Системы координат в геодезии и их связи
Покупка
Тематика:
Геодезия. Картография
Издательство:
ННГАСУ
Год издания: 2023
Кол-во страниц: 144
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-528-00559-1
Артикул: 833231.01.99
Учебное пособие разработано с учетом современной информации о системах координат и методах их преобразований. Рассмотрены вопросы
терминологии, классификации систем координат, даны определения и описания глобальных, континентальных, региональных и местных (локальных) систем координат. Рассмотрены методы преобразования координатных систем и параметры перехода. Отдельно рассмотрены системы геодезических, ортометрических, динамических и нормальных высот.
Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по направлению подготовки 21.03.03 Геодезия и дистанционное зондирование, профиль Инфраструктура
пространственных данных, по дисциплине «Системы координат в геодезии и их связи».
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет» Г.Г. Побединский СИСТЕМЫ КООРДИНАТ В ГЕОДЕЗИИ И ИХ СВЯЗИ Утверждено редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия Нижний Новгород ННГАСУ 2023
УДК 528 (075.8) П 41 ББК 26.11 Печатается в авторской редакции Рецензенты: В.И. Кафтан – д-р. техн. наук, главный научный сотрудник ФГБУ «Геофизический центр Российской академии наук» В.Б. Непоклонов – д-р техн. наук, научный руководитель ФГБОУ ВО «Московский государственный университет геодезии и картографии» Побединский Г.Г. Системы координат в геодезии и их связи [Текст]: учеб. пособие / Г.Г. Побединский; Нижегород. гос.архитектур.-строит. ун-т – Н.Новгород: ННГАСУ, 2023 – 144 с. : ил. ISBN 978-5-528-00559-1 Учебное пособие разработано с учетом современной информации о системах координат и методах их преобразований. Рассмотрены вопросы терминологии, классификации систем координат, даны определения и описания глобальных, континентальных, региональных и местных (локальных) систем координат. Рассмотрены методы преобразования координатных систем и параметры перехода. Отдельно рассмотрены системы геодезических, ортометрических, динамических и нормальных высот. Предназначено для обучающихся в ННГАСУ по направлению подготовки 21.03.03 Геодезия и дистанционное зондирование, профиль Инфраструктура пространственных данных, по дисциплине «Системы координат в геодезии и их связи». ББК 26.11 ISBN 978-5-528-00559-1 © Г. Г. Побединский, 2023 © ННГАСУ, 2023
ВВЕДЕНИЕ Целями освоения учебной дисциплины Системы координат в геодезии и их связи являются: формирование профессиональных компетенций, определяющих готовность и способность бакалавра геодезии к использованию знаний из области теории фигуры Земли, системах координат, их связи и преобразовании координат пунктов из одной системы координат в другую. Для изучения данной учебной дисциплины необходимы следующие знания, умения и навыки, формируемые предшествующими дисциплинами: Знать: объекты дисциплин Геодезия и Высшая геодезия (земной эллипсоид, меридианы, параллели, проекции, системы координат), методы обработки геодезических измерений дисциплины Теория математической обработки измерений, предметы дисциплины Математика (тригонометрические функции, вектора), основные понятия и определения из Высшей геодезии. Уметь: обрабатывать материалы геодезических измерений. Владеть: описывать результаты, формулировать выводы. РАЗДЕЛЫ ДИСЦИПЛИНЫ И ТЕМЫ ЗАНЯТИЙ Дисциплина включает следующие разделы: 1. Введение Терминология. Общие сведения о системах координат. Классификация систем координат. Звездные и земные системы координат. 2. Геодезические системы координат Общие сведения о геодезических системах координат. Основные компоненты геодезической системы координат. 3. Глобальные (общеземные) системы координат Общеземная система координат WGS-84. Общеземная система координат ПЗ-90. Международная земная опорная система ITRS. Инициатива ООН. 4. Континентальные и национальные системы координат Европейская система координат (European Terrestrial Reference System - ETRS89). Система координат США (National Spatial Reference System – NSRS). Система координат Канады (Canadian Spatial Reference System – CSRS). Система координат Австралии (Geocentric Datum of Australia – GDA). Система координат Китая (China Geodetic Coordinate System CGCS2000). Система координат Российской Федерации (Геодезическая система координат 2011 года – ГСК-2011). 5. Региональные и местные (локальные) системы координат Система координат 1963 года (СК-63). Системы координат субъектов Российской Федерации (МСК-NN). Местные (локальные) системы координат. 6. Методы преобразования координатных систем и параметры перехода Прямое и обратное преобразование прямоугольных геоцентрических координат в геодезические. Прямое и обратное преобразование плоских прямоугольных координат в геодезические. 7-ми параметрическое преобразование координат по Гельмерту. 7. Системы высот Теория высот в гравитационном поле. Геопотенциальные числа. Высоты геодезические, нормальные, ортометрические и др. Балтийская система высот 1977 года. Европейская система высот EVRF2007. Международная система высот.
