ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY

ODNIESIENIA I ICH REALIZACJE

Workshop

„NOWE OBOWIĄZUJĄCE SYSTEMY WSPÓŁRZĘDNYCH

ZIEMSKICH

I NIEBIESKICH ORAZ ICH WZAJEMNE RELACJE”

Warszawa, 27-28 maja 2004 roku

Treść referatu

Służby ILS, IPMS i BIH i ich rola w tworzeniu i konserwacji

ziemskiego układu odniesienia

· Lokalne i regionalne układy odniesieni przed rozwinięciem się
satelitarnych i kosmicznych technik pomiarowych

· Powstawanie Europejskiego Układu odniesienia ED-50

· Systemy odniesienia WGS – 72 i WGS-84, GRS-80

· Służba IERS i jej rola w tworzeniu i konserwacji ziemskich
układów odniesienia

· ITRF’88 –ITRF’2000 przegląd parametrów transformacji i ich
skutki praktyczne

· Wektory prędkości – modele NUVEL-1A

· ETRF-89 jako podzbiór układu ITRF

· Przestrzenne systemy odniesienia używane w Polsce

· Podsumowanie sugestie i wnioski

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Służby ILS, IPMS i BIH i ich rola w

tworzeniu

i konserwacji ziemskiego układu

odniesienia (1)

Rozwój naziemnych technik pomiarowych pozwalających
rozwijać sieci geodezyjne na dużych obszarach spowodował
konieczność

zapewnienia

równoległości

osi

układu

współrzędnych geograficznych do małej półosi elipsoidy
odniesienia.

Równoległość ta jest spełniona dzięki stosowaniu równania
Laplace’a do redukcji azymutów na elipsoidę odniesienia.

Problem skomplikował się po opisaniu matematycznym przez
Eulera możliwości przemieszczania się osi obrotu względem bryły
ziemskiej.

Powstała konieczność określania położenia chwilowej

osi obrotu Ziemi względem umownego układu współrzędnych
ziemskich.

Ze względu na wiele czynników, które zaburzały model

matematyczny przedstawiony przez Eulera koniecznym stało się
wyznaczanie współrzędnych chwilowego bieguna Ziemi w sposób
obserwacyjny.















ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Służby ILS, IPMS i BIH i ich rola w

tworzeniu

i konserwacji ziemskiego układu

odniesienia (2)

Międzynarodowa Asocjacja Geodezji

(IAG)

w 1899 roku powołala

Międzynarodową Służbę Szerokości

(ILS)

Biegun układu

współrzędnych

został określony na podstawie obserwacji zmian

szerokości z lat 1900-1905 i stał się osią pierwszego umownego
kładu współrzędnych.

Do określenia

południka zerowego

doszło kilkanaście lat później.

Wiązało się to technicznymi możliwościami wyznaczania długości
geograficznej  wymagającej  możliwości  transferu  czasu  dla
południka  zerowego  (Greewich).  W  tym  celu  powołano  w  1912
roku  Międzynarodowe  Biuro  Czasu  (

BIH

– Bureau International

l’Heure).

Czas

również

wyznaczano

obserwacji

astronomicznych.

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Służby ILS, IPMS i BIH i ich rola w

tworzeniu

i konserwacji ziemskiego układu

odniesienia (3)

Kilka dat z historii

1900 – Rozpoczęcie wykonywania obserwacji przez

ILS

1912 – Powołanie Międzynarodowego Biura Czasu

(BIH)

1962 – Powołanie Międzynarodowej Służby Ruchów Bieguna

(IPMS)

1966 – Wprowadzenie ziemskiego układu odniesienia Standard
Earth III

1967 – Zdefiniowanie początku umownego układu
współrzędnych ziemskich

CIO

1967 – Przyjęcie przez IUGG geodezyjnego systemu odniesienia

GRS67

1968 – Wprowadzenie systemu pozycji bieguna i czasu UT
dystrybuowanego przez BIH

1972 – Wprowadzenie ziemskiego układu odniesienia

WGS72

1973 – Wprowadzenie satelitarnych obserwacji Dopplerowskich
do wyznaczeń pozycji bieguna prowadzonych przez BIH

początek końca ery obserwacji astrometrycznych

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Służby ILS, IPMS i BIH i ich rola w

tworzeniu

i konserwacji ziemskiego układu

odniesienia (4)

Kilka dat z historii c.d.

