Навигационные спутниковые системы СССР, России и США. История вторая

4 октября 1957 года стало важным стимулом для США – американские инженеры после запуска в СССР первого искусственного спутника Земли решили приспособить космос под выполнения навигационных нужд (со свойственной янки практичностью). В Лаборатории прикладной физики университета Джона Хопкинса АPL (Applied Physics Laboratory), сотрудники У. Г. Гуйер и Дж. К. Виффенбах изучали радиосигнал от советского «Спутник-1» и обратили внимание на сильное доплеровское смещение частоты сигнала, излучаемого пролетающим спутником. Когда наш первенец в космосе приближался, частота сигнала увеличивалась, а удаляющийся испускал радиосигналы уменьшающейся частоты. Исследователям удалось разработать компьютерную программу для определения параметров орбиты пролетающего объекта по его радиосигналу за один проход. Естественно, возможен и обратный принцип – вычисление по уже известным параметрам орбиты с помощью то же смещения частоты неизвестных координат наземного радиоприемного устройства. Эта мысль пришла в голову сотруднику APL Ф. Т. Мак-Клюру и он вместе с директором лаборатории Ричардом Кершнером сколотил группу исследователей для работ над проектом, получившим название Transit.

Навигационные спутниковые системы СССР, России и США. История вторая
Ричард Кершнер (слева) — один из отцов-основателей американской глобальной системы позиционирования. Источник: gpsworld.com




АПЛ "Джордж Вашингтон" — первый пользователь системы Transit. Источник: zonwar.ru



Оперативные орбиты группировки Transit. Источник: gpsworld.com


Основным заказчиком стал Военно-морской флот США, которому были нужны инструменты точной навигации для новых подлодок, оснащенных ракетами «Полярис». Необходимость точного определения местоположения подводных лодок типа «Джордж Вашингтон» была крайне необходима для тогдашней новинки – запуска ракет с ядерными боеголовками из любой точки Мирового океана.




Приемная аппаратура Transit для подводных лодок. Источник: timeandnavigation.si.edu


Уже к 1958 году американцы смогли представить первый экспериментальный образец спутника системы Transit, а 17 сентября 1959 года он был отправлен в космос. Создавалась и наземная инфраструктура – были готовы к моменту запуска комплекс навигационной аппаратуры потребителя, а также наземные станции слежения.


Инженеры университета Хопкинса за сборкой и тестированием космического аппарата Transit. Источник: timeandnavigation.si.edu


Американцы работали над проектом спутниковой навигации в режиме полного форсажа: к 1959 году сконструировали целых пять типов спутников Transit, которые позже все были запущены и испытаны. В рабочем режиме американская навигация заработала в декабре 1963 года, то есть менее чем за пять лет удалось создать работоспособную систему, отличающуюся неплохой точностью для своего времени – средняя квадратическая погрешность (СКП) для неподвижного объекта составляла 60 м.


Спутник Transit 5A модель 1970 года. Источник: timeandnavigation.si.edu



Приемник системы Transit, установленный в автомобиле, которым пользовался геолог Смитсоновского университета Тед Максвелл в египетской пустыне в 1987 году. Рабочей лошадкой исследователя оказалась…



…советская "Нива"! Источник: gpsworld.com[/center]

Определение координат движущейся в надводном положении субмарины было более проблематично: если ошибиться со значением скорости на 0,5 км/ч, то СКП увеличится до 500 м. Поэтому целесообразнее было обращаться к спутнику за помощью в неподвижном положении судна, что опять же было непросто. На вооружение ВМС США низкоорбитный (высота 1100 км) Transit приняли в середине 64-го года в составе четырех спутников, доведя в дальнейшем орбитальную группировку до семи аппаратов, а с 67-го навигация стала доступна и простым смертным. На данный момент спутниковая группировка Transit используется для изучения ионосферы. Недостатками первой в мире системы спутниковой навигации стали невозможность определить высоту положения наземного пользователя, значительная длительность обсервации и точность позиционирования объекта, со временем ставшая недостаточной. Все это привела к новым поискам в космической отрасли США.


Космический аппарат Timation. Источник: timeandnavigation.si.edu


Второй по счету спутниковой системой навигации стала Timation от Военно-морской исследовательской лаборатории (NRL – Naval Research Laboratory), которой руководил Рождер Истон. В рамках проекта был собраны два спутника, оснащенных сверхточными часами для трансляции сигналов времени наземным потребителям и точного определения собственного местоположения.


Экспериментальный спутник Timation NTS-3, оснащенный рубидиевыми часами. Источник: gpsworld.com


На Timation был сформулирован базовый принцип работу будущих систем GPS: на спутнике работал передатчик, излучающий закодированный сигнал, который фиксировал наземный абонент и измерял задержку его прохождения. Зная точное расположение спутника на орбите, аппаратура без труда вычисляла расстояние до него и на основе этих данных определяла собственные координаты (эфемерида). Конечно, для этого необходимы минимум три спутника, а лучше четыре. Первые Timation отправились в космос в 1967 году и несли в начале кварцевые часы, а позже сверхточные атомные – рубидиевые и цезиевые.

