Tranzyt (satelitarny) - Transit (satellite)

Tranzyt
GRAB 1 i Transit 2A (przygotowanie do startu).png
Transit 2A z GRAB 1 na szczycie podczas przygotowań do startu
Kraj/państwa pochodzenia Stany Zjednoczone
Status Emerytowany (1996)
Rozmiar konstelacji
Pierwsze uruchomienie 1959
Ostatnie uruchomienie 1988

System Transit , znany również jako NAVSAT lub NNSS (od Navy Navigation Satellite System ), był pierwszym systemem nawigacji satelitarnej, który został wykorzystany operacyjnie. System radionawigacji był używany głównie przez Marynarkę Wojenną Stanów Zjednoczonych do dostarczania dokładnych informacji o lokalizacji okrętom podwodnym wyposażonym w rakiety balistyczne Polaris , a także jako system nawigacyjny dla okrętów nawodnych Marynarki Wojennej , a także do pomiarów hydrograficznych i geodezyjnych . Transit zapewniał nieprzerwaną usługę nawigacji satelitarnej od 1964 roku, początkowo dla okrętów podwodnych Polaris, a później także do użytku cywilnego. W programie Project DAMP, statek śledzący rakiety USAS American Mariner również wykorzystywał dane z satelity w celu uzyskania dokładnych informacji o położeniu statku przed ustawieniem jego radarów śledzących.

Historia

Operacyjny satelita tranzytowy

System satelitarny Transit, sponsorowany przez marynarkę wojenną i opracowany wspólnie przez DARPA i Johns Hopkins Applied Physics Laboratory , pod kierownictwem dr. Richarda Kershnera z Johns Hopkins, był pierwszym satelitarnym systemem geolokalizacji. Zaledwie kilka dni po sowieckim wystrzeleniu Sputnika 1 , pierwszego sztucznego satelity krążącego wokół Ziemi, 4 października 1957 roku, dwóch fizyków z APL, William Guier i George Weiffenbach, dyskutowało o sygnałach radiowych, które prawdopodobnie będą satelita. Byli w stanie określić orbitę Sputnika, analizując przesunięcie Dopplera jego sygnałów radiowych podczas jednego przejścia . Omawiając drogę do dalszych badań, ich dyrektor Frank McClure, przewodniczący Centrum Badawczego APL, zasugerował w marcu 1958 roku, że gdyby pozycja satelity była znana i przewidywalna, przesunięcie Dopplera mogłoby zostać wykorzystane do zlokalizowania odbiornika na Ziemi i zaproponował system satelitarny w celu wdrożenia tej zasady.

Rozwój systemu Transit rozpoczął się w 1958 roku, a prototyp satelity Transit 1A został wystrzelony we wrześniu 1959 roku. Satelita ten nie wszedł na orbitę. Drugi satelita, Transit 1B , został pomyślnie wystrzelony 13 kwietnia 1960 r. przez rakietę Thor-Ablestar . Pierwsze udane testy systemu przeprowadzono w 1960 roku, a system wszedł do służby w marynarce wojennej w 1964 roku.

Rakieta Chance Vought/LTV Scout została wybrana jako dedykowany pojazd startowy do programu, ponieważ dostarczyła ładunek na orbitę po najniższym koszcie na funt. Jednak decyzja Scout nałożyła dwa ograniczenia projektowe. Po pierwsze, waga wcześniejszych satelitów wynosiła około 300 funtów (140 kg), ale zdolność wystrzelenia Scouta na orbitę tranzytu wynosiła około 120 funtów (54 kg), ale później znacznie wzrosła. Trzeba było osiągnąć redukcję masy satelity, pomimo zapotrzebowania na większą moc niż APL wcześniej zaprojektowała dla satelity. Drugi problem dotyczył zwiększonych wibracji, które wpływały na ładunek podczas startu, ponieważ Scout używał silników rakietowych na paliwo stałe. W związku z tym konieczne było wyprodukowanie sprzętu elektronicznego, który byłby mniejszy niż wcześniej i wystarczająco wytrzymały, aby wytrzymać zwiększone wibracje podczas startu. Sprostanie nowym wymaganiom było trudniejsze niż oczekiwano, ale udało się. Pierwszy prototypowy satelita operacyjny (Transit 5A-1) został wystrzelony na orbitę polarną przez rakietę Scout 18 grudnia 1962 roku. Satelita zweryfikował nową technikę rozmieszczania paneli słonecznych i oddzielania od rakiety, ale poza tym nie odniósł sukcesu. z powodu problemów z systemem elektroenergetycznym. Transit 5A-2, wystrzelony 5 kwietnia 1963 roku, nie wszedł na orbitę. Tranzyt 5A-3 z przeprojektowanym zasilaczem został zwodowany 15 czerwca 1963 roku. Podczas lotu z napędem wystąpiła awaria pamięci, która uniemożliwiała przyjęcie i zapisanie komunikatu nawigacyjnego, a stabilność oscylatora uległa pogorszeniu podczas startu. Tym samym 5A-3 nie mógł być używany do nawigacji. Jednak ten satelita był pierwszym, który osiągnął stabilizację gradientu grawitacyjnego , a jego inne podsystemy działały dobrze.

