Weltgeodätisches System

Das Weltgeodätische System ( WGS ) ist ein Standard, der in der Kartographie , Geodäsie und Satellitennavigation, einschließlich GPS , verwendet wird . Die aktuelle Version, WGS 84 , definiert ein erdzentriertes, erdfestes Koordinatensystem und ein geodätisches Datum und beschreibt außerdem das zugehörige Erdgravitationsmodell (EGM) und das Weltmagnetmodell (WMM). Der Standard wird von der National Geospatial-Intelligence Agency der Vereinigten Staaten herausgegeben und gepflegt . ^{[ 1 ]}

Die Bemühungen zur Ergänzung der verschiedenen nationalen Vermessungssysteme begannen im 19. Jahrhundert mit F. R. Helmerts Buch „ Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie “. Österreich und Deutschland gründeten das Zentralbüro für die Internationale Erdmessung , und es wurde eine Reihe globaler Ellipsoide der Erde abgeleitet (z. B. Helmert 1906, Hayford 1910 und 1924).

Ein einheitliches geodätisches System für die ganze Welt wurde in den 1950er Jahren aus mehreren Gründen unerlässlich:

• Internationale Weltraumforschung und die Anfänge der Astronautik .
• Der Mangel an interkontinentalen geodätischen Informationen.
• Die Unfähigkeit der großen geodätischen Systeme , wie beispielsweise des Europäischen Datums ( ED50 ), des Nordamerikanischen Datums (NAD) und des Tokioter Datums (TD), eine weltweite Geodatenbasis bereitzustellen
• Bedarf an globalen Karten für Navigation , Luftfahrt und Geographie .
• Die westliche Kriegsvorbereitung im Kalten Krieg erforderte ein standardisiertes, NATO -weites Georeferenzsystem gemäß dem NATO- Standardisierungsabkommen .

Ende der 1950er Jahre begann das US-Verteidigungsministerium gemeinsam mit Wissenschaftlern anderer Institutionen und Länder mit der Entwicklung des benötigten Weltsystems, auf das geodätische Daten bezogen und die Kompatibilität der Koordinaten weit voneinander entfernter Orte hergestellt werden konnte. Die gemeinsamen Anstrengungen der US-Armee, -Marine und -Luftwaffe führten zum DoD World Geodetic System 1960 (WGS 60). Der hier verwendete Begriff „Datum“ bezeichnet eine glatte Oberfläche, die willkürlich als Nullpunkt definiert wird und mit den von Vermessern ermittelten Entfernungen zwischen verschiedenen Stationen sowie Höhenunterschieden übereinstimmt. Diese Daten werden in einem Raster aus Breiten- , Längen- und Höhenangaben dargestellt . Traditionelle Vermessungsmethoden ermittelten Höhenunterschiede relativ zu einer lokalen Horizontalen, die mithilfe einer Wasserwaage , eines Lots oder eines vergleichbaren, vom lokalen Schwerefeld abhängigen Geräts bestimmt wurde (siehe Physikalische Geodäsie ). Daher beziehen sich die Höhenangaben in den Daten auf das Geoid , eine Oberfläche, die mit Satellitengeodäsie nicht ohne Weiteres ermittelt werden kann . Letztere Beobachtungsmethode eignet sich besser für die globale Kartierung. Daher besteht eine Motivation und ein wesentliches Problem bei der WGS und ähnlichen Arbeiten darin, Daten zusammenzufügen, die nicht nur separat für verschiedene Regionen erstellt wurden, sondern auch die Höhenangaben auf ein Ellipsoidmodell anstatt auf das Geoid zu beziehen .

Zur Erstellung des WGS 60 wurden verfügbare Oberflächengravitationsdaten, astrogeodätische Daten sowie Ergebnisse der HIRAN- [2] und kanadischen SHORAN-Vermessungen kombiniert, um für jedes anfänglich ^{ausgewählte Datum ein} optimales Ellipsoid und eine erdzentrierte Orientierung zu definieren . (Jedes Datum ist relativ zu verschiedenen Abschnitten des Geoids mithilfe der bereits beschriebenen astrogeodätischen Methoden orientiert.) Der einzige Beitrag der Satellitendaten zur Entwicklung des WGS 60 war ein Wert für die Ellipsoidabplattung , der aus der Knotenbewegung eines Satelliten ermittelt wurde.