8 Определение параметров преобразования координатных систем и некоторые вопросы государственной тайны в сфере геодезии, картографии, ДЗЗ. Студенту необходимо ознакомиться с программой курса, основным и дополнительным списком рекомендуемой литературы, включающий учебники, учебные пособия по дисциплине, а также основные ресурсы сети интернет. Учебной программой по дисциплине «Системы координат в геодезии и их связи» на лекции отводится 16 часов – 8 лекций. Практически каждая лекция – это самостоятельная тема. На семинары и практические занятия учебной программой также предусмотрено 16 часов. Основной упор делается на самостоятельное изучение дисциплины – 40 часов. Поэтому в аудитории на лекциях рассматриваются лишь основные положения выбранной темы. Углубление темы будет продолжено на семинарах и практических занятиях. Студенты, используя конспекты лекций и рекомендуемую литературу, самостоятельно полностью прорабатывают лекционный материал, готовятся к устному опросу и контрольной работе по проверке усвоения материала, к выполнению практических занятий, оформлению и сдаче выполненных практических работ, к подготовке рефератов и презентаций по ним. В конечном счёте – подготовке к зачету с оценкой. Перед сдачей зачета студентам выдается список вопросов, охватывающих основные теоретические и практические аспекты изученного материала. Непосредственно перед зачетом проводится консультация, на которой рассматриваются содержательные и организационные вопросы. 1. Введение Вопросы терминологии В последние десятилетия произошли принципиальные изменения не только в технологии геодезических работ, связанные с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Существенные изменения появились в геодезической терминологии. В российской геодезической литературе в настоящее время отсутствует единое и четкое толкование понятия «Геодезическая система координат». В официальных источниках и научно-технических изданиях можно найти различные и даже противоречивые определения этого термина. За рубежом соответствующая терминология также неоднозначна и не упорядочена. Понятия международной терминологии «Reference System», «Reference Frame», а также «International Terrestrial Reference System (ITRS)» и «International Terrestrial Reference Frame (ITRF)» введены Международным астрономическим союзом IAU (International Astronomical Union) в 2000 году [96]. Но уже в 2006 году определение «International Terrestrial Reference System (ITRS)» было откорректировано на основе резолюции Международного геодезического и геофизического союза - МГГС (International Union of Geodesy and Geophysics, IUGG) [97]. Современные международные термины приведены в таблице 1. Таблица 1 Reference system Система отсчета Theoretical concept of a system of coordinates, including time and Теоретическая концепция системы координат, включая время и
standards necessary to specify the bases used to define the position and motion of objects in time and space. стандарты, необходимые для определения оснований, используемых для определения положения и движения объектов во времени и пространстве. Reference frame Отсчетная основа Practical realization of a reference system, usually as a catalog of positions and motions of a certain number of fiducial points. For instance, the ICRF is the realization of the ICRS, where the ICRF points have no proper motions. Практическая реализация системы отсчета, обычно в виде каталога положений и движений определенного числа опорных точек. Например, ICRF - это реализация ICRS, где точки ICRF не имеют собственных движений. International Terrestrial Reference System (ITRS) Международная земная система отсчета According to IUGG 2007 Resolution 2, the ITRS is the specific Geocentric Terrestrial Reference System (GTRS) for which the orientation is operationally maintained in continuity with past international agreements (Bureau International de l'Heure (BIH) orientation). The co-rotation condition is defined as no residual rotation with regard to the Earth’s surface, and the geocenter is understood as the center of mass of the whole Earth system, including oceans and atmosphere (IUGG 1991 Resolution 2). For continuity with previous terrestrial reference systems, the first alignment was close to the mean equator of 1900 and the Greenwich meridian. The ITRS was adopted (IUGG 2007 Resolution 2) as the preferred GTRS for scientific and technical applications and is the recommended system to express positions on the Earth. Согласно резолюции 2 IUGG 2007, ITRS - это конкретные геоцентрические земные опорные системы (GTRS), для которых ориентация в оперативном отношении поддерживается в соответствии с прошлыми международными соглашениями (ориентация Международного бюро времени BIH). Условие совместного вращения определяется как отсутствие остаточного вращения относительно поверхности Земли, а геоцентр понимается как центр масс всей земной системы, включая океаны и атмосферу (резолюция 2 IUGG 1991). Для обеспечения преемственности с предыдущими наземными системами отсчета первое выравнивание было близко к среднему экватору 1900 