Развитие радионавигации

Как это происходило и происходит с множеством высоких технологий, сначала GPS разрабатывалась как сугубо военная система, и на деньги выделенные из государственного бюджета США на нужды Министерства обороны. Военные нуждались, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего радиуса действия, и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии. Вполне очевидным решением было объединение этих двух задач в одну - создание системы точного позиционирования. Начиная с 1960-х годов Министерство обороны США начало развивать идею создания глобальной, всепогодной, непрерывно доступной, очень точной системы навигации и позиционирования.

В случае с GPS Министерство обороны США попыталось проявить редкостную дальновидность в плане последующей экономии денег. Было очевидно, что система, обладающая подобными характеристиками, имеет обширные перспективы для гражданского применения. Поэтому с самого начала от разработчиков было затребовано, чтобы оконечное (пользовательское) оборудование было доступно самым разнообразным пользователям, но при условии, что военные смогут по своему желанию и в любой момент ограничивать его функциональность, вплоть до полного блокирования. Подразумевалось также, что распространением пользовательского оборудования будет управлять Министерство обороны США, частично компенсируя свои расходы. Известно, что в итоге получилось не совсем так: разработкой, производством и продажей пользовательского оборудования занимаются многие независимые коммерческие организации, а реальная величина затрат многократно превысила первоначальные расчеты. Но, в любом случае, Соединенные Штаты не прогадали.

Когда основные требования к системе были определены, Военно-морские и Военно-воздушные Силы США приступили к разработке концепции использования в целях навигации и позиционирования радиосигналов, излучаемых со спутников. Военно-морские силы финансировали две программы, ставшие предшественниками GPS: Transit и Timation. Система Transit стала первой действующей спутниковой навигационной системой. Разра­ ботанная в 1964 г. в лаборатории прикладной физики имени Джона Гопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера, система Transit состояла из 7 низкоорбитальных спутников, которые излучали очень стабильные радиосигналы. Несколько наземных станций слежения контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи системы Transit определяли свои координаты на земной поверхности, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каждого спутника.

Изначально разработанная Военно-морскими силами для управления подводными лодками с баллистическими ракетами Polaris на борту и иными военными объектами, находящимися на поверхности океана, в 1967 г. система Transit стала доступна для гра жданских пользователей. Она была очень быстро приспособлена для навигации больших коммерческих судов и небольших частных катеров и яхт. Причем число гражданских пользователей быстро превысило число военных. Несмотря на то, что система Transit обеспечивала основные потребности в навигации судов, она имела много недостатков: низкое быстродействие, потребность в длительном наблюдении спутников, возможность позиционировать только стационарные или медленно движущиеся объекты, определение только двухмерных координат, отсутствие непрерывной доступности (время, когда ни один из спутников не был виден, измерялось часами), необходимость самостоятельного внесения пользователем коррективов для движущихся объектов - все это сделало невозможным применение системы в авиации и иных быстро движущихся объектах. Не последнюю роль сыграла и невозможность избирательно ограничивать доступ к системе. Тем не менее, зало­ женные в Transit новые технологии были очень важны для после­ дующего развития GPS. Так, например, в GPS используется алгоритм предсказания спутников, впервые разработанный для Transit.

Второй предшественник GPS, Timation, был разработан в NRL (Naval Research Laboratory, Военно-морская исследовательская лаборатория). Первый спутник, системы Timation запущенный в 1967 г., нес на борту сверхстабильные кварцевые часы, последующие модели ис­ пользовали атомный стандарт частоты (рубидиевый и цезиевый). Атомные часы позволили значительно улучшить предсказание орбит спутников и существенно увеличить промежуток между корректировка­ ми спутниковых часов с наземного пункта управления. Эти передовые разработки космического стандарта времени явились важнейшим вкладом в создание GPS. Фактически, последние два спутника систе­ мы Timation являлись действующими прототипами спутников GPS.

Тем временем, Военно-воздушные силы США работали над аналогичной технологической программой, впоследствии названной " Система 621В". Она предоставляла возможность трехмерной (ши­ рота, долгота и высота) навигации с непрерывным доступом. В 1972 г. была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников - кодовое разделение на основе псевдослучайного, шумоподобного сигнала.

В апреле 1973 г., Военно-воздушные силы были утверждены, как ведущий разработчик, объединяющий различные концепции построения систем спутниковой навигации в единую всеобъемлющую систему военного назначения, известную, как DNSS (Defense Navigation Satellite System, оборонительная система спутниковой навигации). В апреле 1973 г. Военно-воздушные силы были утверждены, как ведущий разработчик, объединяющий различные концепции построения систем спутниковой навигации в единую все­ объемлющую систему военного назначения, известную, как DNSS (Defense Navigation Satellite System, оборонительная система спутниковой навигации).

К сентябрю 1973 г. была создана компромиссная система, вобравшая в себя все лучшие опции от прежних программ ВВС и ВМФ. Структура сигнала и частоты были заимствованы от " Системы 621В". Орбиты спутников основывались на структуре, предложенной для системы Timation, но с большей высотой, обеспечивающей 12-часовой период обращения вместо 8-часового. Обе системы предполагали использование атомных часов на спутниках. Система, построенная по сформулированной концепции, теперь известна, как система глобального позиционирования NAVSTAR. В декабре 1973 г. министерство обороны США утвердило и профинансировало первый этап разработки NAVSTAR GPS.

Самые первые спутники NAVSTAR на самом деле были двумя переделанными спутниками системы Timation, созданными в Военноморской исследовательской лаборатории. Известные ныне, как технологические навигационные спутники №1 и №2, они несли на борту атомные часы, первые из когда-либо запущенных в космос. В качестве первого атомного стандарта использовался рубидиевый стандарт, затем более точные цезиевый и водородный. Круговые орбиты спутников последовательно увеличивались с 925 км до 13000 км, а затем достигли окончательной величины в 20145 км. Также последовательно менялась несущая частота передатчиков: сначала 400 МГц, затем 1227 МГц, и позднее достигла современного значения 1575 МГц.

Незадолго перед началом запусков " Блока 1" военные предусмотрели двойное назначение спутников GPS. В дополнение к имеющемуся оборудованию позиционирования и точного времени, спутники могли нести на борту датчики ядерного взрыва (NUDET, nuclear detoпation), предназначенные для обнаружения фактов испытания ядерного оружия, выявления ядерной атаки и оценки масштабов разрушений.