Vor WGS 60 hatten die US Army und die US Air Force jeweils ein eigenes Weltbezugssystem entwickelt, indem sie unterschiedliche Ansätze zur gravimetrischen Datumsorientierung verwendeten. Zur Bestimmung ihrer gravimetrischen Orientierungsparameter nutzte die Air Force den Mittelwert der Differenzen zwischen gravimetrischen und astrogeodätischen Ablenkungen und Geoidhöhen (Undulationen) an ausgewählten Stationen in den Gebieten der Hauptbezugssysteme. Die Army führte eine Anpassung durch, um die Differenz zwischen astrogeodätischen und gravimetrischen Geoiden zu minimieren . Durch den Abgleich der relativen astrogeodätischen Geoide der ausgewählten Bezugssysteme mit einem erdzentrierten gravimetrischen Geoid wurden die ausgewählten Bezugssysteme auf eine erdzentrierte Orientierung reduziert. Da die Systeme von Army und Air Force für die Gebiete NAD, ED und TD bemerkenswert gut übereinstimmten, wurden sie zusammengeführt und bildeten WGS 60.

Zu den Verbesserungen des globalen Systems gehörten das Astrogeoid von Irene Fischer und das astronomische Merkur-Datum. Im Januar 1966 wurde ein Weltgeodätisches Systemkomitee, bestehend aus Vertretern der US-Armee, -Marine und -Luftwaffe, mit der Entwicklung eines verbesserten WGS beauftragt, das den Anforderungen an Kartierung , Seekartenerstellung und Geodäsie gerecht werden sollte. Seit der Entwicklung von WGS 60 standen zusätzliche Oberflächengravitationsmessungen , Ergebnisse aus dem Ausbau von Triangulations- und Trilaterationsnetzen sowie große Mengen an Doppler- und optischen Satellitendaten zur Verfügung. Mithilfe dieser zusätzlichen Daten und verbesserter Techniken wurde WGS 66 entwickelt, das nach seiner Einführung im Jahr 1967 etwa fünf Jahre lang den Bedürfnissen des US-Verteidigungsministeriums diente. Die definierenden Parameter des WGS-66-Ellipsoids waren die Abplattung ( 1 / 298,25 , ermittelt aus Satellitendaten) und die große Halbachse (6.378.145  m ( ermittelt aus einer Kombination von Doppler-Satelliten- und astrogeodätischen Daten). Ein weltweites 5° × 5°-Mittelfeld der Freiluft- Schwereanomalien lieferte die Basisdaten für die Erstellung des gravimetrischen Geoids WGS 66. Zusätzlich wurde aus verfügbaren astrogeodätischen Daten ein auf das WGS-66-Ellipsoid bezogenes Geoid abgeleitet, um eine detaillierte Darstellung begrenzter Landflächen zu ermöglichen.

Nach umfangreichen Arbeiten über einen Zeitraum von etwa drei Jahren wurde das Weltgeodätische System (WGS) des US-Verteidigungsministeriums von 1972 fertiggestellt. Ausgewählte Satelliten-, Oberflächengravitations- und astrogeodätische Daten, die bis 1972 sowohl vom US-Verteidigungsministerium als auch von externen Quellen verfügbar waren, wurden in einer einheitlichen WGS-Lösung (einer großmaßstäblichen Ausgleichung nach der Methode der kleinsten Quadrate ) verwendet. Die Ergebnisse der Ausgleichung bestanden aus Korrekturen der ursprünglichen Stationskoordinaten und der Koeffizienten des Gravitationsfeldes. ^{[ 3 ]}

Die größte jemals für WGS-Zwecke verwendete Datensammlung wurde für die Entwicklung von WGS 72 zusammengestellt, verarbeitet und angewendet. Dabei kamen sowohl optische als auch elektronische Satellitendaten zum Einsatz. Die elektronischen Satellitendaten bestanden unter anderem aus Dopplerdaten der US Navy und kooperierender, nicht dem Verteidigungsministerium unterstellter Satellitenverfolgungsstationen, die zur Unterstützung des Navigationssatellitensystems (NNSS) der Navy eingerichtet wurden. Dopplerdaten waren auch von den zahlreichen Standorten verfügbar, die GEOCEIVERS in den Jahren 1971 und 1972 errichtet hatte. Dopplerdaten bildeten die primäre Datenquelle für WGS 72 (siehe Abbildung). Zusätzliche elektronische Satellitendaten lieferte das SECOR-Äquatorialnetzwerk (Sequential Collation of Range), das 1970 von der US Army fertiggestellt wurde. Optische Satellitendaten des Worldwide Geometric Satellite Triangulation Program wurden vom BC-4-Kamerasystem bereitgestellt (siehe Abbildung). Außerdem wurden Daten des Smithsonian Astrophysical Observatory verwendet, darunter Kameradaten ( Baker-Nunn ) und Daten aus Laserentfernungsmessungen. ^{[ 3 ]}