года и Гринвичскому меридиану. ITRS была принята (резолюция 2 IUGG 2007) в качестве предпочтительной геоцентрическая земная опорная система GTRS для научных и технических применений и является рекомендуемой системой для определения местоположения на Земле. International Terrestrial Reference Frame (ITRF) Международная земная отсчетная основа A realization of ITRS by a set of instantaneous coordinates (and velocities) of reference points distributed on the topographic surface of the Earth (mainly space geodetic stations and related markers). Currently the ITRF provides a model for estimating, to high accuracy, the instantaneous positions of these points, which is the sum of conventional corrections provided by the IERS Convention center (solid Earth tides, Реализация ITRS с помощью набора мгновенных координат (и скоростей) опорных точек, распределенных на топографической поверхности Земли (главным образом, космических геодезических станций и связанных с ними маркеров). В настоящее время ITRF предоставляет модель для оценки с высокой точностью мгновенных положений этих точек, которая представляет собой сумму обычных поправок,
pole tides, ...) and of a “regularized” position. At present, the latter is modeled by a piecewise linear function, the linear part accounting for such effects as tectonic plate motion, postglacial rebound, and the piecewise aspect representing discontinuities such as seismic displacements. The initial orientation of the ITRF is that of the BIH Terrestrial System at epoch 1984.0. предоставляемых Центром конвенций IERS (приливы твердой Земли, приливы полюсов, ...) и «упорядоченного» положения. В настоящее время последнее моделируется кусочно-линейной функцией, линейная часть которой учитывает такие эффекты, как движение тектонических плит, послеледниковый отскок, а кусочный аспект представляет разрывы, такие как сейсмические смещения. Первоначальная ориентация ITRF - это ориентация земной системы Международного бюро времени BIH в эпоху 1984.0. Ряд авторов статей на основе понятий астрономии, физики и механики дают рекомендации по переводу и применению понятий международной терминологии «Reference System» и «Reference Frame». Термин «Reference System», предлагается переводить как «Система отсчета», означающий теоретическое (декларативное) описание геометрии пространства и хронометрии. Термин «Reference Frame» предлагается переводить как «Отсчетная основа», которая материализует систему отсчета (Reference System) через реальные объекты. Термин «Система координат» предлагается считать одной из составных частей понятия «Системы отсчета». Термин «Координатная основа» - составной частью понятия «Отсчетная основа». Приводятся теоретические обоснования некорректности применения в геодезической практике России таких терминов как «Геодезическая система координат 2011», «Система геодезических координат 1942», «Система геодезических координат 1995» и замене их на термины «Геоцентрическая координатная основа 2011», «Координатная основа 1942», «Координатная основа 1995» [58, 59, 86, 87]. ГОСТ 22268-76 «Геодезия. Термины и определения» [6] в разделе «Системы координат» содержит несколько терминов, связанных с координатами: геодезические, геоцентрические, плоские прямоугольные и топоцентрические координаты. В тексте стандарта приведен также перевод терминов на немецкий, английский и французский языки (таблица 2). Таблица 2 Геодезические координаты D. Geodatische Koordinaten E. Geodetic coordinates F. Coordonnees geodesiques Три величины, две из которых характеризуют направление нормали к поверхности земного эллипсоида в данной точке пространства относительно плоскостей его экватора и начального меридиана, а третья является высотой точки над поверхностью земного эллипсоида Геоцентрические координаты D. Geozentrische Koordinaten E. Geocentric coordinates F. Coordonnees geocentriques Величины, определяющие положение точки в системе координат, у которой начало совпадает с центром масс Земли Плоские прямоугольные геодезические координаты Прямоугольные координаты на плоскости, на которой отображена по определенному математическому закону
Плоские прямоугольные координаты D. Ebene rechtwinklige Koordinaten E. Plane coordinates F. Coordonnees rectangulaires поверхность земного эллипсоида Топоцентрические координаты D. Topozentrische Koordinaten E. Topocentric coordinates F. Coordonnees topocentriques Координаты, началом счета которых является точка местности Но этот государственный стандарт не содержал терминов «Система координат» и «Геодезическая система координат», видимо эти термины считались достаточно понятными и общепринятыми. Терминологическая неопределенность такого основополагающего понятия как «Геодезическая система координат» усугубилась после введения ГОСТ Р 52572-2006 «Географические информационные системы. Координатная основа. Общие требования» [8], соответствующего международному стандарту ISO 19111:2003 «Geographic information - Spatial referencing by coordinates». Этими стандартами были введены такие термины, как: - прямоугольная система координат - Cartesian coordinate