Система Transit , также известная как NAVSAT или NNSS ( Navy Navigation Satellite System ), была первой спутниковой навигационной системой , которая использовалась в оперативном режиме. Радионавигационная система в основном использовалась ВМС США для предоставления точной информации о местоположении своим баллистическим ракетам Polaris , а также использовалась в качестве навигационной системы надводными кораблями ВМС , а также для гидрографической и геодезической съемки . Transit обеспечивала непрерывную навигационную спутниковую службу с 1964 года, первоначально для подводных лодок Polaris, а затем и для гражданского использования. В программе Project DAMP корабль слежения за ракетами USAS American Mariner также использовал данные со спутника для получения точной информации о местоположении корабля перед позиционированием своих радаров слежения.
.jpg/1280px-Transit_1B_(cropped).jpg){kind=spacer}
_(21464583995).jpg/1280px-330-PSA-286-60_(USN_710826)_(21464583995).jpg)
Спутниковая система Transit, спонсируемая ВМС и разработанная совместно DARPA и Лабораторией прикладной физики Джонса Хопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера из Университета Джонса Хопкинса, была первой спутниковой системой геопозиционирования. [1] [2] [3] Всего через несколько дней после запуска Советским Союзом Спутника-1 , первого искусственного спутника Земли 4 октября 1957 года, два физика из APL, Уильям Гайер и Джордж Вайффенбах, оказались втянуты в дискуссию о радиосигналах, которые, вероятно, будут исходить от спутника. Они смогли определить орбиту Спутника, проанализировав доплеровское смещение его радиосигналов во время одного прохода . [4] Обсуждая дальнейшие направления своих исследований, их директор Фрэнк МакКлур, председатель Исследовательского центра APL, предположил в марте 1958 года, что если бы положение спутника было известно и предсказуемо, то доплеровское смещение можно было бы использовать для определения местонахождения приемника на Земле, и предложил спутниковую систему для реализации этого принципа. [5]
Разработка системы Transit началась в 1958 году, а прототип спутника Transit 1A был запущен в сентябре 1959 года. [6] Этот спутник не смог выйти на орбиту. [7] Второй спутник, Transit 1B , был успешно запущен 13 апреля 1960 года ракетой Thor-Ablestar . [8] Первые успешные испытания системы были проведены в 1960 году, и система поступила на вооружение ВМС в 1964 году. Полностью работоспособная группировка из 36 спутников была развернута в 1968 году. [9]
Ракета Chance Vought/LTV Scout была выбрана в качестве специального средства запуска для программы, поскольку она доставляла полезную нагрузку на орбиту по самой низкой стоимости за фунт. Однако решение Scout накладывало два конструктивных ограничения. Во-первых, вес более ранних спутников составлял около 300 фунтов (140 кг) каждый, но грузоподъемность Scout на транзитной орбите составляла около 120 фунтов (54 кг), что впоследствии было значительно увеличено. Необходимо было добиться снижения массы спутника, несмотря на потребность в большей мощности, чем ранее проектировала APL для спутника. Вторая проблема касалась повышенной вибрации, которая влияла на полезную нагрузку во время запуска, поскольку Scout использовал твердотопливные ракетные двигатели. Таким образом, необходимо было создать электронное оборудование, которое было меньше, чем раньше, и достаточно прочным, чтобы выдерживать повышенную вибрацию запуска. Удовлетворение новых требований было сложнее, чем ожидалось, но это было сделано. Первый прототип рабочего спутника ( Transit 5A-1 ) был запущен на полярную орбиту ракетой Scout 18 декабря 1962 года. Спутник проверил новую технику развертывания солнечных панелей и отделения от ракеты, но в остальном он не был успешным из-за проблем с системой питания. Transit 5A-2 , запущенный 5 апреля 1963 года, не смог достичь орбиты. Transit 5A-3 , с переработанным источником питания, был запущен 15 июня 1963 года. Во время полета с питанием произошел сбой памяти, который не позволил ему принять и сохранить навигационное сообщение, и стабильность осциллятора была ухудшена во время запуска. Таким образом, 5A-3 не мог использоваться для навигации. Однако этот спутник был первым, который достиг стабилизации гравитационного градиента , и его другие подсистемы работали хорошо. [10]
Геодезисты использовали Transit для определения удаленных ориентиров путем усреднения десятков фиксаций Transit, что давало точность менее метра. [11] Фактически, высота горы Эверест была скорректирована в конце 1980-х годов с помощью приемника Transit для повторной съемки близлежащего ориентира. [12]
Тысячи военных кораблей, грузовых судов и частных судов использовали Transit с 1967 по 1991 год. В 1970-х годах Советский Союз начал запускать собственную спутниковую навигационную систему Парус (военная) / Цикада (гражданская), которая используется и сегодня, наряду со следующим поколением ГЛОНАСС . [13] Некоторые советские военные корабли были оснащены приемниками Motorola NavSat. [14]
Система Transit устарела из-за Глобальной системы позиционирования (GPS) и прекратила навигационное обслуживание в 1996 году. Улучшения в электронике позволили приемникам GPS эффективно принимать несколько фиксаций одновременно, что значительно снизило сложность определения местоположения. GPS использует гораздо больше спутников, чем использовалось в Transit, что позволяет использовать систему непрерывно, в то время как Transit обеспечивал фиксацию только раз в час или чаще.
