Světový geodetický systém 1984 (WGS 84): Globální referenční souřadnicový systém

Přehled

Světový geodetický systém 1984 (WGS 84) je univerzální geodetický referenční rámec pro určování polohy, navigaci, mapování a geoprostorové informační systémy. Vyvinutý Ministerstvem obrany Spojených států amerických a spravovaný Národní agenturou pro geospaciální zpravodajství (NGA), WGS 84 poskytuje globálně konzistentní, země-středěný, země-pevný (ECEF) souřadnicový systém a matematicky definovaný elipsoid, který přibližuje tvar Země. Jako základ Globálního pozičního systému (GPS) a nespočtu geoprostorových aplikací zajišťuje WGS 84 interoperabilitu a vysokou přesnost údajů o poloze po celém světě.

1. Definice a složky WGS 84

1.1. Co je WGS 84?

WGS 84 je trojrozměrný, pravotočivý ortogonální souřadnicový systém ukotvený ve středu hmotnosti Země. Definuje:

• Geodetické souřadnice: zeměpisná šířka, délka a elipsoidická výška.
• Kartézské souřadnice (ECEF): osy X, Y, Z se středem ve středu Země.
• Referenční elipsoid: matematicky definovaný, sploštělý sféroid, který těsně odpovídá průměrnému tvaru Země.
• Geodetický datový základ: realizace systému, určující počátek, měřítko a orientaci.
• Přidružené modely: gravitační a magnetické modely, jako Earth Gravitational Model (EGM) a World Magnetic Model (WMM), nezbytné pro převod mezi elipsoidickými a ortometrickými výškami a pro navigaci.

1.2. Proč je WGS 84 důležitý?

WGS 84 je základem pro:

• GPS a GNSS: Všechny satelitní navigační systémy odkazují na WGS 84, což zajišťuje světovou kompatibilitu.
• Geodézii a mapování: Standard pro národní, mezinárodní i digitální mapování.
• Pozorování Země: Georeference pro dálkový průzkum Země, environmentální monitorování a vědecký výzkum.
• Obrana a letectví: Povinný pro všechny geospaciální operace Ministerstva obrany USA a mezinárodní leteckou navigaci.
• Integraci dat: Odstraňuje nejasnosti při výměně geoprostorových informací přes hranice i obory.

2. Technické parametry a referenční modely

2.1. Referenční elipsoid WGS 84

Elipsoid WGS 84 je definován:

2.2. Realizace a referenční rámce

WGS 84 je pravidelně aktualizován, aby byl v souladu s pokroky v geodetickém měření a Mezinárodním terestrickým referenčním rámcem (ITRF). Každá aktualizace je „realizace“ (např. G873, G1150, G1674, G2139), která stanovuje souřadnice v určité epoše a zlepšuje konzistenci s globálními geodetickými sítěmi.

U přesných aplikací vždy uvádějte jak realizaci, tak epochu.

2.3. Přidružené modely

Earth Gravitational Model (EGM)

EGM poskytuje vysoce detailní globální model gravitačního pole Země, který umožňuje převod elipsoidických výšek (z GPS) na ortometrické výšky (střední hladina moře).

World Magnetic Model (WMM)

WMM je globální model hlavního magnetického pole Země, zásadní pro navigaci a výpočet azimutu.

3. Vztah k dalším referenčním rámcům a datovým základům

3.1. Mezinárodní terestrický referenční rámec (ITRF)

ITRF je globální vědecký standard geodetického referenčního rámce. WGS 84 je sladěn v řádu centimetrů s ITRF, přičemž každá realizace odpovídá konkrétní verzi ITRF a epoše. Toto sladění je klíčové pro globální určování polohy, pozorování Země a integraci dat.

