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 fijo y centrado en la Tierra y un datum geodésico , y también describe el Modelo Gravitacional de la Tierra (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 topográficos nacionales 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 (p. ej., Helmert 1906, Hayford 1910/1924).
Un sistema geodésico unificado para todo el mundo se volvió esencial en la década de 1950 por varias razones:
A finales de la década de 1950, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos , junto con científicos de otras instituciones y países, comenzaron a desarrollar el sistema mundial necesario al que se pudieran referir datos geodésicos y establecer compatibilidad entre las coordenadas de sitios de interés muy separados. Los esfuerzos del Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea de los EE. UU. se combinaron y dieron lugar al Sistema Geodésico Mundial del Departamento de Defensa de 1960 (WGS 60). El término datum como se usa aquí se refiere a una superficie lisa definida de manera algo arbitraria como elevación cero, consistente con un conjunto de medidas topográficas de distancias entre varias estaciones y diferencias en elevación, todo reducido a una cuadrícula de latitudes , longitudes y elevaciones . Los métodos de estudio del patrimonio 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 (ver geodesia física ). Como resultado, las elevaciones en los datos están referenciadas al geoide , una superficie que no se encuentra fácilmente mediante geodesia satelital . El último método de observación es más adecuado para el mapeo global. Por lo tanto, una motivación y un problema sustancial en el WGS y trabajos similares es juntar datos que no solo se hicieron por separado, para diferentes regiones, sino volver a referenciar las elevaciones a un modelo de elipsoide en lugar de al geoide .
Para llevar a cabo WGS 60, se utilizó una combinación de datos de gravedad superficial disponibles , datos astrogeodésicos y resultados de estudios HIRAN [2] y SHORAN canadienses para definir el elipsoide que mejor se ajusta y una orientación centrada en la Tierra para cada datum inicialmente seleccionado. (Cada datum está relativamente orientado con respecto a diferentes partes del geoide mediante los métodos astrogeodésicos ya descritos). La única contribución de los datos satelitales al desarrollo de WGS 60 fue un valor para el aplanamiento del elipsoide que se obtuvo a partir del movimiento nodal. de un satélite.
Antes del WGS 60, el Ejército y la Fuerza Aérea de los EE. UU . habían desarrollado cada uno un sistema mundial utilizando diferentes enfoques del método de orientación de datos 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 datums principales. El Ejército realizó un ajuste para minimizar la diferencia entre geoides astrogeodésicos y gravimétricos . Al hacer coincidir los geoides astrogeodésicos relativos de los datos seleccionados con un geoide gravimétrico centrado en la Tierra, los datos 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 al sistema global incluyeron el astrogeoide de Irene Fischer y el datum astronáutico Mercurio. En enero de 1966, un Comité del Sistema Geodésico 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 cartográficos , cartográficos y geodésicos. Desde el desarrollo del WGS 60 se han puesto a disposición observaciones adicionales de la gravedad de la superficie , resultados de la extensión de las redes de triangulación y trilateración y grandes cantidades de datos Doppler y de satélites ópticos . Utilizando datos adicionales y 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 determinado a partir de una combinación de datos de satélite Doppler y astrogeodésicos). Un campo mundial de anomalías de gravedad media en aire libre de 5° × 5° proporcionó los datos básicos para producir el geoide gravimétrico WGS 66. Además, se derivó un geoide con referencia al elipsoide WGS 66 a partir de datos astrogeodésicos disponibles para proporcionar una representación detallada de áreas terrestres limitadas.
Después de un extenso esfuerzo durante un período de aproximadamente tres años, se completó el Sistema Geodésico Mundial 1972 del Departamento de Defensa. Se utilizaron datos satelitales seleccionados, de gravedad superficial y astrogeodésicos disponibles hasta 1972 de fuentes tanto del DoD como de otras fuentes 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.