После 1996 года спутники продолжали использоваться для Системы мониторинга ионосферы ВМС (NIMS). [15]
Спутники (известные как спутники OSCAR или NOVA ), используемые в системе, были размещены на низких полярных орбитах , на высоте около 600 морских миль (690 миль; 1100 км), с орбитальным периодом около 106 минут. Для обеспечения разумного глобального покрытия требовалось созвездие из пяти спутников. Пока система работала, по крайней мере десять спутников — один запасной для каждого спутника в основном созвездии — обычно находились на орбите. Обратите внимание, что эти спутники OSCAR не были тем же самым, что и серия спутников OSCAR , которые были предназначены для использования радиолюбителями для использования в спутниковой связи .
Орбиты спутников Transit были выбраны так, чтобы покрывать всю Землю; они пересекали полюса и были разбросаны по экватору. Поскольку в любой момент времени обычно был виден только один спутник, исправления могли быть сделаны только тогда, когда один из спутников находился над горизонтом. На экваторе эта задержка между исправлениями составляла несколько часов; на средних широтах задержка уменьшалась до часа или двух. Для своей предполагаемой роли в качестве системы обновления для запуска БРПЛ Transit был достаточен, поскольку подводные лодки принимали периодические исправления для сброса своей инерциальной системы наведения , но Transit не обладал способностью обеспечивать высокоскоростные измерения положения в реальном времени.
С более поздними усовершенствованиями система обеспечивала точность одного прохода около 200 метров (660 футов), а также обеспечивала временную синхронизацию примерно до 50 микросекунд. Транзитные спутники также передавали зашифрованные сообщения, хотя это была второстепенная функция. [ необходима цитата ]
Спутники Transit использовали массивы памяти на магнитных сердечниках в качестве хранилища данных объемом до 32 килобайт. [16]
Определение местоположения, также известное как «определение местоположения», обычно требует проведения двух или более измерений для получения 2D-местоположения. В случае современной системы GPS могут быть проведены десятки таких измерений в зависимости от того, какие спутники видны в данный момент, каждое из которых помогает повысить точность. В случае Transit на орбите находилось лишь небольшое количество спутников, которые были разбросаны. Это, как правило, означало, что в любой момент времени был виден только один спутник. Требовался какой-то другой метод определения второго измерения.
Transit сделал это, измерив доплеровский сдвиг сигнала. Космический аппарат летел со скоростью около 17 000 миль в час (27 000 км/ч), что могло увеличить или уменьшить частоту принимаемого несущего сигнала на целых 10 кГц, как измерено на земле. Пока спутник приближается к наземной станции, его сигналы будут смещены вверх по частоте, а по мере удаления они снова сместятся вниз. Точный момент, когда частота точно равна частоте вещания, наступает, когда наземная траектория спутника проходит местоположение наземного местоположения (с некоторыми поправками). Это обеспечивает одно из двух необходимых измерений.
Для второй меры необходимо рассмотреть схему доплеровского сдвига. Если спутник проходит прямо над головой, его угловая скорость при прохождении будет больше, чем если бы он проходил сбоку. В крайнем случае, когда спутник находится вблизи горизонта, относительное изменение скорости сводится к минимуму. Таким образом, скорость изменения частоты является показателем относительной долготы между станцией и спутником. Кроме того, вращение Земли давало еще одну доплеровскую поправку, которую можно было использовать для определения того, находится ли спутник к востоку или к западу от наземной станции.
Эти измерения дают относительное местоположение по сравнению со спутником. Чтобы определить фактическое местоположение, эта относительная мера применяется к местоположению спутника. Это обеспечивается периодической отправкой точных временных хаков (каждые две минуты), а также шести орбитальных элементов спутника и переменных возмущения орбиты . Наземный приемник загружал эти сигналы и вычислял местоположение спутника, пока он измерял смещения. Эфемериды орбиты и поправки часов загружались дважды в день на каждый спутник с одной из четырех станций слежения и ввода данных ВМС.
