Транзит (спутник) - Википедия - Transit (satellite)

Эта статья про спутник связи. Информацию о перевозчиках Sea – Tac см. Спутниковая транзитная система.
Транзит
GRAB 1 и Transit 2A (подготовка к запуску) .png
Транзит 2А с Захват 1 наверху во время подготовки к запуску
Страна / страны происхожденияСоединенные Штаты
СтатусНа пенсии (1996)
Размер созвездия
Первый запуск1959
Последний запуск1988

В Транзит система, также известная как НАВСАТ или NNSS (для Навигационная спутниковая система ВМФ), был первым система спутниковой навигации для оперативного использования. Система в основном использовалась ВМС США для предоставления точной информации о местоположении своим Полярная звезда подводные лодки с баллистическими ракетами, и он также использовался в качестве навигационной системы ВМФ надводные корабли, а также для гидрографическая съемка и геодезические изыскания. С 1964 года компания Transit обеспечивала непрерывное спутниковое навигационное обслуживание, сначала для подводных лодок Polaris, а затем и для гражданского использования.

История

Оперативный транзитный спутник

Спутниковая система Transit, спонсируемая ВМФ и разработанная совместно DARPA и Джона Хопкинса Лаборатория прикладной физики под руководством доктора Ричарда Кершнера из Джона Хопкинса была первая спутниковая система определения местоположения.[1][2][3] Всего через несколько дней после Советский запуск Спутник 1 4 октября 1957 года, первого искусственно созданного спутника на околоземной орбите, два физика из APL, Уильям Гуйер и Джордж Вайффенбах, обсуждали радиосигналы, которые, вероятно, будут исходить от спутника. Они смогли определить орбиту спутника, проанализировав Доплеровский сдвиг его радиосигналов за один проходят.[4] Обсуждая дальнейшие направления своих исследований, их директор Фрэнк МакКлюр, председатель исследовательского центра APL, предположил в марте 1958 года, что если положение спутника было известно и предсказуемо, доплеровский сдвиг можно было бы использовать для определения местоположения приемника на Земле, и предложил спутниковая система для реализации этого принципа.[5]

Разработка системы Transit началась в 1958 году, и прототип спутника, Транзит 1А, спущен на воду в сентябре 1959 года.[6] Спутник не смог выйти на орбиту.[7] Второй спутник, Транзит 1Б, был успешно спущен на воду 13 апреля 1960 г. Тор-Ablestar ракета.[8] Первые успешные испытания системы были проведены в 1960 году, а система поступила на военно-морскую службу в 1964 году.

The Chance Vought / LTV Разведчик Ракета была выбрана в качестве специальной ракеты-носителя для программы, потому что она доставляла полезную нагрузку на орбиту по самой низкой цене за фунт. Однако решение Scout наложило два конструктивных ограничения. Во-первых, вес более ранних спутников составлял около 300 фунтов (140 кг) каждый, но мощность запуска Scout на транзитную орбиту составляла около 120 фунтов (54 кг), но позже она была значительно увеличена. Необходимо было добиться уменьшения массы спутника, несмотря на потребность в большей мощности, чем ранее разработала APL для спутника. Вторая проблема касалась повышенной вибрации, которая сказывалась на полезной нагрузке во время запуска, потому что «Скаут» использовал твердотопливные ракетные двигатели. Таким образом, необходимо было произвести электронное оборудование, которое было меньше, чем раньше, и достаточно прочным, чтобы выдерживать повышенную вибрацию при запуске. Удовлетворение новых требований оказалось труднее, чем ожидалось, но это удалось. Первый прототип действующего спутника (Transit 5A-1) был запущен на полярную орбиту ракетой Scout 18 декабря 1962 г. Спутник проверил новую технику развертывания солнечных панелей и отделения от ракеты, но в остальном это не увенчалось успехом. из-за проблем с энергосистемой. Транзит 5А-2, запущенный 5 апреля 1963 года, не вышел на орбиту. Транзит 5А-3 с модернизированным источником питания был запущен 15 июня 1963 года. Во время полета с двигателем произошел сбой в памяти, который не позволил ей принять и сохранить навигационное сообщение, и во время запуска ухудшилась стабильность генератора. Таким образом, 5А-3 нельзя было использовать для навигации. Однако этот спутник первым достиг гравитационно-градиентная стабилизация, и другие его подсистемы работали хорошо.[9]

Сюрвейеры использовали Transit для обнаружения удаленных ориентиры усредняя десятки исправлений Transit, обеспечивая точность менее метра[нужна цитата ]. На самом деле высота гора Эверест был исправлен в конце 1980-х с использованием транзитного приемника для повторного обследования близлежащего эталона.[нужна цитата ].