system; - составная система координат - compound coordinate reference system; - координатная система отсчета - coordinate reference system; - система координат - coordinate system; - геодезическая система координат - ellipsoidal coordinate system geodetic coordinate system; - полярная система координат - polar coordinate system; - система координат проекции - projected coordinate reference system. ГОСТ Р 52572-2006 дополнительно ввел два новых термина «Геодезическая отсчетная основа (геодезическая основа)» и «Координатная основа». ГОСТ Р 52572-2006, как и ISO 19111:2003, не регламентирует вопросов создания, использования и периодического уточнения глобальных (общеземных) и национальных систем координат, и предназначен исключительно для пространственного описания объектов в геоинформационных системах, но термины этого стандарта не совсем корректно применяют в геодезии. Стандарт ISO 19111:2003 был дважды пересмотрен в 2007 и 2019 гг., а в 2009 и 2019 гг. к этому стандарту принимались уточняющие корректировки [103]. Но во всех редакциях определена одна и та же область применения «применим к производителям и пользователям географической информации» ГОСТ Р 8.699-2010 «Государственная система обеспечения единства измерений. Величины, единицы, шкалы измерений, используемые в глобальной навигационной спутниковой системе» [10], ссылаясь на Конвенции Международной службы вращения Земли и систем координат МСВЗ (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS) [98, 99], дает следующие определения международным небесной и земной опорным системам координат. Международная небесная опорная система координат ICRS (International Celestial Reference System) и международная земная опорная система координат ITRS (International Terrestrial Reference System) определены Международной службой вращения Земли и систем координат МСВЗ (International Earth Rotation and Reference Systems Service, IERS). Практические реализации ICRS и ITRS
носят названия ICRF (International Celestial Reference Frame) и ITRF (International Terrestrial Reference Frame) и являются опорными (исходными) эталонами шкал направлений в пространстве, местоположения (позиции) на Земле, векторов скорости и ускорения относительно Земли в виде совокупности пространственных реперов - станций, представленных в ICRF с приписанными угловыми координатами направлений на квазары и другие удаленные источники радиоизлучения, а в ITRF — с приписанными декартовыми координатами , , [10]. В отечественной литературе по геодезии принято обобщающее понятие системы координат, как совокупности математических правил, исходных дат, закрепленных на местности пунктов геодезических сетей и каталогов координат. Этот подход был сформулирован ученым с мировым именем, доктором технических наук, заведующим геодезическим отделом Центрального ордена «Знак Почета» научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии им. Ф. Н. Красовского (ЦНИИГАиК), заведующим кафедрой высшей геодезии Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) Глебом Викторовичем Демьяновым (07.04.1939 - 01.06.2014) в период работ по созданию государственной геодезической системы координат 2011 года (ГСК–2011). Одно из первых определений понятие системы координат приведено в его статье «Геодезические системы координат, современное состояние и основные направления развития», опубликованной в 2008 году в журнале «Геодезия и картография» [48]. Затем это определение использовалось в более поздних публикациях, в том числе в монографии «ГЛОНАСС и геодезия» - одной из последних работ Г. В. Демьянова, в которой он является научным редактором, соавтором большинства разделов, которую он непосредственно редактировал в последние годы жизни и которая вышла в свет после его смерти [5]. Наиболее лаконичное определение термина «Геодезическая система координат» сформулировано в серии статей «Проблемы непрерывного совершенствования ГГС и геоцентрической системы координат России», опубликованной в трех номерах журнала «Геопрофи» в 2011 году [50, 51, 52]. «Геодезическая система координат - геодезическая категория, определяемая совокупностью двух факторов: математических правил, декларативно описывающих характеристики системы (принципы ориентирования координатных осей, положение начала координат, параметры эллипсоида и др.), и практической реализации системы координат в виде опорных геодезических сетей, представляющих собой совокупность геодезических пунктов, закрепленных на поверхности Земли». В англоязычной литературе для определения этих факторов для общеземной системы координат применяют устоявшиеся термины «International Terrestrial Reference System (ITRS)» и «International Terrestrial Reference Frame (ITRF)» [96, 97, 98, 99, 104, 115, 116]. В официальных документах ООН на русском языке, одном из 6 официальных языков ООН (английский, французский, испанский, русский, китайский и арабский), термин «Глобальная геодезическая система координат»
