Transit

Transit — это американская программа космических аппаратов, предназначенная для обеспечения навигации с помощью спутниковой системы, разработанная в Военно-морской лаборатории США (Naval Research Laboratory) и эксплуатировавшаяся Военно-морскими силами США. Система Transit, также известная как NAVSAT (Navigation Satellite System), стала первой в мире действующей спутниковой навигационной системой, работавшей на основе эффекта Доплера. Она была развёрнута в 1960-х годах и использовалась для определения местоположения кораблей и подводных лодок ВМС США, а также для геодезических и научных целей, вплоть до её вывода из эксплуатации в 1996 году.

История

Предпосылки и разработка

Разработка системы Transit началась в 1958 году после запуска первого советского искусственного спутника Земли «Спутник-1» в 1957 году. Учёные из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL), Уильям Гайер и Джордж Вайфенбах, заметили, что радиосигналы от спутника можно использовать для точного определения его орбиты и, соответственно, местоположения наземного наблюдателя. Этот принцип, основанный на эффекте Доплера (изменении частоты сигнала при движении источника), лёг в основу будущей навигационной системы.

В 1958 году ВМС США поручили APL разработку спутниковой навигационной системы для обеспечения точного позиционирования подводных лодок с баллистическими ракетами «Поларис». Первый экспериментальный спутник Transit 1A был запущен 17 сентября 1959 года, но из-за сбоя ракеты-носителя «Тор-Эйбл» не вышел на орбиту. Успешный запуск состоялся 13 апреля 1960 года с помощью спутника Transit 1B. Первый действующий спутник серии Transit, Transit 2A, был запущен 22 июня 1960 года.

Этапы развёртывания

Первоначально система состояла из 4–6 спутников на полярных орбитах высотой около 1100 км. Спутники передавали сигналы на двух частотах (150 МГц и 400 МГц) для коррекции ионосферных ошибок. Первые спутники серии Transit (OSCAR — Operational Satellite System) были запущены в 1963–1964 годах. К 1968 году система была полностью развёрнута и включала до 10 спутников, что обеспечивало глобальное покрытие.

Система Transit была засекречена до 1967 года, когда ВМС США разрешили её коммерческое использование. В 1970-х годах она стала доступна для гражданских судов, геодезических и картографических работ. В 1980-х годах началась замена Transit на более совершенную систему GPS (Global Positioning System), разработанную Министерством обороны США. Последний спутник Transit был запущен в 1988 году, а система окончательно выведена из эксплуатации 31 декабря 1996 года.

Принцип работы

Эффект Доплера

Система Transit использовала метод доплеровского сдвига частоты. Спутник передавал непрерывный сигнал на фиксированной частоте (150 МГц). Приёмник на земле (на корабле, подводной лодке или наземной станции) измерял частоту принимаемого сигнала. Из-за движения спутника относительно приёмника частота изменялась: она была выше при приближении спутника и ниже при его удалении. По кривой изменения частоты (доплеровскому сдвигу) и известной орбите спутника можно было рассчитать положение приёмника с точностью до 100–200 метров.

Орбитальная группировка

Спутники Transit находились на круговых полярных орбитах высотой около 1100 км с наклонением около 90 градусов. Это обеспечивало покрытие всей поверхности Земли, включая полярные регионы. Период обращения каждого спутника составлял около 107 минут. Для непрерывной навигации требовалось, чтобы в любой точке Земли в поле зрения находился хотя бы один спутник. В среднем спутник Transit был виден над горизонтом в течение 10–15 минут, а интервал между прохождениями составлял от 30 минут до 2 часов в зависимости от широты.

Передача данных

Каждый спутник передавал два сигнала: на частоте 150 МГц (основной) и 400 МГц (вспомогательный). Использование двух частот позволяло компенсировать задержки сигнала в ионосфере, которые зависят от частоты. Сигнал содержал информацию о параметрах орбиты спутника (эфемериды) и точном времени. Данные передавались в цифровом виде с помощью фазовой модуляции.

Устройство спутников

Конструкция

Спутники Transit были относительно небольшими и простыми по конструкции. Ранние модели (Transit 1A, 1B) имели сферическую форму и массу около 60–70 кг. Поздние серии (OSCAR, NOVA) имели цилиндрическую форму с солнечными батареями на корпусе. Масса спутников серии NOVA (запускались с 1981 по 1988 год) достигала 170–200 кг.