Тысячи военных кораблей, грузовых судов и частных плавсредств использовали Transit с 1967 по 1991 год. В 1970-х годах Советский Союз начал запуск собственной системы спутниковой навигации Парус (военный) / Цикада (гражданский), который все еще используется сегодня, помимо следующего поколения ГЛОНАСС.[10] Некоторые советские боевые корабли были оснащены Motorola Приемники NavSat.[нужна цитата ]

Система Transit устарела из-за спутниковая система навигации (GPS) и прекратил навигацию в 1996 году. Усовершенствования в электронике позволили приемникам GPS эффективно принимать несколько исправлений одновременно, что значительно снизило сложность определения местоположения. GPS использует намного больше спутников, чем использовалось с Transit, что позволяет использовать систему постоянно, в то время как Transit обеспечивает исправление только каждый час или чаще.

После 1996 г. спутники продолжали использоваться в системе мониторинга ионосферы ВМФ (NIMS).[11]

Описание

Точность навигационных систем.svg

Спутники

Спутники (известные как ОСКАР или НОВАЯ ЗВЕЗДА спутники), используемые в системе, были размещены в нижнем полярные орбиты, на высоте около 600 морских миль (690 миль; 1100 км) с периодом обращения около 106 минут. А созвездие для обеспечения приемлемого глобального покрытия требовалось пять спутников. Пока система работала, по крайней мере десять спутников - по одному запасному на каждый спутник в основной группировке - обычно находились на орбите. Обратите внимание, что эти ОСКАР спутники были не такими, как ОСКАР серия спутников, предназначенных для использования любительское радио операторы для использования в спутниковая связь.

Прототип спутника Transit-1

Орбиты спутников Transit были выбраны таким образом, чтобы покрывать всю Землю; они пересекли полюса и рассредоточились по экватору. Поскольку в любой момент времени обычно был виден только один спутник, фиксацию можно было произвести только тогда, когда один из спутников находился над горизонтом. На экваторе задержка между исправлениями составляла несколько часов; в средних широтах задержка уменьшилась до часа-двух. Для его предполагаемой роли в качестве системы обновления для запуска БРПЛ Transit было достаточно, поскольку подводные лодки периодически исправляли свои ошибки. инерциальная система наведения, но Transit не имел возможности обеспечивать высокоскоростные измерения местоположения в реальном времени.

С более поздними улучшениями система обеспечивала точность за один проход примерно 200 метров (660 футов), а также обеспечивала синхронизация времени примерно до 50 микросекунд. Транзитные спутники также передают зашифрованные сообщения, хотя это второстепенная функция.[нужна цитата ]

Спутники Transit использовали массивы магнитная память как массовое хранилище данных до 32 килобайт.[12]

Определение местоположения на земле

Основной принцип работы Transit аналогичен системе, используемой передатчики аварийного локатора, за исключением того, что в последнем случае передатчик находится на земле, а приемник - на орбите.

Каждый спутник системы Transit транслирует два несущих сигнала УВЧ, обеспечивающих точное время (каждые две минуты), плюс шесть спутниковых сигналов. орбитальные элементы и орбита возмущение переменные. Орбита эфемериды поправки часов загружались дважды в день на каждый спутник с одной из четырех станций слежения и ввода данных ВМФ. Эта широковещательная информация позволила наземному приемнику вычислить местоположение спутника в любой момент времени. Использование двух несущих частот позволило наземным приемникам уменьшить ошибки навигации, вызванные ионосферной рефракцией. Система Transit также предоставила первую в мире службу хронометража, позволяющую синхронизировать часы повсюду с точностью до 50 микросекунд.

Спутник Transit вещает на частотах 150 и 400 МГц. Две частоты использовались для того, чтобы компенсировать преломление спутниковых радиосигналов ионосферой, тем самым повышая точность определения местоположения.

