El sistema Transit , también conocido como NAVSAT o NNSS (por Navy Navigation Satellite System ), fue el primer sistema de navegación por satélite que se utilizó de forma operativa. El sistema de radionavegación fue utilizado principalmente por la Armada de los Estados Unidos para proporcionar información precisa sobre la ubicación de sus submarinos con misiles balísticos Polaris , y también fue utilizado como sistema de navegación por los buques de superficie de la Armada , así como para estudios hidrográficos y estudios geodésicos . Transit proporcionó un servicio continuo de navegación por satélite desde 1964, inicialmente para los submarinos Polaris y más tarde también para uso civil. En el Programa del Proyecto DAMP, el buque 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.
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El sistema satelital Transit, patrocinado por la Armada y desarrollado conjuntamente por DARPA y el Laboratorio de Física Aplicada de Johns Hopkins , bajo el liderazgo del Dr. Richard Kershner en Johns Hopkins, fue el primer sistema de geoposicionamiento basado en satélites. [1] [2] [3] Apenas unos días después del lanzamiento soviético del Sputnik 1 , el primer satélite en órbita terrestre creado por el hombre el 4 de octubre de 1957, dos físicos del APL, William Guier y George Weiffenbach, se encontraron discutiendo sobre las señales de radio que probablemente emanarían del satélite. Pudieron determinar la órbita del Sputnik analizando el desplazamiento Doppler de sus señales de radio durante un solo paso . [4] Al discutir 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 efecto Doppler podría usarse para localizar un receptor en la Tierra, y propuso un sistema satelital para implementar este principio. [5]
El desarrollo del sistema Transit comenzó en 1958, y un satélite prototipo, el Transit 1A , fue lanzado en septiembre de 1959. [6] Ese satélite no logró alcanzar la órbita. [7] Un segundo satélite, el Transit 1B , fue lanzado con éxito el 13 de abril de 1960, por un cohete Thor-Ablestar . [8] Las primeras pruebas exitosas del sistema se realizaron en 1960, y el sistema entró en servicio naval en 1964. Una constelación completamente operativa de 36 satélites estaba en funcionamiento en 1968. [9]
El cohete Chance Vought/LTV Scout fue seleccionado como el vehículo de lanzamiento dedicado para el programa porque ponía una carga útil en órbita al menor costo por libra. Sin embargo, la decisión de elegir el Scout impuso dos restricciones de diseño. En primer lugar, el peso de los satélites anteriores era de aproximadamente 300 libras (140 kg) cada uno, pero la capacidad de lanzamiento del Scout a la órbita de tránsito era de aproximadamente 120 libras (54 kg), que luego se incrementó significativamente. 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 para un satélite. El segundo problema se refería al aumento de la vibración que afectaba a la carga útil durante el lanzamiento porque el Scout usaba motores de cohetes sólidos. Por lo tanto, se debía 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 prototipo de satélite operativo ( 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. El Transit 5A-2 , lanzado el 5 de abril de 1963, no logró alcanzar la órbita. El Transit 5A-3 , con una fuente de alimentación rediseñada, fue lanzado el 15 de junio de 1963. Se produjo un mal funcionamiento de la memoria durante el vuelo propulsado que le impidió aceptar y almacenar el mensaje de navegación, y la estabilidad del oscilador se degradó durante el lanzamiento. Por lo tanto, el 5A-3 no pudo usarse para la navegación. Sin embargo, este satélite fue el primero en lograr la estabilización por gradiente de gravedad , y sus otros subsistemas funcionaron bien. [10]
Los topógrafos utilizaron Transit para localizar puntos de referencia remotos promediando docenas de correcciones de Transit, lo que produjo una precisión de menos de un metro. [11] De hecho, la elevación del Monte Everest se corrigió a fines de la década de 1980 utilizando un receptor Transit para volver a medir un punto de referencia cercano. [12]
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 hoy en día además de la próxima generación GLONASS . [13] Algunos buques de guerra soviéticos estaban equipados con receptores Motorola NavSat. [14]
El sistema Transit quedó obsoleto debido al Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y dejó de funcionar en 1996. Las mejoras en la electrónica permitieron que los receptores GPS tomaran varias posiciones a la vez, lo que redujo enormemente la complejidad de deducir una posición. El GPS utiliza muchos más satélites que los que se utilizaban con Transit, lo que permite que el sistema se utilice de forma continua, mientras que Transit proporcionaba una posición solo cada hora o más.
Después de 1996, los satélites se mantuvieron en uso para el Sistema de Monitoreo Ionosférico de la Armada (NIMS). [15]
Los satélites (conocidos como satélites OSCAR o NOVA ) utilizados en el sistema se colocaron en órbitas polares bajas , a una altitud de unas 600 millas náuticas (690 mi; 1.100 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 estaba operativo, normalmente se mantenían en órbita al menos diez satélites (uno de repuesto por cada satélite de la constelación básica). Cabe señalar que estos satélites OSCAR no eran los mismos que la serie de satélites OSCAR que se dedicaban al uso de los operadores de radioaficionados para su uso en comunicaciones por satélite .