En el desarrollo de WGS 72 se reunió, procesó y aplicó la mayor colección de datos jamás utilizada para fines WGS. Se utilizaron datos satelitales ópticos y electrónicos. Los datos satelitales electrónicos consistieron, en parte, en datos Doppler proporcionados por la Marina de los EE. UU. y estaciones de seguimiento de satélites no pertenecientes al Departamento de Defensa establecidas en apoyo del Sistema de Navegación por Satélite (NNSS) de la Marina. Los datos Doppler también estuvieron disponibles en los numerosos sitios establecidos por GEOCEIVERS durante 1971 y 1972. Los datos Doppler fueron la fuente principal de datos para WGS 72 (ver imagen). La Red Ecuatorial SECOR (Sequential Collation of Range) completada por el Ejército de los EE. UU. en 1970 proporcionó datos satelitales electrónicos adicionales. Los datos satelitales ópticos del Programa Mundial de Triangulación Geométrica de Satélites fueron proporcionados por el sistema de cámara BC-4 (ver imagen). También se utilizaron datos del Observatorio Astrofísico Smithsonian , que incluían una cámara ( Baker-Nunn ) y algo de alcance láser.
El campo de gravedad superficial utilizado en la Solución Unificada WGS consistió en un conjunto de 410 anomalías de gravedad media del aire libre de 10° × 10° de igual área determinadas únicamente a partir de datos terrestres. Este campo de gravedad incluye valores de anomalías medias compilados directamente a partir de datos de gravedad observados siempre que estos últimos estuvieran disponibles en cantidad suficiente. El valor para áreas con datos de observación escasos o nulos se desarrolló a partir de aproximaciones de gravedad geofísicamente compatibles utilizando técnicas de correlación gravedad-geofísica. Aproximadamente el 45 por ciento de los 410 valores medios de anomalías de la gravedad del aire libre se determinaron directamente a partir de los datos de gravedad observados.
Los datos astrogeodésicos en su forma básica consisten en la desviación de las componentes verticales referidas a los distintos datums geodésicos nacionales. Estos valores de deflexión se integraron en cartas geoides astrogeodésicas referidas a estos datums nacionales. Las alturas de los geoides contribuyeron a la Solución Unificada WGS al proporcionar datos adicionales y más detallados para áreas terrestres. Se incluyeron datos de estudios terrestres convencionales en la solución para imponer 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 recorridos precisos de línea larga geodimétrica con el fin de controlar la escala de la solución.
La Solución Unificada WGS, como se indicó anteriormente, era una solución para posiciones geodésicas y parámetros asociados del campo gravitacional basada en una combinación óptima de datos disponibles. Los parámetros del elipsoide WGS 72, los cambios de referencia y otras constantes asociadas se derivaron por separado. Para la solución unificada, se formó una matriz de ecuación normal 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.
El valor para el 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, incluida una combinación de datos satelitales y de gravedad de superficie para determinar la posición y el campo gravitacional. Se utilizaron conjuntos de coordenadas de estación derivadas de satélite y deflexión gravimétrica de los datos de altura vertical y geoide para determinar cambios de referencia de local a geocéntrico, parámetros de rotación de referencia, un parámetro de escala de referencia y un valor para el semieje mayor del elipsoide WGS. Se crearon ocho soluciones con los diversos conjuntos de datos de entrada, tanto desde un punto de vista de investigación como también debido al número limitado de incógnitas que podrían resolverse en cualquier solución individual debido a las limitaciones de la computadora. En las distintas soluciones se incluyeron estaciones seleccionadas de seguimiento por satélite Doppler y de orientación de datos astrogeodésicos. Con base en estos resultados y otros estudios relacionados realizados por el comité, un valor a deSe adoptaron 6.378.135 m y un aplanamiento de 1/298,26.
En el desarrollo de cambios de datos locales a WGS 72, se investigaron, analizaron y compararon 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 determinaron utilizando el método de posicionamiento de puntos Doppler.