Важнейшей информацией, которая позволяла приемнику вычислить местоположение, была уникальная частотная кривая, вызванная Эффект Допплера. Эффект Доплера вызвал явное сжатие длины волны несущей при приближении спутника к приемнику и растяжение длин волн при удалении спутника. Космический корабль двигался со скоростью около 17000 миль в час, что могло увеличивать или уменьшать частоту принимаемого несущего сигнала на целых 10 кГц. Эта доплеровская кривая была уникальной для каждого местоположения в пределах прямой видимости спутника. Например, вращение Земли заставляло наземный приемник двигаться к орбите спутника или от нее, создавая несимметричный доплеровский сдвиг для приближения и спада, позволяя приемнику определять, находится ли он к востоку или к западу от севера-юга спутника. наземный путь.

Расчет наиболее вероятного местоположения приемника не был тривиальным занятием. Программа навигации использовала движение спутника для вычисления «пробной» доплеровской кривой на основе начального «пробного» местоположения приемника. Затем программа выполнит наименьших квадратов аппроксимация кривой для каждого двухминутного участка доплеровской кривой, рекурсивно перемещая пробное положение до тех пор, пока пробная доплеровская кривая "не будет наиболее близко" совпадать с фактической доплеровской кривой, полученной со спутника для всех двухминутных участков кривой.

Если бы приемник также перемещался относительно земли, например, на борту корабля или самолета, это могло бы вызвать несоответствие с идеализированными кривыми Доплера и ухудшить точность определения местоположения. Однако точность определения местоположения для медленно движущегося корабля обычно может быть вычислена с точностью до 100 метров даже при приеме всего одной двухминутной кривой Доплера. Это был критерий навигации, который требовал ВМС США, поскольку американские подводные лодки обычно выставляли свою УВЧ-антенну всего на 2 минуты, чтобы получить пригодную для использования точку перехода. Американская подводная версия системы Transit также включала в себя специальную зашифрованную, более точную версию орбитальных данных загруженного спутника.[нужна цитата ] Эти расширенные данные позволили значительно повысить точность системы [в отличие от Выборочная доступность (SA) под GPS]. В этом расширенном режиме точность обычно составляла менее 20 метров, то есть точность была между ЛОРАН С и GPS. Безусловно, Transit была самой точной навигационной системой своего времени.

Определение орбиты спутников

Сеть наземных станций, местоположение которых было точно известно, постоянно отслеживала спутники Transit. Они измерили доплеровский сдвиг и перенесли данные на бумажную ленту с 5 отверстиями. Эти данные были отправлены в Центр управления спутниками в Лаборатории прикладной физики в Лорел, штат Мэриленд, с использованием коммерческих и военных сетей телетайпа. Данные фиксированных наземных станций предоставили информацию о местоположении на орбите спутника Transit. Размещение транзитного спутника на околоземной орбите от известной наземной станции с использованием доплеровского сдвига - это просто обратное использование известного местоположения спутника на орбите для определения неизвестного местоположения на Земле, опять же с использованием доплеровского сдвига.

Типичная наземная станция занимала небольшой Quonset Hut. Точность измерений наземной станции зависела от точности главных часов наземной станции. Первоначально кварцевый генератор в терморегулируемом печь использовались как главные часы. Ведущие часы ежедневно проверялись на дрейф с помощью ОНЧ-приемника, настроенного на ОНЧ-станцию ​​ВМС США. ОНЧ-сигнал обладал тем свойством, что фаза ОНЧ-сигнала не изменялась день ото дня в полдень на пути между передатчиком и приемником, и поэтому его можно было использовать для измерения дрейфа генератора. Позже рубидий и цезиевый пучок часы использовались. Наземные станции имели номерные названия; например, станция 019 была станцией Мак-Мердо в Антарктиде. В течение многих лет в течение 1970-х на этой станции работали аспирант и студент, обычно специализирующийся на электротехнике, из Техасского университета в Остине. Другие станции были расположены в Государственном университете Нью-Мексико, Техасском университете в Остине, Сицилия, Япония, Сейшельские острова, Туле Гренландия и ряде других мест. Станции Гренландии и Антарктиды видели каждый проход каждого транзитного спутника из-за их близкого к полюсу местоположения для этих спутников на полярной орбите.