1979 – Przyjęcie przez IUGG geodezyjnego systemu odniesienia

GRS80

1979 – Wprowadzenie obserwacji laserowych Lageosa i LLR do
wyznaczeń pozycji bieguna i UT

1980 – Początek kampanii – Monitoring of the Earth rotation
and intercomparison of the techniques

(MERIT)

1983- 1984 – Właściwa kampania MERIT

1984 – Wprowadzenie ziemskiego układu odniesienia

WGS84

1989 – Rozpoczęcie pracy przez służbę

IERS

wykorzystującą

obserwacje: GPS, laserowe, Doris i VLBI do wyznaczenia
parametrów ruchu obrotowego Ziemi

1991 – Zdefiniowanie przez IUGG umownego ziemskiego
systemu odniesienia

CTRS

. Monitorowanemu przez IERS

systemowi CTRS nadano nazwę Międzynarodowego
Ziemskiego Systemu Odniesienia

ITRS

1993 – Powołanie International GPS Service (

IGS

) – (od 2004

International Earth Rotation and Reference Systems
Service

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Lokalne i regionalne układy odniesienia

przed rozwinięciem się satelitarnych i kosmicznych

technik pomiarowych (1)

Położenie środka elipsoidy odniesienia względem środka masy
Ziemi
 Przyłożenie jednopunktowe (

B=φ, L=λ, A=a, N=0

)

 Przyłożenie wielopunktowe (elipsoida najlepiej dopasowana

do obszaru)

∑N

= min

    Oba  rozwiązania  prowadzą  do  przypadkowej  wartości
przesunięcia  środka  elipsoidy  względem  środka  masy  Ziemi.
Powstawały  więc  różne  systemy  odniesienia  dla  każdego  kraju,
lub ich grupy (lokalne, lub regionalne

)

Orientacja geodezyjnego układu odniesienia względem osi obrotu
Ziemi
•

równoległość

osi obrotu elipsoidy odniesienia do osi obrotu

Ziemi (równanie Laplace’a)
• określenie

południka zerowego

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Lokalne i regionalne układy odniesienia

przed rozwinięciem się satelitarnych i kosmicznych

technik pomiarowych (2)

Europejski układ odniesienia ED-50

 Przed drugą wojną światową rozpoczęto prace nad

ujednoliceniem geodezyjnego układu odniesienia w Europie

 Po drugiej wojnie światowej opracowano łącznie triangulacje

krajów Europy Zachodniej prace koordynowała powołana przez
IAG Komisja

RETrig

(Commission for the Adjustment of the

European Trianulation)

 Łączne opracowanie dało nowy układ odniesienia

ED-50

 ED-50

elipsoida Hayforda 1924

punkt przyłożenia

Poczdam

 Komisja RETrig pracuje nad opracowaniem nowego układu

odniesienia

ED-87

wykorzystującego satelitarne obserwacje

dopplerowski (prace nie zostały zakończone)

 W czasie XIX Zgromadzenia Generalnego Międzynarodowej Unii

Geodezji i Geofizyki (IUGG) 1987 Vancouver powołano w ramach
Komisji X IAG nową permanentną Podkomisję

EUREF

zastępującą

podkomisję RETrig, której zadaniem było opracowanie nowego
układu odniesienia dla Europy z wykorzystaniem satelitarnych i
kosmicznych technik pomiarowych w tym GPS