Geodeci wykorzystali Transita do zlokalizowania zdalnych punktów odniesienia , uśredniając dziesiątki poprawek Transita, uzyskując dokładność poniżej metra. W rzeczywistości elewacja Mount Everest została skorygowana pod koniec lat 80. XX wieku za pomocą odbiornika Transit, aby ponownie zmierzyć pobliski punkt odniesienia.

Tysiące okrętów wojennych, frachtowców i prywatnych jednostek pływających korzystało z tranzytu od 1967 do 1991 roku. W latach 70. Związek Radziecki zaczął uruchamiać własny system nawigacji satelitarnej Parus (wojskowy) / Tsikada (cywilny), który jest w użyciu do dziś obok GLONASS nowej generacji . Niektóre radzieckie okręty wojenne były wyposażone w odbiorniki Motorola NavSat.

System tranzytowy stał się przestarzały przez Globalny System Pozycjonowania (GPS) i zaprzestał usługi nawigacji w 1996 roku. Ulepszenia w elektronice pozwoliły odbiornikom GPS na skuteczne przyjmowanie kilku poprawek na raz, znacznie zmniejszając złożoność określania pozycji. GPS wykorzystuje znacznie więcej satelitów niż w przypadku Transita, dzięki czemu system może być używany w sposób ciągły, podczas gdy Transit zapewniał fiksację tylko co godzinę lub dłużej.

Po 1996 roku satelity były używane w Systemie Monitorowania Jonosfery Marynarki Wojennej (NIMS).

Opis

Dokładność Navigation Systems.svg

Satelity

Satelity (znane jako OSCAR lub NOVA ) używane w systemie zostały umieszczone na niskich orbitach polarnych , na wysokości około 600 mil morskich (690 mil; 1100 km), z okresem orbitalnym około 106 minut. Wymagana była konstelacja pięciu satelitów, aby zapewnić rozsądny zasięg globalny. Podczas gdy system działał, co najmniej dziesięć satelitów – po jednym zapasowym dla każdego satelity w podstawowej konstelacji – było zwykle utrzymywanych na orbicie. Należy zauważyć, że te satelity OSCAR to nie to samo co seria satelitów OSCAR przeznaczonych do użytku przez radioamatorów w komunikacji satelitarnej .

Prototyp satelity tranzytowego-1

Orbity satelitów Transit zostały wybrane tak, aby obejmowały całą Ziemię; przeszli przez bieguny i rozproszyli się na równiku. Ponieważ tylko jeden satelita był zwykle widoczny w danym momencie, poprawki można było wykonać tylko wtedy, gdy jeden z satelitów znajdował się nad horyzontem. Na równiku to opóźnienie między poprawkami wynosiło kilka godzin; na średnich szerokościach geograficznych opóźnienie zmniejszyło się do godziny lub dwóch. Ze względu na swoją zamierzoną rolę jako system aktualizacyjny do wystrzeliwania SLBM, Transit wystarczał, ponieważ okręty podwodne wymagały okresowych poprawek, aby zresetować swój bezwładnościowy system naprowadzania , ale Transit nie był w stanie zapewnić szybkich pomiarów pozycji w czasie rzeczywistym.

Wraz z późniejszymi ulepszeniami system zapewniał dokładność pojedynczego przejścia do około 200 metrów (660 stóp), a także zapewniał synchronizację czasu do około 50 mikrosekund. Satelity tranzytowe również transmitują zaszyfrowane wiadomości, chociaż była to funkcja drugorzędna.

Satelity Transit wykorzystywały macierze pamięci z rdzeniem magnetycznym jako masowe przechowywanie danych do 32 kilobajtów.

Ustalanie lokalizacji naziemnej

Podstawowa zasada działania Transita jest podobna do systemu stosowanego przez nadajniki awaryjnego lokalizatora , z tą różnicą, że w tym drugim przypadku nadajnik znajduje się na ziemi, a odbiornik na orbicie.

