Tránsito (satélite)
El sistema Transit, también conocido como NAVSAT o NNSS (por Navy Navigation Satellite System), fue el primer sistema de navegación por satélite que se utilizará operativamente. El sistema de radionavegación fue utilizado principalmente por la Marina de los EE. UU. para proporcionar información de ubicación precisa a sus submarinos de misiles balísticos Polaris, y también fue utilizado como sistema de navegación por los barcos de superficie de la Marina, así como para estudios hidrográficos y geodésicos. agrimensura Transit proporcionó un servicio continuo de navegación por satélite desde 1964, inicialmente para submarinos Polaris y luego también para uso civil. En el Programa del Proyecto DAMP, el barco de seguimiento de misiles USAS American Mariner también utilizó datos del satélite para obtener información precisa sobre la ubicación del barco antes de posicionar sus radares de seguimiento.
Historia
El sistema satelital Transit, patrocinado por la Marina y desarrollado conjuntamente por DARPA y el Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins, bajo la dirección del Dr. Richard Kershner en Johns Hopkins, fue el primer sistema de geoposicionamiento basado en satélites. Apenas unos días después del lanzamiento soviético del Sputnik 1, el primer satélite en órbita terrestre hecho por el hombre el 4 de octubre de 1957, dos físicos de APL, William Guier y George Weiffenbach, se encontraron discutiendo sobre las señales de radio que probablemente emanarían de el satélite Pudieron determinar la órbita del Sputnik analizando el desplazamiento Doppler de sus señales de radio durante un solo paso. Discutiendo el camino a seguir para su investigación, su director Frank McClure, presidente del Centro de Investigación de APL, sugirió en marzo de 1958 que si la posición del satélite fuera conocida y predecible, el cambio Doppler podría usarse para localizar un receptor en la Tierra, y propuso un sistema satelital para implementar este principio.
El desarrollo del sistema Transit comenzó en 1958 y un satélite prototipo, Transit 1A, se lanzó en septiembre de 1959. Ese satélite no logró alcanzar la órbita. Un segundo satélite, Transit 1B, fue lanzado con éxito el 13 de abril de 1960 por un cohete Thor-Ablestar. Las primeras pruebas exitosas del sistema se realizaron en 1960 y el sistema entró en servicio naval en 1964.
Se seleccionó el cohete Chance Vought/LTV Scout como el vehículo de lanzamiento dedicado para el programa porque entregó una carga útil en órbita al costo más bajo por libra. Sin embargo, la decisión de Scout impuso dos restricciones de diseño. En primer lugar, el peso de los satélites anteriores era de unas 300 libras (140 kg) cada uno, pero la capacidad de lanzamiento del Scout a la órbita de tránsito era de unas 120 libras (54 kg), pero esto se incrementó significativamente más tarde. Se debía lograr una reducción de la masa del satélite, a pesar de la demanda de más potencia de la que APL había diseñado previamente en un satélite. El segundo problema se refería al aumento de la vibración que afectaba a la carga útil durante el lanzamiento porque el Scout utilizaba motores de cohetes sólidos. Por lo tanto, se tuvo que producir un equipo electrónico que fuera más pequeño que antes y lo suficientemente resistente para soportar la mayor vibración del lanzamiento. Satisfacer las nuevas demandas fue más difícil de lo esperado, pero se logró. El primer satélite operativo prototipo (Transit 5A-1) fue lanzado a una órbita polar por un cohete Scout el 18 de diciembre de 1962. El satélite verificó una nueva técnica para desplegar los paneles solares y para separarse del cohete, pero por lo demás no tuvo éxito debido a problemas con el sistema de energía. Transit 5A-2, lanzado el 5 de abril de 1963, no logró alcanzar la órbita. Transit 5A-3, con una fuente de alimentación rediseñada, se lanzó el 15 de junio de 1963. Se produjo un mal funcionamiento de la memoria durante el vuelo motorizado que impidió que aceptara y almacenara el mensaje de navegación, y la estabilidad del oscilador se degradó durante el lanzamiento. Por lo tanto, 5A-3 no podría utilizarse para la navegación. Sin embargo, este satélite fue el primero en lograr la estabilización del gradiente de gravedad y sus otros subsistemas funcionaron bien.
Los topógrafos utilizaron Transit para ubicar puntos de referencia remotos promediando docenas de arreglos de Transit, lo que produjo una precisión inferior al metro. De hecho, la elevación del monte Everest se corrigió a fines de la década de 1980 mediante el uso de un receptor Transit para volver a medir un punto de referencia cercano.
Miles de buques de guerra, cargueros y embarcaciones privadas utilizaron Transit desde 1967 hasta 1991. En la década de 1970, la Unión Soviética comenzó a lanzar su propio sistema de navegación por satélite Parus (militar) / Tsikada (civil), que todavía se utiliza en la actualidad además del GLONASS de próxima generación. Algunos buques de guerra soviéticos estaban equipados con receptores Motorola NavSat.
El sistema de tránsito quedó obsoleto debido al sistema de posicionamiento global (GPS) y dejó de funcionar en 1996. Las mejoras en la electrónica permitieron que los receptores de GPS tomaran varias posiciones a la vez, lo que redujo en gran medida la complejidad de deducir una posición. El GPS usa muchos más satélites que los que se usaban con Transit, lo que permite que el sistema se use continuamente, mientras que Transit proporcionó una solución solo cada hora o más.
Después de 1996, los satélites se mantuvieron en uso para el Sistema de Monitoreo Ionosférico de la Marina (NIMS).
Descripción
Satélites
Los satélites (conocidos como satélites OSCAR o NOVA) utilizados en el sistema se colocaron en regiones polares bajas. orbita, a una altitud de unas 600 millas náuticas (690 mi; 1100 km), con un período orbital de unos 106 minutos. Se requería una constelación de cinco satélites para proporcionar una cobertura global razonable. Mientras el sistema estuvo operativo, al menos diez satélites, uno de repuesto para cada satélite en la constelación básica, generalmente se mantuvieron en órbita. Tenga en cuenta que estos satélites OSCAR no eran los mismos que la serie de satélites OSCAR que se dedicaron a los operadores de radioaficionados para usar en comunicaciones por satélite.
Las órbitas de los satélites Transit se eligieron para cubrir toda la Tierra; cruzaron los polos y se extendieron en el ecuador. Dado que generalmente solo un satélite era visible en un momento dado, las correcciones solo se podían hacer cuando uno de los satélites estaba sobre el horizonte. En el ecuador, este retraso entre arreglos fue de varias horas; en latitudes medias, el retraso se reducía a una o dos horas. Para su función prevista como un sistema de actualización para el lanzamiento de SLBM, Transit fue suficiente, ya que los submarinos tomaron correcciones periódicas para restablecer su sistema de guía inercial, pero Transit carecía de la capacidad de proporcionar mediciones de posición en tiempo real de alta velocidad.
Con mejoras posteriores, el sistema proporcionó una precisión de un solo paso de aproximadamente 200 metros (660 pies) y también proporcionó sincronización de tiempo de aproximadamente 50 microsegundos. Los satélites de tránsito también transmiten mensajes encriptados, aunque esta era una función secundaria.
Los satélites Transit utilizaron matrices de memoria de núcleo magnético como almacenamiento masivo de datos de hasta 32 kilobytes.
Determinación de la ubicación del terreno
La determinación de una ubicación, también conocida como "tomar una corrección", normalmente requiere que se tomen dos o más medidas para producir una ubicación 2D. En el caso del sistema GPS moderno, se pueden tomar docenas de tales mediciones dependiendo de qué satélites estén visibles en ese momento, cada uno de los cuales ayuda a mejorar la precisión. En el caso de Transit, solo un pequeño número de satélites estaban en órbita y estaban dispersos. Esto generalmente significaba que solo había un satélite visible en cualquier momento. Se necesitaba algún otro método para determinar una segunda medición.
Transit hizo esto midiendo el desplazamiento Doppler de la señal. La nave espacial viajó a aproximadamente 17 000 mph (27 000 km/h), lo que podría aumentar o disminuir la frecuencia de la señal portadora recibida hasta en 10 kHz, medida en tierra. Mientras el satélite se acerca a la estación terrestre, sus señales aumentarán de frecuencia y, a medida que se aleje, volverán a disminuir. El momento preciso en que la frecuencia es exactamente igual a la frecuencia de transmisión es cuando la trayectoria terrestre del satélite pasa por la ubicación terrestre (con algunas correcciones). Esto proporciona una de las dos medidas necesarias.
Para la segunda medida, se debe considerar el patrón del desplazamiento Doppler. Si el satélite pasa directamente por encima, su velocidad angular al pasar será mayor que si pasa a un lado. En el caso extremo, con un satélite cerca del horizonte, el cambio de velocidad relativa se minimiza. Así, la rapidez del cambio de frecuencia es una indicación de la longitud relativa entre la estación y el satélite. Además, la rotación de la Tierra proporcionó otra corrección Doppler que podría usarse para determinar si el satélite estaba al este o al oeste de la estación terrestre.
Estas medidas producen una ubicación relativa en comparación con el satélite. Para determinar la ubicación real, esa medida relativa se aplica a la ubicación del satélite. Esto se proporciona mediante el envío periódico de cortes de tiempo precisos (cada dos minutos), además de los seis elementos orbitales del satélite y las variables de perturbación de la órbita. El receptor terrestre descargó estas señales y calculó la ubicación del satélite mientras estaba midiendo los cambios. Las efemérides de la órbita y las correcciones del reloj se cargaron dos veces al día a cada satélite desde una de las cuatro estaciones de seguimiento e inyección de la Marina.
El satélite Transit transmite en 150 y 400 MHz. Las dos frecuencias se utilizaron para permitir que la ionosfera cancelara la refracción de las señales de radio del satélite, mejorando así la precisión de la ubicación. El sistema Transit también proporcionó el primer servicio mundial de cronometraje, lo que permitió sincronizar relojes en todas partes con una precisión de 50 microsegundos.
Calcular la ubicación más probable del receptor no fue un ejercicio trivial. El software de navegación utilizó el movimiento del satélite para calcular una 'prueba'. Curva Doppler, basada en un 'ensayo' inicial ubicación para el receptor. Luego, el software realizaría un ajuste de la curva de mínimos cuadrados para cada sección de dos minutos de la curva Doppler, moviendo recursivamente la posición de prueba hasta que la curva Doppler de prueba se 'más cerca'. coincidió con el Doppler real recibido del satélite para todos los segmentos de la curva de dos minutos.
Si el receptor también se moviera con respecto a la Tierra, como a bordo de un barco o un avión, esto provocaría discrepancias con las curvas Doppler idealizadas y degradaría la precisión de la posición. Sin embargo, la precisión posicional generalmente se puede calcular dentro de los 100 metros para un barco que se mueve lentamente, incluso con la recepción de solo una curva Doppler de dos minutos. Este era el criterio de navegación exigido por la Marina de los EE. UU., ya que los submarinos estadounidenses normalmente expondrían su antena UHF durante solo 2 minutos para obtener una solución de tránsito utilizable. La versión submarina de EE. UU. del sistema Transit también incluía una versión encriptada especial y más precisa de los datos orbitales del satélite descargados. Estos datos mejorados permitieron una precisión del sistema considerablemente mejorada [no muy diferente a la disponibilidad selectiva (SA) bajo GPS]. Con este modo mejorado, la precisión era típicamente inferior a 20 metros, es decir, la precisión estaba entre la de LORAN C y la del GPS. Ciertamente, Transit fue el sistema de navegación más preciso de su época.
El principio operativo básico de Transit es similar al sistema utilizado por los transmisores de localización de emergencia (ELT), excepto que en este último caso el transmisor está en tierra y el receptor está en órbita. Los ELT miden el desplazamiento Doppler del transmisor en el barco o avión cuando pasa por encima y envía esos datos al suelo donde se puede determinar la ubicación de la nave.
Determinación de las órbitas de los satélites
Una red de estaciones terrestres, cuyas ubicaciones se conocían con precisión, rastreaba continuamente los satélites Transit. Midieron el desplazamiento Doppler y transfirieron los datos a una cinta de papel de 5 orificios. Estos datos se enviaron al Centro de Control de Satélites del Laboratorio de Física Aplicada en Laurel, Maryland, utilizando redes de teleimpresoras comerciales y militares. Los datos de las estaciones terrestres fijas proporcionaron la información de ubicación en la órbita del satélite Transit. Ubicar un satélite de tránsito en órbita terrestre desde una estación terrestre conocida usando el cambio Doppler es simplemente lo contrario de usar la ubicación conocida del satélite en órbita para ubicar una ubicación desconocida en la tierra, nuevamente usando el cambio Doppler.
Una estación terrestre típica ocupaba una pequeña cabaña Quonset. La precisión de las mediciones de la estación terrestre fue una función de la precisión del reloj maestro de la estación terrestre. Inicialmente, se utilizó como reloj maestro un oscilador de cuarzo en un horno de temperatura controlada. El reloj maestro se verificó diariamente para determinar la deriva utilizando un receptor VLF sintonizado con una estación VLF de la Marina de los EE. UU. La señal VLF tenía la propiedad de que la fase de la señal VLF no cambiaba de un día a otro al mediodía a lo largo del camino entre el transmisor y el receptor y, por lo tanto, podía usarse para medir la deriva del oscilador. Más tarde se utilizaron relojes de haz de rubidio y cesio. Las estaciones terrestres tenían nombres numéricos; por ejemplo, la estación 019 era la estación McMurdo, en la Antártida. Durante muchos años, durante la década de 1970, esta estación estuvo a cargo de un estudiante graduado y un estudiante universitario, generalmente en ingeniería eléctrica, de la Universidad de Texas en Austin. Otras estaciones estaban ubicadas en la Universidad Estatal de Nuevo México, la Universidad de Texas en Austin, Sicilia, Japón, la isla de Seychelles, Thule Greenland y una serie de otros lugares. Las estaciones de Groenlandia y la Antártida vieron cada paso de cada satélite de tránsito debido a su ubicación cercana al polo para estos satélites de órbita polar.
Geoceptor portátil
Una versión portátil de la estación terrestre se llamó Geoceiver y se usó para realizar mediciones de campo. Este receptor, la fuente de alimentación, la unidad de cinta perforada y las antenas podrían caber en varias cajas de aluminio acolchadas y podrían enviarse como carga adicional en una aerolínea. Los datos se tomaron durante un período de tiempo, generalmente una semana, y se enviaron de vuelta al Centro de Control de Satélites para su procesamiento. Por lo tanto, a diferencia del GPS, no hubo una ubicación precisa inmediata de la ubicación del Georeceptor. Un georeceptor se ubicó permanentemente en la estación del Polo Sur y fue operado por personal del Servicio Geológico de los Estados Unidos. Dado que estaba ubicado en la superficie de una capa de hielo en movimiento, sus datos se utilizaron para medir el movimiento de la capa de hielo. Otros georeceptores se sacaron en el campo en la Antártida durante el verano y se usaron para medir ubicaciones, por ejemplo, el movimiento de la plataforma de hielo de Ross.
La computadora AN/UYK-1 (TRW-130)
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Dado que no existía ninguna computadora lo suficientemente pequeña como para pasar por la escotilla de un submarino (en 1958), se diseñó una nueva computadora, llamada AN/UYK-1 (TRW-130). Estaba construido con esquinas redondeadas para que pasara por la escotilla y tenía unos cinco pies de alto y estaba sellado para que fuera impermeable. El ingeniero de diseño principal era el entonces miembro de la facultad de UCLA Lowell Amdahl, hermano de Gene Amdahl. El AN/UYK-1 fue construido por Ramo-Wooldridge Corporation (más tarde TRW) para los SSBN de clase Lafayette. Estaba equipado con 8192 palabras de memoria central de 15 bits más bit de paridad, enhebrada a mano en su fábrica de Canoga Park. El tiempo de ciclo fue de aproximadamente un microsegundo. El AN/UYK-1 pesaba alrededor de 550 libras (250 kg).
La AN/UYK-1 era una máquina microprogramada con una longitud de palabra de 15 bits que carecía de comandos de hardware para restar, multiplicar o dividir, pero podía sumar, desplazar, formar unidades. complementar y probar el bit de acarreo. Las instrucciones para realizar operaciones estándar de punto fijo y flotante eran subrutinas de software y los programas eran listas de enlaces y operadores a esas subrutinas. Por ejemplo, la opción "restar" subrutina tenía que formar los unos' complemento del sustraendo y sumarlo. La multiplicación requería cambios sucesivos y sumas condicionales.
En el conjunto de instrucciones AN/UYK-1, las instrucciones en lenguaje de máquina tenían dos operadores que podían manipular simultáneamente los registros aritméticos, por ejemplo, complementar el contenido de un registro mientras se cargaba o almacenaba otro. Puede haber sido la primera computadora que implementó una capacidad de direccionamiento indirecto de un solo ciclo.
Durante el paso de un satélite, un receptor de GE recibiría los parámetros orbitales y los mensajes encriptados del satélite, además de medir la frecuencia con desplazamiento Doppler a intervalos y proporcionar estos datos a la computadora AN/UYK-1. La computadora también recibiría del sistema de navegación inercial (SINS) del barco una lectura de latitud y longitud. Con esta información, el AN/UYK-1 ejecutó un algoritmo de mínimos cuadrados y proporcionó una lectura de ubicación en unos quince minutos.
Otros satélites
Había 41 satélites en la serie Transit a los que la NASA les asignó el nombre Transit.
Transit 3B demostró cómo cargar programas en la memoria de la computadora de a bordo mientras está en órbita.
El Transit 4A, lanzado el 29 de junio de 1961, fue el primer satélite en utilizar una fuente de energía radiactiva (RTG) (un SNAP-3). Transit 4B (1961) también tenía un SNAP-3 RTG. Transit 4B fue uno de varios satélites que fueron dañados o destruidos inadvertidamente en una explosión nuclear, específicamente la prueba nuclear a gran altitud Starfish Prime de los Estados Unidos el 9 de julio de 1962 y el cinturón de radiación posterior.
La Transit 5A3 y la Transit 5B-1 (1963) tenían cada una una RTG SNAP-3.
La Transit 5B-2 (1963) tenía una RTG SNAP-9A.
En 1964, un cohete no logró poner en órbita el Transit 5BN-3 con un SNAP-9A RTG. Se 'quemó durante la reentrada y se extirpó en pequeñas partículas'. junto con su aproximadamente 1 kilogramo de plutonio-238.
Transit 5B-5 reanudó la comunicación después de un período prolongado de inactividad (un satélite zombi).
Transit-9 y 5B4 (1964) y Transit-5B7 y 5B6 (1965) tenían cada uno "una fuente de energía nuclear".
La Fuerza Aérea de EE. UU. también lanzó periódicamente satélites de corta duración equipados con balizas de radio de 162 MHz y 324 MHz en órbitas mucho más bajas para estudiar la resistencia orbital. Las estaciones de rastreo terrestre Transit también rastrearon estos satélites, ubicándolos dentro de sus órbitas utilizando los mismos principios. Los datos de ubicación del satélite se utilizaron para recopilar datos de arrastre orbital, incluidas las variaciones en la atmósfera superior y el campo gravitatorio de la Tierra.
Beacon Explorer-A y Beacon Explorer-B también llevaban transmisores compatibles con Transit.
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