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Systemy odniesienia WGS-72 i WGS-84, GRS-80 (1)

World Geodetic System 1972
(WGS-72)

Światowy

System

Odniesienia

WGS72

był

trzecim

geocentrycznym  układem  odniesienia  opracowanym  przez  US
DMA  Agencję  Kartograficzną  Ministerstwa  Obrony  Stanów
Zjednoczonych Ameryki Północnej - poprzednie wersje WGS60 i
WGS66.  Przed

27 stycznia 1989

roku był używany przez

GPS

Dopplerowski system

TRANSIT

. Praktyczna jego realizacja

następowała poprzez sieć stacji śledzących systemu TRANSIT
(TRANET).

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Systemy odniesienia WGS-72 i WGS-84, GRS-80 (2)

World Geodetic System 1984
(WGS-84)

Układ odniesienia WGS84 był początkowo oparty o współrzędne
satelitarne  uzyskane  tylko  z  pomiarów  dopplerowskich  (system
TRANSIT)  i  bazował  na  układzie  WGS72,  który  został
opracowany  dla  potrzeb  systemu  TRANSIT.  Podejście  to
pozwoliło  na  stworzenie  globalnie  jednorodnego  układu
odniesienia o dokładności rzędu 1-2 m

Współrzędne  dziesięciu  stacji  śledzących  systemu  GPS  zostały
poprawione  przez  użycie  kilkutygodniowych  obserwacji  GPS  z
globalnej  sieci  IGS  (22  stacje),  wykorzystano    w  procesie
wyznaczania

współrzędnych,

jak

również

poprawienia

pokładowych orbit satelitarnych.

W opracowaniu wyników pomiarów przyjęto standardy zgodne z
zaleceniami IERS. Wynikiem prac był nowy poprawiony układ
WGS84(G730) – co odnosi się do 730-go tygodnia GPS.

Nowy układ charakteryzuje się dokładnością 10cm w skali
globalnej

Od początku 1994r DMA (obecnie NIMA) wykorzystuje układ
WGS84(G730) do obliczania orbit satelitów GPS (efemeryd
pokładowych).

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Systemy odniesienia WGS-72 i WGS-84, GRS-80 (3)

Geodetic System 1980 (GRS-
80)

Geodezyjny System Odniesienia

GRS’80

został przyjęty na XIV

Zgromadzeniu Generalnym Międzynarodowej Unii Geodezji i
Geofizyki (

IUGG

) w grudniu

1979

roku w Canberze.

Jego elementami były parametry geocentrycznej elipsoidy: a,
GM i J

oraz prędkość kątowa Ziemi.

Przyjęto,że  mała  półoś  elipsoidy  odniesienia  systemu  GRS’80
będzie  równolegla  do  osi  CIO,  a  płaszczyzna  południka
zerowego  będzie  równoległa  do  południka  zerowego
średniego Obserwatorium BIH.

Praktyczną realizację tak przyjętego układu współrzędnych

można oszacować na około 10 cm.

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Służba IERS i jej rola w tworzeniu

i konserwacji ziemskich układów odniesienia(1)

Międzynarodowa Służba Ruchu Obrotowego Ziemi (IERS)
została

powołana

przez

Międzynarodową

Unię

Astronomiczną  (IAU)  i  Międzynarodową  Unię  Geodezji  i
Geofizyki w 1987 roku.
W  2003  roku  została  przemianowana  na  Międzynarodową
Służbę  Ruchu  Obrotowego  Ziemi  i  Systemów  Odniesienia
(International  Earth  Rotation  and  Reference  Systems
Service).
Do zadań należą:

•Definicja  Międzynarodowego  Niebieskieo  Sstemu  Odniesienia
(ICRS) i jego realizacja w postaci układu współrzędnych (ICRF).
•Definicja  Międzynarodowego  Ziemskiego  Sstemu  Odniesienia
(ITRS) i jego realizacja w postaci układu współrzędnych (ITRF).
•Wyznaczenie  parametrów  orientacji  Ziemi  (EOP)  i  ich  zmian  dla
zapewnienia parametrów transformacji pomiędzy ICR i ITRF.
•Analiza danych geofizycznych dla interpretacji zmian ICRF, ITRF,
EOP i ich modelowanie.
•Standardy, stałe i modele (konwencje).