Każdy satelita systemu Transit nadawał dwa sygnały nośne UHF, które zapewniały precyzyjne hackowanie czasu (co dwie minuty), plus sześć elementów orbitalnych satelity i zmienne zaburzeń orbity . Efemerydy orbity i poprawki zegara były przesyłane dwa razy dziennie do każdego satelity z jednej z czterech stacji śledzących i wstrzykujących Marynarki Wojennej. Ta informacja o emisji umożliwiła odbiornikowi naziemnemu obliczenie położenia satelity w dowolnym momencie. Zastosowanie dwóch częstotliwości nośnych umożliwiło odbiornikom naziemnym zmniejszenie błędów nawigacji spowodowanych refrakcją jonosferyczną. System Transit zapewnił również pierwszą na świecie usługę pomiaru czasu, umożliwiając synchronizację zegarów na całym świecie z dokładnością do 50 mikrosekund.

Satelita Transit nadaje na 150 i 400 MHz. Dwie częstotliwości zostały wykorzystane do wyeliminowania załamania satelitarnych sygnałów radiowych przez jonosferę, poprawiając w ten sposób dokładność lokalizacji.

Krytyczną informacją, która umożliwiła odbiornikowi obliczenie lokalizacji, była unikalna krzywa częstotliwości spowodowana efektem Dopplera . Efekt Dopplera powodował pozorną kompresję długości fali nośnej, gdy satelita zbliżał się do odbiornika, oraz rozciąganie długości fal, gdy satelita się oddalał. Statek kosmiczny podróżował z prędkością około 17 000 mil na godzinę, co mogło zwiększyć lub zmniejszyć częstotliwość odbieranego sygnału nośnego nawet o 10 kHz. Ta krzywa Dopplera była unikalna dla każdej lokalizacji w zasięgu wzroku satelity. Na przykład, obrót Ziemi spowodowane odbiornik gruntowych, aby przejść do lub od orbity satelity, tworząc niesymetryczną przesunięcia Dopplera dla podejścia i recesji, dzięki czemu odbiornik w celu ustalenia, czy to na wschód lub na zachód od północno-południe satelity ziemi śledzić .

Obliczenie najbardziej prawdopodobnej lokalizacji odbiornika nie było trywialnym ćwiczeniem. Oprogramowanie nawigacyjne wykorzystało ruch satelity do obliczenia „próbnej” krzywej Dopplera na podstawie początkowej „próbnej” lokalizacji odbiornika. Oprogramowanie wykona następnie dopasowanie krzywej najmniejszych kwadratów dla każdego dwuminutowego odcinka krzywej Dopplera, rekurencyjnie przesuwając pozycję próbną, aż próbna krzywa Dopplera "najbliżej" będzie pasować do rzeczywistego Dopplera odbieranego z satelity dla wszystkich dwuminutowych odcinków krzywej. .

Gdyby odbiornik poruszał się również względem Ziemi, na przykład na pokładzie statku lub samolotu, spowodowałoby to niedopasowanie wyidealizowanych krzywych Dopplera i pogorszenie dokładności pozycji. Jednak dokładność pozycjonowania może być zwykle obliczona z dokładnością do 100 metrów dla wolno poruszającego się statku, nawet przy odbiorze zaledwie jednej dwuminutowej krzywej Dopplera. To było kryterium nawigacji wymagane przez marynarkę wojenną Stanów Zjednoczonych, ponieważ amerykańskie okręty podwodne normalnie wystawiałyby antenę UHF tylko na 2 minuty, aby uzyskać użyteczną pozycję Transita. Amerykańska wersja systemu Tranzytu dla okrętów podwodnych zawierała również specjalną zaszyfrowaną, dokładniejszą wersję danych orbitalnych pobranego satelity. Ulepszone dane pozwoliły znacznie zwiększyć dokładność systemu [podobnie jak w przypadku selektywnej dostępności (SA) w systemie GPS]. Przy użyciu tego rozszerzonego trybu dokładność była zwykle mniejsza niż 20 metrów, tj. dokładność mieściła się między dokładnością LORAN C i GPS. Z pewnością Transit był najdokładniejszym systemem nawigacyjnym swoich czasów.

