Sistema Geodésico Mundial

Geodesia
Fundamentos Geodesia Geodinámica Geomática Historia
Conceptos Distancia geográfica Geoide Figura de la Tierra ( radio y circunferencia ) Coordenadas geodésicas Datum geodésico Geodésico Representación de la posición horizontal Latitud  / Longitud Proyección de mapas Elipsoide de referencia Geodesia satelital Sistema de referencia espacial Relaciones espaciales Posiciones verticales
Tecnologías Sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) Sistema de Posición Global (GPS) GLONASS (Rusia) BeiDou (BDS) (China) Galileo (Europa) NAVIC (India) Sistema satelital cuasi-cenital (QZSS) (Japón) Cuadrícula global discreta y geocodificación
Normas (historia) Valor nominal del vehículo 29 Datum del nivel del mar 1929 OSGB36 Ordnance Survey de Gran Bretaña, 1936 SK-42 Sistema Coordinat 1942 goda ED50 Fecha europea 1950 Triste69 Datum sudamericano 1969 80 gr Sistema de referencia geodésica 1980 ISO 6709 Punto geográfico coord. 1983 NAD83 Datum norteamericano 1983 WGS84 Sistema Geodésico Mundial 1984 Navegación 88 Datum vertical norteamericano 1988 ETRS89 Sistema de referencia terrestre europeo 1989 GCJ-02 Datos chinos confusos de 2002 URI geográfica Enlace de Internet a un punto 2010 Sistema Internacional de Referencia Terrestre Identificador del sistema de referencia espacial (SRID) Medida universal transversal de Mercator (UTM)
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El Sistema Geodésico Mundial ( WGS ) es un estándar utilizado en cartografía , geodesia y navegación por satélite , incluido el GPS . La versión actual, WGS 84 , define un sistema de coordenadas centrado en la Tierra y fijo en ella y un datum geodésico , y también describe el Modelo Gravitacional Terrestre (EGM) y el Modelo Magnético Mundial (WMM) asociados. El estándar es publicado y mantenido por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial de los Estados Unidos . ^[1]

Los esfuerzos para complementar los diversos sistemas nacionales de topografía comenzaron en el siglo XIX con el famoso libro de FR Helmert Mathematische und Physikalische Theorien der Physikalischen Geodäsie ( Teorías matemáticas y físicas de la geodesia física ). Austria y Alemania fundaron el Zentralbüro für die Internationale Erdmessung (Oficina central de geodesia internacional ) y se derivaron una serie de elipsoides globales de la Tierra (por ejemplo, Helmert 1906, Hayford 1910 y 1924).

Un sistema geodésico unificado para todo el mundo se hizo esencial en la década de 1950 por varias razones:

• La ciencia espacial internacional y el comienzo de la astronáutica .
• La falta de información geodésica intercontinental.
• La incapacidad de los grandes sistemas geodésicos , como el Datum Europeo ( ED50 ), el Datum Norteamericano (NAD) y el Datum de Tokio (TD), para proporcionar una base de datos geográficos mundial
• Necesidad de mapas globales para navegación , aviación y geografía .
• La preparación occidental para la Guerra Fría requirió un sistema de referencia geoespacial estandarizado para toda la OTAN , de conformidad con el Acuerdo de Estandarización de la OTAN.

A finales de los años 1950, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos , junto con científicos de otras instituciones y países, comenzó a desarrollar el sistema mundial necesario al que se pudieran referir los datos geodésicos y establecer la compatibilidad entre las coordenadas de sitios de interés ampliamente separados. Los esfuerzos del Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos se combinaron para dar lugar al Sistema Geodésico Mundial del Departamento de Defensa de 1960 (WGS 60). El término datum tal como se utiliza aquí se refiere a una superficie lisa definida de forma algo arbitraria como elevación cero, consistente con un conjunto de medidas de topografía de distancias entre varias estaciones y diferencias de elevación, todas reducidas a una cuadrícula de latitudes , longitudes y elevaciones . Los métodos de topografía tradicionales encontraron diferencias de elevación con respecto a una horizontal local determinada por el nivel de burbuja , la plomada o un dispositivo equivalente que depende del campo de gravedad local (véase geodesia física ). Como resultado, las elevaciones en los datos se referencian al geoide , una superficie que no se encuentra fácilmente utilizando la geodesia satelital . El último método de observación es más adecuado para la cartografía global. Por lo tanto, una motivación y un problema sustancial en el WGS y trabajos similares es juntar datos que no sólo se crearon por separado para diferentes regiones, sino también volver a referenciar las elevaciones a un modelo de elipsoide en lugar de al geoide .

