Форма Земли и ее модели

ОРИЕНТИРОВАНИЕ НА МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ НАВИГАЦИИ

РАЗДЕЛ 1

Навигация (от лат. navigation – мореплавание) – это математическая наука о способах определения оптимального пути судна на водной поверхности Земли и о способах прокладки этого пути на морской навигационной карте (от лат. optimus – наилучший).

Морская навигационная карта (сокращенно МНК) – это плоское изображение выпуклой поверхности морей и океанов с прилегающими участками суши в виде береговой полосы.

Перенос выпуклой поверхности Земли на плоскость производится путем математических вычислений.

Прокладка пути судна производится путем решения геометрических задач на водной поверхности Земли и на карте.

Математические вычисления по переносу выпуклой поверхности Земли на карту и решение геометрических задач по прокладке пути судна на водной поверхности Земли и на карте возможны только в том случае, если планета Земля является геометрическим телом.

Геометрическое тело – это объемная фигура простой формы, которая поддается математическому описанию, когда форму и размеры этого тела можно выразить с помощью простых математических формул.

В качестве примера можно привести геометрическую фигуру шар, который имеет наиболее простую форму, т.к. все точки поверхности шара одинаково удалены от его центра. Поэтому форму и размер шара определяет один параметр – радиус шара (от греч. parametron – отмеривающий).

К размерам шара относится площадь поверхности шара (F_ш) и объем шара (V_ш), которые вычисляются с помощью известных формул:

В математике площадь объемной фигуры называют поверхностью. Например, площадь шара – это поверхность шара.

Планета Земля, созданная 4.7 миллиардов лет назад из газово-пылевого космического вещества, имеет очень сложную форму, которая не поддается математическому описанию. Поэтому возникает необходимость аппроксимации (замены) планеты Земля геометрическим телом, которое называется геометрической (математической) моделью Земли.

Аппроксимацию планеты Земля (от лат. approximo – приближаюсь) производят путем последовательного приближения внешнего контура Земли к форме геометрического тела:

сначала создают физическую модель Земли, которой является фигура планеты Земля, более простой формы. Поэтому эта модель получила название геоид, что в переводе с греческого языка – вид Земли (от греч. слов ge – Земля и iodos – вид);

на базе геоида создают геометрическую модель Земли – эллипсоид, форма и размеры которого наиболее близки форме и размерам геоида. Поэтому этот эллипсоид называется земным эллипсоидом или референц-эллипсоидом (от лат. referens – сообщающий – часть сложного слова, которая определяет, что референц-эллипсоид является носителем информации о форме и размерах Земли);

на базе земного эллипсоида создают геометрическую модель Земли – шар, размеры которого наиболее близки размерам земного эллипсоида. Поэтому этот шар называется земным шаром.

Принцип создания геоида основан на «сглаживании» физической поверхности планеты Земля с целью получения фигуры более простой формы.

Физическая поверхность Земли (от греч. physika – природа) – это наружная оболочка планеты Земля, которая состоит из двух сфер (рисунок 1.1):

1. Гидросфера (от греч. hydor – вода) – это наружная водная оболочка Мирового океана (8-11), которая окружает материки и острова (1-7) и занимает около 71% земной поверхности.

2. Литосфера (от греч. lithos – камень) – это твердая часть поверхности Земли, которая состоит из материковой и океанической земной коры и верхней мантии (мантия Земли – это оболочка, расположенная между земной корой и ядром Земли).

«Сглаживание» физической поверхности планеты Земля производят путем удаления с этой поверхности той части литосферы, которая возвышается над уровнем Мирового океана в виде материков и островов.

Таким образом, геоид – это фигура планеты Земля, ограниченная гидросферой, над которой не возвышается литосфера Земли. На рисунке 1.1 «б» фигура геоида показана в разрезе с помощью двойной овальной кривой.

Однако сглаженная поверхность геоида тем не менее имеет сложную форму. Поэтому геоид не является геометрической фигурой. Наиболее близкой по форме к геоиду является геометрическая фигура эллипсоид, поверхность которого имеет наибольшее совмещение с поверхностью геоида (рисунок 1.2).

Эллипсоид – это геометрическая объемная фигура, которая образована вращением плоской фигуры под названием эллипс.

Эллипс – это овальная кривая, которая образована сжатием окружности, в результате чего эллипс имеет вытянутую большую ось ЕQ и укороченную малую ось Р₁Р₂ (рисунок 1.3).

Форму и размер эллипса определяют следующие параметры (рисунок 1.3):

длина большой полуоси эллипса «a»;

длина малой полуоси эллипса «b»;

коэффициент сжатия эллипса и сжатие эллипса ;

эксцентриситет эллипса ε;

отстояние фокусов эллипса F₁ и F₂ от центра этого эллипса, которое обозначено буквой «с».

Эксцентриситет эллипса (ε) – это число, равное отношению расстояния между фокусами эллипса к длине большой оси эллипса. Поскольку расстояние между фокусами равно 2с, а длина большой оси равна 2а, то .

Фокусы эллипса – это точки F₁ и F₂ на большой оси эллипса, сумма расстояний от которых до любой точки эллипса равна длине большей оси этого эллипса:

где - расстояние любой точки эллипса до фокусов, которые называются фокальными радиусами точки эллипса.

Эллипсоид, образуемый вращением эллипса вокруг большой оси EQ, называется вытянутым эллипсоидом.

Эллипсоид, образуемый вращением эллипса вокруг малой оси Р₁Р₂, называется сжатым эллипсоидом или сфероидом.

В качестве математической модели Земли применяют сжатый эллипсоид и поэтому земной эллипсоид имеет еще один синонимичный термин – земной сфероид (от греч. synonymos – одноименный).

Земной эллипсоид (земной сфероид или референц-эллипсоид) имеет следующие параметры, которые определяют его форму и размеры:

- длина большой полуоси эллипсоида «a»;

- длина малой полуоси эллипсоида «b»;

- полярное сжатие эллипсоида ;

- величина первого эксцентриситета эллипсоида , которая равна величине эксцентриситета эллипса, вращением которого получен данный эллипсоид.

Принцип создания земного эллипсоида основан на вычислении таких значений параметров a, b, и е, при которых эллипсоид приобретает форму и размеры, близкие форме и размерам геоида. Основным признаком близости земного эллипсоида и геоида по форме и размерам является наибольшее совпадение поверхностей этих фигур (рисунок 1.2).

Форма и размеры земного эллипсоида наиболее близки форме и размерам геоида при соблюдении следующих условий (рисунок 1.2):

1. Объем земного эллипсоида должен быть равен объему геоида.

2. Малая ось земного эллипсоида должна совпадать с осью вращения Земли.

3. Плоскость экватора земного эллипсоида должна совпадать с плоскостью экватора геоида.

4. Алгебраическая сумма квадратов геодезической высоты всех точек геоида должна быть наименьшей.

Плоскость экватора земного эллипсоида – это плоскость сечения, которая проходит через центр этого эллипсоида под углом 90º к оси вращения Земли.

Если совместить 2 фигуры – геоид и земной эллипсоид, то поверхность геоида на каком-либо участке может совпадать с поверхностью земного эллипсоида, либо возвышаться над поверхностью земного эллипсоида, либо находиться ниже. На рисунке 1.2 поверхности обеих фигур совмещены в точке А, а точка В геоида находится над поверхностью земного эллипсоида и точка С расположена ниже поверхности земного эллипсоида.

Геодезическая высота точки геоида (h) – это высота какой-либо точки поверхности геоида относительно поверхности земного эллипсоида, которая может иметь следующие значения (рисунок 1.2):

- нулевая геодезическая высота точки А (h_A=0) – когда точка А является точкой соприкосновения геоида и земного эллипсоида;

- положительная геодезическая высота точки В (+h_B) – когда точка В находится над поверхностью земного эллипсоида;

- отрицательная геодезическая высота точки С (-h_C) – когда точка С находится под поверхностью земного эллипсоида.

Чтобы обеспечить наибольшее совпадение поверхностей геоида и земного эллипсоида – алгебраическая сумма геодезических высот всех точек геоида, возведенных в квадрат, должна быть наименьшей, т.е. стремиться к нулю:

Таким образом, земной эллипсоид (земной сфероид, референц-эллипсоид) – это геометрическая объемная фигура эллипсоид, форма и размеры которой наиболее близки к форме и размерам геоида. Поэтому земной эллипсоид является геометрической (математической) моделью Земли, которую применяют в качестве математической основы для решения следующих задач:

1. Математическое построение морской навигационной карты (МНК).

2. Определение местоположения судна на водной поверхности Земли.

3. Определение направления движения судна и пройденного судном расстояния и для решения других навигационных задач.

Начиная с 1830 года, было создано множество земных эллипсоидов, параметры которых вычисляли какие астрономы и геодезисты, как Эри (Англия), Бессель (Германия), Кларк (Англия), Хейфорд (США), Красовский (СССР) и многие другие (таблица 1.1).

Таблица 1.1

Название земного эллипсоида	Год	а	b		e
Эллипсоид Эри		6 377 563	6 356 257	1/299.325	0.081 672 445
Эллипсоид Бесселя		6 377 397	6 356 079	1/299.1528	0.081 672 464
Эллипсоид Кларка		6 378 206	6 356 585	1/294.9787	0.082 268 817
Эллипсоид Хейфорда		6 378 388	6 356 912	1/297.0	0.081 991 787
Эллипсоид Красовского		6 378 245	6 356 863	1/298.3	0.081 813 336
WGS-84		6 378 137	6 356 752	1/298.2572	0.081 819 791
ПЗ-90 (PE-90) или SGS-90		6 378 136	6 356 751	1/298.2578	0.081 819 797

Анализ таблицы 1.1 показывает, что земные эллипсоиды разных авторов имеют разную форму и размеры, т.к. значения параметров этих эллипсоидов отличаются на величину до одного километра. Это объясняется тем, что каждый земной эллипсоид имеет свою точку привязки к геоиду, которая является исходной точкой для вычисления параметров этого эллипсоида.

Точкой взаимной привязки геоида и земного эллипсоида является точка соприкосновения поверхностей этих фигур, в окрестностях которой поверхности земного эллипсоида и геоида совпадают наиболее точно. Поэтому каждая страна использует для создания карт тот земной эллипсоид, который имеет наилучшее приближение к поверхности геоида на территории этой страны.

Таким образом, эллипсоид, который применяют в качестве математической основы при составлении карт территории какой-либо страны принято называть национальным геодезической системой (National Geodetic System NGS). Так, например, до 1946 года национальной геодезической системой России и Украины был земной эллипсоид Бесселя. В 1942 году под руководством профессора Московского научно-исследовательского института геодезии Красовского Феодосия Николаевича был создан земной эллипсоид, поверхность которого имеет лучшее приближение к геоиду на территории России и Украины, нежели поверхность эллипсоида Бесселя, т.к. точкой взаимной привязки эллипсоида Красовского и геоида является центр круглого зала Пулковской астрономической обсерватории вблизи Санкт-Петербурга (Геодезия – от греч. слов ge – Земля и daio – разделяю: наука о форме и размерах Земли. Астрономия – от греч. слов astron – звезда и nomos – закон. Обсерватория – от лат. observatio – наблюдение). Поэтому в настоящее время в России и в Украине для составления морских навигационных карт используют национальную геодезическую систему «Пулково-42», которая является эллипсоидом Красовского.

Расчет параметров орбиты навигационных спутников Земли (от лат. orbita – колея, путь) производят на базе Всемирных геодезических систем, к которым относятся следующие земные эллипсоиды:

- Всемирная геодезическая система 1984 года (Word Geodetic System of 1984 year WGS-84) – земной эллипсоид, который является математической основой для расчета параметров орбиты искусственных спутников Земли американской спутниковой радионавигационной системы (СРНС) «НАВСТАР» - Navigation Satellite providing Time And Rane – навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения, более известная под названием – GPS – Global Positioning System – глобальная система позицирования.

- Параметры Земли 1990 года – ПЗ-90 (Parameter of Earth of 1990 year – PE-90) или Советская геодезическая система 1990 года (Soviet Geodetic Systemof 1990 year – SGS-90) – земной эллипсоид, который является математической основой для расчета параметров орбиты искусственных спутников Земли российской спутниковой радионавигационной системы (СРНС) «ГЛОНАСС» (Глобальная Навигационная Спутниковая Система).

Если сравнить длину большой и малой полуосей любого земного эллипсоида в таблице 1.1, то малая полуось (b) окажется короче большой полуоси (а) в среднем на 21 км, что составляет 0,3% длины большой полуоси. Для наглядности можно изобразить земной эллипсоид в уменьшенном виде так, чтобы его большая полуось равнялась одному метру (а = 1 м), то малая полуось будет короче на 3 миллиметра (b = 0,997 м). При такой незначительной разнице большой и малой осей – земной эллипсоид по форме очень близок шару. Поэтому для решения практических задач навигации, которые не требуют повышенной точности, вполне допустимо применять более простую по форме геометрическую (математическую) модель Земли – шар, размеры которого наиболее близки размерам земного эллипсоида.

Таким образом, земной шар – это шар, размеры которого наиболее близки размерам земного эллипсоида.

Принцип создания земного шара основан на вычислении такого радиуса шара, при котором размеры этого шара будут наиболее близки размерам земного эллипсоида. В зависимости от способа вычисления радиуса шара – созданы следующие модификации земного шара:

1. Земной шар, объем которого равен объему земного эллипсоида.

В этом случае радиус шара определяют из равенства объемов земного шара и земного эллипсоида:

(1.1)

2. Земной шар, поверхность которого наиболее близка поверхности земного эллипсоида. В этом случае радиус земного шара определяют из равенства площадей земного шара и земного эллипсоида:

(1.2)