4 oktober 1957 werd een belangrijke stimulans voor de Verenigde Staten - na de lancering van de eerste kunstmatige aardsatelliet in de USSR besloten Amerikaanse ingenieurs de ruimte aan te passen aan de navigatiebehoeften (met de praktische kenmerken van de Yankees). Aan het Applied Physics Laboratory (APL) van de Johns Hopkins University bestudeerden medewerkers WG Guyer en J. C. Wiffenbach het radiosignaal van de Sovjet Spoetnik 1 en vestigden ze de aandacht op de sterke Doppler-frequentieverschuiving van het signaal dat wordt uitgezonden door een passerende satelliet. Toen onze eerstgeborene in de ruimte naderde, nam de frequentie van het signaal toe en de terugwijkende zendt radiosignalen uit met afnemende frequentie. De onderzoekers wisten een computerprogramma te ontwikkelen om in één keer uit zijn radiosignaal de parameters van de baan van een passerend object te bepalen. Natuurlijk is het tegenovergestelde principe ook mogelijk - de berekening van de reeds bekende parameters van de baan met dezelfde frequentieverschuiving van de onbekende coördinaten van de grondradio-ontvanger. Dit idee kwam bij het hoofd van APL-medewerker F. T. McClure en hij stelde samen met de directeur van het laboratorium, Richard Kershner, een groep onderzoekers samen om te werken aan een project genaamd Transit.
Richard Kershner (links) is een van de grondleggers van het Amerikaanse Global Positioning System. Bron: gpsworld.com
De kernonderzeeër "George Washington" is de eerste gebruiker van het Transit-systeem. Bron: zonwar.ru
Operationele banen van het sterrenbeeld Transit. Bron: gpsworld.com
De belangrijkste klant was de Amerikaanse marine, die precisienavigatie-instrumenten nodig had voor nieuwe onderzeeërs uitgerust met Polaris-raketten. De noodzaak om de locatie van onderzeeërs zoals "George Washington" nauwkeurig te bepalen, was uiterst noodzakelijk voor de toenmalige nieuwigheid - de lancering van raketten met kernkoppen van overal in de oceanen.
Doorvoerontvangstapparatuur voor onderzeeërs. Bron: timeandnavigation.si.edu
Tegen 1958 konden de Amerikanen het eerste experimentele prototype van de Transit-satelliet presenteren en op 17 september 1959 werd deze de ruimte in gestuurd. De grondinfrastructuur werd ook gecreëerd - tegen de tijd van lancering waren het complex van de navigatieapparatuur van de gebruiker, evenals grondvolgstations klaar.
De ingenieurs van Hopkins University assembleren en testen het Transit-ruimtevaartuig. Bron: timeandnavigation.si.edu
De Amerikanen werkten aan een satellietnavigatieproject in volledige nabrandermodus: in 1959 hadden ze maar liefst vijf soorten Transit-satellieten gebouwd, die later allemaal werden gelanceerd en getest. In de bedrijfsmodus begon de Amerikaanse navigatie in december 1963 te werken, dat wil zeggen, in minder dan vijf jaar was het mogelijk om een werkbaar systeem te creëren met een goede nauwkeurigheid voor zijn tijd - de root-mean-square error (RMS) voor een stationair object was 60 meter.
Satelliet Transit 5A 1970 model. Bron: timeandnavigation.si.edu
Een Transit-ontvanger geïnstalleerd in een auto die werd gebruikt door Smithsonian geoloog Ted Maxwell in de Egyptische woestijn in 1987. Het werkpaard van de onderzoeker bleek…
… de Sovjet "Niva"! Bron: gpsworld.com [/center]
Het bepalen van de coördinaten van een onderzeeër die over het oppervlak beweegt, was problematischer: als u een fout maakt met de snelheidswaarde met 0,5 km / u, neemt de RMS toe tot 500 m. Daarom was het handiger om naar de satelliet te gaan voor helpen in een stationaire positie van het schip, wat opnieuw niet gemakkelijk was. De Transit met een lage baan (1100 km hoogte) werd halverwege 64 door de Amerikaanse marine geadopteerd als onderdeel van vier satellieten, waardoor de orbitale groepering verder werd uitgebreid tot zeven voertuigen, en vanaf 67 werd navigatie beschikbaar voor gewone stervelingen. Op dit moment wordt de Transit-satellietconstellatie gebruikt om de ionosfeer te bestuderen. De nadelen van 's werelds eerste satellietnavigatiesysteem waren het onvermogen om de hoogte van de positie van de grondgebruiker te bepalen, de aanzienlijke duur van de observatie en de nauwkeurigheid van de positionering van het object, die uiteindelijk onvoldoende werd. Dit alles leidde tot nieuwe zoekopdrachten in de Amerikaanse ruimtevaartindustrie.
Timing van ruimtevaartuigen. Bron: timeandnavigation.si.edu
Het tweede satellietnavigatiesysteem was Timation van het Naval Research Laboratory (NRL), dat werd gerund door Roger Easton. In het kader van het project werden twee satellieten geassembleerd, uitgerust met ultraprecieze klokken voor het uitzenden van tijdsignalen naar terrestrische consumenten en het nauwkeurig bepalen van hun eigen locatie.
