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 operativamente. El sistema de navegación por radio fue utilizado principalmente por la Marina de los EE. UU. para proporcionar información de ubicación precisa a sus submarinos con 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 estudios geodésicos . Transit proporcionó un servicio continuo de navegación por satélite desde 1964, inicialmente para submarinos Polaris y luego también para uso civil. En el Programa 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.
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 artificial en órbita terrestre, el 4 de octubre de 1957, dos físicos del APL, William Guier y George Weiffenbach, se encontraron en una discusión 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 pase . [4] Al discutir el camino a seguir en 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 desplazamiento 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 en septiembre de 1959 se lanzó un prototipo de satélite, Transit 1A . [6] Ese satélite no logró alcanzar la órbita. [7] Un segundo satélite, Transit 1B , fue lanzado con éxito el 13 de abril de 1960 mediante un cohete Thor-Ablestar . [8] Las primeras pruebas exitosas del sistema se realizaron en 1960, y el sistema entró en servicio naval en 1964. En 1968 se encontraba en funcionamiento una constelación de 36 satélites en pleno funcionamiento. [9]
El cohete Chance Vought/LTV Scout fue seleccionado como el vehículo de lanzamiento exclusivo para el programa porque entregó una carga útil a la órbita al menor costo por libra. Sin embargo, la decisión Scout impuso dos limitaciones 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), que luego se incrementó significativamente. Era necesario 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 utilizaba motores de cohetes sólidos. Por lo tanto, fue necesario producir equipos electrónicos que fueran más pequeños que antes y lo suficientemente resistentes como para soportar la mayor vibración del lanzamiento. Cumplir con 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 mediante un cohete Scout el 18 de diciembre de 1962. El satélite verificó una nueva técnica para desplegar los paneles solares y 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. La 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 le impidió aceptar y almacenar el mensaje de navegación, y la estabilidad del oscilador se degradó durante el lanzamiento. Por tanto, el 5A-3 no pudo 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. [10]
Los topógrafos utilizaron Transit para localizar puntos de referencia remotos promediando docenas de correcciones de Transit, lo que produjo una precisión inferior al metro. [11] De hecho, la elevación del Monte Everest se corrigió a finales de la década de 1980 utilizando un receptor Transit para volver a estudiar 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 junto con el GLONASS de próxima generación. . [13] Algunos buques de guerra soviéticos estaban equipados con receptores Motorola NavSat. [14]
El sistema de tránsito quedó obsoleto debido al sistema de posicionamiento global (GPS) y dejó de ser servicio de navegación en 1996. Las mejoras en la electrónica permitieron a los receptores GPS tomar varias posiciones a la vez de manera efectiva, lo que redujo en gran medida la complejidad de deducir una posición. El GPS utiliza muchos más satélites que los utilizados con Transit, lo que permite que el sistema se utilice de forma continua, mientras que Transit proporcionaba una señal solo cada hora o más.
Después de 1996, los satélites se mantuvieron en uso para el Sistema de Monitoreo Ionosférico de la Marina (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; 1100 km), con un período orbital de unos 106 minutos. Se necesitaba 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 para cada satélite de la constelación básica). Tenga en cuenta que estos satélites OSCAR no eran los mismos que la serie de satélites OSCAR que estaban destinados a ser utilizados por operadores de radioaficionados en comunicaciones por satélite .
Las órbitas de los satélites Transit fueron elegidas para cubrir toda la Tierra; cruzaron los polos y se extendieron en el ecuador. Dado que normalmente sólo era visible un satélite en un momento dado, sólo se podían realizar correcciones cuando uno de los satélites estaba sobre el horizonte. En el ecuador, este retraso entre puntos fue de varias horas; en latitudes medias el retraso se redujo 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 en tiempo real y 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 cifrados, aunque se trata de una función secundaria. [ cita necesaria ]
Los satélites Transit utilizaron conjuntos de memoria de núcleo magnético como almacenamiento masivo de datos de hasta 32 kilobytes. [16]
Determinar una ubicación, también conocido como "tomar una solución", normalmente requiere tomar dos o más mediciones para producir una ubicación 2D. En el caso del sistema GPS moderno, se pueden tomar docenas de mediciones de este tipo dependiendo de qué satélites sean visibles en ese momento, cada una de las cuales ayuda a mejorar la precisión. En el caso de Transit, sólo 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 en frecuencia y, a medida que se aleja, volverán a disminuir. El momento preciso en el que la frecuencia es exactamente igual a la frecuencia de emisión es cuando la trayectoria terrestre del satélite pasa por la ubicación del terreno (con algunas correcciones). Esto proporciona una de las dos medidas necesarias.
Para la segunda medida, hay que considerar el patrón del desplazamiento Doppler. Si el satélite pasa directamente por encima, su velocidad angular al pasar será mayor que si pasa hacia un lado. En el caso extremo, con un satélite cerca del horizonte, el cambio de velocidad relativa se minimiza. Por 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 proporcionó otra corrección Doppler que podría usarse para determinar si el satélite estaba al este u 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 consigue enviando periódicamente 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 medía los cambios. Las efemérides de la órbita y las correcciones de 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 transmite en 150 y 400 MHz. Con ambas frecuencias se pudo anular la refracción de las señales de radio del satélite por la ionosfera y mejorar así la precisión de la localización. El sistema Transit también proporcionó el primer servicio de cronometraje mundial, permitiendo sincronizar los relojes de todo el mundo 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 realizaría 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 el Doppler real recibido del satélite para todos los segmentos de la curva de dos minutos. .
Si el receptor también se estuviera moviendo en relación con 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 normalmente podría calcularse dentro de los 100 metros para un barco que se mueve lentamente, incluso con la recepción de sólo 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 sólo 2 minutos para obtener una señal de tránsito utilizable. La versión submarina estadounidense del sistema Transit también incluía una versión especial cifrada y más precisa de los datos orbitales del satélite descargados. [ cita necesaria ] Estos datos mejorados permitieron una precisión del sistema considerablemente mejorada [no muy diferente a la Disponibilidad Selectiva (SA) bajo GPS]. Usando este modo mejorado, la precisión era típicamente inferior a 20 metros (es decir, la precisión estaba entre la de LORAN C y GPS). Para un típico pase de satélite de alta altitud de 12 a 15 minutos, la precisión era inferior a diez metros. Sin duda, 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 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 desplazamiento 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 teletipos comerciales y militares. Los datos de las estaciones terrestres fijas proporcionaron información de ubicación en la órbita del satélite Transit. Localizar un satélite de tránsito en órbita terrestre desde una estación terrestre conocida utilizando el desplazamiento Doppler es simplemente lo contrario de utilizar la ubicación conocida del satélite en órbita para localizar una ubicación desconocida en la Tierra, utilizando nuevamente el desplazamiento Doppler.
Una estación terrestre típica ocupaba una pequeña cabaña Quonset . La precisión de las mediciones de la estación terrestre era función de la precisión del reloj maestro de la estación terrestre. Inicialmente se utilizó como reloj maestro un oscilador de cuarzo en un horno con temperatura controlada. El reloj maestro se comprobó diariamente para detectar deriva utilizando un receptor VLF sintonizado en 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. Posteriormente 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 contó con un estudiante de posgrado 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 Seychelles, Thule Groenlandia y varios 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 en órbita polar.
Una versión portátil de la estación terrestre se llamó Geoceiver y se utilizó para realizar mediciones de campo. Este receptor, fuente de alimentación, unidad de cinta perforada y 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 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 Geoceiver. Un Geoceiver estaba ubicado permanentemente en la Estación del Polo Sur y 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 georreceptores fueron llevados a la Antártida durante el verano y se utilizaron para medir ubicaciones, por ejemplo el movimiento de la plataforma de hielo de Ross .
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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). [17] Fue construido con esquinas redondeadas para pasar a través de la escotilla y medía aproximadamente cinco pies de alto y estaba sellado para ser impermeable. El ingeniero de diseño principal era Lowell Amdahl, entonces miembro de la facultad de UCLA, hermano de Gene Amdahl . El AN/UYK-1 fue construido por Ramo-Wooldridge Corporation [18] (más tarde TRW) para los SSBN clase Lafayette . Estaba equipado con 8.192 palabras de memoria central de 15 bits más bit de paridad , enhebradas a mano en su fábrica de Canoga Park. El tiempo del ciclo fue de aproximadamente un microsegundo . El AN/UYK-1 pesaba alrededor de 550 libras (250 kg). [19]
El 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 complemento a unos 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 subrutina "restar" tenía que formar el complemento a unos 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). Pudo haber sido la primera computadora que implementó una capacidad de direccionamiento indirecto de ciclo único.
Durante el paso del satélite, un receptor GE recibiría los parámetros orbitales y los mensajes cifrados del satélite, además de medir la frecuencia Doppler desplazada a intervalos y proporcionar estos datos a la computadora AN/UYK-1. La computadora también recibiría del sistema de navegación inercial del barco (SINS) una lectura de latitud y longitud. Utilizando esta información, el AN/UYK-1 ejecutó un algoritmo de mínimos cuadrados y proporcionó una lectura de ubicación en unos quince minutos.
Había 41 satélites en la serie Transit a los que la NASA asignó el nombre Transit . [20]
Transit 3B demostró cómo cargar programas en la memoria de la computadora de a bordo mientras está en órbita.
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] Transit 4B (1961) también tenía un SNAP-3 RTG. Transit 4B fue uno de varios satélites que resultaron 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 posterior cinturón de radiación . [22]
Transit 5A3 y Transit 5B-1 (1963) tenían cada uno un SNAP-3 RTG . [23] [24]
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 aproximadamente 1 kilogramo de plutonio-238. [26]
Transit 5B-5 reanudó la comunicación después de un período prolongado de inactividad (un satélite zombie ). [27]
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 radiobalizas de 162 MHz y 324 MHz en órbitas mucho más bajas para estudiar la resistencia orbital . [ cita necesaria ] Las estaciones de seguimiento terrestre de 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 gravitacional de la Tierra.
Beacon Explorer-A y Beacon Explorer-B también llevaban transmisores compatibles con Transit.
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