Спутниковая навигационная система Transit

Система Transit, также известная как NAVSAT или NNSS, была первой развернутой спутниковой навигационной системой. Система в основном использовалась ВМС США для предоставления точной информации о местоположении подводных лодок с баллистическими ракетами Polaris, в качестве навигационной системы надводными кораблями ВМФ, а также для гидрографической и геодезической съемки. С 1964 года компания Transit обеспечивала непрерывное спутниковое навигационное обслуживание, сначала для подводных лодок Polaris, а затем и для гражданского использования.

История

Спутниковая система Transit, спонсируемая ВМФ и разработанная совместно DARPA и Лабораторией прикладной физики университета Джонса Хопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера, была первой спутниковой системой определения местоположения. Спустя всего несколько дней после запуска советского Спутника 1, первого искусственного спутника Земли на околоземной орбите 4 октября 1957 года, два физика из APL, Уильям Гайер и Джордж Вайффенбах, начали обсуждать радиосигналы, которые будут исходить от спутника. Они смогли определить орбиту спутника, проанализировав доплеровский сдвиг его радиосигналов за один проход. Обсуждая дальнейшие направления исследований, их директор Фрэнк МакКлюр, председатель Исследовательского центра APL, предположил в марте 1958 года, что если бы положение спутника было известно и предсказуемо, доплеровский сдвиг можно было бы использовать для определения местоположения приемника на Земле, и предложил спутниковую систему для реализации этого принципа. 

Разработка системы Transit началась в 1958 году, а в сентябре 1959 года был запущен прототип спутника Transit 1A. Этот спутник не смог выйти на орбиту. Второй спутник, Transit 1B, был успешно запущен 13 апреля 1960 года ракетой Thor-Ablestar. Первые успешные испытания системы были проведены в 1960 году, а в 1964 году система поступила на военно-морскую службу.

Ракета Chance Vought/LTV Scout была выбрана в качестве специальной ракеты-носителя для программы, потому что она доставляла полезную нагрузку на орбиту по самой низкой цене за кг. Однако выбор Scout наложил два конструктивных ограничения. Во-первых, масса более ранних спутников составляла около 140 кг каждый, но полезная нагрузка Scout на транзитную орбиту составляла около 55 кг (позже она была значительно увеличена). Необходимо было добиться уменьшения массы спутника, несмотря на потребность в большей мощности. Вторая проблема касалась повышенной вибрации, которая сказывалась на полезной нагрузке во время запуска, поскольку в «Скауте» использовались твердотопливные ракетные двигатели. Таким образом, необходимо было производить электронное оборудование, которое было меньше, чем раньше, и достаточно прочным, чтобы выдерживать повышенную вибрацию при запуске. Удовлетворить новые требования оказалось труднее, чем ожидалось, но в конце концов это удалось сделать. Первый прототип действующего 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 его миссия не увенчалась успехом из-за проблем с энергосистемой. Transit 5А-2, запущенный 5 апреля 1963 года, не вышел на орбиту. Transit 5А-3 с модернизированным источником питания был запущен 15 июня 1963 года. Во время полета произошел сбой в памяти, из-за чего он не смог принять и сохранить навигационное сообщение, а стабильность генератора ухудшилась. Таким образом, 5А-3 нельзя было использовать для навигации. Однако этот спутник был первым, кто смог стабилизироваться, и другие его подсистемы работали хорошо. 

Геодезисты использовали Transit для определения удаленных контрольных точек, усредняя десятки замеров Transit, при этом обеспечивалась субметровую точность. Фактически, высота Эвереста была скорректирована в конце 1980-х с использованием приемника Transit.

Подготовка к запуску Transit 2А

Тысячи военных кораблей, грузовых судов и частных плавсредств использовали Транзит с 1967 по 1991 год. В 1970-х годах Советский Союз начал запуск своей собственной спутниковой навигационной системы Парус (военная)/Цикада (гражданская), которая все еще используется сегодня, помимо ГЛОНАСС следующего поколения. Некоторые советские военные корабли были оснащены приемниками Motorola NavSat.

Система Transit устарела после появления системы GPS и прекратила работу в 1996 году. Усовершенствования в электронике позволили приемникам GPS эффективно принимать сразу несколько корректировок, что значительно снизило сложность определения местоположения. GPS использует намного больше спутников, чем использовалось в Transit, что позволяет использовать систему постоянно, в то время как Transit обеспечивает исправление только каждый час или чаще.

После 1996 г. спутники продолжали использоваться для Системы мониторинга ионосферы ВМФ (NIMS).

Описание

Спутники

Спутники (известные как спутники OSCAR или NOVA), используемые в системе, были размещены на низких полярных орбитах, на высоте около 1100 км с периодом обращения около 106 минут. Для обеспечения разумного глобального покрытия требовалась группировка из пяти спутников. Пока система работала, по крайней мере десять спутников (по одному запасному на каждый спутник в основной группировке) обычно находились на орбите. Обратите внимание, что эти спутники OSCAR не были такими же, как спутники серии OSCAR, которые были предназначены для использования операторами-радиолюбителями для использования в спутниковой связи.

Спутник-прототип Transit-1

Орбиты спутников Transit были выбраны таким образом, чтобы покрывать всю Землю. Они пересекли полюса и рассредоточивались по экватору. Поскольку в любой момент времени обычно был виден только один спутник, фиксацию можно было произвести только тогда, когда один из спутников находился над горизонтом. На экваторе задержка между корректировками составляла несколько часов; в средних широтах задержка уменьшалась до часа-двух. Для своей предполагаемой роли в качестве системы обновления местоположения для запуска БРПЛ, Transit было достаточно, поскольку подводные лодки периодически вносили исправления для сброса своей инерциальной системы наведения, но Transit не обладал способностью обеспечивать высокоскоростные измерения местоположения в реальном времени.

С более поздними улучшениями система обеспечивала точность за один проход примерно 200 метров, а также синхронизацию времени примерно до 50 микросекунд. Спутники Transit также передают зашифрованные сообщения, хотя это была второстепенная функция.

Спутники Transit использовали массивы памяти на магнитных сердечниках в качестве хранилища данных объемом до 32 килобайт.

Определение местоположения на земле

Базовый принцип работы Transit аналогичен системе, используемой аварийными передатчиками, за исключением того, что в последнем случае передатчик находится на земле, а приемник - на орбите.

Каждый спутник системы Transit транслирует два несущих сигнала УВЧ, которые обеспечивают точное время (каждые две минуты), а также шесть элементов орбиты спутника и переменные возмущения орбиты. Эфемериды орбиты и поправки часов загружались дважды в день на каждый спутник с одной из четырех станций слежения и ввода данных ВМФ. Эта широковещательная информация позволяла наземному приемнику вычислить местоположение спутника в любой момент времени. Использование двух несущих частот позволило наземным приемникам уменьшить ошибки навигации, вызванные ионосферной рефракцией. Система Transit также предоставила первую во всем мире службу хронометража, позволяющую повсюду синхронизировать часы с точностью до 50 микросекунд.

Спутник Transit вещал на частотах 150 и 400 МГц. Две частоты использовались для того, чтобы компенсировать преломление спутниковых радиосигналов ионосферой, тем самым повышая точность определения местоположения.

Важнейшей информацией, которая позволяла приемнику вычислить местоположение, была уникальная частотная кривая, вызванная эффектом Доплера. Эффект Доплера вызывал явное уменьшение длины волны несущей при приближении спутника к приемнику и растяжение длин волн при удалении спутника. Космический корабль двигался со скоростью около 27000 км/ч, что могло увеличивать или уменьшать частоту принимаемого несущего сигнала на целых 10 кГц. Эта доплеровская кривая была уникальной для каждого местоположения в пределах прямой видимости спутника. Например, вращение Земли заставляло наземный приемник двигаться к орбите спутника или от нее, создавая несимметричный доплеровский сдвиг и позволяя приемнику определять, находится ли он к востоку или западу от орбиты спутника.

Расчет наиболее вероятного местоположения приемника не был тривиальным занятием. Программное обеспечение для навигации использовало движение спутника для вычисления «пробной» доплеровской кривой на основе первоначального «пробного» местоположения приемника. Затем программное обеспечение выполняло аппроксимацию кривой методом наименьших квадратов для каждого двухминутного участка доплеровской кривой, рекурсивно перемещая пробное положение до тех пор, пока пробная доплеровская кривая не будет "наиболее близко" соответствовать фактической доплеровской кривой, полученной со спутника для всех двухминутных сегментов кривой.

Если бы приемник также двигался относительно земли, например, на борту корабля или самолета, это могло бы вызвать несоответствие с идеализированными кривыми Доплера и ухудшить точность позиционирования. Однако местоположение обычно могло быть вычислено с точностью до 100 метров для медленно движущегося корабля, даже при приеме всего одной двухминутной кривой Доплера. Это был критерий навигации, который требовал ВМС США, поскольку американские подводные лодки обычно выставляли свою УВЧ-антенну всего на 2 минуты. Американская подводная версия системы Transit также включала специальную зашифрованную, более точную версию орбитальных данных. Эти улучшенные данные позволили значительно повысить точность системы. При использовании этого расширенного режима точность обычно составляла менее 20 метров, то есть между LORAN C и GPS. Безусловно, Transit была самой точной навигационной системой своего времени.