Para llevar a cabo el WGS 60, se utilizó una combinación de datos de gravedad superficial disponibles, datos astrogeodésicos y resultados de los estudios HIRAN ^[2] y SHORAN canadiense para definir un elipsoide de mejor ajuste y una orientación centrada en la Tierra para cada datum seleccionado inicialmente. (Cada datum está orientado de manera relativa con respecto a diferentes partes del geoide mediante los métodos astrogeodésicos ya descritos). La única contribución de los datos satelitales al desarrollo del WGS 60 fue un valor para el aplanamiento del elipsoide que se obtuvo a partir del movimiento nodal de un satélite.

Antes de WGS 60, el Ejército y la Fuerza Aérea de los EE. UU. habían desarrollado cada uno un sistema mundial utilizando diferentes enfoques para el método de orientación de los datums gravimétricos. Para determinar sus parámetros de orientación gravimétrica, la Fuerza Aérea utilizó la media de las diferencias entre las deflexiones gravimétricas y astrogeodésicas y las alturas de los geoides (ondulaciones) en estaciones específicamente seleccionadas en las áreas de los principales datums. El Ejército realizó un ajuste para minimizar la diferencia entre los geoides astrogeodésicos y gravimétricos . Al hacer coincidir los geoides astrogeodésicos relativos de los datums seleccionados con un geoide gravimétrico centrado en la Tierra, los datums seleccionados se redujeron a una orientación centrada en la Tierra. Dado que los sistemas del Ejército y la Fuerza Aérea coincidieron notablemente bien para las áreas NAD, ED y TD, se consolidaron y se convirtieron en WGS 60.

Las mejoras del sistema global incluyeron el Astrogeoide de Irene Fischer y el datum astronáutico Mercurio. En enero de 1966, un Comité del Sistema Geodético Mundial compuesto por representantes del Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos recibió el encargo de desarrollar un WGS mejorado, necesario para satisfacer los requisitos de cartografía , cartografía y geodésica. Desde el desarrollo del WGS 60 se habían obtenido observaciones adicionales de la gravedad superficial , resultados de la extensión de las redes de triangulación y trilateración y grandes cantidades de datos satelitales Doppler y ópticos . Utilizando los datos adicionales y las técnicas mejoradas, se produjo el WGS 66, que atendió las necesidades del Departamento de Defensa durante unos cinco años después de su implementación en 1967. Los parámetros definitorios del elipsoide WGS 66 fueron el aplanamiento ( 1 ⁄ 298,25 determinado a partir de datos satelitales) y el semieje mayor (6 378 145  m determinados a partir de una combinación de datos astrogeodésicos y de satélite Doppler). Un campo de anomalía de gravedad en aire libre de 5° × 5° de media mundial proporcionó los datos básicos para producir el geoide gravimétrico WGS 66. Además, se derivó un geoide referenciado al elipsoide WGS 66 a partir de los datos astrogeodésicos disponibles para proporcionar una representación detallada de áreas terrestres limitadas.

