в 1966 году её сменила более точная версия WGS 66.

Параметры и характеристики

Референц-эллипсоид

WGS 60 использует собственный референц-эллипсоид, параметры которого были определены на основе имевшихся на тот момент данных. Основные параметры эллипсоида WGS 60:

Эти значения отличаются от параметров более поздних систем (например, в WGS 84 большая полуось составляет 6 378 137 м, а сжатие — 1/298,257223563). Разница в большой полуоси между WGS 60 и WGS 84 составляет 23 метра, что при глобальном применении даёт смещение координат на десятки метров.

Система координат

WGS 60 представляет собой геоцентрическую систему координат: начало координат совмещено с центром масс Земли. Оси ориентированы следующим образом:

• Ось Z — направлена на условный полюс Земли (средний полюс эпохи 1900–1905, так называемый Conventional International Origin).
• Ось X — лежит в плоскости экватора и направлена на Гринвичский меридиан.
• Ось Y — дополняет систему до правой тройки (направлена на 90° восточной долготы).

Координаты точки задаются в виде геодезических широты, долготы и высоты над эллипсоидом.

Гравитационная модель

Для WGS 60 была разработана первая глобальная модель гравитационного поля Земли, представленная в виде разложения геопотенциала в ряд по сферическим функциям до 8-й степени и порядка. Коэффициенты модели были получены путём обработки данных наземных гравиметрических съёмок и наблюдений за возмущениями орбит спутников. Эта модель позволила с приемлемой точностью рассчитывать аномалии силы тяжести и уклонения отвесных линий.

Применение

Военное

Основным пользователем WGS 60 были вооружённые силы США. Система применялась для:

• навигации стратегических бомбардировщиков (B-52, B-58);
• расчёта траекторий межконтинентальных баллистических ракет (Atlas, Titan, Minuteman);
• целеуказания для систем ПВО и ПРО;
• составления единых карт для всех родов войск.

Картография и геодезия

WGS 60 использовалась для создания серий топографических карт масштаба 1:250 000 и 1:1 000 000, покрывающих территорию всего земного шара. Однако из-за низкой точности многие страны, особенно за пределами зоны влияния США, продолжали использовать собственные датумы. В СССР работы по созданию глобальной геодезической системы (ПЗ-90) велись независимо.

Научные исследования

Система применялась для изучения фигуры Земли и её гравитационного поля. Данные, полученные при разработке WGS 60, стали основой для более точных моделей, в том числе для уточнения параметров земного эллипсоида.

Критика и ограничения

Точность

Главным недостатком WGS 60 была низкая точность. Погрешность определения координат составляла 100–200 м, что было неприемлемо для многих задач, особенно для наведения высокоточного оружия. Причиной являлась нехватка глобальных гравиметрических данных: значительные территории (океаны, полярные регионы, Африка, Азия) были покрыты измерениями лишь фрагментарно.

Несовместимость с другими системами

WGS 60 не была согласована с большинством национальных датумов. Переход от местных систем к WGS 60 требовал сложных преобразований, которые вносили дополнительные ошибки. Например, для перехода от NAD 27 к WGS 60 использовались таблицы смещений, точность которых составляла 10–30 метров.

Устаревание

Уже к середине 1960-х годов стало ясно, что WGS 60 не удовлетворяет возросшим требованиям. Развитие спутниковой геодезии и появление более точных гравиметрических данных позволили создать WGS 66, а затем WGS 72, которые значительно превзошли предшественницу по точности.

Наследие

Несмотря на ограничения, WGS 60 стала важной вехой в развитии глобальных геодезических систем. Она доказала принципиальную возможность создания единой системы координат для всей планеты и заложила методологическую основу для последующих версий. Опыт, полученный при её разработке, был использован при создании WGS 84, которая до сих пор является стандартом для GPS и многих других навигационных систем. В настоящее время WGS 60 не применяется, а все данные, привязанные к этой системе, пересчитываются в более современные датумы.

Источники

• Defense Mapping Agency. World Geodetic System 1960. Technical Report, 1960.
• NIMA. Department of Defense World Geodetic System 1984: Its Definition and Relationships with Local Geodetic Systems. 3rd ed., 2000.
• Bomford, G. Geodesy. 4th ed., Oxford University Press, 1980.
• Seeber, G. Satellite Geodesy. 2nd ed., Walter de Gruyter, 2003.