Das in der Unified WGS Solution verwendete Oberflächenschwerefeld bestand aus 410 flächengleichen, mittleren Freiluft-Schwereanomalien (10° × 10°), die ausschließlich aus terrestrischen Daten ermittelt wurden. Dieses Schwerefeld enthielt mittlere Anomaliewerte, die direkt aus beobachteten Schweredaten abgeleitet wurden, sofern diese in ausreichender Menge verfügbar waren. Die Werte für Gebiete mit wenigen oder keinen Beobachtungsdaten wurden mithilfe geophysikalisch kompatibler Schwereapproximationen und Korrelationstechniken zwischen Schwerefeld und Geophysik berechnet. Ungefähr 45 Prozent der 410 mittleren Freiluft-Schwereanomalien wurden direkt aus beobachteten Schweredaten bestimmt. ^{[ 3 ]}

Die astrogeodätischen Daten bestehen in ihrer Grundform aus den Ablenkungen der Vertikalkomponenten, bezogen auf die verschiedenen nationalen geodätischen Bezugssysteme. Diese Ablenkungswerte wurden in astrogeodätische Geoidkarten integriert, die sich auf diese nationalen Bezugssysteme beziehen. Die Geoidhöhen trugen zur einheitlichen WGS-Lösung bei, indem sie zusätzliche und detailliertere Daten für Landgebiete lieferten. Konventionelle Geländevermessungsdaten wurden in die Lösung einbezogen, um eine konsistente Anpassung der Koordinaten benachbarter Beobachtungspunkte der Systeme BC-4, SECOR, Doppler und Baker-Nunn zu gewährleisten. Außerdem wurden acht geodimetergenaue Langlinien-Polygonzüge zur Kontrolle des Maßstabs der Lösung berücksichtigt. ^{[ 3 ]}

Die vereinheitlichte WGS-Lösung, wie oben erwähnt, lieferte geodätische Positionen und zugehörige Parameter des Gravitationsfeldes auf Basis einer optimalen Kombination verfügbarer Daten. Die WGS-72-Ellipsoidparameter, Datumsverschiebungen und weitere zugehörige Konstanten wurden separat abgeleitet. Für die vereinheitlichte Lösung wurde für jeden der genannten Datensätze eine Normalengleichungsmatrix erstellt. Anschließend wurden die einzelnen Normalengleichungsmatrizen kombiniert und die resultierende Matrix gelöst, um die Positionen und Parameter zu bestimmen. ^{[ 3 ]}

Der Wert für die große Halbachse ( a ) des WGS 72-Ellipsoids ist6 378 135  m . Die Annahme eines um 10 Meter kleineren a -Wertes als für das WGS-66-Ellipsoid basierte auf verschiedenen Berechnungen und Indikatoren, darunter eine Kombination aus Satelliten- und Oberflächengravitationsdaten zur Positions- und Gravitationsfeldbestimmung. Mithilfe von aus Satelliten abgeleiteten Stationskoordinaten und gravimetrischen Daten zur Vertikalenablenkung und Geoidhöhe wurden lokale zu geozentrischen Datumsverschiebungen, Datumsrotationsparameter, ein Datumsskalierungsparameter und ein Wert für die große Halbachse des WGS-Ellipsoids bestimmt. Es wurden acht Lösungen mit den verschiedenen Eingangsdatensätzen erstellt, sowohl aus Untersuchungsgründen als auch aufgrund der begrenzten Anzahl an Unbekannten, die in jeder einzelnen Lösung aufgrund von Computerbeschränkungen gelöst werden konnten. Ausgewählte Doppler-Satelliten-Tracking- und astrogeodätische Datumsorientierungsstationen wurden in die verschiedenen Lösungen einbezogen. Basierend auf diesen Ergebnissen und anderen vom Komitee durchgeführten Studien wurde ein a -Wert vonEs wurden 6 378 135  m und eine Abflachung von 1/298,26 angenommen. ^{[ 3 ]}