Определение спутниковых орбит

Сеть наземных станций, местоположение которых было точно известно, постоянно 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 Лорел, штат Мэриленд, с использованием коммерческих и военных телетайпных сетей. Данные фиксированных наземных станций предоставили информацию о местоположении на орбите спутников Transit. 

Точность измерений наземной станции зависела от точности главных часов наземной станции. Первоначально в качестве задающих часов использовался кварцевый генератор с регулируемой температурой. Часы ежедневно проверялись на дрейф с помощью ОНЧ-приемника, настроенного на ОНЧ-станцию ​​ВМС США. ОНЧ-сигнал обладал тем свойством, что фаза ОНЧ-сигнала не изменялась день ото дня в полдень на пути между передатчиком и приемником, и поэтому его можно было использовать для измерения дрейфа генератора. Позже стали использовать рубидиевые и цезиевые часы. Наземные станции имели номерные названия, например, станция 019 была станцией Мак-Мердо в Антарктиде. В течение многих лет в течение 1970-х на этой станции работали аспирант и студент, обычно специализирующийся на электротехнике, из Техасского университета в Остине. Другие станции были расположены в Государственном университете Нью-Мексико, Техасском университете в Остине, на Сицилии, в Японии, на Сейшельских островах, на базе Туле Гренландия и в ряде других мест. Станции в Гренландии и в Антарктиде видели каждый проход каждого спутника из-за их близкого к полюсу местоположения.

Портативный приемник

Портативная версия наземной станции называлась Geoceiver и использовалась для полевых измерений. Этот приемник, источник питания, перфолента и антенны могли поместиться в нескольких алюминиевых ящиках и могли быть отправлены авиакомпанией в качестве дополнительного груза. Данные собирались в течение определенного периода времени, обычно за неделю, и отправлялись обратно в Центр управления спутниками для обработки. Geoceiver постоянно находился на станции на Южном полюсе и эксплуатировался персоналом Геологической службы США. Поскольку он находился на поверхности движущегося ледяного покрова, его данные использовались для измерения движения ледяного покрова. Другие приемники были установлены летом в Антарктиде и использовались для измерения местоположения, например, движения шельфового ледника Росс.

Компьютер AN/UYK-1 (TRW-130)

Поскольку не существовало компьютера, достаточно маленького, чтобы поместиться в люк подводной лодки, был разработан новый компьютер, названный AN/UYK-1 (TRW-130). Он был построен такой формы, чтобы проходить через люк, и был около пяти футов высотой и герметизирован, чтобы быть водонепроницаемым. AN/UYK-1 был построен Ramo-Wooldridge Corporation (позже TRW) для ПЛАРБ класса Lafayette. Он был памятью на 8192 15-битных слов плюс бит четности. Время цикла работы составляло около одной микросекунды. AN/UYK-1 весил около 250 кг.

AN/UYK-1 представлял собой микропрограммную машину с длиной слова 15 бит, в которой отсутствовали аппаратные команды для вычитания, умножения или деления, но она могла складывать, сдвигать, формировать дополнение к единицам и проверять бит переноса. Инструкции по выполнению стандартных операций с фиксированной и плавающей запятой представляли собой подпрограммы, а программы - списки ссылок и операторов для этих подпрограмм. 

Во время прохождения спутника приемник получал параметры орбиты и зашифрованные сообщения со спутника, а также измерял частоту с доплеровским смещением через определенные промежутки времени и передавал эти данные в компьютер AN/UYK-1. Компьютер также получал от бортовой инерциальной навигационной системы данные о широте и долготе. Используя эту информацию, AN/UYK-1 обеспечивал определение местоположения примерно за пятнадцать минут.

Другие спутники

В серии Transit был 41 спутник, которым НАСА присвоило название Transit. Transit 3B продемонстрировал загрузку программ в память бортового компьютера, находясь на орбите. Transit 4А, запущенный 29 июня 1961 года, был первым спутником, в котором использовался радиоактивный источник энергии (РИТЭГ) (SNAP-3). Transit 4B (1961 г.) также имел РИТЭГ SNAP-3. Transit 4B был среди нескольких спутников, которые были случайно повреждены или уничтожены в результате высотного ядерного испытания Starfish Prime 9 июля 1962 года.

Transit 5A3 и Transit 5B-1 (1963) также несли РИТЭГ SNAP-3.

Transit-9 и 5B4 (1964 г) и Transit-5B7 и 5B6 (1965 г) несли "ядерный источник энергии".

ВВС США также периодически запускали короткоживущие спутники, оснащенные радиомаяками на частотах 162 и 324 МГц, на гораздо более низких орбитах, для изучения сопротивления воздуха. Наземные станции слежения Transit также отслеживали эти спутники, определяя их местонахождение на орбитах, используя те же принципы. Данные о местоположении спутника использовались для сбора данных о сопротивлении воздуха.