Кіріспе

Спутниктік навигациялық жүйе – спутниктік «Транзит» жүйесі, сондай-ақ NAVSAT немесе NNSS (Navy Navigation Satellite System – Теңіз күштерінің спутниктік навигациялық жүйесі) деп аталады, – қолданысқа енгізілген алғашқы спутниктік навигациялық жүйе. Бұл радио-навигациялық жүйені АҚШ Әскери-теңіз күштері негізінен «Polaris» баллистикалық зымырандарымен жабдықталған су асты кемелеріне нақты орналасу туралы ақпарат беру үшін пайдаланды. Сонымен қатар, ол Теңіз күштерінің су үсті кемелері үшін, гидрографиялық және геодезиялық зерттеулер үшін навигациялық жүйе ретінде де қолданылды. «Транзит» 1964 жылдан бастап үздіксіз спутниктік навигациялық қызмет көрсетті, бастапқыда «Polaris» су асты кемелері үшін, ал кейіннен азаматтық мақсаттарда да пайдаланылды. «DAMP» жобасы аясында зымырандарды бақылайтын «USAS American Mariner» кемесі де радарларын орналастыру алдында кемелердің нақты орналасуы туралы ақпарат алу үшін спутниктік деректерді пайдаланды.

Тарих

Транзит спутниктік жүйесі, Теңіз күштерінің демеушілігімен және ДАРПА мен Джонс Хопкинс қолданбалы физика зертханасының бірлескен әзірлемесі, доктор Ричард Кершнердің Джонс Хопкинс университетіндегі басшылығымен, алғашқы спутниктік геопозициялау жүйесі болды. 1957 жылдың 4 қазанында Совет Одағының Спутник-1 спутнигін ұшырғаннан кейін күндер өткен соң, APL-дің екі физигі – Уильям Гуйер мен Джордж Вайфенбах, спутниктен шығуы мүмкін радиосигналдар туралы әңгімелесіп отырды. Олар спутниктің радиосигналдарының Доплер эффектісін талдау арқылы оның орбитасын анықтауға қол жеткізді. Зерттеулерінің болашағын талқылағанда, APL зерттеу орталығының директоры Франк МакКлюр 1958 жылдың наурыз айында егер спутниктің орны белгілі және болжамды болса, Доплер эффектісін Жердегі қабылдағышты табу үшін пайдалануға болатынын ұсынды және осы принципті іске асыру үшін спутниктік жүйе құруды ұсынды. Транзит жүйесін әзірлеу 1958 жылы басталды, ал 1959 жылдың қыркүйегінде Транзит-1А прототипі ұшырылды. Бұл спутник орбитаға шыға алмады. Екінші спутник, Транзит-1B, 1960 жылдың 13 сәуірінде Thor Ablestar зымыранымен сәтті ұшырылды. Жүйенің алғашқы сынақтары 1960 жылы жүргізілді, ал 1964 жылы ол Теңіз күштерінің қызметіне енді. Chance Vought/LTV Scout зымыраны бағдарлама үшін арнайы ұшыру құралы ретінде таңдалды, себебі ол орбитаға ең төмен құнмен пайдалы жүк жіберді. Алайда, Scout шешімі екі жобалау шектеуін енгізді. Біріншіден, бұрынғы спутниктердің салмағы шамамен болды, бірақ Scout-тың Транзит орбитасына жіберу мүмкіндігі шамамен 500 кг-ды құрады, кейін ол едәуір арттырылды. Спутниктің массасын азайту қажет болды, APL бұрын спутникке жобалағаннан гөрі көп қуатқа деген қажеттілікке қарамастан. Екінші мәселе – ұшыру кезінде пайдалы жүктемеге әсер ететін дірілдің күшеюі, себебі Scout қатты отынды зымырандарды қолданды. Сондықтан, бұрынғыдан кішірек және ұшырудың күшейген діріліне төтеп беруге қабілетті электрондық жабдықтар жасау қажет болды. Жаңа талаптарды орындау күткеннен қиын болды, бірақ ол орындалды. Бірінші прототиптік операциялық спутник (Транзит 5А 1) 1962 жылдың 18 желтоқсанында Scout зымыранымен полярлық орбитаға ұшырылды. Спутник күн панельдерін орнатудың және зымыраннан ажыратудың жаңа әдісін тексерді, бірақ қуат жүйесіндегі мәселелерге байланысты толыққанды жұмыс істемеді. 5 сәуірде ұшырылған Транзит 5А 2 орбитаға шыға алмады. Қайта жобаланған қуат көзімен жабдықталған Транзит 5А 3 1963 жылдың 15 маусымында ұшырылды. Ұшу кезінде жадтың істен шығуы навигациялық хабарламаны қабылдау мен сақтауға мүмкіндік бермеді, ал ұшыру кезінде осциллятордың тұрақтылығы төмендеді. Сондықтан, 5А 3 спутнигі навигация үшін қолданылмады. Алайда, бұл спутник гравитациялық градиент бойынша тұрақтандыруды алғаш рет жүзеге асырды, ал оның басқа да қосалқы жүйелері жақсы жұмыс істеді. Зерттеушілер Транзит жүйесін пайдаланып, ондаған Транзит өлшемдерінің орташа есебін шығару арқылы қашықтағы эталондық нүктелерді табуға қол жеткізді, бұл метрлік дәлдікті қамтамасыз етті. Шын мәнінде, Эверест тауының биіктігі 1980 жылдардың соңында Транзит қабылдағышын қолданып, жақын маңдағы эталондық нүктені қайта зерттеу арқылы түзетілді. 1967 жылдан 1991 жылға дейін мыңдаған әскери кемелер, жүк тасымалдаушы кемелер және жеке су кемелері Транзиттен пайдаланды. 1970 жылдары Совет Одағы өзінің спутниктік навигациялық жүйесін – Parus (әскери) / Tsikada (азаматтық) іске қосуды бастады, ол бүгінгі күні келесі буын GLONASS жүйесімен қатар қолданылуда. Кейбір совет әскери кемелері Motorola NavSat қабылдағыштарымен жабдықталған. Транзит жүйесі GPS-пен ескірді және 1996 жылы навигациялық қызмет тоқтатылды. Электрониканың жетілуі GPS қабылдағыштарына бірден бірнеше рет нақтылауды тиімді жүзеге асыруға мүмкіндік берді, бұл орналасуды анықтаудың күрделілігін едәуір қысқартты. GPS Transit-пен салыстырғанда әлдеқайда көп спутниктерді пайдаланады, бұл жүйені үнемі пайдалануға мүмкіндік береді, ал Transit тек әр сағат сайын немесе одан да сирек түзетулерді ұсынатын. 1996 жылдан кейін спутниктер Теңіз күштерінің ионосфералық бақылау жүйесі (NIMS) үшін пайдаланылды.

Жерсеріктіктер

Жүйеде пайдаланылған спутниктер (OSCAR немесе NOVA спутниктері деп аталады) төменгі полярлық орбиталарға орналастырылды, шамамен биіктікте, орбиталық периоды шамамен 106 минутты құрады. Әлемдік жабылуды қамтамасыз ету үшін бес спутниктан тұратын шоқжұлдыз қажет болды. Жүйе жұмыс істеп тұрғанда, әдетте орбитада кемінде он спутник – негізгі шоқжұлдыздағы әр спутник үшін бір қосалқы спутник – сақталды. Бұл OSCAR спутниктерінің, әуесқой радиооператорлардың спутниктік байланысқа пайдалануына арналған OSCAR спутниктері сериясынан ерекше екенін атап өткен жөн. Transit спутниктерінің орбиталары бүкіл Жерді қамту үшін таңдалды; олар полюстерден өтіп, экваторда таралып орналасты. Әдетте бір уақытта тек бір спутник көрінетін болғандықтан, түзетулер тек спутник көкжиекте болғанда ғана жасалуы мүмкін еді. Экваторда түзетулер арасындағы уақыт бірнеше сағатты құрады; ортаңғы ендіктерде бұл уақыт бір-екі сағатқа дейін қысқарды. Transit, SLBM іске қосу үшін жаңарту жүйесі ретінде өз мақсатына жеткілікті болды, себебі су асты кемелері инерциялық навигациялық жүйесін қайта орнату үшін мерзімді түзетулер жасады, бірақ Transit жоғары жылдамдықты, нақты уақыт позициясын өлшеу мүмкіндігіне ие болмады. Кейінгі жақсартулармен жүйе шамамен 100 метрлік бір реттік өту дәлдігін қамтамасыз етті, сондай-ақ шамамен 50 микросекундқа дейін уақыт синхрондауын жүзеге асырды. Transit спутниктері сонымен қатар шифрланған хабарларды да таратты, бірақ бұл қосымша функция болды. Transit спутниктері 32 килобайтқа дейін деректерді сақтау үшін магниттік ядролық жад массивтерін пайдаланды.

Жер бетіндегі орналасуын анықтау

Орналасуды анықтау, сонымен қатар "орынды белгілеу" деп те аталады, әдетте 2D орналасуын алу үшін екі немесе одан көп өлшеуді қажет етеді. Қазіргі GPS жүйесінде сол уақытта көрінетін спутниктерге байланысты ондаған өлшемдер алынуы мүмкін, әрқайсысы дәлдікті арттыруға көмектеседі. Transit жүйесінде орбитада аз ғана спутниктер болды және олар шашырап орналасқан. Бұл әдетте бір уақытта тек бір спутник көрінетінін білдіреді. Екінші өлшеуді алу үшін басқа әдіс қажет болды. Transit бұл жұмысты сигналдың Допплер эффектісін өлшеу арқылы істеді. Ғарыш кемесі шамамен жылдамдықпен қозғалды, бұл жерде өлшенгенде алынған тасымалдаушы сигналдың жиілігін 10 кГц-қа дейін арттыра немесе азайта алатын. Спутник жер станциясына жақындағанда оның сигналдары жиілік бойынша жоғарылап, ал алшақтағанда төмендейді. Жиілік хабар тарату жиілігіне дәл тең болатын сәт – спутниктің жердегі траекториясы жердегі орналасу нүктесінен өтетін кезде (кейбір түзетулермен). Бұл екі өлшемнің бірін қамтамасыз етеді. Екінші өлшем үшін Допплер эффектісінің үлгісін қарастыру қажет. Егер спутник тікелей үстінен өтіп кетсе, оның бұрыштық жылдамдығы жаққа өтіп кеткеннен гөрі жоғары болады. Ең нашар жағдайда, көкжиекке жақын спутник үшін салыстырмалы жылдамдық өзгеруі ең аз болады. Осылайша, жиілік өзгеруінің жылдамдығы станция мен спутник арасындағы салыстырмалы бойлықты көрсетеді. Сонымен қатар, Жердің айналуы жер станциясының шығысында немесе батысында спутниктің орналасқан жерін анықтауға көмектесетін қосымша Допплер түзетуін қамтамасыз етеді. Бұл өлшемдер спутникке қатысты салыстырмалы орналасуды береді. Нақты орналасуды анықтау үшін бұл салыстырмалы өлшем спутниктің орналасуына қолданылады. Бұл спутниктің алты орбиталық элементтері мен орбиталық бұзылыс айнымалыларымен қатар, әр екі минут сайын нақты уақыт белгілерін үзбей жіберу арқылы қамтамасыз етіледі. Жердегі қабылдағыш бұл сигналдарды жүктеп алып, Допплер эффектісін өлшеген кезде спутниктің орналасуын есептейді. Орбиталық эфемерида және сағат түзетулері күніне екі рет төрт әскери-теңіз күштерінің бақылау және инъекциялау стансаларының бірінен әр спутникке жүктеледі. Transit спутнигі 150 және 400 