ВВС Соединенных Штатов независимо от ВМС работали на собственной системой глобального позиционирования, получившей название «Система 621В» (Air Force 621B). Важным новшеством данной техники стала трехмерность – теперь появилась возможность определять широту, долготу и долгожданную высоту объекта. Сигналы спутников разделялись по новому принципу кодирования на основе псевдослучайного шумоподобного сигнала. Псевдослучайный код увеличивает помехоустойчивость сигнала и решает вопрос ограничения доступа. Гражданские пользователи навигационного оборудования имеют доступ только к открытым кодам, которые могут быть модифицированы с наземного центра управления в любой момент. В этом случае, вся «мирная» техника будет сбоить, определяя собственные координаты со значительной погрешностью. Закрытые коды военного назначения останутся без изменений.

К испытаниям приступили в 1972 году на полигоне в Нью-Мехико, используя в качестве имитаторов спутников передатчики на воздушных шарах и самолетах. «Система 612В» показала выдающуюся точность позиционирования в несколько метров и именно в то время родилась концепция среднеорбитной глобальной системы навигации с 16 спутниками в составе. В таком варианте кластер их четырех спутников (такое количество необходимо для точной навигации) обеспечивал 24-часовое покрытие целого континента. В течение пары лет «Система 612В» была в ранге экспериментальных и особо не интересовала Пентагон. В это же время в США несколько контор работали над «горячей» навигационной темой: лаборатория прикладной физики трудилась над модификацией Transit, ВМС «допиливали» Timation и даже сухопутные войска предложили собственную SECOR (Sequential Correlation of Range, последовательное вычисление дальностей). Это не могло не беспокоить Министерство обороны, которое рисковало столкнуться с уникальными форматами навигации в каждом виде войск. В определенный момент кто-то из американских вояк хлопнул рукой по столу и родился GPS, вобравший в себя всё лучшее из предшественников. В середине 70-х под эгидой Минобороны США создали трехсторонний объединенный комитет, названный NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), который определил важные параметры будущей системы – количество спутников, их высоты, коды сигналов и методы модуляции. Когда пришли к цифре стоимости, решили сразу создавать два варианта – военный и коммерческий с заранее предусмотренной погрешностью в точности позиционирования. ВВС в этой программе играло ведущую роль, так как её Air Force 621B была наиболее продуманной моделью будущей навигационной системы, от которой GPS позаимствовала практически в неизменном виде технологию псевдослучайного шума. Система синхронизации сигналов была взята из проекта Timtation, но орбиту подняли до 20 тыс. километров, что обеспечило 12-часовой период обращения взамен 8-часового у предшественника. Опытный спутник запустили в космос уже в 1978 году и, как обычно, предварительно подготовили всю необходимую наземную инфраструктуру – только видов приемной аппаратуры придумали семь штук. В 1995 году GPS развернули в полном объеме – около 30 спутников постоянно на орбите, при том, что для работы достаточно 24. Орбитальных плоскостей для спутников выделено шесть, имеющих наклонение в 550. На данный момент геодезические приложения GPS позволяют определять положения потребителя с точностью менее одного миллиметра! С 1996 года появились спутники Block 2R, оснащенные системой автономной навигации AutoNav, позволяющей аппарату работать на орбите при уничтожении наземной станции управления минимум 180 дней.

Боевое применение GPS до конца 80-х было эпизодическим и малозначительным: определение координат минных полей в Персидском заливе и устранение несовершенства карт во время вторжения в Панаму. Полноценное боевое крещение случилось в Персидском заливе в 1990-1991 годах во время «Бури в пустыне». Войска получили возможность активно маневрировать в пустынной местности, где тяжело найти приемлемые ориентиры, а также вести артиллерийский огонь с высокой точностью в любое время суток в условиях песчаных бурь. Позже GPS оказался полезен в миротворческой операции в Сомали в 1993 году, в высадке американцев на Гаити в 1994 году и, наконец, в афганской и иракской кампаниях XXI века.

Читайте "Военное обозрение" в Яндекс Новостях

CtrlEnter
Если вы заметили ошибку в тексте, выделите текст с ошибкой и нажмите Ctrl+Enter
Читайте также

Комментарии 17

Информация

Уважаемый читатель, чтобы оставлять комментарии к публикации, необходимо зарегистрироваться.
Уже зарегистрированы? Войти
  1. Vard 3 июля 2018 05:22
    Знакомый рассказывал ... Стоят они на машине посередине поля... А навигатор утверждает что еще немного и они будут дома... Все ломается и только старая добрая карта не подведет..
    1. Waltasar (Павел) 3 июля 2018 07:07
      Цитата: Vard
      Все ломается и только старая добрая карта не подведет

