Sistema Geodésico Mundial

A finales de la década de 1950, el Departamento de Defensa de los Estados Unidos , junto con científicos de otras instituciones y países, comenzó a desarrollar el sistema mundial necesario para referenciar los datos geodésicos y establecer la compatibilidad entre las coordenadas de sitios de interés muy distantes. Los esfuerzos del Ejército, la Armada y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos se combinaron, dando como resultado el Sistema Geodésico Mundial del Departamento de Defensa de 1960 (WGS  60). El término datum , tal como se usa aquí, se refiere a una superficie lisa definida de forma algo arbitraria como elevación cero, consistente con un conjunto de mediciones de distancias entre varias estaciones realizadas por topógrafos, y diferencias de elevación, todo reducido a una cuadrícula de latitudes , longitudes y elevaciones . Los métodos de topografía 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 gravitatorio local (véase geodesia física ). Como resultado, las elevaciones en los datos se referencian al geoide , una superficie que no se encuentra fácilmente utilizando geodesia satelital . Este 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 combinar datos que no solo se hicieron por separado para diferentes regiones, sino también volver a referenciar las elevaciones a un modelo elipsoidal en lugar de al geoide .

Para lograr el WGS 60, se utilizó  una combinación de datos de gravedad superficial disponibles , datos astrogeodésicos y resultados de los sondeos 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 relativamente con respecto a diferentes porciones 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 del WGS  60, el Ejército y la Fuerza Aérea de los Estados Unidos habían desarrollado sistemas mundiales utilizando diferentes enfoques para el método de orientación de datums gravimétricos. Para determinar sus parámetros de orientación gravimétrica, la Fuerza Aérea empleó la media de las diferencias entre las deflexiones gravimétricas y astrogeodésicas y las alturas del geoide (ondulaciones) en estaciones seleccionadas específicamente 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 geocéntrico, los datums seleccionados se redujeron a una orientación geocéntrica. 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 el WGS 60. 

Las mejoras al sistema global incluyeron el astrogeoide de Irene Fischer y el datum astronáutico de 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 de cartografía , trazado y geodésicos. Observaciones adicionales de gravedad superficial , resultados de la extensión de las redes de triangulación y trilateración , y grandes cantidades de datos satelitales ópticos y Doppler habían estado disponibles desde el desarrollo del WGS 60. Utilizando los datos adicionales y las técnicas mejoradas, se produjo el WGS 66, que sirvió a 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 achatamiento ( 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 satelitales Doppler y astrogeodésicos). Un campo mundial de anomalías gravitatorias  de aire libre promedio de 5°×5° proporcionó los datos básicos para producir el geoide gravimétrico WGS 66. Además, se derivó un geoide referenciado al  elipsoide WGS 66 a partir de datos astrogeodésicos disponibles para proporcionar una representación detallada de áreas terrestres limitadas.

Tras un extenso trabajo que duró aproximadamente tres años, se completó el Sistema Geodésico Mundial del Departamento de Defensa de 1972. Se utilizaron datos seleccionados de satélite, gravedad superficial y astrogeodésicos disponibles hasta 1972, tanto de fuentes del Departamento de Defensa como de otras fuentes, en una Solución Unificada del Sistema Geodésico Mundial (un ajuste de mínimos cuadrados a gran escala ). Los resultados del ajuste consistieron en correcciones a las coordenadas iniciales de las estaciones y a los coeficientes del campo gravitatorio. ^{[ 3 ]}

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

El campo de gravedad superficial utilizado en la Solución Unificada WGS consistió en un conjunto de 410 anomalías de gravedad medias de aire libre de igual área de 10°×10° determinadas exclusivamente 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 estuvieran disponibles en cantidad suficiente. El valor para áreas con datos de observación escasos o inexistentes se desarrolló a partir de aproximaciones de gravedad geofísicamente compatibles utilizando técnicas de correlación gravedad-geofísica. Aproximadamente el 45 % de los 410 valores de anomalía de gravedad media de 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 las componentes verticales referidas a los diversos datums geodésicos nacionales. Estos valores de desviación se integraron en cartas geoides astrogeodésicas referidas a estos datums nacionales. Las alturas del geoide contribuyeron a la Solución Unificada WGS al proporcionar datos adicionales y más detallados para las áreas terrestres. Se incluyeron datos de levantamientos terrestres convencionales en la solución para garantizar 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 geodímetros con el fin de controlar la escala de la solución. ^{[ 3 ]}

La solución unificada WGS, como se indicó anteriormente, fue una solución para posiciones geodésicas y parámetros asociados del campo gravitatorio basada en una combinación óptima de datos disponibles. Los  parámetros del elipsoide WGS 72, los desplazamientos de datum 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, las matrices de ecuaciones normales individuales se combinaron y la matriz resultante se resolvió para obtener las posiciones y los parámetros. ^{[ 3 ]}

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, incluyendo una combinación de datos de gravedad satelital y de superficie para determinaciones de posición y campo gravitatorio. Se utilizaron conjuntos de coordenadas de estación derivadas de satélite y datos de deflexión gravimétrica de la altura vertical y geoide para determinar desplazamientos de datum local a geocéntrico, parámetros de rotación de datum, un parámetro de escala de datum 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 de investigación como debido al número limitado de incógnitas que podían resolverse en cualquier solución individual debido a limitaciones informáticas. Se incluyeron estaciones de seguimiento de satélite Doppler y de orientación de datum astrogeodésico seleccionadas en las diversas soluciones. Con base en estos resultados y otros estudios relacionados realizados por el comité, se obtuvo un valor a de Se adoptaron 6 378 135 m y un aplanamiento de 1/298,26. ^{[ 3 ]}

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

A principios de la década de 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 datos, información, cobertura geográfica ni precisión suficientes para todas las aplicaciones actuales y futuras. Los medios para crear un nuevo WGS estaban disponibles en forma de datos mejorados, mayor cobertura, nuevos tipos de datos y técnicas perfeccionadas. Las observaciones de Doppler, telemetría láser satelital e interferometría de muy larga base (VLBI) constituían información nueva y significativa. La altimetría radar satelital se convirtió en una excelente fuente de datos. 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 terrestre, como el geoide, las anomalías gravitatorias, las deflexiones 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.1 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 pocos centímetros, al tiempo que 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 semieje menor. ^{[ 5 ]} La siguiente tabla compara los parámetros del elipsoide primario: