Richard Kershner (vlevo) je jedním ze zakladatelů amerického Global Positioning System. Zdroj: gpsworld.com
USS George Washington je prvním uživatelem systému Transit. Zdroj: zonwar.ru
Operační dráhy souhvězdí Transit. Zdroj: gpsworld.com
Hlavním zákazníkem bylo americké námořnictvo, které potřebovalo přesné navigační nástroje pro nové ponorky vybavené střelami Polaris. Nutnost přesně určit polohu ponorek třídy George Washington byla zásadní pro tehdejší novinku – odpalování raket s jadernými hlavicemi odkudkoli ze světových oceánů.
Tranzitní přijímací zařízení pro ponorky. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Již v roce 1958 mohli Američané představit první experimentální vzorek družice Transit a 17. září 1959 byla vyslána do vesmíru. Byla vytvořena i pozemní infrastruktura - komplex spotřebního navigačního zařízení i pozemní sledovací stanice byly připraveny v době spuštění.
Inženýři Hopkins University sestavují a testují kosmickou loď Transit. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Američané pracovali na projektu satelitní navigace v režimu plného přídavného spalování: do roku 1959 zkonstruovali až pět typů družic Transit, které byly všechny později vypuštěny a otestovány. V provozním režimu začala americká navigace pracovat v prosinci 1963, tedy za necelých pět let bylo možné vytvořit funkční systém, který se na svou dobu vyznačoval dobrou přesností - střední kvadratická chyba (RMS) pro Stacionární objekt byl 60 m.
Satelitní Transit 5A model 1970. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Přijímač systému Transit nainstalovaný ve vozidle používaném geologem ze Smithsonské univerzity Tedem Maxwellem v egyptské poušti v roce 1987. Tahoun výzkumníka se ukázal být ...
... Sovětská "Niva"! Zdroj: gpsworld.com[/center]
Problematičtější bylo určení souřadnic ponorky pohybující se na hladině: pokud uděláte chybu s hodnotou rychlosti o 0,5 km/h, pak se SCP zvýší na 500 m. Proto bylo účelnější obrátit se na satelit pro pomoci ve stacionární poloze plavidla, což opět nebylo snadné. Tranzit na nízkou oběžnou dráhu (nadmořská výška 1100 km) přijalo americké námořnictvo v polovině 64. roku jako součást čtyř satelitů, později přineslo orbitální konstelaci sedmi zařízením a od 67. se navigace stala dostupnou pro pouhé smrtelníky. V současné době se ke studiu ionosféry používá satelitní konstelace Transit. Nevýhodou prvního družicového navigačního systému na světě byla nemožnost určit výšku polohy pozemního uživatele, značná doba trvání pozorování a přesnost určování polohy objektu, která se nakonec stala nedostatečnou. To vše vedlo k novým hledáním v americkém kosmickém průmyslu.
Kosmická loď Timation. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Druhým v pořadí byl satelitní navigační systém Timation z Naval Research Laboratory (NRL – Naval Research Laboratory), který vedl Roger Easton. V rámci projektu byly sestaveny dva satelity vybavené ultrapřesnými hodinami pro vysílání časových signálů k pozemním spotřebitelům a přesné určení jejich vlastní polohy.
Experimentální družice Timation NTS-3 vybavená rubidiovými hodinami. Zdroj: gpsworld.com
V Timation byl formulován základní princip fungování budoucích systémů GPS: na satelitu fungoval vysílač, který vysílal kódovaný signál, který fixoval pozemního účastníka a měřil zpoždění jeho průchodu. Zařízení znalo přesnou polohu satelitu na oběžné dráze, snadno k němu vypočítalo vzdálenost a na základě těchto údajů určilo jeho vlastní souřadnice (efemeridy). Samozřejmě to vyžaduje alespoň tři satelity, nejlépe čtyři. První Timations se do vesmíru dostaly v roce 1967 a zpočátku nesly quartzové hodinky, později ultrapřesné atomové - rubidium a cesium.