Спутник Transit вещал на частотах 150 и 400 МГц. Эти две частоты использовались для того, чтобы исключить рефракцию спутниковых радиосигналов ионосферой, тем самым повышая точность определения местоположения. Система Transit также предоставляла первую в мире услугу хронометража, позволяя синхронизировать часы по всему миру с точностью до 50 микросекунд.
Вычисление наиболее вероятного местоположения приемника не было тривиальным упражнением. Навигационное программное обеспечение использовало движение спутника для вычисления «пробной» доплеровской кривой, основанной на начальном «пробном» местоположении приемника. Затем программное обеспечение выполняло подгонку кривой наименьших квадратов для каждого двухминутного участка доплеровской кривой, рекурсивно перемещая пробное положение до тех пор, пока пробная доплеровская кривая «наиболее близко» не совпадала с фактическим доплеровским сигналом, полученным со спутника для всех двухминутных сегментов кривой.
Если приемник также двигался относительно земли, например, на борту корабля или самолета, это приводило к несоответствиям с идеализированными кривыми Доплера и ухудшало точность определения местоположения. Однако точность определения местоположения обычно можно было вычислить с точностью до 100 метров для медленно движущегося корабля, даже при приеме всего одной двухминутной кривой Доплера. Это был навигационный критерий, требуемый ВМС США, поскольку американские подводные лодки обычно выставляли свою антенну УВЧ всего на 2 минуты, чтобы получить пригодное для использования местоположение Transit. Версия системы Transit для американских подводных лодок также включала специальную зашифрованную, более точную версию загруженных орбитальных данных спутника. [ необходима цитата ] Эти улучшенные данные позволяли значительно повысить точность системы [не отличаясь от селективной доступности (SA) в GPS]. При использовании этого улучшенного режима точность обычно составляла менее 20 метров (т. е. была между точностью LORAN C и GPS). Для типичного 12-15-минутного прохождения спутника на большой высоте точность составляла менее десяти метров. Безусловно, Transit была самой точной навигационной системой своего времени.
Основной принцип работы Transit аналогичен системе, используемой аварийными радиолокационными передатчиками (ELT), за исключением того, что в последнем случае передатчик находится на земле, а приемник — на орбите. ELT измеряют доплеровский сдвиг передатчика на судне или самолете, когда он пролетает над головой, и передают эти данные на землю, где можно определить местоположение судна.
Сеть наземных станций, местоположение которых было точно известно, непрерывно отслеживала спутники Transit. Они измеряли доплеровский сдвиг и переносили данные на бумажную ленту с 5 отверстиями. Эти данные отправлялись в Центр управления спутниками в Лаборатории прикладной физики в Лореле, штат Мэриленд, с использованием коммерческих и военных сетей телетайпов. Данные со стационарных наземных станций предоставляли информацию о местоположении на орбите спутника Transit. Определение местоположения спутника Transit на околоземной орбите с известной наземной станции с использованием доплеровского сдвига — это просто обратная операция по использованию известного местоположения спутника на орбите для определения местоположения неизвестного местоположения на Земле, снова с использованием доплеровского сдвига.
Типичная наземная станция занимала небольшую хижину Quonset . Точность измерений наземной станции зависела от точности главных часов наземной станции. Первоначально в качестве главных часов использовался кварцевый генератор в терморегулируемой печи . Главные часы ежедневно проверялись на дрейф с помощью приемника VLF, настроенного на станцию VLF ВМС США. Сигнал VLF обладал тем свойством, что фаза сигнала VLF не менялась изо дня в день в полдень по пути между передатчиком и приемником, и, таким образом, могла использоваться для измерения дрейфа генератора. Позже стали использоваться часы на рубидиевом и цезиевом лучах . Наземные станции имели числовые названия; например, станция 019 была станцией Мак-Мердо, Антарктида. В течение многих лет в 1970-х годах эта станция была укомплектована аспирантом и студентом бакалавриата, как правило, по электротехнике, из Техасского университета в Остине. Другие станции располагались в Университете штата Нью-Мексико, Техасском университете в Остине, Сицилии, Японии, на острове Сейшельские острова, в Туле, Гренландия и ряде других мест. Станции Гренландии и Антарктиды видели каждый проход каждого спутника Transit из-за их близкого к полюсу расположения для этих полярно-орбитальных спутников.