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Służba IERS i jej rola w tworzeniu

i konserwacji ziemskich układów odniesienia(2)

Międzynarodowa  Służba  Ruchu  Obrotowego  Ziemi  i
Systemów  Odniesienia  (International  Earth  Rotation  and
Reference  Systems  Service)  posiada  następujące  służby
obserwacyjne  i  opracowania  danych    dla  poszczególnych
technik:

o Międzynarodowa Służba GPS (IGS)
o Międzynarodowa Służba Pomiarów Laserowych Odległości
(ILRS)
o Międzynarodowa Służba VLBI (IVS)
o Międzynarodowa Służba DORIS (IDS)

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Skala

RMS

[cm]

[cm

]

[mas]

[ppm]

[cm]

NAD83

-94

27.5

15.5

10.7

0.005

WGS84

-6

-18.4

-0.3

-7.0

0.011

<200

WGS84-
GPS

-4

-1

-28

4.2

-4.0

-15.6

0.218

WGS730

-3

-2.6

-2.5

-0.4

0.000

ITRF’93

0.2

0.7

-0.39

0.8

-0.96

0.001

Realizacja
układu

Początek (tydzień
GPS)

Koniec(tydzieńGPS)

ITRF92

Jan 2, 1994 (730)

Dec 31, 1994 (781)

ITRF93

Jan 1, 1995 (782)

Jun 29, 1996 (859)

ITRF94

Jun 30, 1996 (860)

Feb 28, 1998 (946)

ITRF96

Mar 1, 1998 (947)

Jul 31, 1999 (1020)

ITRF97

Aug 1, 1999 (1021)

Dec 1, 2001 (1042)

ITRF2000

Dec 2, 2001 (1043)

-----------------------



















x,y,z - współrzędne wyznaczane,
X,Y,Z - współrzędne w układzie ITRF,
T

- przesunięcie pomiędzy środkami

układów,
S - zmiana skali
składowe orientacji

przestrzennej

, ,

w w w

ITRF’88 – ITRF’2000

przegląd parametrów transformacji i ich skutki

praktyczne(1)

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

ITRF’88 – ITRF’2000

przegląd parametrów transformacji i ich skutki

praktyczne(2)



Układ

epoka

[cm]

ppb

0.001”

ITRF9
7

0.67

0.61

-1.85

1.55

0.00

1997

ITRF9
6

0.67

0.61

-1.85

1.55

0.00

1997

ITRF9
4

0.67

0.61

-1.85

1.55

0.00

1997

ITRF9
3

1.27

0.65

-2.09

1.95

-0.39

0.80

-1.14

1988

ITRF9
2

1.47

1.35

-1.39

0.75

0.00

-0.18

1988

ITRF9
1

2.67

2.75

-1.99

2.15

0.00

-0.18

1988

ITRF9
0

2.47

2.35

-3.59

2.45

0.00

0..0

-0.18

1988

ITRF8
9

2.97

4.75

-7.39

5.85

0.00

-0.18

1988

ITRF8
8

2.47

1.15

-9.79

8.95

0.10

0.00

-0.18

1988

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Wektory prędkości –model NUVEL-1A

Brak zaznaczenia

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

ETRF-89 jako podzbiór układu ITRF (1)

 





ITRF











1989



















ITRF

ETRF









 





ETRF







1989

ITRF

[cm]

1.9

2.8

-2.3

2.1

2.5

-3.7

3.8

4.0

-3.7

1.9

5.3

-2.1

4.1

-4.9

4.1

-4.9

4.1

-4.9

5.4

5.1

-4.8

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

ETRF-89 jako podzbiór układu ITRF (2)









ITRF

[mas/y]

0.110

0.570

-0.710

0.110

0.570

-0.710

0.210

0.520

-0.680

0.210

0.520

-0.680

0.320

0.780

-0.670

0.200

0.500

-0.650

0.200

0.500

-0.650

0.200

0.500

-0.650

0.081

0.490

-0.792







3661

5009571

8388

1409153

2035

3664940

ITRF





1989

000081

00049

000081

000792

00049

000792

048

051

054





















ITRF

ETRF







2019

5009571

6612

1409153

5042

3664940

ETRF

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Przestrzenne systemy odniesienia używane w Polsce

(1)

Niesatelitarne Systemy odniesienia stosowane
w Polsce.

Układ Borowa Góra 1925 (BG1925), określany w zagranicznych
źródłach  jako  PND1925  (Polish  National  Datum)  powstał  w
wyniku przyłożenia elipsoidy Bessel’1841 do Geoidy w Borowej
Górze. Orientacji elipsoidy dokonano przy pomocy azymutu na
wieżę  w  Modlinie.  Przyjęto  następujące  współrzędne  tego
punktu  (szerokość  i  długość  geograficzną  wynikającą  z
pomiarów astronomicznych:

B = 52

28’32.85”

L = 21

02’12.12”

W Polsce, podobnie jak w innych państwach byłego układu
warszawskiego,

obowiązywała

roku

1952

elipsoida

KRASOWSKIEGO z punktem przyłożenia do geoidy w Pułkowie
Do połowy lat 60 tych obowiązywał w Polsce układ
współrzędnych zwany krótko „1942”.

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Przestrzenne systemy odniesienia używane w Polsce

(2)

W latach 60-tych w cywilnej służbie geodezyjnej zaczto
wprowadza nowy, 5-cio strefowy układ odwzorowawczy,
który

nazywany

został

układem

„1965”

(oficjalnie

wprowadzony w 1968r.). Podstawę jego stanowił ten sam co
w  układzie  1942  system  elipsoidalny.  Obszar  państwa
polskiego  podzielono  na  pięć  stref  odwzorowawczych  (rys.
2),  przy  czym  w  strefach  1,  2,  3,  4  zastosowano  tzw.
odwzorowanie  quasi-stereograficzne  (Roussilhe  projection),
natomiast  w  strefie  5  zmodyfikowane  odwzorowanie
Gaussa

Krugera.

ZIEMSKIE GLOBALNE SYSTEMY ODNIESIENIA I ICH
REALIZACJE

Przestrzenne systemy odniesienia używane w Polsce

(3)

Zniekształcenia  odwzorowawcze  w  każdej  strefie  układu  mieszczą
się  w  zakresie  od  20cm/km  do  -20cm/km.  Układ  „1965”  był
przeznaczony  głównie  do  tworzenia  i  mapy  zasadniczej.Natomiast
dla map przeglądowych w skalach 1:100 000 i mniejszych przyjto
układ

oparty

jednostrefowym

odwzorowaniu

quasi-

stereograficznym obszaru Polski nazwany GUGiK80 (rys. 3) .Punkt

główny

odwzorowania

(punkt

styczności

płaszczyzny

odwzorowawczej z elipsoidą ) był umiejscowiony w geometrycznym
„środku” obszaru Polski (B

= 5210’, L

= 1910’). Współczynnik

zmiany  skali  w  tym  punkcie  wynosi  0.999714,  a  maksymalne
zniekształcenie  liniowe  na  granicach  Polski  wynosi  ~  93  cm/km.
Układ  ten  znalazł  zastosowanie  jedynie  przy  opracowaniu
wydawanej w latach 1980-1984 topograficznej mapy Polski w skali
1:100000.