Experimentele satelliet Timation NTS-3, uitgerust met een rubidiumklok. Bron: gpsworld.com
Bij Timation werd het basisprincipe van de toekomstige GPS-systemen geformuleerd: op de satelliet werkte een zender die een gecodeerd signaal uitzond, die de grondabonnee registreerde en de vertraging van zijn passage meet. Omdat de apparatuur de exacte locatie van de satelliet in een baan om de aarde kende, berekende het gemakkelijk de afstand tot de satelliet en bepaalde op basis van deze gegevens zijn eigen coördinaten (efemeriden). Hiervoor zijn natuurlijk minimaal drie en liefst vier satellieten nodig. De eerste Timations gingen in 1967 de ruimte in en droegen aanvankelijk kwartsklokken en later ultraprecieze atoomklokken - rubidium en cesium.
De luchtmacht van de Verenigde Staten opereerde onafhankelijk van de marine op haar eigen wereldwijde positioneringssysteem, de Air Force 621B. Driedimensionaliteit is een belangrijke innovatie van deze techniek geworden - nu is het mogelijk om de breedtegraad, lengtegraad en langverwachte hoogte van een object te bepalen. De satellietsignalen werden gescheiden volgens een nieuw coderingsprincipe op basis van een pseudo-willekeurig ruisachtig signaal. De pseudo-willekeurige code verhoogt de ruisimmuniteit van het signaal en lost het probleem van toegangsbeperking op. Civiele gebruikers van navigatieapparatuur hebben alleen toegang tot open source-code, die op elk moment kan worden gewijzigd vanuit het grondcontrolecentrum. In dit geval zal alle "vreedzame" apparatuur falen en zijn eigen coördinaten definiëren met een significante fout. Militaire vergrendelde codes blijven ongewijzigd.
De tests begonnen in 1972 op een testlocatie in New Mexico, waarbij zenders op ballonnen en vliegtuigen werden gebruikt als simulators van satellieten. "System 612B" toonde een uitstekende positioneringsnauwkeurigheid van enkele meters en het was in die tijd dat het concept van een wereldwijd navigatiesysteem met een gemiddelde baan met 16 satellieten werd geboren. In deze versie zorgde een cluster van vier satellieten (dit aantal is nodig voor nauwkeurige navigatie) voor 24-uurs dekking van het hele continent. Een paar jaar bevond het "System 612B" zich in de experimentele rang en was niet bijzonder geïnteresseerd in het Pentagon. Tegelijkertijd werkten verschillende kantoren in de Verenigde Staten aan een "hot" navigatie-onderwerp: het Applied Physics Laboratory werkte aan een aanpassing van de Transit, de marine "voltooide" Timation en zelfs de grondtroepen boden hun eigen SECOR (sequentiële correlatie van bereik, sequentiële berekening van bereiken). Dit kon niet anders dan het ministerie van Defensie ongerust maken, dat het risico liep te worden geconfronteerd met unieke navigatieformaten in elk type troepen. Op een gegeven moment sloeg een van de Amerikaanse krijgers met zijn hand op de tafel en een GPS was geboren, met al het beste van zijn voorgangers. Halverwege de jaren 70 werd onder auspiciën van het Amerikaanse ministerie van Defensie een tripartiete gezamenlijke commissie opgericht, NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group) genaamd, die de belangrijke parameters van het toekomstige systeem bepaalde - het aantal satellieten, hun hoogte, signaal codes en modulatiemethoden. Toen ze bij het kostencijfer kwamen, besloten ze om onmiddellijk twee opties te creëren - militair en commercieel met een vooraf bepaalde fout in positioneringsnauwkeurigheid. De luchtmacht speelde een leidende rol in dit programma, aangezien de luchtmacht 621B het meest geavanceerde model van het toekomstige navigatiesysteem was, waarvan GPS vrijwel ongewijzigde pseudo-willekeurige ruistechnologie ontleende. Het signaalsynchronisatiesysteem was afkomstig van het Timtation-project, maar de baan werd verhoogd tot 20 duizend kilometer, wat een omlooptijd van 12 uur opleverde in plaats van de 8 uur durende omlooptijd van zijn voorganger. Een ervaren satelliet werd al in 1978 de ruimte in gelanceerd en, zoals gebruikelijk, werd alle benodigde grondinfrastructuur van tevoren voorbereid - er werden slechts zeven soorten ontvangstapparatuur uitgevonden. In 1995 werd GPS volledig ingezet - ongeveer 30 satellieten zijn constant in een baan om de aarde, ondanks het feit dat er voor de operatie voldoende 24 zijn. Orbitale vliegtuigen voor satellieten zijn toegewezen aan zes, met een helling van 550… Op dit moment kunt u met GPS-landmeettoepassingen de positie van de consument bepalen met een nauwkeurigheid van minder dan een millimeter! Sinds 1996 zijn er Block 2R-satellieten verschenen, uitgerust met het AutoNav autonome navigatiesysteem, waarmee het voertuig in een baan om de aarde kan opereren wanneer het grondstation gedurende ten minste 180 dagen wordt vernietigd.
Tot het einde van de jaren tachtig was het gevechtsgebruik van GPS sporadisch en onbeduidend: het bepalen van de coördinaten van mijnenvelden in de Perzische Golf en het elimineren van onvolkomenheden in kaarten tijdens de invasie van Panama. Een volwaardige vuurdoop vond plaats in de Perzische Golf in 1990-1991 tijdens Desert Storm. De troepen waren in staat om actief te manoeuvreren in een woestijngebied, waar het moeilijk is om acceptabele oriëntatiepunten te vinden, en om op elk moment van de dag artillerievuur met hoge nauwkeurigheid uit te voeren in omstandigheden van zandstormen. Later bleek GPS nuttig bij de vredesoperaties in Somalië in 1993, bij de Amerikaanse landing in Haïti in 1994 en ten slotte bij de Afghaanse en Iraakse campagnes van de 21e eeuw.
