Работа с электронными навигационными картами в “Navi Sailor-3000”

Система координат, полученная в результате уравнивания опорной  геодезической сети на референц-эллипсоиде, и представляет собой ту или иную геодезическую систему координат либо горизонтальный геодезический датум. Исходными пунктами геодезических датумов часто являются определенные точки астрономических обсерваторий, геодезические координаты которых широту и долготу определяют путем астрономических наблюдений, освобожденных от влияния уклонения отвеса.

Различают локальные, региональные и всемирные геодезические системы  координат. Локальные датумы являются геодезическими системами небольших участков земной поверхности. В качестве примера можно привести датум "Bissau Base North West and Pillar".

Региональные  геодезические системы относятся к обширным районам Земли. В качестве примеров таких систем координат можно назвать: Советскую 1942 года (Pulkovo 1942), Европейский датум 1950 года (ED50), Британскую систему 1936 г. Токийский датум. Индийский датум. Новый североамериканский датум 1983 г, (NAD83-- New North American Datum of 1983). Следует отметить, что если горизонтальный датум относится к территории государства, то он называется национальным.

Всемирный датум - это геодезическая система координат для всего земного шара. Примерами всемирных датумов являются американские системы WGS72, WGS84 и российская система П390 (SGS90 - Soviet Geocentric Coordinate System 1990).

Создание геодезических  систем координат обширных районов  земной поверхности зависит от возможностей технических средств, используемых при геодезической съемке. Когда  эти средства были только оптическими, опорная геодезическая сеть могла  включать только пункты, три из которых  в любом месте находятся в  зоне прямой видимости. Применение в  геодезических работах радиотехнических систем высокой точности, таких как  РСВТ, Decca, Hifix и др. дало возможность значительно увеличить расстояние между пунктами. Появление космической техники для точного определения положения на поверхности Земли привело к возможности создания всемирной геодезической системы.

Полученные до 1930 года горизонтальные геодезические датумы были локальными. С 1930 и до 1950 года в разных странах были проведены обширные геодезические работы по созданию региональных датумов. Начиная с пятидесятых годов, региональные геодезические системы стали не удовлетворять целям применения появившегося в те годы вооружения, которое требовало геодезическую систему отсчета мирового масштаба. Появление навигационной спутниковой системы «Транзит» позволило в I960 г. Министерству Обороны США создать путем объединения на основе спутниковых наблюдений различных региональных геодезических сетей Мировую геодезическую систему (Word Geodetic System of 1960 - WGS60). Эта система уточнялась в 1966, 1972, 1984 году. В настоящее время используется система координат WGS84, которая получила широкое распространение во всем мире. Она совпадает с NAD83. Большая а и малая b полуоси референц-эллипсоида WGS84 соответственно равны:

а=6378137.00 м; б =6356752.31 м.

WGS84 принята за стандартную при расчетах положения определяющихся объектов в GPS. В WGS84 рекомендуется составлять официальные векторные ЭК. Расчеты кинематических параметров объектов в ГЛОНАСС ведутся в советской мировой геодезической системе П390.

Морские навигационные карты, основанные на съемках разных государственных  гидрографических служб и организаций, имеют разные геодезические системы  отсчета координат. Список полученных в разные годы датумов, которые использовались при составлении карт Земной поверхности, приведен в приложении 2. В приложении 3 перечислены геодезические системы навигационных карт, входящих в коллекцию Британского адмиралтейства.

Информация о горизонтальном датуме ЭК имеется для большинства навигационных карт. Однако для ряда карт, основанных на съемке, проведенной в далеком прошлом, горизонтальный датум неизвестен. На бумажных картах информация о горизонтальном датуме приводится в заголовке карты. Начиная с 1982 г., при переиздании карт многие гидрографические службы добавляют на картах поправки по широте и долготе для приведения к карте данных спутниковых определений в системе WGS. Запись об этом "Satellite-Derived Positions" обычно располагается около заголовка карты. Следует отметить, что многие приемоиндикаторы спутниковых систем определений места имеют возможность представлять данные в разных геодезических системах.