Wyznaczanie orbit satelitów

Sieć stacji naziemnych, których lokalizacje były dokładnie znane, nieustannie śledziła satelity Transita. Zmierzyli przesunięcie Dopplera i przenieśli dane na 5-otworową taśmę papierową. Dane te zostały przesłane do Centrum Kontroli Satelitarnej w Applied Physics Laboratory w Laurel w stanie Maryland za pomocą komercyjnych i wojskowych sieci teledrukarek. Dane ze stałych stacji naziemnych dostarczyły informacji o lokalizacji na orbicie satelity Transit. Lokalizowanie satelity Transit na orbicie Ziemi ze znanej stacji naziemnej przy użyciu przesunięcia Dopplera jest po prostu odwrotnością użycia znanej lokalizacji satelity na orbicie do zlokalizowania nieznanej lokalizacji na Ziemi, ponownie przy użyciu przesunięcia Dopplera.

Typowa stacja naziemna zajmowała małą chatkę Quonset . Dokładność pomiarów stacji naziemnej była funkcją dokładności zegara głównego stacji naziemnej. Początkowo jako zegar główny stosowano oscylator kwarcowy w piecu z kontrolowaną temperaturą . Zegar główny był sprawdzany codziennie pod kątem dryfu za pomocą odbiornika VLF dostrojonego do stacji VLF marynarki USA. Sygnał VLF miał tę właściwość, że faza sygnału VLF nie zmieniała się z dnia na dzień w południe na ścieżce między nadajnikiem a odbiornikiem, dzięki czemu mógł być wykorzystany do pomiaru dryftu oscylatora. Później używano zegarów rubidowych i cezowych . Stacje naziemne miały nazwy numeryczne; na przykład Stacja 019 to Stacja McMurdo na Antarktydzie. Przez wiele lat w latach 70-tych stacja ta była obsługiwana przez doktoranta i studenta studiów licencjackich, zazwyczaj w dziedzinie elektrotechniki, z University of Texas w Austin. Inne stacje znajdowały się na New Mexico State University, University of Texas w Austin, na Sycylii, Japonii, na Seszelach, Thule Greenland i wielu innych lokalizacjach. Stacje Grenlandii i Antarktydy widziały każde przejście każdego satelity Transit ze względu na ich blisko biegunowe położenie dla tych satelitów na orbicie polarnej.

Obudowa przedsionka i budki Quonset Stacja śledzenia satelitarnego Transit 019. 1. Antena magnetometru satelitarnego Triad. 2. maszt na flagę, 3. maszt na media w tle, 4 obrotowe światła alarmowe temperatury, 5 anteny VLF, 6–9 anten do śledzenia satelitów dopplerowskich, 10. rura piecowa do grzejnika, 11 światło powodziowe w warunkach słabej widoczności, 12 zbiornik paliwa.
Niektóre elementy wyposażenia stacji śledzenia satelitarnego Transit 019. 1. Automatyczna jednostka sterująca, 2. licznik czasu, 3. Detektor impulsów czasu, 4. wykres konwersji czasu, 5. efemerydy satelitarne, 6. odbiornik śledzenia, 7. wyświetlacz czasu, 8 Programator Header-Tailer, 9. Digitizer i zegar główny, 10. Oscylator główny, 11. Rejestrator paskowy, 12. Dziurkacz do taśmy papierowej, 13. Odbiornik fal krótkich. Poza zasięgiem wzroku: odbiornik VLF, jednostka korekcji refrakcji, system baterii zapasowych, zasilacze, regulatory napięcia AC.

Przenośny geoodbiornik

Przenośna wersja stacji naziemnej nosiła nazwę Geoceiver i służyła do wykonywania pomiarów terenowych. Ten odbiornik, zasilacz, jednostka z perforowaną taśmą i anteny mogą zmieścić się w wielu wyściełanych aluminiowych skrzyniach i mogą być wysyłane jako dodatkowy ładunek liniami lotniczymi. Dane były zbierane przez pewien okres, zwykle tydzień, i odsyłane do Centrum Kontroli Satelitarnej w celu przetworzenia. Dlatego, w przeciwieństwie do GPS, nie było natychmiastowej dokładnej lokalizacji lokalizacji Geoceivera. Geoceiver był na stałe umieszczony na stacji bieguna południowego i obsługiwany przez personel United States Geological Survey. Ponieważ znajdował się na powierzchni ruchomego lądolodu, jego dane wykorzystano do pomiaru ruchu lądolodu. Inne geoodbiorniki zostały wyniesione w lecie na Antarktydę i były używane do pomiaru lokalizacji, na przykład ruchu Szelfu Lodowego Rossa .

Komputer AN/UYK-1 (TRW-130)

Orbity pięciu satelitów tranzytowych (tekst w języku niemieckim.)

