Historia nawigacji satelitarnej i GPS

RYS HISTORYCZNY DOTYCZĄCY SYSTEMÓW NAWIGACJI SATELITARNEJ

Prekursorem dzisiejszych satelitarnych systemów nawigacyjnych był system Transit (właściwie Navy Navigation Satellite System - NNSS), stworzony i rozwijany w latach 1958 - 1962 przez Laboratorium Fizyki Stosowanej (Applied Physics Laboratory - APL) Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa. Transit był przez 35 lat (do 31 grudnia 1996) używany do dokładnej, niezależnej od pogody nawigacji morskiej. W roku 1967 został udostępniony użytkownikom cywilnym. Oprócz zastosowań nawigacyjnych, służył także jako pomoc geodezyjna i źródło częstotliwości wzorcowej. Do nawigacji lotniczej się nie nadawał, ze względu na długi czas pomiaru przy metodzie analizy częstotliwości Dopplera (wymagane było, aby średni czas oczekiwania na obserwację satelity nie przekraczał czterech godzin). Czas pomiaru wynosił od 6 do 18 minut. Oprócz tego przelicznik wymagał wprowadzenia danych o prędkości i wysokości anteny odbiorczej nad poziomem morza.
Ciekawa jest historia samego pomysłu nawigacji satelitarnej. Kiedy 4 października 1957 wystrzelono pierwszego sztucznego satelitę Ziemi - Sputnika 1, w APL prowadzono nasłuch jego transmisji radiowych, nadawanych na częstotliwości 20 MHz, z zamiarem rozkodowania sygnałów telemetrycznych. Naukowcy zauważyli przy tym bardzo wyraźną "wędrówkę" częstotliwości sygnałów satelity. Szybko odkryto, iż jest to wynikiem efektu Dopplera, wywołanego ruchem satelity względem miejsca, skąd prowadzono nasłuch. Ku zdumieniu podsłuchiwaczy okazało się że Sputnik nie emituje żadnych sygnałów telemetrycznych, tylko prosty sygnał rozpoznawczy. Skupiono się zatem na obserwacji odchyleń częstotliwości sygnałów i wyliczaniu z nich parametrów lotu Sputnika. Po kilku dniach naukowcy z APL byli w stanie z dużym wyprzedzeniem informować podenerwowane wojskowe stacje obserwacyjne o porach przelotu Sputnika nad nimi.
Dla systemu Transit opracowano wiele nowych technologii, m.in. stabilizacji częstotliwości, synchronizacji odbiornika z zegarem satelity za pomocą danych efemerycznych, czy kontroli i korekcji działania układów nawigacyjnych satelity przez naziemne stacje kontrolne (sieć NAVSOC - Naval Satellite Operations Center). Pełna konstelacja satelitarna składała się z sześciu satelitów. Najpierw był to typ Oscar, później Nova i ulepszony Oscar - SOOS (Stacked Oscars On Scout), czyli dwa satelity Oscar wynoszone jedną rakietą Scout. Ostatnie dwa satelity konstelacji Transit, SOOS-4, zostały wysłane w sierpniu 1988. Satelity emitowały sygnały na częstotliwościach 150 MHz i 400 MHz. Ich dane były uaktualniane dwa razy dziennie, przy okazji odbioru danych telemetrycznych przez stacje kontrolne. Dokładność systemu była stopniowo polepszana od 900 m w roku 1962, 185 m w 1969, do 36 metrów w roku 1971. Ocenia się, że wyprodukowano około 80000 odbiorników nawigacyjnych i geodezyjnych systemu Transit.
W 1960 roku firma Raytheon skonstruowała system satelitarny MOSAIC (Mobile System for Accurate ICBM Control), przeznaczony do określania precyzyjnych koordynat ruchomych wyrzutni rakiet Minuteman. System nie został uruchomiony ze względu na przerwanie prac nad systemem rakietowym. W kwietniu 1964 roku został uruchomiony satelitarny system lokalizacyjny i nawigacyjny SECOR (Sequential Collation of Range), przeznaczony dla wojsk lądowych. Był to system zbliżony do Transita. Wystrzelono trzynaście satelitów 9ostatni w 1969 roku). W listopadzie 1967 roku ZSRR uruchomił pierwszego satelitę swojego systemu nawigacyjnego Cyklon (Kosmos-192). Z systemu Cyklon wywodzi się rosyjski ratowniczy system lokalizacyjny KOSPAS. W maju tego roku marynarka USA umieściła na orbicie pierwszego satelitę serii TIMATION. W Rosji opracowano i uruchomiono dwa systemy nawigacji satelitarnej, zbliżone koncepcyjnie do systemu Timation: wojskowy Cykada-M (6 satelitów, kryptonim Parus - żagiel) i cywilny Cykada (cztery satelity). Projekt TIMATION od 1973 roku połączony z projektem systemu USAF 621B dał początek projektowi DNSS (Defense Navigation Satellite System). Trzeci satelita DNSS był demonstratorem systemu GPS (Global Positioning System) Navstar.
Znany pod nazwą GPS (Global Positioning System) satelitarny system nawigacyjny Navstar (Navigational Satellite Time and Ranging) został zaprojektowany jako precyzyjny system określania położenia o zasięgu globalnym. Jest on najnowocześniejszym z satelitarnych systemów nawigacyjnych. Jest niewątpliwie największym dotąd osiągnięciem w dziedzinie wyznaczania pozycji, chociaż próba odpowiedzi człowiekowi "z ulicy" na pytanie o jego rzeczywiste znaczenie dla nawigacji może być przyczyną wielu groźnych chorób. Winna temu jest bezpłatna reklama, przypisująca GPSowi cudowne właściwości: od automatycznego fruwania samolotów do zapobiegania ciemnieniu chrzanu. Chyba przesadziłem, ale od pisania o GPS powstrzymują się chyba już tylko analfabeci.

Autor:

Jacek Tomczak - Janowski