A principios de la década de 1980, la comunidad geodésica, así como el Departamento de Defensa de Estados Unidos, reconocieron en general la necesidad de un nuevo sistema geodésico mundial. WGS 72 ya no proporcionaba suficientes datos, información, cobertura geográfica o precisión del producto para todas las aplicaciones previstas y actuales. 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 realizadas mediante Doppler, la telemetría láser por satélite y la interferometría de línea de base muy larga (VLBI) constituyeron información nueva e importante. Se dispone de una excelente nueva fuente de datos procedente de la altimetría por radar por satélite. También estaba disponible un método avanzado de mínimos cuadrados llamado colocación que permitía una solución combinada consistente de diferentes tipos de mediciones, todas ellas relativas al campo de gravedad de la Tierra, mediciones como el geoide, anomalías de gravedad, deflexiones y Doppler dinámico.
El nuevo sistema geodésico mundial recibió el nombre de WGS 84. Es el sistema de referencia utilizado por el Sistema de Posicionamiento Global . Es geocéntrico y globalmente consistente dentro1m . _ 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 en el nivel de unos pocos cm, sin dejar de ser 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. [3] Esto resultó en una pequeña diferencia de0,105 mm en el semieje menor. [4] La siguiente tabla compara los parámetros principales del elipsoide.
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Se supone que el origen de coordenadas de WGS 84 está ubicado en el centro de masa de la Tierra ; Se cree que la incertidumbre es menor que2cm . [6]
El meridiano WGS 84 de longitud cero es el meridiano de referencia del IERS , [7] 5,3 segundos de arco o 102 metros (335 pies) al este del meridiano de Greenwich en la latitud del Observatorio Real . [8] [9] (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 "pierde al oeste" del centro de masa por unos 102 metros). Las posiciones en WGS 84 coinciden con las del antiguo Datum norteamericano de 1927, aproximadamente a 85° de longitud oeste , en el centro-este de los Estados Unidos.
La superficie de referencia WGS 84 es un esferoide achatado con radio ecuatorial a =6 378 137 m en el ecuador y aplanamiento f = 1/298.257 223 563 . El valor refinado de la constante gravitacional WGS 84 (incluida la masa de la atmósfera terrestre) es GM =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 . [10]
Esto conduce a varios parámetros calculados, como el semieje menor polar b , que es igual a a × (1 − f ) =6 356 752 .3142 m , y la primera excentricidad al cuadrado, e 2 =6,694 379 990 14 × 10 −3 . [10]
El documento de estandarización 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 Cartografía e Imágenes). Se publicaron nuevas ediciones en septiembre de 1991 y julio de 1997; la última edición fue modificada dos veces, en enero de 2000 y junio de 2004. [11] El documento de normalización fue revisado nuevamente y publicado en julio de 2014 por la Agencia Nacional de Inteligencia Geoespacial como NGA.STND.0036. [12] 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. WGS84 (G730) incorporó por primera vez observaciones GPS, reduciendo la precisión a 10 cm/componente rms. [13] Todas las revisiones siguientes, incluidas WGS84 (G873) y WGS84 (G1150), también utilizaron GPS. [14]
WGS 84 (G1762) es la sexta actualización del marco de referencia WGS. [13]
WGS 84 se actualizó más recientemente para utilizar el marco de referencia G2296 , que se lanzó el 7 de enero de 2024 como una actualización de G2139. [15] Este marco está alineado con la realización IGb14 del Marco de Referencia Terrestre Internacional (ITRF) 2014 y utiliza el nuevo estándar IGS Antex. [dieciséis]
Las actualizaciones del geoide original para WGS 84 ahora se publican como un modelo gravitacional terrestre (EGM) separado, con resolución y precisión mejoradas. Asimismo, el Modelo Magnético Mundial (WMM) se actualiza por separado. La versión actual de WGS 84 utiliza EGM2008 y WMM2020. [17] [18]
También se necesita una solución para los parámetros de orientación de la Tierra compatibles con ITRF2014 (IERS EOP 14C04). [19]
Los componentes de WGS 84 se identifican mediante códigos en el conjunto de datos de parámetros geodésicos de EPSG : [20]
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