Переносная версия наземной станции называлась Geoceiver и использовалась для проведения полевых измерений. Этот приемник, блок питания, перфолента и антенны могли поместиться в несколько мягких алюминиевых кейсов и могли быть отправлены в качестве дополнительного груза на авиалинии. Данные собирались в течение определенного периода времени, обычно недели, и отправлялись обратно в Центр управления спутниками для обработки. Поэтому, в отличие от GPS, не было немедленного точного местоположения Geoceiver. Geoceiver постоянно находился на станции Южного полюса и управлялся персоналом Геологической службы США. Поскольку он находился на поверхности движущегося ледяного покрова, его данные использовались для измерения движения ледяного покрова. Другие Geoceiver вывозились в поле в Антарктиде летом и использовались для измерения местоположений, например, движения шельфового ледника Росса .
.png/1280px-NNSS_(5_Polarbahnen).png)
Поскольку не существовало компьютера, достаточно маленького, чтобы пройти через люк подводной лодки (в 1958 году), был разработан новый компьютер, названный AN/UYK-1 (TRW-130). [17] Он был построен с закругленными углами, чтобы пройти через люк, и был около пяти футов высотой и запечатан, чтобы быть водонепроницаемым. Главным инженером-конструктором был тогдашний преподаватель Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Лоуэлл Амдал, брат Джина Амдала . AN/UYK-1 был построен корпорацией Ramo-Wooldridge [18] (позже TRW) для ПЛАРБ класса Lafayette . Он был оснащен 8192 словами 15-битной основной памяти плюс бит четности , прошитыми вручную на их заводе в Канога-Парке. Время цикла составляло около одной микросекунды . AN/UYK-1 весил около 550 фунтов (250 кг). [19]
AN/UYK-1 представляла собой микропрограммную машину с 15-битной длиной слова, в которой отсутствовали аппаратные команды для вычитания, умножения или деления, но которая могла складывать, сдвигать, формировать дополнение по единицам и проверять бит переноса. Инструкции для выполнения стандартных операций с фиксированной и плавающей точкой были программными подпрограммами, а программы были списками ссылок и операторов для этих подпрограмм. Например, подпрограмма «вычитания» должна была формировать дополнение по единицам вычитаемого и складывать его. Умножение требовало последовательного сдвига и условного сложения.
В наборе инструкций AN/UYK-1 инструкции машинного языка имели двух операторов, которые могли одновременно манипулировать арифметическими регистрами — например, дополнять содержимое одного регистра при загрузке или сохранении другого. Возможно, это был первый компьютер, который реализовал возможность однотактной косвенной адресации.
Во время пролета спутника приемник GE будет получать параметры орбиты и зашифрованные сообщения со спутника, а также измерять смещенную Доплером частоту с интервалами и передавать эти данные в компьютер AN/UYK-1. Компьютер также будет получать от инерциальной навигационной системы корабля (SINS) показания широты и долготы. Используя эту информацию, AN/UYK-1 запустит алгоритм наименьших квадратов и предоставит показания местоположения примерно за пятнадцать минут.
В серии Transit был 41 спутник, которым NASA присвоило название Transit . [20]
Transit 3B продемонстрировал загрузку программ в память бортового компьютера, находясь на орбите.
Transit 4A , запущенный 29 июня 1961 года, был первым спутником, использовавшим радиоактивный источник энергии (РИТЭГ) ( SNAP-3 ). [21] Transit 4B (1961) также имел РИТЭГ SNAP-3. Transit 4B был среди нескольких спутников, которые были непреднамеренно повреждены или уничтожены в результате ядерного взрыва, в частности, высотного ядерного испытания США Starfish Prime 9 июля 1962 года и последующего радиационного пояса . [22]
Transit 5A3 и Transit 5B-1 (1963) имели по одному RTG SNAP-3 . [23] [24]
Transit 5B-2 (1963) имел РИТЭГ SNAP-9A . [25]
В 1964 году ракета не смогла вывести Transit 5BN-3 с RTG SNAP-9A на орбиту. Он «сгорел при входе в атмосферу и распался на мелкие частицы» вместе с примерно 1 килограммом плутония-238. [26]
Transit 5B-5 возобновил связь после длительного периода бездействия ( спутник-зомби ). [27]
Transit-9 и 5B4 (1964), а также Transit-5B7 и 5B6 (1965) имели «ядерный источник энергии».
ВВС США также периодически запускали спутники с коротким сроком службы, оснащенные радиомаяками 162 МГц и 324 МГц, на гораздо более низких орбитах для изучения орбитального сопротивления . [ требуется цитата ] Наземные станции слежения Transit также отслеживали эти спутники, определяя их местоположение на орбитах с использованием тех же принципов. Данные о местоположении спутников использовались для сбора данных об орбитальном сопротивлении, включая изменения в верхних слоях атмосферы и гравитационном поле Земли.
Beacon Explorer-A и Beacon Explorer-B также несли передатчики, совместимые с Transit.
Список транзитных спутников: [28]
Другие транзитные навигационные спутники: [28]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )