Первая спутниковая навигационная система "Transit"

Введение

Система спутниковой навигации
Спутник

Система "Transit", также известная как NAVSAT или NNSS (Навигационная спутниковая система ВМС), была первой спутниковой навигационной системой, использованной в оперативных целях. Эта радионавигационная система в основном использовалась ВМС США для предоставления точной информации о местоположении подводным лодкам с баллистическими ракетами "Polaris", а также служила навигационной системой для надводных кораблей ВМС, а также применялась для гидрографической и геодезической съёмки. "Transit" обеспечивала непрерывное спутниковое навигационное обслуживание с 1964 года, изначально для подводных лодок "Polaris", а затем и для гражданских нужд. В рамках программы DAMP ракетный корабль слежения USAS "American Mariner" также использовал данные со спутника для получения точной информации о местоположении корабля перед развёртыванием своих радиолокационных станций слежения.

История

Спутниковая система Transit, спонсируемая ВМС и разработанная совместно DARPA и Лабораторией прикладной физики Джонса Хопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера в Джонсе Хопкинсе, была первой спутниковой системой геопозиционирования. Всего через несколько дней после советского запуска спутника «Спутник-1», первого искусственного спутника Земли, 4 октября 1957 года, два физика из APL, Уильям Гуйер и Джордж Вейфенбах, начали обсуждать радиосигналы, которые, вероятно, исходили от спутника. Им удалось определить орбиту «Спутника», проанализировав доплеровский сдвиг его радиосигналов во время одного прохода. Обсуждая дальнейшие направления исследований, их директор Фрэнк МакКлюр, председатель Исследовательского центра APL, в марте 1958 года предположил, что если положение спутника будет известно и предсказуемо, то доплеровский сдвиг можно будет использовать для определения местоположения приемника на Земле и предложил создать спутниковую систему для реализации этого принципа. Разработка системы Transit началась в 1958 году, а прототип спутника, Transit 1A, был запущен в сентябре 1959 года. Этот спутник не вышел 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 вооружение ВМС. Ракета Chance Vought/LTV Scout была выбрана в качестве основной ракеты-носителя для программы, поскольку она обеспечивала вывод полезной нагрузки на орбиту по самой низкой стоимости за килограмм. Однако выбор ракеты Scout наложил два конструктивных ограничения. Во-первых, масса ранних спутников составляла примерно , но грузоподъемность Scout на орбиту Transit составляла около , которая впоследствии была значительно увеличена. Необходимо было добиться снижения массы спутника, несмотря на возросшие требования к энергопотреблению, чем APL ранее предусматривала в конструкции спутников. Вторая проблема касалась повышенной вибрации, воздействующей на полезную нагрузку во время запуска, поскольку Scout использовал твердотопливные ракетные двигатели. Таким образом, требовалось создать электронное оборудование, которое было бы меньше по размеру и достаточно прочным, чтобы выдерживать повышенную вибрацию при запуске. Выполнение новых требований оказалось сложнее, чем ожидалось, но оно было выполнено. Первый прототип оперативного спутника (Transit 5A 1) был запущен на полярную орбиту ракетой Scout 18 декабря 1962 года. Спутник проверил новую методику развертывания солнечных панелей и отделения от ракеты, но в остальном оказался неудачным из-за проблем с энергосистемой. Transit 5A 2, запущенный 5 апреля 1963 года, не вышел на орбиту. Transit 5A 3, с переработанным источником питания, был запущен 15 июня 1963 года. Во время активного полета произошел сбой памяти, из-за которого он не мог принимать и хранить навигационное сообщение, а также ухудшилась стабильность генератора во время запуска. Таким образом, 5A 3 не мог использоваться для навигации. Однако этот спутник стал первым, достигшим гравитационной стабилизации, и его другие подсистемы работали исправно. Геодезисты использовали Transit для определения координат удаленных реперных пунктов, усредняя десятки определений Transit и достигая точности менее метра. Фактически, высота горы Эверест была скорректирована в конце 1980-х годов с использованием приемника Transit для повторной съемки близлежащего реперного пункта. 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 до сих пор используется наряду с ГЛОНАСС нового поколения. Некоторые советские военные корабли были оснащены приемниками Motorola NavSat. Система Transit устарела с появлением глобальной системы позиционирования (GPS) и прекратила навигационное обслуживание в 1996 году. Улучшения в электронике позволили GPS-приемникам эффективно выполнять несколько определений одновременно, значительно упрощая процесс определения местоположения. GPS использует гораздо больше спутников, чем Transit, что позволяет использовать систему непрерывно, в то время как Transit предоставлял определение только раз в час или реже. После 1996 года спутники продолжали использоваться для системы ионосферного мониторинга ВМС (NIMS).

The Transit satellite system, sponsored by the Navy and developed jointly by DARPA and the Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, under the leadership of Dr. Richard Kershner at Johns Hopkins, was the first satellite based geopositioning system. Just days after the Soviet launch of Sputnik 1, the first man made earth orbiting satellite on October 4, 1957, two physicists at APL, William Guier and George Weiffenbach, found themselves in discussion about the radio signals that would likely be emanating from the satellite. They were able to determine Sputnik's orbit by analyzing the Doppler shift of its radio signals during a single pass. Discussing the way forward for their research, their director Frank McClure, the chairman of APL's Research Center, suggested in March 1958 that if the satellite's position were known and predictable, the Doppler shift could be used to locate a receiver on Earth, and proposed a satellite system to implement this principle. Development of the Transit system began in 1958, and a prototype satellite, Transit 1A, was launched in September 1959. That satellite failed to reach orbit. A second satellite, Transit 1B, was successfully launched April 13, 1960, by a Thor Ablestar rocket. The first successful tests of the system were made in 1960, and the system entered Naval service in 1964. The Chance Vought/LTV Scout rocket was selected as the dedicated launch vehicle for the program because it delivered a payload into orbit for the lowest cost per pound. However, the Scout decision imposed two design constraints. First, the weight of the earlier satellites was about each, but the Scout launch capacity to the Transit orbit was about , which was later increased significantly. A satellite mass reduction had to be achieved, despite a demand for more power than APL had previously designed into a satellite. The second problem concerned the increased vibration that affected the payload during launching because the Scout used solid rocket motors. Thus, electronic equipment that was smaller than before and rugged enough to withstand the increased vibration of launch had to be produced. Meeting the new demands was more difficult than expected, but it was accomplished. The first prototype operational satellite (Transit 5A 1) was launched into a polar orbit by a Scout rocket on 18 December 1962. The satellite verified a new technique for deploying the solar panels and for separating from the rocket, but otherwise it was not successful because of trouble with the power system. Transit 5A 2, launched on 5 April 1963, failed to achieve orbit. Transit 5A 3, with a redesigned power supply, was launched on 15 June 1963. A malfunction of the memory occurred during powered flight that kept it from accepting and storing the navigation message, and the oscillator stability was degraded during launch. Thus, 5A 3 could not be used for navigation. However, this satellite was the first to achieve gravity gradient stabilization, and its other subsystems performed well. Surveyors used Transit to locate remote benchmarks by averaging dozens of Transit fixes, producing sub meter accuracy. In fact, the elevation of Mount Everest was corrected in the late 1980s by using a Transit receiver to re survey a nearby benchmark. Thousands of warships, freighters and private watercraft used Transit from 1967 until 1991. In the 1970s, the Soviet Union started launching their own satellite navigation system Parus (military) / Tsikada (civilian), which is still in use today besides the next generation GLONASS. Some Soviet warships were equipped with Motorola NavSat receivers. The Transit system was made obsolete by the Global Positioning System (GPS), and ceased navigation service in 1996. Improvements in electronics allowed GPS receivers to effectively take several fixes at once, greatly reducing the complexity of deducing a position. GPS uses many more satellites than were used with Transit, allowing the system to be used continuously, while Transit provided a fix only every hour or more. After 1996, the satellites were kept in use for the Navy Ionospheric Monitoring System (NIMS).

