Обчислення довжини дуги меридіана

Обчислення довжини дуги меридіана Х, згідно (2.49), зводиться до знаходження еліптичного інтегралу

(2.51)

який в елементарних функціях не береться. Одним із класичних шляхів його знаходження є розклад підінтегрального виразу в біномінальний ряд з подальшим почленним інтегруванням. Маємо

Замінивши в цьому виразі парні степені синуса косинусами кратних дуг згідно відомих рівнянь

та згрупувавши постійні члени і позначивши їх буквами , отримаємо

Звідси, після почленного інтегрування і підстановки границь, знайдемо остаточно

(2.52)

Коефіцієнти визначаються із наступних виразів, основним аргументом яких є ексцентриситет еліпсоїда

(2.53)

За формулою (2.52) можна знайти довжину дуги земного меридіана будь-якої довжини, взявши при цьому необхідну кількість членів розкладу.

Для обчислення довжини дуги меридіана від екватора ( ) до будь-якої паралелі з широтою В , формула (2.52) отримає наступний вид

(2.54)

Формулу (2.54) можна представити ще в такому виді

, (2.55)

де коефіцієнти визначаються через параметри прийнятого еліпсоїда

(2.56)

Формулами (2.55) і (2.56) ми будемо користуватися в розділі 4.

Вираз для довжини дуги меридіана при малих відстаннях (довжини сторін або ланки тріангуляції 1 класу) можна отримати на основі застосування формули Тейлора з введенням середнього аргумента.

Позначимо довжини дуг меридіанів від екватора до точок з широтою та через та . Крім того,

. Тоді можна написати

(2.57)

Приймаючи різницю широт між двома точками малою величиною, запишемо ряд за степенями DВ

,

або

(2.58)

Індекс “m” при коефіцієнтах цього ряду означає, що вони обчислюються за середнім аргументом . Похідні (і=1,3), можна знайти на основі першої формули (2.49) послідовним диференціюванням:

Тут визначається формулою (2.21).

Останній вираз з точністю до членів з можна записати

Підставивши значення похідних у (2.58), остаточно отримаємо

,(2.59)

де M_m обчислюється через B_m за формулою (2.39).

Другий член в правій частині формули (2.59) на широтах 45-55° складає всього лише 0,002м при . Тому для малих різниць широт DВ, дугу меридіана можна розглядати як дугу кола з центральним кутом, який рівний різниці широт її крайніх точок , і описану радіусом меридіанного перерізу, рівному M_m , тобто

(2.60)

Наближенене значення інтегралу можна обчислити на основі застосування чисельних методів розв'язування означених інтегралів. Серед них: формули трапецій, Сімпсона, Гаусса, Чебишева тощо. В розділі 1 приведено два методи обчислення інтегралу : формули (1.10) для методу Сімпсона та (1.11) для методу Гаусса. Застосуємо вказані формули для обчислення довжини дуги меридіана між точками з широтами та .

В першому випадку розділимо інтервал інтегрування на дві частини з кроком . Для кожної вузлової точки з кроком за аргументом знаходимо значення підінтегральної функції . Тоді, згідно (1.10), отримаємо

. (2.61)

При застосуванні формули (1.11) виберемо дві вузлові точки (і=2). З врахуванням даних табл.1.1, визначимо аргументи функції . При аргументом буде значення широти , а при - . Остаточно, формула для обчислення довжини дуги меридіана методом Гаусса, буде

. (2.62)

Вказані формули є рівноточними і дозволяють обчислювати довжину дуги меридіана при різниці широт до з похибкою м. Для розширення широтного діапазону треба ділити інтервал інтегрування на більшу кількість частин (для методу Сімпсона) або вибирати більшу кількість вузлових точок (для методу Гаусса).

Можна поставити обернену задачу: при відомій довжині дуги меридіана і її середній широті чи , знайти різницю широт кінцевих точок чи широту .

На основі (2.60) отримаємо

. (2.63)

Для визначення широти за довжиною дуги меридіана за основу можна взяти формулу (2.54)

(2.64)

Обчислення широти виконують методом послідовних наближень, приймаючи в першому наближенні .

Коли за основу взяти формулу (2.49), то отримаємо наступні вирази

(2.65)

Недоліком формул (2.64) та (2.65) при обчисленні широти є необхідність застосовування процесу наближень. Без наближень дана задача розв’язується методом перетворення (обертання) тригонометричних рядів. Якщо заданий тригонометричний ряд

то наступний ряд

буде оберненим по відношенню до заданого. Коефіцієнти в цих рівняннях пов’язані співвідношеннями

Якщо тепер за задану взяти формулу (2.55), то обернена до неї буде визначатися із виразу

(2.66)

де коефіцієнти знаходяться із співвідношень