Bei der Entwicklung von Datumverschiebungen vom lokalen zum WGS-72-System wurden Ergebnisse verschiedener geodätischer Disziplinen untersucht, analysiert und verglichen. Die verwendeten Verschiebungen basierten primär auf einer großen Anzahl von Doppler-TRANET- und GEOCEIVER-Stationskoordinaten, die weltweit verfügbar waren. Diese Koordinaten wurden mithilfe der Doppler-Punktpositionierungsmethode bestimmt. ^{[ 3 ]}

Anfang der 1980er-Jahre wurde der Bedarf an einem neuen Weltgeodätischen System (WGS) sowohl in der geodätischen Fachwelt als auch im US-Verteidigungsministerium allgemein anerkannt. WGS 72 lieferte nicht mehr genügend Daten, Informationen, geografische Abdeckung oder Produktgenauigkeit für alle damals aktuellen und zukünftigen Anwendungen. Die Voraussetzungen für die Entwicklung eines neuen WGS boten sich durch verbesserte Daten, eine erweiterte Datenabdeckung, neue Datentypen und optimierte Verfahren. Beobachtungen mittels Doppler-Sonographie, Satellitenlaserentfernungsmessung und Very-Long-Baseline-Interferometrie (VLBI) stellten bedeutende neue Informationen dar. Eine herausragende neue Datenquelle war die Satellitenradar-Altimetrie. Zudem stand eine fortschrittliche Methode der kleinsten Quadrate, die sogenannte Kollokation , zur Verfügung , die eine konsistente Kombinationslösung aus verschiedenen Messarten ermöglichte, die alle relativ zum Schwerefeld der Erde waren – Messungen wie Geoid, Schwereanomalien, Ablenkungen und dynamischer Doppler-Effekt.

Das neue geodätische Weltsystem wurde WGS 84 genannt. Es ist das Referenzsystem, das vom Global Positioning System (GPS) verwendet wird . Es ist geozentrisch und global konsistent.1  m . Die aktuellen geodätischen Realisierungen der geozentrischen Referenzsystemfamilie International Terrestrial Reference System (ITRS), die vom IERS gepflegt werden , sind geozentrisch und intern konsistent auf der Ebene von wenigen Zentimetern, während sie gleichzeitig auf der Meterebene konsistent mit WGS 84 sind.

Das WGS-84- Referenzellipsoid basierte auf GRS 80 , weist jedoch eine sehr geringfügige Abweichung in der inversen Abplattung auf, da es unabhängig abgeleitet und das Ergebnis auf eine andere Anzahl signifikanter Stellen gerundet wurde. ^{[ 4 ]} Dies führte zu einer minimalen Differenz von0,105 mm in der kleinen Halbachse. ^{[ 5 ]} Die folgende Tabelle vergleicht die Parameter des primären Ellipsoids.

Der Koordinatenursprung von WGS 84 soll im Erdmittelpunkt liegen ; die Unsicherheit wird auf weniger als … geschätzt.2 cm . ^{[ 7 ]}

Der Nullmeridian des WGS 84 ist der IERS-Referenzmeridian ^{[ 8 ]} , der 5,3 Bogensekunden bzw. 102 Meter (335 Fuß) östlich des Greenwich-Meridians auf der Breite des Royal Observatory liegt . ^{[ 9 ] [ 10 ]} (Dies hängt damit zusammen, dass die Senkrechte zur lokalen Äquipotentialfläche des Schwerefeldes in Greenwich nicht exakt durch den Erdmittelpunkt verläuft, sondern diesen um etwa 102 Meter westlich verfehlt.) Die Längenpositionen des WGS 84 stimmen mit denen des älteren Nordamerikanischen Datums 1927 bei etwa 85° westlicher Länge im östlichen Zentralgebiet der Vereinigten Staaten überein.