Спутники

Спутники (известные как OSCAR или NOVA), используемые в системе, были выведены на низкие полярные орбиты на высоте около , с орбитальным периодом примерно 106 минут. Для обеспечения разумного глобального покрытия требовалась группировка из пяти спутников. Пока система функционировала, на орбите обычно поддерживалось не менее десяти спутников – по одному резервному для каждого спутника в базовой группировке. Важно отметить, что эти спутники OSCAR отличались от серии спутников OSCAR, предназначенных для использования радиолюбителями в спутниковой связи. Орбиты спутников "Transit" были выбраны таким образом, чтобы охватить всю Землю; они пересекали полюса и были распределены вдоль экватора. Поскольку в любой момент времени обычно был виден только один спутник, определение местоположения было возможно только при нахождении одного из спутников над горизонтом. На экваторе интервал между определениями составлял несколько часов, а на средних широтах он сокращался до одного-двух часов. Для своей основной задачи – обновления данных для запуска SLBM – системы "Transit" было достаточно, поскольку подводные лодки периодически определяли свое местоположение для корректировки инерциальной системы наведения, однако "Transit" не обеспечивал высокоскоростные измерения местоположения в реальном времени. Последующие усовершенствования позволили достичь однопроходной точности примерно в 100 метров, а также синхронизацию времени с точностью до 50 микросекунд. Спутники "Transit" также передавали зашифрованные сообщения, хотя это было второстепенной функцией. В качестве долговременной памяти для хранения данных спутники "Transit" использовали массивы магнитных сердечников объемом до 32 килобайт.

Определение местоположения на земле

Определение местоположения, также известное как "установление позиции", обычно требует двух или более измерений для определения координат в двух измерениях. В случае современной системы GPS могут выполняться десятки таких измерений в зависимости от видимых в данный момент спутников, каждое из которых способствует повышению точности. В системе Transit количество спутников на орбите было небольшим и они были распределены неравномерно. Это обычно означало, что в любой момент времени был виден только один спутник. Требовался другой метод для получения второго измерения. Transit решал эту задачу, измеряя доплеровский сдвиг сигнала. Космический аппарат двигался со скоростью около , что могло изменять частоту принимаемого несущего сигнала на величину до 10 кГц, измеренную на земле. При приближении спутника к наземной станции его сигналы смещались в сторону более высоких частот, а при удалении – обратно к более низким. Точный момент, когда частота сигнала становится равной частоте передачи, соответствует прохождению наземного следа спутника через местоположение наземной станции (с некоторыми поправками). Это давало одно из двух необходимых измерений. Для второго измерения необходимо учитывать характер доплеровского сдвига. Если спутник проходит прямо над головой, его угловая скорость будет выше, чем при прохождении сбоку. В крайнем случае, когда спутник находится близко к горизонту, изменение относительной скорости минимально. Таким образом, скорость изменения частоты является индикатором относительной долготы между станцией и спутником. Кроме того, вращение Земли вносило дополнительную доплеровскую поправку, которая могла быть использована для определения, находится ли спутник восточнее или западнее наземной станции. Эти измерения давали относительное местоположение по отношению к спутнику. Для определения фактического местоположения эта относительная оценка применялась к местоположению спутника. Эта информация предоставлялась путем периодической передачи точных временных меток (каждые две минуты), а также шести орбитальных элементов спутника и переменных возмущений орбиты. Наземный приемник загружал эти данные и вычислял местоположение спутника во время измерения сдвигов. Орбитальные эфемериды и поправки к времени загружались дважды в день на каждый спутник с одной из четырех станций слежения и запуска ВМС. Спутник Transit передавал сигналы на частотах 150 и 400 МГц. Использование двух частот позволяло компенсировать рефракцию радиосигналов спутника в ионосфере, тем самым повышая точность определения местоположения. Система Transit также предоставила первую в мире службу точного времени, позволяющую синхронизировать часы по всему миру с точностью до 50 микросекунд. Вычисление наиболее вероятного местоположения приемника было непростой задачей. Навигационное программное обеспечение использовало движение спутника для вычисления "пробной" доплеровской кривой на основе начального "пробного" местоположения приемника. Затем программное обеспечение выполняло аппроксимацию методом наименьших квадратов для каждого двухминутного участка доплеровской кривой, рекурсивно перемещая пробную позицию до тех пор, пока пробная доплеровская кривая "наиболее точно" не соответствовала бы фактической доплеровской кривой, полученной со спутника для всех двухминутных сегментов. Если приемник также двигался относительно Земли, например, на борту корабля или самолета, это приводило к расхождениям с идеализированными доплеровскими кривыми и снижало точность определения местоположения. Однако точность определения местоположения обычно могла быть вычислена в пределах 100 метров для медленно движущегося корабля, даже при приеме всего одной двухминутной доплеровской кривой. Это был навигационный критерий, предъявляемый ВМС США, поскольку американские подводные лодки обычно выставляли свою ВЧ-антенну только на 2 минуты для получения полезной информации от Transit. Подводная версия системы Transit, используемая ВМС США, также включала специальную зашифрованную, более точную версию загруженных орбитальных данных спутника. Эти улучшенные данные позволяли значительно повысить точность системы [подобно Selective Availability (SA) в GPS]. При использовании этого улучшенного режима точность обычно составляла менее 20 метров, то есть находилась между точностью LORAN C и GPS. Безусловно, Transit была самой точной навигационной системой своего времени. Основной принцип работы Transit аналогичен системе, используемой аварийными радиобуями (ELT), за исключением того, что в последнем случае передатчик находится на земле, а приемник – на орбите. ELT измеряют доплеровский сдвиг сигнала передатчика на лодке или самолете по мере его прохождения над головой и передают эти данные на землю, где можно определить местоположение судна.