Основные компоненты

• Корпус: алюминиевый сплав, покрытый солнечными элементами.
• Система электропитания: солнечные батареи и никель-кадмиевые аккумуляторы.
• Передатчики: два передатчика на частотах 150 МГц и 400 МГц мощностью около 1 Вт каждый.
• Антенны: штыревые антенны для передачи сигналов.
• Система ориентации: пассивная гравитационная стабилизация с помощью длинной штанги (до 10 метров) с грузом на конце для поддержания вертикального положения.
• Бортовая память: для хранения эфемерид и команд.
• Приёмник: для получения команд с Земли.

Применение

Военное применение

Основным назначением системы Transit было обеспечение навигации подводных лодок ВМС США, оснащённых баллистическими ракетами «Поларис». Для подводных лодок, которые большую часть времени находились под водой, Transit позволял точно определять местоположение перед запуском ракет. Также система использовалась для навигации надводных кораблей и авиации.

Гражданское применение

С 1967 года система Transit стала доступна для коммерческого использования. Она применялась:

• Морская навигация: для определения координат торговых и рыболовных судов.
• Геодезия: для точного определения координат геодезических пунктов, картографирования и измерения тектонических движений.
• Научные исследования: для изучения формы Земли, гравитационного поля и ионосферы.
• Спасательные операции: для поиска и спасения судов и людей в море.

Характеристики и точность

Точность позиционирования

Точность определения координат с помощью системы Transit составляла:

• Для военных пользователей: 100–200 метров (с использованием двухчастотного приёма).
• Для гражданских пользователей: 200–500 метров (с одночастотным приёмом).

Точность зависела от времени наблюдения, количества видимых спутников, состояния ионосферы и точности эфемерид.

Ограничения

• Дискретность: система не обеспечивала непрерывную навигацию — определение координат было возможно только при пролёте спутника над горизонтом (каждые 30–120 минут).
• Время расчёта: для получения координат требовалось 10–15 минут наблюдения за прохождением спутника.
• Зависимость от ионосферы: одночастотные приёмники имели значительные ошибки из-за ионосферных задержек.
• Непригодность для высокоскоростных объектов: для самолётов и ракет система была малопригодна из-за низкой частоты обновления.

Интересные факты

• Система Transit стала первой спутниковой навигационной системой в мире, предшествовавшей GPS, ГЛОНАСС и Galileo.
• Первый экспериментальный спутник Transit 1A был запущен 17 сентября 1959 года, но из-за неисправности ракеты-носителя не вышел на орбиту.
• Система Transit использовалась для навигации во время войны во Вьетнаме (1965–1973) для обеспечения точного позиционирования кораблей ВМС США.
• В 1970-х годах система Transit была использована для создания первой глобальной геодезической сети (World Geodetic System 1972, WGS 72).
• Последний спутник Transit был запущен 25 августа 1988 года (спутник NOVA 3) и проработал до 1996 года.
• В 1996 году система Transit была официально выведена из эксплуатации, а её функции полностью перешли к системе GPS.

Критика и недостатки

Система Transit подвергалась критике за низкую точность и дискретность. Для военных нужд точность 100–200 метров была достаточной для подводных лодок, но для тактических операций требовалась более высокая точность. Гражданские пользователи жаловались на длительное время ожидания (до 2 часов) между определениями координат, что делало систему непригодной для оперативной навигации. Кроме того, система была уязвима для помех и не обеспечивала работу в условиях плохой видимости спутников (например, в горах или вблизи зданий). Развитие системы GPS, которая обеспечивала непрерывную и более точную навигацию, привело к постепенному выводу Transit из эксплуатации.

Источники

• Guier, W. H., & Weiffenbach, G. C. (1960). "The Doppler Effect and the Navigation Satellite". Johns Hopkins APL Technical Digest.
• Parkinson, B. W., & Spilker, J. J. (1996). "Global Positioning System: Theory and Applications". American Institute of Aeronautics and Astronautics.
• "Transit: The First Satellite Navigation System". Naval Research Laboratory, 1996.
• "The Navy Navigation Satellite System (Transit)". Johns Hopkins APL Technical Digest, 1995.
• "Satellite Navigation: From Transit to GPS". IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 1998.