Las órbitas de los satélites Transit se eligieron para cubrir toda la Tierra; cruzaban los polos y se extendían en el ecuador. Dado que normalmente 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 correcciones era de varias horas; en latitudes medias, el retraso se reducía a una o dos horas. Para su función prevista como sistema de actualización para el lanzamiento de SLBM , Transit era suficiente, ya que los submarinos tomaban correcciones periódicas para restablecer su sistema de guía inercial , pero Transit carecía de la capacidad de proporcionar mediciones de posición de alta velocidad en tiempo real.
Con mejoras posteriores, el sistema proporcionó una precisión de una sola pasada de aproximadamente 200 metros (660 pies), y también proporcionó sincronización horaria con una precisión de aproximadamente 50 microsegundos. Los satélites de tránsito también transmitían mensajes cifrados, aunque esta era una función secundaria. [ cita requerida ]
Los satélites Transit utilizaban conjuntos de memoria de núcleo magnético como almacenamiento masivo de datos de hasta 32 kilobytes. [16]
Para determinar una ubicación, también conocida como "tomar una posición", normalmente es necesario tomar dos o más mediciones para obtener una ubicación en 2D. En el caso del sistema GPS moderno, se pueden tomar docenas de mediciones de este tipo según los satélites que estén visibles en ese momento, y cada una de ellas ayuda a mejorar la precisión. En el caso de Transit, solo había un pequeño número de satélites 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 logró esto midiendo el efecto 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 se desplazarán hacia arriba en frecuencia y, a medida que se aleja, se desplazarán hacia abajo nuevamente. 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 de la ubicación terrestre (con algunas correcciones). Esto proporciona una de las dos mediciones necesarias.
Para la segunda medida, hay que tener en cuenta el patrón del efecto Doppler. Si el satélite pasa directamente por encima, su velocidad angular al pasar será mayor que si pasa por un lado. En el caso extremo, con un satélite cerca del horizonte, el cambio de velocidad relativa se minimiza. Por lo tanto, 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 proporciona otra corrección Doppler que puede utilizarse para determinar si el satélite está al este o al oeste de la estación terrestre.
Estas mediciones 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 obtiene enviando periódicamente datos precisos de la hora (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 medía los cambios. Las efemérides de la órbita y las correcciones del reloj se cargaron dos veces al día en cada satélite desde una de las cuatro estaciones de seguimiento e inyección de la Marina.
El satélite Transit transmitía en 150 y 400 MHz. Las dos frecuencias se utilizaban para permitir que la refracción de las señales de radio del satélite por la ionosfera se cancelara, mejorando así la precisión de la localización. El sistema Transit también proporcionó el primer servicio mundial de cronometraje, permitiendo que los relojes de todo el mundo se sincronizaran 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 curva Doppler de "prueba", basada en una ubicación de "prueba" inicial para el receptor. Luego, el software realizó un ajuste de 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 coincidiera "más estrechamente" con la curva Doppler real recibida del satélite para todos los segmentos de la curva de dos minutos.
Si el receptor también se movía en relación con la tierra, como a bordo de un barco o un avión, esto causaría desajustes con las curvas Doppler idealizadas y degradaría la precisión de la posición. Sin embargo, la precisión de la posición generalmente se podía calcular con un margen de error de 100 metros para un barco que se moviera 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 exponían su antena UHF durante solo 2 minutos para obtener una fijación de Transit utilizable. La versión submarina estadounidense del sistema Transit también incluía una versión especial encriptada y más precisa de los datos orbitales del satélite descargados. [ cita requerida ] Estos datos mejorados permitieron una precisión del sistema considerablemente mejorada [no muy diferente de la Disponibilidad Selectiva (SA) bajo GPS]. Usando este modo mejorado, la precisión era típicamente menor a 20 metros (es decir, la precisión estaba entre la de LORAN C y GPS). Para un pase típico de alta altitud de satélite de 12 a 15 minutos, la precisión era inferior a diez metros. Ciertamente, Transit fue el sistema de navegación más preciso de su época.
El principio básico de funcionamiento 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 transmiten esos datos a tierra, donde se puede determinar la ubicación de la nave.
Una red de estaciones terrestres, cuyas ubicaciones se conocían con precisión, rastreaban continuamente los satélites Transit. Midieron el efecto Doppler y transfirieron los datos a una cinta de papel de cinco agujeros. 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. Localizar un satélite Transit en órbita terrestre desde una estación terrestre conocida utilizando el efecto Doppler es simplemente lo inverso de utilizar la ubicación conocida del satélite en órbita para localizar una ubicación desconocida en la Tierra, nuevamente utilizando el efecto Doppler.
Una estación terrestre típica ocupaba una pequeña cabaña Quonset . La precisión de las mediciones de la estación terrestre dependía de la precisión del reloj maestro de la estación terrestre. Inicialmente, se utilizó un oscilador de cuarzo en un horno controlado por temperatura como reloj maestro. El reloj maestro se comprobaba diariamente para detectar posibles desviaciones 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 para otro al mediodía a lo largo del camino entre el transmisor y el receptor y, por lo tanto, podía utilizarse 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 atendida por un estudiante de posgrado y un estudiante de pregrado, 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 Seychelles, Thule Groenlandia y varios otros lugares. Las estaciones de Groenlandia y la Antártida vieron cada paso de cada satélite Transit debido a su ubicación cercana al polo para estos satélites en órbita polar.
Una versión portátil de la estación terrestre se denominaba Georeceptor y se utilizaba para realizar mediciones de campo. Este receptor, la fuente de alimentación, la unidad de cinta perforada y las antenas podían caber en una serie de cajas de aluminio acolchadas y podían enviarse como carga adicional en una aerolínea. Los datos se tomaban durante un período de tiempo, normalmente una semana, y se enviaban de vuelta al Centro de Control de Satélites para su procesamiento. Por lo tanto, a diferencia del GPS, no había una ubicación precisa inmediata de la ubicación del Georeceptor. Un Georeceptor se ubicaba permanentemente en la Estación del Polo Sur y era 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 utilizaban para medir el movimiento de la capa de hielo. Otros Georeceptores se llevaban al campo en la Antártida durante el verano y se utilizaban para medir ubicaciones, por ejemplo, el movimiento de la plataforma de hielo Ross .
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Como no existía ningún ordenador lo suficientemente pequeño como para pasar por la escotilla de un submarino (en 1958), se diseñó un nuevo ordenador, llamado AN/UYK-1 (TRW-130). [17] Se construyó con esquinas redondeadas para pasar por la escotilla y medía unos cinco pies de alto y estaba sellado para ser impermeable. El ingeniero de diseño principal fue el entonces miembro de la facultad de la UCLA Lowell Amdahl, hermano de Gene Amdahl . El AN/UYK-1 fue construido por la Ramo-Wooldridge Corporation [18] (más tarde TRW) para los SSBN de la clase Lafayette . Estaba equipado con 8.192 palabras de memoria central de 15 bits más bit de paridad , enhebrado a mano en su fábrica de Canoga Park. El tiempo de ciclo era de aproximadamente un microsegundo . El AN/UYK-1 pesaba alrededor de 550 libras (250 kg). [19]
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 el complemento a uno 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 para esas subrutinas. Por ejemplo, la subrutina "restar" tenía que formar el complemento a uno del sustraendo y sumarlo. La multiplicación requería desplazamientos 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, complementando el contenido de un registro mientras se cargaba o almacenaba otro). Es posible que haya sido la primera computadora que implementó una capacidad de direccionamiento indirecto de ciclo único.
Durante el paso del satélite, un receptor de GE recibiría los parámetros orbitales y los mensajes encriptados del satélite, además de medir la frecuencia desplazada por el efecto Doppler a intervalos y proporcionaría estos datos al ordenador AN/UYK-1. El ordenador también recibiría del sistema de navegación inercial (SINS) del barco una lectura de latitud y longitud. Con esta información, el AN/UYK-1 ejecutaría un algoritmo de mínimos cuadrados y proporcionaría una lectura de ubicación en unos quince minutos.
Hubo 41 satélites en la serie Transit a los que la NASA les asignó el nombre Transit . [20]
Transit 3B demostró cómo cargar programas en la memoria de la computadora de a bordo mientras estaba 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 ). [21] El Transit 4B (1961) también tenía un RTG SNAP-3. El Transit 4B fue uno de los varios satélites que resultaron dañados o destruidos inadvertidamente en una explosión nuclear, específicamente en la prueba nuclear a gran altitud Starfish Prime de los Estados Unidos el 9 de julio de 1962 y el posterior cinturón de radiación . [22]
El Transit 5A3 y el Transit 5B-1 (1963) tenían cada uno un RTG SNAP-3 . [23] [24]
El Transit 5B-2 (1963) tenía un RTG SNAP-9A . [25]
En 1964, un cohete no logró poner en órbita la Transit 5BN-3 con un RTG SNAP-9A. "Se quemó durante el reingreso y se desintegró en pequeñas partículas" junto con su peso aproximado de 1 kilogramo de plutonio-238. [26]
El Transit 5B-5 reanudó la comunicación después de un largo período de inactividad (un satélite zombi ). [27]
Transit-9 y 5B4 (1964) y Transit-5B7 y 5B6 (1965) tenían cada uno "una fuente de energía nuclear".
La Fuerza Aérea de los Estados Unidos también lanzó periódicamente satélites de corta duración equipados con radiobalizas de 162 MHz y 324 MHz a órbitas mucho más bajas para estudiar la resistencia orbital . [ cita requerida ] Las estaciones de seguimiento terrestre Transit también rastrearon estos satélites, ubicándolos dentro de sus órbitas utilizando los mismos principios. Los datos de ubicación de los satélites se utilizaron para recopilar datos de resistencia orbital, incluidas las variaciones en la atmósfera superior y el campo gravitacional de la Tierra.
Beacon Explorer-A y Beacon Explorer-B también llevaban transmisores compatibles con Transit.
Lista de satélites de tránsito: [28]
Otros satélites de navegación de tránsito: [28]
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