Letectvo Spojených států, nezávisle na námořnictvu, provozovalo svůj vlastní globální polohový systém nazvaný System 621B (Air Force 621B). Trojrozměrnost se stala důležitou inovací této techniky – nyní je možné určit zeměpisnou šířku, délku a dlouho očekávanou výšku objektu. Satelitní signály byly odděleny podle nového principu kódování založeného na pseudonáhodném šumu podobném signálu. Pseudonáhodný kód zvyšuje odolnost signálu proti šumu a řeší problém omezení přístupu. Civilní uživatelé navigačních zařízení mají přístup pouze k otevřeným kódům, které lze kdykoli upravit z pozemního řídícího střediska. V takovém případě selže veškeré „mírumilovné“ vybavení, které určí své vlastní souřadnice s výraznou chybou. Uzavřené vojenské kódy zůstanou nezměněny.
Testy začaly v roce 1972 na zkušebním místě v Novém Mexiku, s použitím balónových a leteckých vysílačů jako satelitních simulátorů. „Systém 612B“ vykazoval vynikající přesnost určování polohy několik metrů a právě v té době se zrodil koncept globálního navigačního systému na střední oběžné dráze se 16 satelity. V této verzi poskytoval shluk čtyř satelitů (takový počet je nutný pro přesnou navigaci) 24hodinové pokrytí celého kontinentu. Několik let byl „Systém 612B“ v hodnosti experimentu a Pentagon nijak zvlášť nezajímal. Ve stejnou dobu několik úřadů ve Spojených státech pracovalo na „žhavém“ navigačním tématu: Laboratoř aplikované fyziky pracovala na úpravě Transitu, námořnictvo „dokončovalo“ Timation a dokonce i pozemní síly nabídly své vlastní SECOR (Sequential Correlation of Range, sekvenční výpočet vzdáleností). To nemohlo dělat starosti ministerstvu obrany, které riskovalo, že se u každého typu vojsk setká s jedinečnými navigačními formáty. V určité chvíli jeden z amerických válečníků praštil rukou o stůl a zrodilo se GPS, které pohltilo vše nejlepší ze svých předchůdců. V polovině 70. let byl pod záštitou Ministerstva obrany USA vytvořen tripartitní společný výbor s názvem NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), který určoval důležité parametry budoucího systému – počet satelitů, jejich výšky, signálové kódy a modulační metody. Když jsme došli k číslu nákladů, rozhodli jsme se okamžitě vytvořit dvě možnosti – vojenské a komerční s předem danou chybou v přesnosti určování polohy. Letectvo hrálo v tomto programu vedoucí roli, protože jeho Air Force 621B byl nejpropracovanějším modelem budoucího navigačního systému, od kterého si GPS téměř beze změny vypůjčila svou technologii pseudonáhodného šumu. Systém synchronizace signálu byl převzat z projektu Timtation, ale oběžná dráha byla zvýšena na 20 tisíc kilometrů, což zajistilo 12hodinovou oběžnou dobu namísto 8hodinového předchůdce. Zkušená družice byla vypuštěna do vesmíru již v roce 1978 a jako obvykle byla předběžně připravena veškerá potřebná pozemní infrastruktura – vynalezeno bylo pouze sedm typů přijímacích zařízení. V roce 1995 byla GPS nasazena naplno - na oběžné dráze je neustále asi 30 družic, přestože k práci stačí 24. Pro družice je přiděleno šest orbitálních rovin se sklonem 550. V tuto chvíli geodetické aplikace GPS umožňují určit polohu spotřebitele s přesností menší než jeden milimetr! Od roku 1996 se objevují družice Block 2R vybavené autonomním navigačním systémem AutoNav, který umožňuje provoz zařízení na oběžné dráze při zničení pozemní řídící stanice po dobu nejméně 180 dnů.
Bojové použití GPS až do konce 80. let bylo epizodické a bezvýznamné: určování souřadnic minových polí v Perském zálivu a odstraňování nedokonalostí map během invaze do Panamy. Plnohodnotný křest ohněm se odehrál v Perském zálivu v letech 1990-1991 během „Pouštní bouře“. Vojáci byli schopni aktivně manévrovat v poušti, kde je obtížné najít přijatelné orientační body, a také provádět dělostřeleckou palbu s vysokou přesností kdykoli během dne v podmínkách písečné bouře. Později se GPS ukázalo jako užitečné při mírové operaci v Somálsku v roce 1993, při americkém vylodění na Haiti v roce 1994 a nakonec při afghánských a iráckých kampaních XNUMX. století.