МГц жиіліктерінде хабар таратады. Екі жиілік ионосфераның спутниктік радиосигналдардың сынғанын жоюға мүмкіндік беру үшін қолданылды, осылайша орналасудың дәлдігін арттырды. Transit жүйесі сонымен қатар әлемдегі алғашқы уақытты синхрондау қызметін ұсынды, бұл барлық жердегі сағаттарды 50 микросекундтық дәлдікпен синхрондауға мүмкіндік берді. Қабылдағыштың ең мүмкін орналасуын есептеу оңай шаруа емес еді. Навигациялық бағдарламалық қамтамасыз ету спутниктің қозғалысын пайдаланып, қабылдағыштың бастапқы "сынақ" орнына негізделген "сынақ" Допплер қисығын есептейді. Бағдарламалық қамтамасыз ету содан кейін Допплер қисығының әрбір екі минуттық бөлімі үшін ең кіші квадраттар қисығын жасайды, сынақ Допплер қисығы барлық екі минуттық қисық сегменттері үшін спутниктерден алынған нақты Допплер қисығына "ең жақын" сәйкес келгенше сынақ позициясын рекурсивті түрде жылжытады. Егер қабылдағыш та жерге қатысты қозғалса, мысалы, кемеде немесе ұшақта, бұл идеалды Допплер қисықтарымен сәйкессіздікке алып келіп, орынның дәлдігін төмендетеді. Алайда, жай қозғалатын кеме үшін позициялық дәлдік, әдетте, бір екі минуттық Допплер қисығын қабылдағанда да, 100 метрге дейін есептеледі. Бұл АҚШ Әскери-теңіз күштерінің талап еткен навигациялық критерийі болды, өйткені американдық су асты кемелері пайдалы Transit белгісін алу үшін UHF антеннасын әдетте тек 2 минутқа ғана ашатын. Transit жүйесінің АҚШ су асты кемелерінің нұсқасы жүктелген спутниктің орбиталық деректерінің арнайы шифрланған, дәл нұсқасын да қамтыды. Бұл жетілдірілген деректер жүйенің дәлдігін айтарлықтай арттыруға мүмкіндік берді [GPS-тегі селективті қол жетімділік (SA) сияқты]. Бұл жетілдірілген режимді пайдалану кезінде дәлдік 20 метрден кем болды, яғни дәлдік LORAN C және GPS арасында болды. Әрине, Transit сол кездегі ең дәл навигациялық жүйе болды. Transit-тің негізгі жұмыс принципі авариялық локаторлық хабар таратушылар (ELT) қолданатын жүйеге ұқсас, бірақ соңғы жағдайда хабар таратушы жерде, ал қабылдағыш орбитада болады. ELT-лер кеме немесе ұшақтағы хабар таратушының Допплер эффектісін өлшейді, ол жоғарыдан өтіп бара жатқанда және осы деректерді кеме орналасқан жерін анықтауға болатын жерге жібереді.

