Как найти длину пути по координатам

Спутниковые координаты не только помогают найти маршрут до нужного места, но и позволяют рассчитать отрезок между двумя любыми точками в пространстве или на данной плоскости. Зная необходимые данные и координаты интересующих объектов, можно найти расстояние в километрах или метрах между этими длинами или отрезками нужной длины. Для этого применяется либо сложная формула для самостоятельного решения, либо онлайн-калькуляторы на сайте или картографические программы, выполняющие работу автоматически.

Координаты GPS

Координаты GPS (Global Positioning System) – это цифровые обозначения местоположения устройства в пространстве или на плоскости, указанные в формате соотнесения географических широты и долготы. Данные точки на отрезке определенной длины вычисляются при помощи связи со спутником. Запускается сложная система навигации, которая, помимо указания координат, может определить расстояние между двумя точками в пространстве или на плоскости, проложить маршрут между отрезками длины и рассчитать время перемещения как пешком, так и на разных видах транспорта. В основе работы лежит всемирная система координат WGS 84.

Чтобы найти местоположение и расстояние между двумя данными точками или отрезками длины в пространстве и на плоскости по координатам GPS, можно пользоваться как специальным навигатором или профессиональным навигационным прибором, так и обычным смартфоном или планшетом.

Вычисление расстояния между двумя точками через формулу

Найти расстояние между двумя точками в пространстве или на плоскости можно как по прямой, так и по маршруту (с учетом расположения дорог, их поворотов, объездов и пр.). В первом случае применима специальная формула, воспользоваться которой можно как в автоматическом режиме, введя известные данные отрезков в калькулятор на сайте, так и самостоятельно, проведя итоговое решение с нужными материалами на бумаге.

Кратчайшим (прямым) расстоянием считается дуга, проходящая по поверхности Земли от точки А в точку Б. Чтобы найти ее длину, применяют так называемую модифицированную формулу гаверсинусов, учитывающую радиус планеты.

Известно, что Земля – не идеальный шар, а несколько приплюснутый, потому и радиус у нее в разных точках различен. Ввиду этого для подсчета кратчайшего расстояния между точками используется усредненное значение радиуса относительно оси (6372.795 км для Земли), что допускает погрешность итогового значения около 0,5 %.

Формула для нахождения расстояния между точками

В формуле, при помощи которой можно найти расстояния между двумя данными точками планеты с использованием координат, присутствуют следующие величины (известные из математики):

• d – центральный угол (перпендикуляр) между двумя данными точками, лежащими на большом круге (т. е. на окружности, получаемой при сечении центральной части шара плоскостью);
• r – радиус сферы (т. е. усредненное значение радиуса Земли: 6372.795 км);
• y₁ и y₂ –  широта двух точек в радианах;
• x₁ и x₂ – долгота двух точек в радианах.

Получим следующую тригонометрическую формулу, плавно вытекающую из теоремы пифагора (евклидова геометрия), которая равна:

cos(d) = sin(y₁)·sin(y₂) + cos(y₁)·cos(y₂)·cos(x₁ − x₂)

Данное соотношение можно получить из прямоугольного треугольника.

Подставив в формулу заданные значения точек, и получим вычисление.

Для того чтобы найти ответ про расстояние между двумя точками координат в километрах, поможет формула:

L = d·R.

Способы решения и нахождения расстояния между точками по координатам

Чтобы провести решение и получить ответ о расстоянии точек в пространстве или плоскости по координатам GPS, необязательно использовать формулу вручную. Ответ о расстоянии между точками по координатам получим при помощи специальных утилит.

Онлайн-калькулятор для расчета расстояния между точками по координатам

В интернете есть множество сайтов с однотипными формулами в онлайн-калькуляторах для решения и нахождения прямого расстояния между двумя точками по координатам. Для этого нужно узнать широту и долготу двух искомых точек в пространстве или на плоскости и вбить эти данные в соответствующие окошки формулы (чем больше знаков после запятой у каждой точки известно, тем точнее получим значение).

Картографическая программа для нахождения расстояния между точками

Вычислять расстояние между двумя точками на плоскости по координатам и давать точный ответ умеет любое приложение-навигатор и без вычисления по формуле, например:

• «Карты»;
• «Google.Maps»;
• «Google Планета Земля»;
• «SAS.Планета».

Для определения расстояния между точками не по дорогам и маршрутам, а напрямую по двум точкам, применяется инструмент «Линейка».

Многие из популярных навигаторов способны определять расстояние по координатам двух точек онлайн без формул: это можно сделать на сайте в разделе «Азимут» или «Другие вычисления».

На заметку. Наиболее точные данные между точками предоставляют материалы и таблицы кадастровых справочников, но также в них много информации, лишней для обычного пользователя.

Откуда берется погрешность при расчете расстояния между точками

При вычислении прямого расстояния между координатами двух точек применяется подсчет длины дуги этих точек, для чего берется радиус точек (его приблизительное среднее значение ввиду особенностей формы Земли). Из-за этого возникает погрешность, т. е. мы получим не точную информацию о расстоянии между точками.

Чем больше искомое расстояние, тем больше получим погрешность в расстоянии между точками.

Также неточность между точками получим тогда, когда при вычислениях расстояния между точками берут недостаточно цифр после запятой в координатах: результат будет приблизительным.

Так, между любыми двумя известными точками на чертеже Земли можно проложить как обычное расстояние по дорогам, так и прямую линию, которая соединяет каждую точку. Вычисления точек проводят вручную или автоматически, причем во втором случае даже будет известна возможная погрешность, которую получим при нахождении расстояние между точками, неизбежная при измерении сферы Земли.

Содержание:

• Определение и формула пути
• Виды движения и формулы длины пути
• Единицы измерения пути
• Примеры решения задач

Определение и формула пути

Линия, которую описывает материальная точка при своем движении, называется траекторией.

В том случае, если уравнения движения представлены в прямоугольной декартовой системе координат, то длина пути (s) определяется как:

$$s=int_{t_{1}}^{t_{2}} sqrt{left(frac{d x}{d t}right)^{2}+left(frac{d y}{d t}right)^{2}+left(frac{d z}{d t}right)^{2}} d t=int_{t_{1}}^{t_{2}} sqrt{(dot{x})^{2}+(dot{y})^{2}+(dot{z})^{2}} d t(1)$$

В цилиндрических координатах длина пути может быть выражена как:

$$s=int_{t_{1}}^{t_{2}} sqrt{left(frac{d rho}{d t}right)^{2}+left(rho frac{d varphi}{d t}right)^{2}+left(frac{d z}{d t}right)^{2}} d t=int_{t_{1}}^{t_{2}} sqrt{(dot{rho})^{2}+(rho dot{varphi})^{2}+(dot{z})^{2}} d t(2)$$

В сферических координатах формулу длины пути запишем:

$$s=int_{t_{1}}^{t_{2}} sqrt{left(frac{d r}{d t}right)^{2}+left(r frac{d theta}{d t}right)^{2}+left(r sin theta frac{d varphi}{d t}right)^{2}} d t=int_{t_{1}}^{t_{2}} sqrt{(dot{r})^{2}+(r dot{theta})^{2}+(r varphi sin theta)^{2}} d t(3)$$

Местоположение перемещающейся материальной точки в фиксированный момент времени, например t=t₁ называют начальным положением.
Очень часто полагают t₁=0. Длин пути, который прошла материальная точка из начального положения – скалярная функция времени: s=s(t).

Считают, что за промежуток времени $d t rightarrow 0$ материальная точка проходит путь ds,
который называют элементарным. При этом:

$$d s=|d bar{r}|=v d t$$

где $bar{r}$ – вектор элементарного перемещения материальной точки, v – модуль скорости ее движения.

Виды движения и формулы длины пути

Длина пути при равномерном движении (v=const) точки равна:

$$s=vleft(t_{2}-t_{1}right)(5)$$

где t₁ – начало отсчета движения, t₂ – окончание отсчета. Формула (5) показывает то, что длина пути, который проходит равномерно движущаяся материальная точка – это линейная функция времени.

Если движение не является равномерным, то можно длину пути
$Delta s$ на отрезке времени от
$t$ до
$t + Delta t$ находят как:

$$Delta s=langle vrangle Delta t(6)$$

где $langle vrangle$ – средняя путевая скорость. При равномерном движении
$langle vrangle = v$ .

Путь, который проходит материальная тоска при равнопеременном движении (a=const)вычисляют как:

$$s=v_{0} t+frac{a t^{2}}{2}(7)$$

где a – постоянное ускорение, v₀ – начальная скорость движения.

Единицы измерения пути

Основной единицей измерения пути в системе СИ является: [s]=м

В СГС: [s]=см

Примеры решения задач

Читать дальше: Формула равноускоренного движения.

Инструкция по использованию калькулятора

Широту и долготу двух точек, между которыми необходимо найти расстояние, следует указывать в градусах в виде десятичной дроби.
Например, расстояние между Москвой (55.75059; 37.61777) и Киевом (50.44952; 30.52537) составляет 755 километров.

Южная широта и западная долгота задаются отрицательной величиной от 0° до -90° и от 0° до -180° соответственно.

Такая формула, вероятно, уже давненько выведена в математике (или в географии). Это раздел сферической геометрии. Не имею ничего против очень хорошего ответа Сергея Ракитина, он совершенно справедливо заслужил ЛО! И тем не менее попробую добавить ещё свой вариант формулы. Конечно, это не я её придумал.

Даны две точки земной поверхности: пункты 1 и 2. Оказывается, кратчайшее расстояние между ними вдоль поверхности Земли рассчитывается по следующей формуле:

L = R * arccos(sinφ₁ * sinφ₂ + cosφ₁ * cosφ₂ * cos|λ₁ – λ₂|)

где:

L — искомое расстояние между пунктами 1 и 2;

R — усреднённый радиус Земли, это константа: R = 6371 км;

φ₁, φ₂ — географические широ́ты пунктов 1 и 2 — две равноправные величины, можно поменять их в формуле местами;

λ₁, λ₂ — географические долго́ты пунктов 1 и 2; аналогично широтам, можно в формуле поменять их местами.

Кроме того: 1) северная широта — положительное число, берётся для формулы со знаком плюс; 2) южная широта — отрицательное число, берётся для формулы со знаком минус; 3) восточная долгота — плюс; 4) западная долгота — минус; 5) широ́ты и долго́ты, понятно, рационально измерять в угловых градусах — главное, верно взять синусы и косинусы по правилам математики; 6) арккосинус — это функция y = arccos(x), значит, значение, т. е. результат этой функции нужно брать никак не в градусах, а в радианах.

Давайте проверим, работает ли формула.

Я решил взять Киев и Москву (вернее сказать — вероятно, какие-то ключевые точки Киева и Москвы, что-то типа отметок нулевого километра). С угловыми минутами возиться тяжело. Решил взять координаты, выраженные в градусах и десятичных долях градуса. Вычисления делал с помощью гугловского калькулятора.

Имеем: φ₁ = 50,4547° с. ш., φ₂ = 55,7522° с. ш.; λ₁ = 30,5238° в. д., λ₂ = 37,61556° в. д.

Поскольку обе широты северные, а обе долготы восточные, то согласно пп. 1 и 3 доппояснений к формуле берём их как положительные числа.

Имеем:

L = R * arccos(sinφ₁ * sinφ₂ + cosφ₁ * cosφ₂ * cos|λ₁ – λ₂|) = 6371 км * arccos(sin50,4547° * sin55,7522° + cos50,4547° * cos55,7522° * cos|30,5238° – 37,61556°|) = 6371 км * arccos(0,77112 * 0,82661 + 0,63669 * 0,56277 * 0,99235) = 6371 км * arccos0,99298 = 6371 км * 0,11856 = 755,34576 км.

Источники (Гугл) утверждают, что истинное расстояние между Киевом и Москвой по кратчайшему пути вдоль поверхности Земли равно 755,77 км.

Таким образом, абсолютная погрешность у меня получилась равной 755,34576 км – 755,77 км = ок. –0,424 км, или, по модулю, 424 метра. 424 метра, на мой взгляд, ошибка вполне допустимая; конечно, накапливаются ошибочки за счёт погрешностей самих вычислений и количества значащих цифр, но думаю, за это Вы меня как-нибудь простите.

Итак, самый главный вывод: формула верна, она работает для любых двух точек нашей планеты.