World Geodetic System 1984

World Geodetic System 1984 (WGS 84) — это геодезическая стандартная система координат, используемая для определения местоположения на поверхности Земли. Она представляет собой единую мировую систему отсчёта, которая включает в себя эллипсоид (математическую модель формы Земли), геоид (модель уровня моря) и гравитационную модель. WGS 84 является основой для глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS), в частности GPS (Global Positioning System), и широко применяется в картографии, навигации, геоинформационных системах (ГИС) и геодезии. Система была разработана Министерством обороны США и впервые опубликована в 1984 году, заменив предыдущие версии WGS 60, WGS 66 и WGS 72.

История создания

Разработка WGS 84 была вызвана необходимостью создания единой, глобальной и высокоточной системы координат, которая могла бы заменить множество локальных и региональных геодезических датумов (например, NAD 27 в Северной Америке или Пулково-42 в СССР). До появления спутниковых технологий геодезические измерения были привязаны к конкретным точкам на поверхности Земли, что приводило к значительным расхождениям между системами разных стран.

В 1970-х годах с развитием спутниковой геодезии, в частности программы Transit (США) и системы ГЛОНАСС (СССР), стало возможным создание глобальной модели. Работы по WGS 84 велись под руководством Национального агентства геопространственной разведки США (NGA, ранее — DMA). Система была официально принята в 1984 году и начала внедряться с 1987 года. Первоначально она использовалась исключительно для военных целей, но с 1990-х годов стала доступна для гражданского применения.

Система координат и эллипсоид

WGS 84 использует трёхмерную декартову систему координат (X, Y, Z) с началом в центре масс Земли. Ось Z направлена на Северный полюс (по оси вращения Земли), ось X — на пересечение нулевого меридиана (Гринвич) и экватора, а ось Y — дополняет систему до правой. Для представления координат на поверхности Земли применяются геодезические широта (φ), долгота (λ) и высота (h) относительно эллипсоида.

Параметры эллипсоида WGS 84

Эллипсоид WGS 84 является референц-эллипсоидом, то есть математической аппроксимацией формы Земли. Его основные параметры:

• Большая полуось (a): 6 378 137,0 м (экваториальный радиус).
• Малая полуось (b): 6 356 752,3142 м (полярный радиус).
• Сжатие (f): 1/298,257223563 (отношение разности полуосей к большой полуоси).
• Эксцентриситет (e²): 0,00669437999014.

Эти параметры были уточнены в 1997 году (WGS 84 (G730)) и 2004 году (WGS 84 (G1150)) на основе данных спутниковой гравиметрии. В версии G2139 (2021 год) сжатие было скорректировано до 1/298,257222101, что приблизило систему к современным моделям, таким как ITRS (International Terrestrial Reference System).

Геоид и гравитационная модель

WGS 84 включает в себя модель геоида — поверхности уровня моря, усреднённой по всему миру. Геоид WGS 84 (EGM96 — Earth Gravitational Model 1996) представляет собой гармоническое разложение гравитационного поля Земли до степени и порядка 360. Это позволяет вычислять высоту геоида (отклонение от эллипсоида) с точностью до нескольких сантиметров. В 2008 году была принята обновлённая модель EGM2008, которая также согласована с WGS 84.

Применение

Глобальная навигация и GPS

WGS 84 является основной системой координат для GPS. Все спутники GPS передают свои эфемериды (орбитальные данные) в этой системе. Приёмники GPS вычисляют координаты пользователя в WGS 84, которые затем могут быть преобразованы в локальные датумы (например, СК-42 в России). Точность определения координат в гражданском режиме составляет около 5–10 метров, в дифференциальном режиме (DGPS) — до 1 метра.

Картография и ГИС

Большинство современных картографических сервисов (Google Maps, Яндекс.Карты, OpenStreetMap) используют WGS 84 в качестве базовой системы. В России для государственных карт и кадастровых работ применяется система МСК (местные системы координат), но исходные данные часто получаются в WGS 84. При этом для отображения на плоскости используются проекции, например, UTM (Universal Transverse Mercator) или проекция Меркатора.

Авиация и морская навигация

Международная организация гражданской авиации (ICAO) и Международная морская организация (IMO) рекомендуют использовать WGS 84 для всех навигационных целей. Это обеспечивает совместимость систем управления воздушным движением и судовых навигационных приборов.

Геодезия и геофизика

WGS 84 применяется для изучения тектонических движений, деформаций земной коры, а также для построения глобальных моделей рельефа (например, SRTM). В России система используется в научных исследованиях, но для государственных геодезических сетей предпочтительнее ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 года), которая является аналогом WGS 84 для ГЛОНАСС.

Сравнение с другими системами

WGS 84 и ПЗ-90

ПЗ-90 — это российская геодезическая система, разработанная для ГЛОНАСС. Она имеет схожие параметры с WGS 84, но отличается уточнёнными значениями большой полуоси (6 378 136,5 м) и сжатия (1/298,25784). В 2013 году была принята версия ПЗ-90.11, которая сближена с WGS 84 до уровня нескольких сантиметров. Для практических задач разница между системами незначительна и обычно компенсируется программными преобразованиями.

WGS 84 и ITRS

Международная земная система отсчёта (ITRS) поддерживается Международной службой вращения Земли (IERS) и считается более точной, чем WGS 84. ITRS основана на данных глобальной сети станций космической геодезии (VLBI, SLR, GNSS). WGS 84 периодически обновляется для согласования с ITRS, и в настоящее время их расхождение составляет менее 1 мм.

Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, WGS 84 имеет ряд недостатков:

• Статичность модели: Эллипсоид WGS 84 не учитывает тектонические движения плит (например, смещение континентов на 2–5 см в год). Для долгосрочных измерений это может приводить к ошибкам.
• Зависимость от США: Система поддерживается Министерством обороны США, что вызывает опасения у других стран относительно безопасности и независимости навигационных данных. В ответ на это Россия, Китай и ЕС разработали собственные системы (ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo).
• Точность в полярных регионах: Вблизи полюсов эллипсоид WGS 84 даёт погрешности из-за особенностей гравитационного поля, что требует использования локальных моделей геоида.

Интересные факты

• Нулевой меридиан WGS 84 (долгота 0°) проходит через Гринвичскую обсерваторию в Лондоне, но из-за уточнения параметров эллипсоида он смещён на 102 метра к востоку от исторического меридиана Гринвича.
• В 2014 году NGA объявило о планах перехода на новую систему WGS 84 (G2139), которая будет полностью согласована с ITRS и учитывать современные данные гравиметрии.
• WGS 84 используется для определения координат всех объектов на поверхности Земли, включая горы, океанические впадины и даже искусственные спутники.

Источники

• National Geospatial-Intelligence Agency (NGA). «World Geodetic System 1984 (WGS 84)». Technical Report, 2014.
• International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS). «Conventions (2010)». IERS Technical Note No. 36.
• ГОСТ Р 51794-2008. «Глобальные навигационные спутниковые системы. Системы координат. Методы преобразований координат определяемых точек».
• Hofmann-Wellenhof, B., Lichtenegger, H., & Collins, J. «Global Positioning System: Theory and Practice». Springer, 2001.
• Морозов, В. П. «Геодезическая астрономия и сфероидическая геодезия». М.: Недра, 1988.