Ponieważ nie istniał komputer wystarczająco mały, aby zmieścić się przez właz okrętu podwodnego (w 1958 r.), zaprojektowano nowy komputer nazwany AN/UYK-1 (TRW-130). Został zbudowany z zaokrąglonymi rogami, które pasowały do ​​włazu, i miał około pięciu stóp wysokości i był uszczelniony, aby był wodoodporny. Głównym inżynierem projektu był ówczesny członek wydziału UCLA Lowell Amdahl, brat Gene Amdahl . AN/UYK-1 został zbudowany przez Ramo-Wooldridge Corporation (później TRW) dla SSBN klasy Lafayette . Został wyposażony w 8192 słów 15-bitowej pamięci rdzenia plus bit parzystości , nawleconych ręcznie w ich fabryce w Canoga Park. Czas cyklu wynosił około jednej mikrosekundy . AN/UYK-1 ważył około 550 funtów (250 kg).

AN/UYK-1 był mikroprogramowaną maszyną z 15-bitową długością słowa, której brakowało poleceń sprzętowych do odejmowania, mnożenia lub dzielenia, ale potrafiła dodawać, przesuwać, tworzyć dopełnienia i testować bit przeniesienia. Instrukcje wykonywania standardowych operacji stało- i zmiennoprzecinkowych były podprogramami programowymi, a programy listami łączy i operatorów do tych podprogramów. Na przykład podprogram „odejmowanie” musiał utworzyć dopełnienie jedynkowe odjemnika i dodać je. Mnożenie wymagało sukcesywnego przesuwania i dodawania warunkowego.

W zestawie instrukcji AN/UYK-1 instrukcje języka maszynowego miały dwóch operatorów, którzy mogli jednocześnie manipulować rejestrami arytmetycznymi — na przykład uzupełniać zawartość jednego rejestru podczas ładowania lub przechowywania innego. Być może był to pierwszy komputer, który zaimplementował możliwość adresowania pośredniego w jednym cyklu.

Podczas przelotu satelitarnego odbiornik GE otrzymywałby parametry orbitalne i zaszyfrowane wiadomości z satelity, a także mierzył częstotliwość przesuniętą dopplerowską w określonych odstępach czasu i dostarczał te dane do komputera AN/UYK-1. Komputer otrzymywałby również z systemu nawigacji bezwładnościowej statku (SINS) odczyt szerokości i długości geograficznej. Wykorzystując te informacje, AN/UYK-1 wykonał algorytm najmniejszych kwadratów i dostarczył odczyt lokalizacji w około piętnaście minut.

Inne satelity

W serii Transit było 41 satelitów, którym NASA przypisała nazwę Transit .

Transit 3B zademonstrował ładowanie programów do pamięci komputera pokładowego na orbicie.

Transit 4A, wystrzelony 29 czerwca 1961, był pierwszym satelitą wykorzystującym radioaktywne źródło energii (RTG) ( SNAP-3 ). Transit 4B (1961) miał również SNAP-3 RTG. Transit 4B był jednym z kilku satelitów, które zostały nieumyślnie uszkodzone lub zniszczone w wyniku eksplozji nuklearnej, w szczególności podczas próby jądrowej USA Starfish Prime na dużej wysokości 9 lipca 1962 r., a następnie pasa radiacyjnego .

Transit 5A3 i Transit 5B-1 (1963) miały SNAP-3 RTG .

Transit 5B-2 (1963) miał SNAP-9A RTG.

W 1964 r. rakieta nie zdołała wystrzelić Transita 5BN-3 z SNAP-9A RTG na orbitę. Wraz z około 1 kilogramem plutonu-238 "spalił się podczas ponownego wejścia i uległ ablacji na małe cząstki".

Transit 5B-5 wznowił komunikację po dłuższym okresie bezczynności ( satelita zombie ).

Transit-9 i 5B4 (1964) oraz Transit-5B7 i 5B6 (1965) miały „nuklearne źródło energii”.

US Air Force także okresowo uruchomiła krótko satelitów wyposażonych radiolatarni z 162 MHz do 324 MHz przy znacznie niższych orbitach studiować przeciągnij orbitalną . Naziemne stacje śledzące Transita śledziły również te satelity, lokalizując satelity na ich orbitach, stosując te same zasady. Dane lokalizacyjne satelity zostały wykorzystane do zebrania danych dotyczących oporu orbitalnego, w tym zmian w górnych warstwach atmosfery i pola grawitacyjnego Ziemi.

Beacon Explorer-A i Beacon Explorer-B posiadają również nadajniki kompatybilne z Transit.

Bibliografia

Linki zewnętrzne