Determining a location, also known as "taking a fix", normally requires two or more measurements to be taken to produce a 2D location. In the case of the modern GPS system, dozens of such measurements may be taken depending on which satellites are visible at that time, each one helping improve accuracy. In the case of Transit, only a small number of satellites were in orbit and were spread out. This generally meant there was only one satellite visible at any time. Some other method of determining a second measurement was needed. Transit did this by measuring the signal's Doppler shift. The spacecraft traveled at about , which could increase or decrease the frequency of the received carrier signal by as much as 10 kHz as measured on the ground. While the satellite is approaching the ground station its signals will be shifted up in frequency, and as it recedes they will shift down again. The precise moment when the frequency is exactly equal to the broadcast frequency is when the satellite's ground track passes the ground location's location (with some corrections). This provides one of the two measurements needed. For the second measure, one has to consider the pattern of the Doppler shift. If the satellite passes directly overhead, its angular velocity as it passes will be more than if it passes to one side. In the extreme case, with a satellite near the horizon, the relative velocity change is minimized. Thus the rapidity of the change in frequency is an indication of the relative longitude between the station and the satellite. Additionally, the rotation of the Earth provided another Doppler correction which could be used to determine whether the satellite was to the east or west of the ground station. These measurements produce a relative location compared to the satellite. To determine the actual location, that relative measure is applied to the location of the satellite. This is provided by periodically sending out precise time hacks (every two minutes), plus the satellite's six orbital elements and orbit perturbation variables. The ground receiver downloaded these signals and calculated the location of the satellite while it was measuring the shifts. The orbit ephemeris and clock corrections were uploaded twice each day to each satellite from one of the four Navy tracking and injection stations. The Transit satellite broadcast on 150 and 400 MHz. The two frequencies were used to allow the refraction of the satellite radio signals by the ionosphere to be canceled out, thereby improving location accuracy. The Transit system also provided the first worldwide timekeeping service, allowing clocks everywhere to be synchronised with 50 microsecond accuracy. Calculating the most likely receiver location was not a trivial exercise. The navigation software used the satellite's motion to compute a 'trial' Doppler curve, based on an initial 'trial' location for the receiver. The software would then perform a least squares curve fit for each two minute section of the Doppler curve, recursively moving the trial position until the trial Doppler curve 'most closely' matched the actual Doppler received from the satellite for all two minute curve segments. If the receiver was also moving relative to the earth, such as aboard a ship or airplane, this would cause mismatches with the idealized Doppler curves, and degrade position accuracy. However, positional accuracy could usually be computed to within 100 meters for a slow moving ship, even with reception of just one two minute Doppler curve. This was the navigation criterion demanded by the U. S. Navy, since American submarines would normally expose their UHF antenna for only 2 minutes to obtain a usable Transit fix. The U. S. submarine version of the Transit system also included a special encrypted, more accurate version of the downloaded satellite's orbital data. This enhanced data allowed for considerably enhanced system accuracy [not unlike Selective Availability (SA) under GPS]. Using this enhanced mode, accuracy was typically less than 20 meters, i. e. the accuracy was between that of LORAN C and GPS. Certainly, Transit was the most accurate navigation system of its day. The basic operating principle of Transit is similar to the system used by emergency locator transmitters (ELTs), except that in the latter case the transmitter is on the ground and the receiver is in orbit. ELTs measure the Doppler shift of the transmitter on the boat or aircraft as it passes overhead and forwards that data to the ground where the location of the craft can be determined.

Определение орбит спутников

Сеть наземных станций, чьи местоположения были точно известны, непрерывно отслеживала спутники «Транзит». Они измеряли доплеровский сдвиг и передавали данные на пятиканальную перфоленту. Эти данные отправлялись в Центр управления спутниками Лаборатории прикладной физики в Лореле, штат Мэриленд, с использованием коммерческих и военных сетей телетайпов. Данные с фиксированных наземных станций предоставляли информацию о местоположении спутника «Транзит» на орбите. Определение местоположения спутника «Транзит» на околоземной орбите по известной наземной станции с использованием доплеровского сдвига является, по сути, обратной задачей по сравнению с использованием известного местоположения спутника на орбите для определения неизвестного местоположения на Земле, также с использованием доплеровского сдвига. Типичная наземная станция располагалась в небольшом здании типа «Квонсет». Точность измерений наземной станции зависела от точности главных часов станции. Первоначально в качестве главных часов использовался кварцевый генератор в термостатированной печи. Главные часы ежедневно проверялись на отклонение с помощью VLF-приемника, настроенного на VLF-станцию ВМС США. Сигнал VLF обладал свойством, заключающимся в том, что фаза сигнала VLF не изменялась изо дня в день в полдень на пути между передатчиком и приемником, и, следовательно, его можно было использовать для измерения отклонения генератора. Позже стали использоваться рубидиевые и цезиевые эталонные часы. Наземные станции имели номерные обозначения; например, станция 019 находилась на станции Мак-Мердо в Антарктиде. На протяжении многих лет в 1970-х годах на этой станции работали аспирант и студент бакалавриата, как правило, изучавшие электротехнику, из Техасского университета в Остине. Другие станции располагались в Университете штата Нью-Мексико, Техасском университете в Остине, на Сицилии, в Японии, на Сейшельских островах, в Туле (Гренландия) и в ряде других мест. Станции в Гренландии и Антарктиде наблюдали каждый пролет каждого спутника «Транзит» благодаря своему расположению вблизи полюса для этих спутников на полярной орбите.

Портативный геоприемник

Портативная версия наземной станции называлась Geoceiver и использовалась для проведения полевых измерений. Этот приемник, блок питания, устройство для работы с перфолентой и антенны помещались в несколько мягких алюминиевых кейсов и могли быть отправлены в качестве дополнительного багажа авиакомпанией. Данные собирались в течение определенного времени, как правило, недели, и отправлялись в Центр управления спутниками для обработки. Таким образом, в отличие от GPS, не определялось немедленно точное местоположение Geoceiver. Один Geoceiver постоянно находился на станции Южного полюса и обслуживался сотрудниками Геологической службы США. Поскольку он располагался на поверхности движущегося ледникового щита, его данные использовались для измерения скорости движения этого щита. Другие Geoceivers выносились в поле в Антарктиде летом и использовались для определения местоположения, например, для измерения движения шельфового ледника Росса.

Компьютер AN/UYK-1 (TRW-130)

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). Он был построен с закругленными углами, чтобы проходить через люк, имел высоту около полутора метров и был герметизирован для защиты от воды. Главным инженером-конструктором в то время был Лоуэлл Амдал, преподаватель Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA), брат Джина Амдала. AN/UYK 1 был построен компанией Ramo Wooldridge Corporation (позже TRW) для подводных лодок-ракетоносцев класса Lafayette. Он был оснащен 8192 словами 15-битной оперативной памяти с ядром и битом четности, которые вручную наносились на их заводе в Канога-Парке. Время цикла составляло около одной микросекунды. Вес AN/UYK 1 составлял около… AN/UYK 1 был микропрограммируемой машиной с 15-битной разрядностью, которой не хватало аппаратных команд для вычитания, умножения или деления, но она могла выполнять сложение, сдвиг, формировать дополнительный код и проверять бит переноса. Инструкции для выполнения стандартных операций с фиксированной и плавающей точкой были программными подпрограммами, а программы представляли собой списки ссылок и операторов к этим подпрограммам. Например, подпрограмма "вычитание" должна была формировать дополнительный код вычитаемого и добавлять его. Умножение требовало последовательных сдвигов и условного сложения. В наборе инструкций AN/UYK 1 инструкции машинного языка имели два оператора, которые могли одновременно манипулировать арифметическими регистрами, например, формировать дополнительный код содержимого одного регистра во время загрузки или сохранения другого. Возможно, это был первый компьютер, реализовавший возможность одноцикловой косвенной адресации. Во время прохождения спутника приемник GE принимал орбитальные параметры и зашифрованные сообщения со спутника, а также измерял частоту Доплера с интервалами и передавал эти данные компьютеру AN/UYK 1. Компьютер также получал данные о широте и долготе от корабельной инерциальной навигационной системы (SINS). Используя эту информацию, AN/UYK 1 выполнял алгоритм наименьших квадратов и выдавал данные о местоположении примерно через пятнадцать минут.

Другие спутники

В серии "Транзит" было 41 спутник, которым НАСА присвоило название "Транзит". Транзит 3B продемонстрировал загрузку программ в память бортового компьютера, находясь на орбите. Транзит 4А, запущенный 29 июня 1961 года, был первым спутником, использовавшим радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ) (SNAP 3). Транзит 4B (1961) также был оснащен РИТЭГом SNAP 3. Транзит 4B был одним из нескольких спутников, которые были непреднамеренно повреждены или уничтожены в результате ядерного взрыва, а именно в ходе высотного ядерного испытания Starfish Prime, проведенного США 9 июля 1962 года, и вследствие образовавшегося радиационного пояса. Транзит 5А3 и Транзит 5Б 1 (1963) каждый был оснащен РИТЭГом SNAP 3. Транзит 5B 2 (1963) имел РИТЭГ SNAP 9A. В 1964 году ракета не смогла вывести на орбиту Транзит 5BN 3 с РИТЭГом SNAP 9A. Он "сгорел при повторном входе в атмосферу и распался на мелкие частицы" вместе с приблизительно 1 килограммом плутония-238. Транзит 5B 5 возобновил связь после длительного периода неактивности (так называемый "спутник-зомби"). Транзит 9 и 5B4 (1964) и Транзит 5B7 и 5B6 (1965) были оснащены "ядерным источником энергии". ВВС США также периодически запускали мало живущие спутники, оборудованные радиомаяками частотой 162 и 324 МГц на гораздо более низких орбитах для изучения аэродинамического сопротивления. Наземные станции слежения системы "Транзит" также отслеживали эти спутники, определяя их местоположение на орбите по тем же принципам. Данные о местоположении спутников использовались для сбора информации об аэродинамическом сопротивлении, включая изменения в верхних слоях атмосферы и гравитационном поле Земли. Beacon Explorer A и Beacon Explorer B также несли передатчики, совместимые с системой "Транзит".