3.2. Národní a regionální datové základy

• NAD83 (North American Datum 1983): Používán v Severní Americe, založený na elipsoidu GRS 80, úzce sladěný, ale ne totožný s WGS 84. Pro sub-metrickou přesnost jsou nutné transformace.
• NZGD2000 (Novozélandský geodetický datový základ 2000): Vázaný na litosférickou desku, téměř shodný s WGS 84 v epoše 2000.0, ale časem se odlišuje kvůli tektonickému pohybu.
• GRS 80: Referenční elipsoid pro několik datových základů, s minimálními rozdíly od WGS 84.
• ETRS89, GDA2020, JGD2011: Regionální systémy sladěné s ITRF v konkrétních epochách, často s deformačními modely pro pohyb desek.

4. Souřadnicový systém WGS 84: použití

4.1. Geodetické souřadnice

• Zeměpisná šířka (φ): Úhel severně/jižně od rovníku.
• Zeměpisná délka (λ): Úhel východně/západně od hlavního poledníku.
• Elipsoidická výška (h): Výška nad referenčním elipsoidem.

Jsou standardem pro GPS, mapování a všechny globální geoprostorové aplikace.

4.2. Kartézské souřadnice (ECEF)

• Osa X: Prochází rovníkem a greenwichským poledníkem.
• Osa Y: Kolmá v rovině rovníku.
• Osa Z: Srovnána s osou rotace Země (severní pól).
• Počátek: Střed hmotnosti Země.

ECEF se využívá pro satelitní navigaci, geodetické výpočty a pokročilé mapování.

4.3. Realizace referenčního rámce

Přesné souřadnice referenčních stanic GNSS a GPS satelitů jsou přiřazeny při každé realizaci a epoše, což zajišťuje globální přesnost.

5. Praktické aplikace

5.1. GPS a navigace

Veškeré operace GPS odkazují na WGS 84. Polohy se počítají v reálném čase pomocí satelitních signálů a poskytují přesnost od sub-metrů po centimetry uživatelům po celém světě.

5.2. Geodézie a geodetická kontrola

Profesionální geodézie, určování hranic a inženýrské projekty se spoléhají na WGS 84 pro kontrolní sítě, integraci dat a vysoce přesná měření.

5.3. Mapování a kartografie

Digitální a analogové mapy, námořní a letecké mapy i GIS datové sady jsou závislé na WGS 84 pro georeferencování a interoperabilitu.

5.4. Dálkový průzkum Země a pozorování Země

Satelitní snímky, environmentální monitorování a reakce na katastrofy vyžadují WGS 84 pro konzistentní geolokaci a fúzi dat.

5.5. Obrana, letectví a mezinárodní standardy

WGS 84 je povinný standard pro operace Ministerstva obrany USA, mezinárodní letectví a mnoho globálních standardizačních organizací, což je klíčové pro bezpečnost, ochranu a efektivní provoz.

6. Transformace a výškové datové základy

• Horizontální transformace: Nutné při integraci dat z regionálních datových základů nebo starších referenčních rámců.
• Vertikální převod: Výšky z GPS (elipsoidické) jsou převáděny na ortometrické výšky (střední hladina moře) pomocí Earth Gravitational Model (EGM).

7. Omezení a důležité aspekty

• Tektonický pohyb: V průběhu času pohyb litosférických desek způsobuje rozdíly mezi WGS 84 a regionálními datovými základy. Pro vysokou přesnost vždy uvádějte realizaci a epochu.
• Elipsoid vs. geoid: Elipsoidické výšky z WGS 84 nezohledňují lokální gravitační anomálie; pro přesné určení nadmořské výšky jsou potřeba modely geoida.
• Aktualizace: Pravidelné aktualizace (realizace) zajišťují přesnost, ale uživatelé musí být opatrní u starších dat a při transformacích.

8. Odkazy a další čtení

• NGA WGS 84 Overview
• EPSG Geodetický registr parametrů
• Mezinárodní terestrický referenční rámec (ITRF)
• NOAA NGS Nástroje pro transformace

Shrnutí

WGS 84 je páteří globální geoprostorové infrastruktury. Jeho přesná definice, celosvětové přijetí a průběžné zpřesňování jej činí nepostradatelným pro GPS, mapování, geodézii a navigaci. Porozumění jeho složkám, realizacím a vztahům k dalším datovým základům zajišťuje přesná, spolehlivá a interoperabilní geoprostorová data kdekoli na Zemi.