Вестибюль и хижина Quonset. Транзитная спутниковая станция слежения 019. 1. Спутниковый магнитометр Triad с антенной. 2. Флагшток, 3. Штанга на заднем плане, 4 световой сигнализатор температуры, 5 УНЧ-антенна, 6–9 доплеровских спутниковых антенн слежения, 10. Печная труба для обогревателя, 11 Прожектор для условий плохой видимости, 12 топливный бак.
Некоторое оборудование внутри транзитной спутниковой станции слежения 019. 1. Блок автоматического управления, 2. Таймер-счетчик, 3. Детектор временных интервалов, 4. График преобразования времени, 5. Спутниковые эфемериды, 6. Приемник слежения, 7. Отображение времени, 8 программатор Header-Tailer, 9. дигитайзер и основные часы, 10. задающий генератор, 11. самописец с ленточной диаграммой, 12. перфорация для бумажной ленты, 13. приемник коротких волн. Вне поля зрения: СНЧ-приемник, блок коррекции рефракции, система резервных батарей, источники питания, регуляторы переменного напряжения.

Портативный Geoceiver

Портативная версия наземной станции называлась Geoceiver и использовалась для полевых измерений. Этот приемник, источник питания, перфолента и антенны могли поместиться в нескольких мягких алюминиевых ящиках и могли быть отправлены авиакомпанией в качестве дополнительного груза. Данные собирались в течение определенного периода времени, обычно за неделю, и отправлялись обратно в Центр управления спутниками для обработки. Следовательно, в отличие от GPS, не было немедленного точного определения местоположения Geoceiver. Geoceiver постоянно находился на Южнополярной станции и эксплуатировался персоналом Геологической службы США. Поскольку он находился на поверхности движущегося ледяного покрова, его данные использовались для измерения движения ледяного покрова. Другие гео-датчики были сняты в полевых условиях в Антарктиде летом и использовались для измерения местоположения, например, движения Шельфовый ледник Росс.

Компьютер AN / UYK-1 (TRW-130)

Орбиты пяти транзитных спутников (текст на немецком языке).

Поскольку в 1958 г. не существовало компьютера, достаточно маленького, чтобы поместиться в люк подводной лодки, был разработан новый компьютер, названный AN / UYK-1 (TRW-130).[13] Он был построен с закругленными углами, чтобы проходить через люк, и был около пяти футов высотой и герметизирован, чтобы быть водонепроницаемым. Главным инженером-конструктором был тогдашний преподаватель Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе Лоуэлл Амдал, брат Джин Амдал. Ан / УЙК-1 был построен Ramo-Wooldridge Corporation[14] (позже TRW) для Лафайет класс ПЛАРБ. Он был оснащен 8192 словами 15-битного основная память плюс бит четности, заправленные вручную на их фабрике в Канога-парке. Время цикла было около одного микросекунда. AN / UYK-1 весил около 550 фунтов (250 кг).[15]

AN / UYK-1 был микропрограммированный машина с длиной слова 15 бит, в которой отсутствовали аппаратные команды для вычитания, умножения или деления, но могла складывать, сдвигать, формировать дополнение, и проверьте бит переноса. Инструкции для выполнения стандартных операций с фиксированной и плавающей запятой представляли собой программные подпрограммы, а программы - списки ссылок и операторов для этих подпрограмм. Например, подпрограмма «вычитание» должна была сформировать дополнение до единиц вычитаемого и сложить его. Умножение требовало последовательного сдвига и условного сложения.

В наборе команд AN / UYK-1 у команд машинного языка было два оператора, которые могли одновременно манипулировать арифметическими регистрами - например, дополнять содержимое одного регистра при загрузке или сохранении другого. Возможно, это был первый компьютер, реализовавший возможность косвенной адресации за один цикл.

Во время прохождения спутника приемник GE будет получать параметры орбиты и зашифрованные сообщения со спутника, а также измерять частоту с доплеровским смещением через определенные промежутки времени и передавать эти данные в компьютер AN / UYK-1. Компьютер также получит от судовой инерциальной навигационной системы (БИНС) данные о широте и долготе. Используя эту информацию, AN / UYK-1 провел наименьших квадратов алгоритм и обеспечил чтение местоположения примерно за пятнадцать минут.