Después de un gran esfuerzo durante un período de aproximadamente tres años, se completó el Sistema Geodésico Mundial del Departamento de Defensa de 1972. Se utilizaron datos seleccionados de satélites, gravedad de superficie y astrogeodésicos disponibles hasta 1972 de fuentes tanto del Departamento de Defensa como de fuentes ajenas al Departamento de Defensa en una Solución WGS Unificada (un ajuste de mínimos cuadrados a gran escala ). Los resultados del ajuste consistieron en correcciones a las coordenadas iniciales de la estación y a los coeficientes del campo gravitacional. ^[3]

La mayor colección de datos jamás utilizada para fines de WGS se reunió, procesó y aplicó en el desarrollo de WGS 72. Se utilizaron datos satelitales tanto ópticos como electrónicos. Los datos satelitales electrónicos consistieron, en parte, en datos Doppler proporcionados por la Marina de los EE. UU. y estaciones de seguimiento satelital no pertenecientes al Departamento de Defensa establecidas en apoyo del Sistema de Satélite de Navegación (NNSS) de la Marina. Los datos Doppler también estaban disponibles en los numerosos sitios establecidos por GEOCEIVERS durante 1971 y 1972. Los datos Doppler fueron la fuente de datos principal para WGS 72 (ver imagen). Los datos satelitales electrónicos adicionales fueron proporcionados por la Red Ecuatorial SECOR (Sequential Collation of Range) completada por el Ejército de los EE. UU. en 1970. Los datos satelitales ópticos del Programa Mundial de Triangulación Geométrica por Satélite fueron proporcionados por el sistema de cámara BC-4 (ver imagen). También se utilizaron datos del Observatorio Astrofísico Smithsoniano, que incluían cámara ( Baker–Nunn ) y algo de medición de distancia por láser. ^[3]

El campo de gravedad superficial utilizado en la Solución WGS Unificada consistió en un conjunto de 410 anomalías de gravedad media en aire libre de áreas iguales de 10° × 10° determinadas únicamente a partir de datos terrestres. Este campo de gravedad incluye valores de anomalía media compilados directamente a partir de datos de gravedad observados siempre que estos últimos estuvieran disponibles en cantidad suficiente. El valor para áreas de datos de observación escasos o inexistentes se desarrolló a partir de aproximaciones de gravedad compatibles geofísicamente utilizando técnicas de correlación gravedad-geofísica. Aproximadamente el 45 por ciento de los 410 valores de anomalía de gravedad media en aire libre se determinaron directamente a partir de datos de gravedad observados. ^[3]

Los datos astrogeodésicos en su forma básica consisten en la desviación de los componentes verticales referidos a los diversos datums geodésicos nacionales. Estos valores de desviación se integraron en cartas geoidales astrogeodésicas referidas a estos datums nacionales. Las alturas geoidales contribuyeron a la Solución WGS Unificada al proporcionar datos adicionales y más detallados para las áreas terrestres. Los datos de levantamientos terrestres convencionales se incluyeron en la solución para aplicar un ajuste consistente de las coordenadas de los sitios de observación vecinos de los sistemas BC-4, SECOR, Doppler y Baker–Nunn. Además, se incluyeron ocho poligonales precisas de línea larga geodimétrica con el propósito de controlar la escala de la solución. ^[3]

La solución WGS unificada, como se indicó anteriormente, fue una solución para las posiciones geodésicas y los parámetros asociados del campo gravitacional basada en una combinación óptima de los datos disponibles. Los parámetros del elipsoide WGS 72, los desplazamientos de los datos y otras constantes asociadas se derivaron por separado. Para la solución unificada, se formó una matriz de ecuaciones normales basada en cada uno de los conjuntos de datos mencionados. Luego, se combinaron las matrices de ecuaciones normales individuales y se resolvió la matriz resultante para obtener las posiciones y los parámetros. ^[3]

