Государственная координатная система 1983 (SPCS 83)

В середине семидесятых годов рассматривалось несколько альтернативных вариантов существующей государственной координатной системы. Некоторые геодезисты защищали старую систему (способы проецирования, границы, определяющие константы), другие полагали, что необходимо принять систему на основе только одной проекции. Сторонники новой системы считали действующую систему слишком громоздкой, т.к. она включает в себя три типа проекции и 127 зон.

Были начаты исследования, цель которых состояла в том, чтобы установить можно ли создать систему, которая бы лучше удовлетворяла принципиальным требованиям, чем SPCS 27. Эти требования включают в себя лучшее понимание, упрощение вычислений и применения геодезического измерительного оборудования. В начале казалось, что универсальная поперечная система проецирования Меркатора (UTM) - будет лучшим решением, поскольку для нее уже была установлена длина координатной сетки во всем диапазоне ее использования и основные формулы были идентичны для всех ситуаций. Однако дальнейшие исследования показали, что ее ширина зоны в 6 градусов представляет собой серьезную проблему для применения геодезистами. Например, для того, чтобы расширить зону, необходимо на центральном меридиане установить значение поправочного коэффициента шкалы, равного 1/2500, тогда как на границах этой зоны, его значение должно быть 1/1250. Как обсуждалось выше, аналогичный коэффициент в "старой" SPCS редко превышал значение 1/10000. В дополнение к этому, корректировочный элемент "дуга-хорда", который "привязывает" наблюдаемый геодезически угол к углам координатной сетки, оказывается завышенным и требует более частого применения. И, наконец, границы геодезических зон не совпадают с границами штатов и других административно- территориальных единиц. Эти проблемы не являлись непреодолимыми, но большинство геодезистов и инженеров считали уже существующую систему SPCS 27 более простой, а UTM не приемлемой из-за слишком резкого изменения фактора масштаба координатной сетки. Исследования снова вернулись к поперечной проекции Меркатора, но с шириной зоны в 2°. Эта координатная сетка удовлетворяла первичным условиям как единая национальная система. Уменьшив ширину зоны, фактор масштаба и корректировка "дуга-хорда" стали не хуже, чем в системе SPCS 27. Основной недостаток 2 градусной ширины поперечной проекции Меркатора состоял в том, что зоны, будучи ограниченными меридианами, редко совпадали с границами страны и самостоятельных административных образований.

Более детальное изучение показало, что, поскольку многим штатам понадобилось бы две или более зон, 2° ширина сетки не может быть повсеместно введена из-за несовпадения границ зон с границами административных единиц. Пришлось бы мириться с тем обстоятельством, что фактор коррекции масштаба или "хорда-дуга" в некоторых случаях был бы больше, чем в системе SPCS 27. Кроме этого, среднее число зон, приходящееся на один штат, в этом случае - увеличивается.

При изучении этой проблемы, стали очевидными три фактора в пользу возврата к идеологии системы SPCS 27. Эта система была принята в законодательном порядке 37-ю штатами. Существующая координатная сетка применялась на протяжении более 40 лет и большинство геодезистов и инженеров были хорошо с ней знакомы. С появлением электронных калькуляторов и компьютеров, появилась возможность уменьшить число зон и типов проекции. Появилась возможность вносить улучшения в систему, не требующие утверждения в законодательном порядке. Именно это и послужило причиной к возврату к основам философии построения новой системы SPCS 83 по принципу SPCS 27.

Необходимость разработки SPCS 83 вытекала из принятия NAD 83 (Северо-Американская система данных). В рамках NAD 83 были переопределены новые координаты для всех горизонтальных контрольных точек в Национальной Системе Геодезических Опорных Точек (NGRS). Величины NAD 27 больше не отвечали требованиям горизонтального контроля, необходимого для геодезистов и инженеров и их нужно было пересчитывать в каждом районе для привязки к координатной сетке. Преимущества NAD 83 состояли в следующем:

*Сто пятьдесят лет непрерывных геодезических наблюдений (всего 1,8 миллиона измерений) постоянно корректировались с математическими расчетами, необходимыми для их обобщения, устраняя появляющиеся ошибки.

* Точность межконтинентальной спутниковой триангуляции, точность определения опорных расстояний методами на основе Доплеровского эффекта, интерферометрическими методами улучшило точность координатной сетки.

*Новая форма Земли, согласно Геодезической Системе Отсчета от 1980 г. (GRS 80), которая лучше отражает реальность, чем сфероид Кларка 1866г., который применялся в NAD 27.

* Начало координат, которое переместили со станции Мидз Ранч, Канзас, в центр массы Земли для лучшей совместимости со спутниковыми системами. Это не только привело к изменениям геодезических координат каждой контрольной точки, но и потребовало изменить Государственную координатную систему по следующим причинам:

* Плоские координаты математически вычисляются (при помощи "картографических уравнений") из геодезических координат.

*Новая форма Земли, в соответствии с эллипсоидом GRS 80, определяется отличными от старой модели параметрами (большая и малая оси, эксцентриситет). Эти новые параметры эллипсоида включаются в картографические уравнения и их использование дает разницу в плоских картографических координатах.

* Картографические уравнения стали точными до миллиметра, тогда как старая система, основанная на вычислениях с помощью логарифмической линейки, обычно давала приблизительные результаты.

* Определяющие константы нескольких зон были исправлены.

*Численные величины сетки координат каждой зоны были существенно изменены, что создавало впечатление существенного отличия координат.

*Все координаты в Государственной координатной системе были выражены в метрических единицах.

*В SPCS 83 применялась поперечная проекция Меркатора в приближении Гаусса-Крюгера, тогда как в SPCS 27 применялась форма уравнений Гаусса-Шрайбера.