Другие спутники

В серии Transit был 41 спутник, которым был присвоен Транзит имя НАСА.[16]

Транзит 3Б продемонстрировали загрузку программ в память бортового компьютера на орбите.

Transit 4A, запущенный 29 июня 1961 года, был первым спутником, который использовал радиоактивный источник энергии (РИТЭГ) (а SNAP-3 ).[17] Транзит 4Б (1961 г.) также имел РИТЭГ SNAP-3. Transit 4B был среди нескольких спутников, которые были случайно повреждены или уничтожены в результате ядерного взрыва, в частности, США. Морская звезда Прайм ядерное испытание на большой высоте 9 июля 1962 г. и последующие радиационный пояс.[18]

Транзит 5А3 и Транзит 5В-1 (1963 г.) каждый имел SNAP-3 РИТЭГ.[19][20]

Транзит 5Б-2 (1963 г.) имел SNAP-9A РИТЭГ.[21]

Транзит-9 и 5Б4 (1964 г.) и Транзит-5Б7 и 5Б6 (1965 г.) имели «ядерный источник энергии».

В ВВС США также периодически запускаемые короткоживущие спутники, оснащенные радиомаяками 162 МГц и 324 МГц, на гораздо более низких орбитах для изучения орбитальное сопротивление.[нужна цитата ] Наземные станции слежения Transit также отслеживали эти спутники, определяя их местонахождение на их орбитах, используя те же принципы. Данные о местоположении спутника использовались для сбора данных о сопротивлении орбиты, включая изменения в верхних слоях атмосферы и гравитационного поля Земли.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Хелен Э. Уорт и Мэйм Уоррен (2009). Переход в завтра. 50 лет космических исследований в лаборатории прикладной физики Университета Джона Хопкинса (PDF).
  2. ^ Екатерина Александрова (апрель 2008 г.). «История GPS». Архивировано из оригинал на 29.06.2011.
  3. ^ DARPA: 50 лет преодоления разрыва. Апрель 2008. Архивировано с оригинал на 2011-05-06.
  4. ^ Guier & Weiffenbach (1998). «Генезис спутниковой навигации» (PDF).
  5. ^ Наследие транзита: введение приглашенного редактора Винсента Л. Писакана, Johns Hopkins APL Technical Digest, Vol 19, Number 1, 1998 (PDF).
  6. ^ «Навигационная спутниковая система ВМФ». APL.
  7. ^ «Транзит 1A - NSSDC ID: TRAN1». Координированный архив данных космической науки НАСА.
  8. ^ «Транзит 1B - NSSDC ID: 1960-003B». Координированный архив данных космической науки НАСА.
  9. ^ "Обзор развития транзита, Роберт Дж. Данчик. Технический дайджест APL Johns Hopkins, том 19, номер 1 (1998), страницы 18–26" (PDF).
  10. ^ Энциклопедия Astronautica: Цикада В архиве 2013-05-22 в Wayback Machine
  11. ^ "Компьютеризированная ионосферная томография, Арнольд Дж. Такер. Johns Hopkins APL Technical Digest, Volume 19, Number 1 (1998), pages 66–71" (PDF).
  12. ^ Рональд К. Бурек."Твердотельные регистраторы данных NEAR".1998.
  13. ^ «Документы TRW-130». bitsavers.org.
  14. ^ Справочное руководство по машине АН / УЙК-1 в Bitsavers
  15. ^ Вейк, Мартин Х. (январь 1964 г.). «TRW 230 130 AN / UYK 1». ed-thelen.org. Четвертый обзор отечественных электронных цифровых вычислительных систем.
  16. ^ "Транзит - навигационная спутниковая система ВМС США (NNSS)". Каталог eoPortal. Получено 23 августа, 2019.
  17. ^ Дэвид, Леонард «50 лет космическим кораблям с ядерными двигателями: все началось со спутникового транзита 4A» (29 июня 2011 г.), Space.com, Space Insider Column Проверено 30 июля 2011 г.
  18. ^ «Транзит 4B - NSSDC ID: 1961-031A». Координированный архив данных космической науки НАСА.
  19. ^ «Транзит-5А3». Координированный архив данных космической науки НАСА.
  20. ^ «Транзит-5Б1». Координированный архив данных космической науки НАСА.
  21. ^ «Транзит-5Б2». Координированный архив данных космической науки НАСА.

внешние ссылки