El valor del semieje mayor ( a ) del elipsoide WGS 72 es6 378 135  m . La adopción de un valor a 10 metros menor que el del elipsoide WGS 66 se basó en varios cálculos e indicadores que incluían una combinación de datos de gravedad de superficie y satelitales para determinar la posición y el campo gravitacional. Se utilizaron conjuntos de coordenadas de estación derivadas de satélite y la desviación gravimétrica de los datos de altura vertical y geoidal para determinar los cambios de referencia locales a geocéntricos, los parámetros de rotación de referencia, un parámetro de escala de referencia y un valor para el semieje mayor del elipsoide WGS. Se realizaron ocho soluciones con los diversos conjuntos de datos de entrada, tanto desde un punto de vista investigativo como también debido al número limitado de incógnitas que se podían resolver en cualquier solución individual debido a las limitaciones de la computadora. Se incluyeron en las diversas soluciones estaciones seleccionadas de seguimiento de satélite Doppler y orientación de referencia astrogeodésica. Con base en estos resultados y otros estudios relacionados realizados por el comité, se elaboró ​​un valor a deSe adoptó una longitud de 6.378.135 m  y un aplanamiento de 1/298,26. ^[3]

En el desarrollo de los cambios de datum locales a WGS 72, se investigaron, analizaron y compararon los resultados de diferentes disciplinas geodésicas. Los cambios adoptados se basaron principalmente en un gran número de coordenadas de estaciones Doppler TRANET y GEOCEIVER que estaban disponibles en todo el mundo. Estas coordenadas se habían determinado utilizando el método de posicionamiento de puntos Doppler. ^[3]

A principios de los años 1980, la comunidad geodésica y el Departamento de Defensa de los Estados Unidos reconocieron la necesidad de un nuevo sistema geodésico mundial. El WGS 72 ya no proporcionaba suficientes datos, información, cobertura geográfica o precisión de producto para todas las aplicaciones vigentes y previstas en ese momento. Los medios para producir un nuevo WGS estaban disponibles en forma de datos mejorados, mayor cobertura de datos, nuevos tipos de datos y técnicas mejoradas. Las observaciones Doppler, la medición de distancias por láser por satélite y la interferometría de línea de base muy larga (VLBI) constituían información nueva y significativa. Se había puesto a disposición una nueva fuente de datos excepcional a partir de la altimetría por radar por satélite. También se disponía de un método avanzado de mínimos cuadrados llamado colocación que permitía una solución de combinación consistente a partir de diferentes tipos de mediciones, todas relativas al campo gravitatorio de la Tierra, mediciones como el geoide, las anomalías de la gravedad, las desviaciones y el Doppler dinámico.

El nuevo sistema geodésico mundial se denominó WGS 84. Es el sistema de referencia utilizado por el Sistema de Posicionamiento Global . Es geocéntrico y globalmente consistente dentro de1  m . Las realizaciones geodésicas actuales de la familia de sistemas de referencia geocéntricos Sistema Internacional de Referencia Terrestre (ITRS) mantenida por el IERS son geocéntricas e internamente consistentes a nivel de unos pocos centímetros, aunque siguen siendo consistentes a nivel de metros con WGS 84.

El elipsoide de referencia WGS 84 se basó en GRS 80 , pero contiene una variación muy leve en el aplanamiento inverso, ya que se derivó de forma independiente y el resultado se redondeó a un número diferente de dígitos significativos. ^[4] Esto resultó en una pequeña diferencia de0,105 mm en el eje semimenor. ^[5] La siguiente tabla compara los parámetros del elipsoide primario.

Se supone que el origen de las coordenadas de WGS 84 está ubicado en el centro de masa de la Tierra ; se cree que la incertidumbre es menor que2 centímetros . ^[7]

El meridiano WGS 84 de longitud cero es el meridiano de referencia IERS , ^[8] 5,3 segundos de arco o 102 metros (335 pies) al este del meridiano de Greenwich en la latitud del Observatorio Real . ^{[9] [10]} (Esto está relacionado con el hecho de que el campo de gravedad local en Greenwich no apunta exactamente a través del centro de masa de la Tierra, sino que "se pierde al oeste" del centro de masa por unos 102 metros). Las posiciones de longitud en WGS 84 coinciden con las del antiguo Datum norteamericano de 1927 en aproximadamente 85° de longitud oeste , en el centro-este de los Estados Unidos.

La superficie de referencia WGS 84 es un esferoide achatado con un radio ecuatorial a =6 378 137  m en el ecuador y aplanamiento f = 1 ⁄298.257 223 563 . El valor refinado de la constante gravitacionalWGS 84(incluida la masa de la atmósfera de la Tierra) esGM=3,986 004 418 × 10 ¹⁴  m ³ /s ² . La velocidad angular de la Tierra se define como ω =72,921 15 × 10 ⁻⁶  rad/s [ ^11]

Esto conduce a varios parámetros calculados, como el semieje polar menor b , que es igual a × (1 − f ) =6 356 752 .3142 m , y la primera excentricidad al cuadrado, e ² =6,694 379 990 14 × 10 ⁻³ . ^[11]

El documento de normalización original para WGS 84 fue el Informe Técnico 8350.2, publicado en septiembre de 1987 por la Agencia de Cartografía de Defensa (que más tarde se convirtió en la Agencia Nacional de Imágenes y Cartografía). Se publicaron nuevas ediciones en septiembre de 1991 y julio de 1997; la última edición fue enmendada dos veces, en enero de 2000 y junio de 2004. ^[12] El documento de normalización fue revisado nuevamente y publicado en julio de 2014 por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial como NGA.STND.0036. ^[13] Estas actualizaciones proporcionan descripciones refinadas de la Tierra y realizaciones del sistema para una mayor precisión.

El modelo WGS84 original tenía una precisión absoluta de 1 a 2 metros. El WGS84 (G730) fue el primero en incorporar observaciones GPS, reduciendo la precisión a 10 cm/componente rms. ^[14] Todas las revisiones posteriores, incluidas WGS84 (G873) y WGS84 (G1150), también utilizaron GPS. ^[15]

WGS 84 (G1762) es la sexta actualización del marco de referencia WGS. ^[14]

El WGS 84 se ha actualizado recientemente para utilizar el marco de referencia G2296 , que se publicó el 7 de enero de 2024 como una actualización de G2139, ahora alineado tanto con el ITRF2020, la realización más reciente de ITRF, como con el IGS20, el marco utilizado por el Servicio GNSS Internacional (IGS). ^[16] G2139 se alineó con la realización IGb14 del Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF) 2014 y utiliza el nuevo estándar IGS Antex. ^[17]

Las actualizaciones del geoide original para WGS 84 ahora se publican como un Modelo Gravitacional Terrestre (EGM) independiente, con una resolución y precisión mejoradas. Asimismo, el Modelo Magnético Mundial (WMM) se actualiza por separado. La versión actual de WGS 84 utiliza EGM2008 y WMM2020. ^{[18] [19]}

También se necesita una solución para los parámetros de orientación de la Tierra que sea coherente con ITRF2014 (IERS EOP 14C04). ^[20]

Los componentes de WGS 84 se identifican mediante códigos en el conjunto de datos de parámetros geodésicos EPSG : ^[21]

• EPSG:4326 – Sistema de referencia de coordenadas 2D (CRS)
• EPSG:4979 – CRS 3D
• EPSG:4978 – CRS 3D geocéntrico
• EPSG:7030 – elipsoide de referencia
• EPSG:6326 – referencia horizontal

•  Este artículo incorpora material de dominio público de sitios web o documentos del Servicio Geodético Nacional .

• Documento de normalización de la NGA del Departamento de Defensa Sistema geodésico mundial de 1984, su definición y relaciones con los sistemas geodésicos locales (8 de julio de 2014)
• Informe técnico 8350.2 del Departamento de Defensa, Sistema geodésico mundial 1984, su definición y relaciones con los sistemas geodésicos locales (1 de septiembre de 1991). Esta edición documenta el modelo gravitacional terrestre original.
• Página web de la NGA para WGS 84
• Geodesia para el profano, Capítulo VIII, "El sistema geodésico mundial"
• Referencia espacial para EPSG:4326
• Archivos ANTEX (.atx) que definen IGS20