используется именно в такой интерпретации [28, 79]. В этих же документах ООН на английском языке применяется термин «Global Geodetic Reference Frame». В резолюции Генеральной Ассамблеи ООН «Глобальная геодезическая система координат для целей устойчивого развития» [28] было отмечено «экономическое и научное значение и растущая необходимость наличия четкой и устойчивой глобальной геодезической системы координат (ГГСК) для всей планеты, которая позволила бы обеспечивать взаимную увязку геодезических измерений, проводимых в любом районе Земли и в космосе, включая определения пространственного положения и гравиметрические измерения, в качестве основы и отправной точки при установлении местоположения и высоты для геопространственной информации, используемой во многих науках о Земле и в самых разных сферах жизни общества, в том числе в целях мониторинга уровня моря и изменения климата, борьбы с опасными природными явлениями и бедствиями, а также в целом ряде отраслей (включая горнодобывающую промышленность, сельское хозяйство, транспорт, судоходство и строительство), в которых точное определение координат обеспечивает повышение эффективности». В соответствии с резолюцией государствам-членам ООН было предложено самостоятельно внедрять практику открытого обмена геодезическими данными и информацией о геодезических стандартах и методах в целях содействия созданию глобальной геодезической системы координат и региональных геодезических сетей, целенаправленно развивать и поддерживать соответствующую национальную геодезическую инфраструктуру в качестве важного средства совершенствования глобальной геодезической системы координат, осуществлять многостороннее сотрудничество для устранения инфраструктурных пробелов и дублирования усилий в контексте разработки более надежной глобальной геодезической системы координат [28]. Механизмы управления для поддержания глобальной геодезической системы координат кратко сформулированы в программном документе рабочей группы подкомитета по геодезии Комитета экспертов ООН по управлению глобальной геопространственной информацией [79]. Более подробно вопросы терминологии по тематике геодезические системы координат рассмотрены в работах «Системы координат глобальные, континентальные, региональные, национальные: состояние, проблемы, перспективы» [21], «Глобальная геодезическая система координат и предложения по участию РФ в ее создании» [22, 23], «Государственные системы координат: Анализ состояния и перспектив» [46]. Учитывая то, что терминология должна развиваться в направлении детализации понятий и терминов, в последние годы в отечественной геодезии сформировалось обобщающее понятие системы координат, как совокупности уже трех составляющих: математических правил, исходных геодезических дат, закрепленных на местности пунктов геодезических сетей и каталогов их координат. Уточненное определение термина будет следующим. Геодезическая система координат – геодезическая категория, определяемая совокупностью трех компонент:
- математических правил, декларативно описывающих характеристики системы; - принципов ориентирования координатных осей, фиксации начала координат, параметров эллипсоида и др.; - практической реализации системы координат в виде опорных геодезических сетей, представляющих собой совокупность геодезических пунктов, закрепленных на поверхности Земли, каталогов их координат и скоростей перемещений на заданную эпоху. Дальнейшее изложение мы будем продолжать, используя этот отечественный термин, иногда его конкретизируя. Классификация систем координат Все системы координат можно классифицировать по ряду признаков. Один из примеров классификации приведен в работе «Классификация систем координат, применяемых в космической геодезии» [13]. Можно выделить 6 основных признаков систем координат. 1. По расположению начала системы координат. Геоцентрическая, квазигеоцентрическая, топоцентрическая и др. 2. По виду координатных линий. Прямоугольная, криволинейная: сферическая, сфероидическая (эллипсоидальная, геодезическая) и др. 3. По ориентированию основной координатной плоскости. Экваториальная, горизонтальная (горизонтная), орбитальная и др. 4. По ориентированию координатных осей. Земная, звездная. 5. По периоду действия. Средняя, истинная (мгновенная). 6. По территориальному охвату (назначению). Глобальная (общеземная), континентальная, национальная, региональная и локальная (местная). Классификационные признаки систем координат приведены в таблице 3. Таблица 3 Классификационный признак системы координат Наименование Описание классификационного признака Пример обозначения Расположение начала системы координат Геоцентрическая Начало расположено в центре масс Земли , , Квазигеоцентрическая Начало расположено вблизи центра масс Земли Г, Г, Г Топоцентрическая Начало расположено на поверхности Земли ̅, , ̅, Селеноцентрическая Начало расположено в центре масс Луны , , Вид координатных линий Прямоугольная Определяется направлением нормали к основной координатной плоскости , , Сферическая Определяется направлением нормали к поверхности сферы. , , Сфероидическая (эллипсоидальная, геодезическая) Определяется направлением нормали к поверхности эллипсоида , , Ориентировка основной Экваториальная Плоскость экватора или параллельная плоскость , , , ,