Die WGS 84-Bezugsfläche ist ein abgeplattetes Sphäroid mit Äquatorialradius a =6 378 137  m am Äquator und Abflachung f = 1 ⁄298,257 223 563 . Der verfeinerte Wert der WGS-84-Gravitationskonstante(einschließlich der Masse der Erdatmosphäre) istGM=3,986 004 418 × 10 ¹⁴  m ³ /s ² . Die Winkelgeschwindigkeit der Erde ist definiert als ω =72,921 15 × 10 ⁻⁶  rad/s . ^{[ 11 ]}

Dies führt zu mehreren berechneten Parametern, wie zum Beispiel der polaren kleinen Halbachse b , die gleich a × (1 − f ) ist .6 356 752 .3142 m , und das Quadrat der ersten Exzentrizität, e ² =6,694 379 990 14 × 10 ⁻³ . ^{[ 11 ]}

Das ursprüngliche Standardisierungsdokument für WGS 84 war der Technische Bericht 8350.2, veröffentlicht im September 1987 von der Defense Mapping Agency (später National Imagery and Mapping Agency). Neuauflagen erschienen im September 1991 und Juli 1997; die letztgenannte wurde im Januar 2000 und Juni 2004 zweimal überarbeitet. ^{[ 12 ]} Das Standardisierungsdokument wurde erneut überarbeitet und im Juli 2014 von der National Geospatial-Intelligence Agency als NGA.STND.0036 veröffentlicht. ^{[ 13 ]} Diese Aktualisierungen bieten verfeinerte Beschreibungen der Erde und präzisere Systemimplementierungen.

Das ursprüngliche WGS84-Modell wies eine absolute Genauigkeit von 1–2 Metern auf. WGS84 (G730) integrierte erstmals GPS-Beobachtungen und verbesserte die Genauigkeit auf 10 cm/Komponente (Effektivwert). ^{[ 14 ]} Alle nachfolgenden Revisionen, einschließlich WGS84 (G873) und WGS84 (G1150), nutzten ebenfalls GPS. ^{[ 15 ]}

WGS 84 (G1762) ist die sechste Aktualisierung des WGS-Referenzrahmens. ^{[ 14 ]}

WGS 84 wurde zuletzt aktualisiert und verwendet nun den Referenzrahmen G2296 , der am 7. Januar 2024 als Aktualisierung von G2139 veröffentlicht wurde. Dieser ist nun sowohl an ITRF2020, der neuesten ITRF-Realisierung, als auch an IGS20, dem vom International GNSS Service (IGS) verwendeten Rahmen, ausgerichtet. ^{[ 16 ]} G2139 wurde an die IGb14-Realisierung des International Terrestrial Reference Frame (ITRF) 2014 angepasst und verwendet den neuen IGS- Antex-Standard. ^{[ 17 ]}

Aktualisierungen des ursprünglichen Geoids für WGS 84 werden nun als separates Erdgravitationsmodell (EGM) mit verbesserter Auflösung und Genauigkeit veröffentlicht. Ebenso wird das Weltmagnetmodell (WMM) separat aktualisiert. Die aktuelle Version von WGS 84 verwendet EGM2008 und WMM2025. ^{[ 18 ] [ 19 ]}

Eine Lösung für die Erdorientierungsparameter, die mit ITRF2014 konsistent ist, wird ebenfalls benötigt (IERS EOP 14C04). ^{[ 20 ]}

Die Komponenten von WGS 84 werden durch Codes im EPSG Geodetic Parameter Dataset identifiziert : ^{[ 21 ].}

• EPSG:4326 – 2D- Koordinatenreferenzsystem (CRS)
• EPSG:4979 – 3D-CRS
• EPSG:4978 – geozentrisches 3D-Koordinatenreferenzsystem
• EPSG:7030 – Referenzellipsoid
• EPSG:6326 – horizontales Datum

•  Dieser Artikel enthält gemeinfreies Material von Websites oder Dokumenten des National Geodetic Survey .

• NGA-Standardisierungsdokument des US-Verteidigungsministeriums: Weltgeodätisches System 1984, Definition und Beziehungen zu lokalen geodätischen Systemen (2014-07-08)
• Technischer Bericht DMA 8350.2: Weltgeodätisches System des US-Verteidigungsministeriums 1984, Definition und Beziehungen zu lokalen geodätischen Systemen (01.09.1991). Diese Ausgabe dokumentiert das ursprüngliche Erdgravitationsmodell.
• NGA-Webseite für WGS 84
• Geodäsie für Laien , Kapitel VIII, „Das Weltgeodätische System“
• Räumlicher Bezug für EPSG:4326
• ANTEX (.atx)-Dateien, die IGS20 definieren