Спутник орбиталарын анықтау

Жердегі станциялар желісі, олардың орналасқан жерлері дәл белгілі болған, үнемі «Транзит» спутниктерін қадағалап отырды. Олар Допплер эффектісін өлшеді және деректерді 5 тесікті қағаз лентасына жіберді. Бұл деректер Мэриленд штатының Лорел қаласындағы қолданбалы физика зертханасының спутниктік басқару орталығына коммерциялық және әскери телепринтер желілері арқылы жіберілді. Жердегі тұрақты станциялардан алынған деректер «Транзит» спутнигінің орбиталық орналасуы туралы ақпаратты қамтамасыз етті. Жер орбитасындағы белгілі жер станциясынан Допплер эффектісін пайдаланып «Транзит» спутнігін табу, жердегі белгісіз орналасқан нүктені табу үшін спутниктің белгілі орбитасын пайдаланудың кері процесі еді, қайтадан Допплер эффектісі қолданылды. Әдетте, жердегі станциялар шағын «Квенсет» құрылыстарында орналасқан. Жер станциясының өлшеулерінің дәлдігі жер станциясының бас сағатының дәлдігіне байланысты болды. Алғашқыда температурасы бақыланатын пештегі кварц осцилляторы бас сағат ретінде қолданылды. Бас сағаттың қатесін күн сайын АҚШ Әскери-теңіз күштерінің VLF станциясына сәйкес келіп жұмыс істейтін VLF қабылдағышы арқылы тексерілді. VLF сигналының ерекшелігі – VLF сигналының фазасы күннің ортасындағы хабар таратушы мен қабылдағыш арасындағы жол бойында өзгермейтін болды, сондықтан осциллятордың қатесін өлшеуге болады. Кейін рубидий және цезий сәулелі сағаттар пайдаланылды. Жердегі станциялар нөмірленген атауларға ие болды; мысалы, 019 станциясы – Антарктидадағы МакМердо станциясы. 1970 жылдары көптеген жылдар бойы бұл станцияда Остин қаласындағы Техас университетінің аспиранты мен студенті жұмыс істеді, көбінесе электротехника мамандығы бойынша. Басқа станциялар Нью-Мексико мемлекеттік университетінде, Остин қаласындағы Техас университетінде, Сицилияда, Жапонияда, Сейшель аралдарында, Туле (Гренландия) және басқа да көптеген жерлерде орналасқан. Гренландия мен Антарктида станциялары осы полярлық орбитадағы спутниктердің полюске жақын орналасуының арқасында, әрбір «Транзит» спутнігінің барлық өтуін көрді.

Портативті геоқабылдаушы

Жердегі станцияның портативті нұсқасы Geoceiver деп аталды және ол далалық өлшеулер жасау үшін қолданылды. Бұл қабылдағыш, қуат көзі, перфоленталық құрылғы және антенналар бірнеше жұмсақ алюминий корпусқа сыйып, әуе компаниясымен қосымша жүк ретінде жіберілуі мүмкін еді. Деректер белгілі бір уақыт аралығында, әдетте бір апта бойы жиналатын және өңдеу үшін Сателлит Бақылау орталығына жіберілетін. Сондықтан, GPS-тен айырмашылығы, Geoceiver орналасқан жерінің дереу анықталған орны болған жоқ. Geoceiver Оңтүстік полюс станциясында тұрақты орналасқан және АҚШ Геологиялық қызметінің қызметкерлерімен басқарылатын. Ол қозғалатын мұз қабатының бетінде орналасқандықтан, оның деректері мұз қабатының қозғалысын өлшеу үшін пайдаланылды. Басқа Geoceiver-лер жазда Антарктидадағы далаға шығарылып, орналасқан жерлерді, мысалы, Росс мұздық шельфінің қозғалысын өлшеу үшін қолданылды.

