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.
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.
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.
Информация