      Точность и качество позиционирования очень сильно зависит от чипа. Есть современные телефоны, которые в помещении ловят замечательно, а есть которые на у лице в ясную погоду найтись не могут.
      1. Narak-zempo 3 июля 2018 08:30
        В аспирантуре два полевых сезона проходил с Nokia E52 в качестве навигатора. В поле вполне прилично работал, а в городской застройке отвратительно - теряет сигнал, врёт со скоростью.
        1. Zaurbek (Zaur) 3 июля 2018 09:06
          У Нокии серии Е (пользовался Е72) не полноценный ГПС...он без связи ни фига не ловит. Попал в Бельгию и там пока роуминг не включился он вообще не находил ничего....та же песня сейчас в Самсунге А серии. Это называется А-GPS навигация по вышкам сотовой связи.
          1. Narak-zempo 3 июля 2018 09:59
            Вполне настоящий GPS, работает в отрыве от базовых станций, отображает спутники, к которым привязывается (загвоздка в том, что в плотной застройке спутники видит плохо). Штатный софт давал только координаты, для навигации по карте установил ломаный SmartComGPS (работает с привязанными растровыми изображениями), залил сканы генштабовских километровок + спутниковые с Гугла.
            1. Zaurbek (Zaur) 3 июля 2018 10:47
              В общем, там карты можно всякие ставить, но без GSM сети эти именно аппараты не работают. Сейчас у меня Самсунг А5(2017) и он тоже не определяет координаты без GSM или WiFi сети...у самсунгов это зависит от модели, к примеру Галакси всех годов имеют нормальный чп и им сеть не нужна, а нокии все имею вот такой урезанный формат определения координат.
              1. Narak-zempo 3 июля 2018 10:51
                Я 2 года с ним проходил, преимущественно там, где связи нет. Он привязывается именно к спутникам GPS, при этом отображает, сколько видит в данный момент и каков уровень сигнала от каждого.
              2. Narak-zempo 3 июля 2018 11:04
                Сейчас проверил, в настройках A-GPS отключен, как и определение по Wi-Fi сетям, работает только встроенный чип GPS.
                1. Zaurbek (Zaur) 3 июля 2018 11:18
                  А у меня Е71 не работал...пока роуминг не включили...и А5 тоже. А Галакси2 работал где угодно. У вас при включении навигации показывает, сколько он спутников нашел? Если да, то там полноценный чип, если нет, то только A-GPS
                  1. Narak-zempo 3 июля 2018 11:20
                    Сейчас включил вообще без симки, в квартире. Минут 5 подумал, но выдал привязку к 5 спутникам при видимых 8.
                    1. Zaurbek (Zaur) 3 июля 2018 11:26
                      Значит полноценный чип с GPS, а A-GPS вспомогательный, когда сигнал теряется.
                      1. Narak-zempo 3 июля 2018 11:43
                        Надо попробовать в городе, а то как отключил в 2012, так и забыл про него. Хотя теперь не до полей, а дорогу от дома до метро и от метро до работы и так знаю :(
    2. BAI 3 июля 2018 10:07
      В Швейцарии был суд несколько лет назад - дамочка по навигатору умудрилась заехать в озеро.
      BAI
    3. NordOst16 (Владислав) 4 июля 2018 01:32
      Только найти бы ориентиры на местности и правильно определить своё местоположение на карте)))
  2. kig 3 июля 2018 14:39
    В 1983 году пришлось мне участвовать в приемке первого отечественного лихтеровоза по имени "Алексей Косыгин". На мостике, среди прочей аппаратуры, имелся приемоиндикатор системы Транзит, который назывался Бирюса-СН. Сделали его в киевском институте Квант. Самым распространенным индикатором, по крайне мере в нашем флоте, в то время был аппарат фирмы Магнавокс-не-помню-какой-номер. Когда я увидел эту Бирюсу, то она мне сразу показалась какой-то подозрительно знакомой. Информация выводилась на экран в таком же формате, таким же шрифтом, только буковки были желтого цвета в отличие красно-рубиновых у Магнавокса. Приемник был красиво встроен в навигационный пульт, только экран чуть-чуть выступал, и вдруг квантовцы по какой-то причине привезли из института еще один приемник и просто поставили на стол рядом с нашим. Наверное, хотели сверить показания. Когда его включили, я без всякого удивления увидел в правом верхнем углу мерцающую надпись Magnavox. То был приемник с серийным номером 000001, а наш был 0000002 и провокационная подпись там уже была удалена. Кстати сказать, шутка насчет самых больших микрокалькуляторов в этом случае не работала, Бирюса была лишь чуть больше габаритами и чуть тяжелее забугорного собрата, да и то потому что дисплей был чуть покрупнее.
    kig
    1. Avis-bis (Сергей) 3 июля 2018 18:56
      Вообще то, с 1970-ых в СССР применялась связка "Цикада"-"Шхуна".
      1. kig 4 июля 2018 01:37
        Теоретически да, была, а практически на торговых судах ее было не видно. В Дальневосточном пароходстве в те времена было более 200 судов, а появилась Шхуна только на ледоколах в 80-х.
        kig
Картина дня