AN/UYK-1 (TRW-130) компьютері

1958 жылы су асты кемесінің люгі арқылы өте алатын компьютер болмағандықтан, жаңа компьютер жасалды, ол AN/UYK 1 (TRW 130) деп аталды. Ол люк арқылы өтуге ыңғайлы болу үшін дөңгелек жиектерімен салынды және биіктігі шамамен бір жарым метр, су өткізбейтін қылып жабылды. Бас инженер сол кездегі UCLA профессоры, Джин Амдалдың ағасы Лоуэлл Амдал болды. AN/UYK 1 компьютері Ramo Wooldridge Corporation (кейін TRW) компаниясы Lafayette класындағы SSBN су асты кемелері үшін жасаған. Ол 8192 сөздік 15 биттік негізгі жадқа және Canoga Park зауытында қолмен тігілген жұптық битке ие болды. Цикл уақыты шамамен бір микросекунд құрады. AN/UYK 1 компьютерінің салмағы шамамен… AN/UYK 1 – 15 биттік сөз ұзындығы бар микропрограммаланған машина, аппараттық деңгейде қосу, көшіру, бірліктерді толықтыру және тасымалдау битін тексеру мүмкіндіктері болған, бірақ азайту, көбейту немесе бөлу командалары болмады. Стандартты тұрақты және қозғалатын нүктелік операцияларды орындау үшін бағдарламалық кіші бағдарламалар қолданылды, ал бағдарламалар – осы кіші бағдарламаларға сілтемелер мен операторлардың тізімі болды. Мысалы, "азайту" кіші бағдарламасы азайтылатын санның бірліктерді толықтыруын жасап, сосын оны қосу керек еді. Көбейту үшін бір-бірінен кейін көшіру және шартты қосу қажет болды. AN/UYK 1 командалар жинағындағы машина тіліндегі командалар арифметикалық тіркегіштерді бір уақытта басқаратын екі оператор болды, мысалы, бір тіркегіштің мазмұнын екіншісіне жүктеу немесе сақтау кезінде толықтыру. Бұл бір циклдік жанама адрестеу мүмкіндігін бірінші рет іске асырған компьютер болуы мүмкін. Спутниктің өту кезінде GE қабылдағышы спутниктен орбиталық параметрлерді және шифрланған хабарламаларды қабылдап, сондай-ақ Доплер эффектісінен туындаған жиілік ауысқандарын өлшеп, осы деректерді AN/UYK 1 компьютеріне жіберетін. Компьютер кемедегі инерциялық навигациялық жүйеден (SINS) ендік және бойлық координаталарын да алатын. Осы ақпаратты пайдаланып, AN/UYK 1 ең кішкентай квадраттар әдісін қолданып, шамамен он бес минут ішінде орналасқан жерін анықтайтын.

Басқа спутниктер

Транзит сериясында NASA Транзит атауын берген 41 спутник болды. Транзит 3B орбитада жүріп, борттағы компьютердің жадына бағдарламаларды жүктеу мүмкіндігін көрсетті. 1961 жылғы 29 маусымда ұшырылған Транзит 4A радиоактивті қуат көзін (РТГ) (SNAP 3) пайдаланған алғашқы спутник болды. Транзит 4B (1961) да SNAP 3 РТГ-мен жабдықталған. Транзит 4B ядролық жарылыс салдарынан зақымдалған немесе жойылған бірнеше спутниктердің қатарында болды, атап айтқанда, 1962 жылғы 9 шілдедегі АҚШ-тың Starfish Prime жоғары биіктіктегі ядролық сынағы және одан кейінгі радиациялық белдеу осыған себеп болды. Транзит 5А3 және Транзит 5В 1 (1963) әрқайсысы SNAP 3 РТГ-ге ие болды. Транзит 5B 2 (1963) SNAP 9A РТГ-мен жабдықталды. 1964 жылы SNAP 9A РТГ-мен бірге Транзит 5BN 3 спутнигін орбитаға шығаруға жасалған талпырыс сәтсіз аяқталды. Ол "қайта кіру кезінде жанып, шамамен 1 килограмм плутоний-238-імен бірге ұсақ бөлшектерге айналды". Транзит 5В 5 ұзақ уақыт белсенсізден кейін (зомби спутник) қайтадан байланыс орнатты. Транзит 9 және 5В4 (1964) және Транзит 5В7 және 5В6 (1965) әрқайсысы "ядролық қуат көзімен" жабдықталған. АҚШ Әуе күштері орбиталық соғуды зерттеу мақсатында 162 МГц және 324 МГц жиілікті радио маяктарымен жабдықталған, қысқа ғұмырлы спутниктерді төмен орбитаға үнемі ұшырып отырды. Транзит жерсеріктік бақылау станциялары да осы спутниктерді сол принциптерді қолдана отырып, олардың орбиталарында іздестіріп табатын. Спутниктің орналасу деректері орбиталық соғу туралы мәліметтерді, соның ішінде атмосфераның жоғарғы қабаттарындағы және Жердің гравитациялық өрісіндегі өзгерістерді жинау үшін пайдаланылды. Beacon Explorer A және Beacon Explorer B де Транзитпен үйлесімді хабар таратушыларды алып жүрді.