1.3. Проекции электронных  карт

Морские навигационные ЭК в подавляющем большинстве случаев  отображаются в проекции Меркатора. Меркаторская проекция - это равноугольная цилиндрическая проекция. Различают нормальную, поперечную и наклонную меркаторские проекции. Из них для представления навигационных ЭК в основном применяются две первые. С точки зрения судовождения главными достоинствами меркаторских проекций являются: возможность измерять натуральные, неискаженные углы, и зависимость частных масштабов только от положения точки, но не от направления измеряемой по небольшим частям искомой длины.

Нормальная проекция Меркатора (НПМ) используется для построения ЭК в диапазоне широт от 0 до 85°. Околополюсные районы в ней не могут быть отображены. Наибольшим достоинством НПМ для целей судовождения является представление локсодромии прямой линией.

НПМ получается проектированием  земного эллипсоида на боковую поверхность  цилиндра, касательного к эллипсоиду по линии экватора (рис. 1.2,а). Ось этого цилиндра совпадает с осью Земли. Затем боковая поверхность цилиндра разрезается по образующей и разворачивается на плоскость (рис. 1.2,б).

В нормальной меркаторской проекции меридианы являются прямыми  параллельными линиями, перпендикулярными  к экватору. На поверхности цилиндра проекции меридианов проходят через  точки касания земных меридианов с цилиндром, перпендикулярно к  плоскости экватора. Расстояние Х в НПМ между двумя меридианами с долготами , равно

;         (1.1)

где а - большая полуось земного эллипсоида.

Рис. 1.2(а, б). К пояснению нормальной проекции Меркатора.

Земные параллели в  НПМ также прямые линии, перпендикулярные к меридианам. Ввиду того, что  на земном эллипсоиде меридианы сходятся с приближением к полюсам, с ростом широты длина земной параллели между  двумя меридианами становится меньше. Это уменьшение пропорционально  уменьшению радиуса параллели r(j), который с учетом сжатия эллипсоида определяется формулой:

;            (1.2)

где е-эксцентриситет Земного  эллипсоида.

В результате, масштаб проекции по параллели  в НПМ увеличивается с ростом широты:

;       (1.3)

Приближенно можно считать  изменение  пропорциональным секансу широты.

В равноугольной проекции в каждой точке масштаб по параллели  равен частному масштабу по любому направлению, естественно, и масштабу по меридиану . В НПМ это достигается, когда расстояние от проекции экватора до проекции параллели с широтой φ на боковой поверхности цилиндра, получается по формуле

;          (1.4)

где

;    (1.5)

Следует заметить, что НПМ  не является перспективной проекцией, так как элементы Земли не проектируются  на боковую поверхность цилиндра с помощью лучей, исходящих из одной точки.

В НПМ расстояние Y по меридиану от экватора до параллели с широтой φ, выраженное в экваториальных милях, называется меридиональной частью (МЧ) этой параллели. Расстояние ∆Y между двумя параллелями с широтами φ,φ₀, (ро называется разностью меридиональных частей (РМЧ). Ввиду увеличения масштаба с широтой величина РМЧ, соответствующая одинаковому значению разности широт, с ростом широты в НПМ увеличивается (рис. 1.2,б).

Для построения на экране дисплея  карты в НПМ необходимо найти  прямоугольные экранные координаты картографических объектов. Обозначим  эти координаты х, у. Примем за их начало центр экранной области. Учитывая (1.1)-(1.5), можно найти следующие формулы для расчета значений х, у элементов ориентированной по норду карты:

;      (1.6)

где , - параллель и меридиан, проходящие через центр экрана дисплея;

Мо - масштаб по параллели (масштаб карты).

При ориентации карты "по курсу" прямоугольные экранные координаты картографических объектов рассчитываются по формулам

;        (1,7)

где , - экранные координаты объекта при ориентации карты по курсу.

В навигационно-информационных компьютерных системах для расчета  экранных координат х, у применяются и приближенные формулы, обеспечивающие погрешность вычислений, которая не превышает половины размера пикселя. В этом случае ЭК, построенные по результатам расчета положения элементов карты по точным и приближенным формулам, являются идентичными. В качестве упрощенных приближений к меркаторской проекции используются линейное и таблично-интерполяционное.

Линейное приближение к нормальной проекции Меркатора применяется при построении крупномасштабных карт. В его основе лежит представление о Земле как о шаре с радиусом R, при котором одна минута дуги меридиана равняется одной морской миле. НПМ при таком условии получается проектированием точек Земного шара на боковую поверхность цилиндра с помощью лучей (линий), исходящих из центра Земли. В этом случае при ориентации ЭК по норду расчет экранных координат элементов карты производится по известным приближенным формулам

;        (1.8)

Таблично-интерполяционное приближение к проекции Меркатора используется при отображении мелкомасштабных карт, когда линейное приближение не обеспечивает требуемую точность. Сущность этого метода состоит в следующем. В картографической базе данных в таблице опорных точек НПМ помещаются табличные значения широт (порядка 300-500 на интервал 0-85°) и соответствующие им рассчитанные по строгим формулам значения и  .

Значения экранных координат  элементов карты рассчитываются по формулам (1.6), в которых значение , находится линейной интерполяцией между значениями , а значения , -интерполяцией между U_k. При линейной интерполяции значения , , соответствующие широте , получаются по формулам

;        (1.9)

где

;    (1.10)        ;      (1.11)

Поперечная проекция Меркатора (ППМ) применяется для создания ЭК околополюсных районов Земли, в диапазоне широт от 80 до 90°. Земной эллипсоид в этом случае проектируется на поверхность цилиндра, касательного к эллипсоиду по меридиану. Ось такого цилиндра перпендикулярна оси Земли.

Рис. 1.3. Вид меридианов и параллелей в поперечной проекции Меркатора.

Если принять касательный  к цилиндру земной меридиан за фиктивный  экватор Земли, полюса этого экватора - за фиктивные полюса Земли, проходящие через фиктивные полюса большие  круги - за фиктивные меридианы, а  серию параллельных фиктивному экватору малых кругов на поверхности Земли - за фиктивные параллели, то свойства ППМ такой модели Земли будут  аналогичны свойствам НПМ. Фиктивные  меридианы и параллели на карте  в ППМ будут взаимно перпендикулярными  системами параллельных линий, а  прямая линия будет фиктивной  локсодромией, пересекающей фиктивные  меридианы под одним углом.

Что касается действительных меридианов и параллелей, то на карте  в ППМ они будут кривыми линиями (рис. 1.3), как и действительная локсодромия. На картах околополюсных районов в ППМ меридианы близки к радиально расходящимся от полюса прямым линиям, а параллели - к концентрическим окружностям.

Область минимальных искажений  Земной поверхности на карте в  ППМ лежит в узкой полосе, центральной  линией которой является фиктивный  экватор.

1.4. Классификация электронных карт

При рассмотрении вопросов использования электронных карт применяется их классификация по различным признакам. В зависимости от полноты отображаемой информации электронные карты делятся на полномерные и упрощенные (рисунок 1.4.1).

 

 

 

 

 

 

 

 

Электронные навигационные карты

 

Полномерные

Полнота отображения информации

Упрощенные

 

 

Официальные

Правовой статус

Неофициальные

 

Формат электронной карты

Векторные

 

Растровые

 

 

Базовые

Вид электронной карты

Системные

 

Карты мира

Генеральные

Прибрежные

Подходные

Гавани

Планы

Оригинальный масштаб