El sistema de tránsito , también conocido como NAVSAT o NNSS (para 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 de misiles balísticos Polaris , y también fue utilizado como un 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 los submarinos Polaris y más tarde también para uso civil.
País / es de origen | Estados Unidos |
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Estado | Retirado (1996) |
Tamaño de la constelación | |
Primer lanzamiento | 1959 |
Último lanzamiento | 1988 |
Historia
El sistema de satélites Transit, patrocinado por la Marina y desarrollado conjuntamente por DARPA y el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins , bajo el liderazgo del Dr. Richard Kershner en Johns Hopkins, fue el primer sistema de geoposicionamiento basado en satélites. [1] [2] [3] Pocos 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 de 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 una sola pasada . [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 desplazamiento Doppler podría usarse para localizar un receptor en la Tierra. y propuso un sistema de satélite 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 pudo alcanzar la órbita. [7] Un segundo satélite, 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.
El cohete Chance Vought / LTV Scout fue seleccionado como el vehículo de lanzamiento dedicado para el programa porque entregó una carga útil en órbita al menor costo por libra. Sin embargo, la decisión Scout impuso dos limitaciones de diseño. Primero, 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 del Tránsito era de unas 120 libras (54 kg), pero luego se incrementó significativamente. Se tuvo que lograr una reducción de la masa del satélite, a pesar de la demanda de más potencia de la que APL había diseñado previamente en un satélite. El segundo problema se refería al aumento de la vibración que afectaba la carga útil durante el lanzamiento porque el Scout usaba motores cohete sólidos. Por lo tanto, se tuvo que producir un equipo electrónico que fuera más pequeño que antes y lo suficientemente resistente como para soportar el aumento de la vibración del lanzamiento. Cumplir con las nuevas demandas fue más difícil de lo esperado, pero se logró. El primer prototipo de satélite operacional (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 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, 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 se puede utilizar para la navegación. Sin embargo, este satélite fue el primero en lograr la estabilización del gradiente de gravedad y sus otros subsistemas funcionaron bien. [9]
Los topógrafos utilizaron Transit para localizar puntos de referencia remotos promediando docenas de correcciones de Transit, produciendo una precisión inferior al metro. [10] De hecho, la elevación del Monte Everest se corrigió a finales de la década de 1980 mediante el uso de un receptor de tránsito para volver a estudiar un punto de referencia cercano. [11]
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 está en uso hoy además de la próxima generación GLONASS. . [12] Algunos buques de guerra soviéticos estaban equipados con receptores Motorola NavSat. [13]
El sistema de Tránsito quedó obsoleto por el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y cesó el servicio de navegación en 1996. Las mejoras en la electrónica permitieron a los receptores GPS tomar varias correcciones a la vez, reduciendo en gran medida la complejidad de deducir una posición. El GPS utiliza muchos más satélites que los que se utilizaron con Transit, lo que permite que el sistema se utilice de forma continua, mientras que Transit proporciona una solución solo cada hora o más.
Después de 1996, los satélites se mantuvieron en uso para el Sistema de Monitoreo Ionosférico de la Marina (NIMS). [14]
Descripción
Satélites
Los satélites (conocidos como satélites OSCAR o NOVA ) utilizados en el sistema se colocaron en órbitas polares bajas , a una altitud de aproximadamente 600 millas náuticas (690 millas; 1.100 km), con un período orbital de aproximadamente 106 minutos. Se necesitaba una constelación de cinco satélites para proporcionar una cobertura global razonable. Mientras el sistema estaba operativo, al menos diez satélites, uno de repuesto para cada satélite en la constelación básica, generalmente se mantenían en órbita. 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 para su uso en comunicaciones por satélite .
Las órbitas de los satélites Transit se eligieron para cubrir toda la Tierra; cruzaron los polos y se extendieron por el ecuador. Dado que, por lo general, solo un satélite era visible en un momento dado, solo se podían hacer arreglos cuando uno de los satélites estaba por encima del horizonte. En el ecuador, este retraso entre puntos de referencia era de varias horas; en latitudes medias, el retraso disminuyó a una o dos horas. Para su función prevista como sistema de actualización para el lanzamiento de SLBM, Transit fue suficiente, ya que los submarinos tomaron arreglos periódicos para restablecer su sistema de guía inercial , pero Transit carecía de la capacidad de proporcionar mediciones de posición en tiempo real y alta velocidad.
Con mejoras posteriores, el sistema proporcionó una precisión de una sola pasada de aproximadamente 200 metros (660 pies) y también proporcionó sincronización de tiempo a aproximadamente 50 microsegundos. Los satélites de tránsito también transmiten mensajes encriptados, aunque esta es una función secundaria. [ cita requerida ]
Los satélites Transit utilizaron matrices de memoria de núcleo magnético como almacenamiento masivo de datos de hasta 32 kilobytes. [15]
Determinar la ubicación del suelo
El principio de funcionamiento básico de Transit es similar al sistema utilizado por los transmisores de localización de emergencia , excepto que, en el último caso, el transmisor está en tierra y el receptor en órbita.
Cada satélite del sistema de tránsito transmitía dos señales portadoras de UHF que proporcionaban cortes de tiempo precisos (cada dos minutos), más los seis elementos orbitales del satélite y las variables de perturbación de la órbita . 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. Esta información de transmisión permitió a un receptor terrestre calcular la ubicación del satélite en cualquier momento. El uso de dos frecuencias portadoras permitió a los receptores terrestres reducir los errores de navegación causados por la refracción ionosférica. El sistema Transit también proporcionó el primer servicio de cronometraje en todo el mundo, lo que permitió sincronizar los relojes en todas partes con una precisión de 50 microsegundos.
El satélite Transit retransmite en 150 y 400 MHz. Las dos frecuencias se utilizaron para permitir la cancelación de la refracción de las señales de radio satelital por la ionosfera, mejorando así la precisión de la ubicación.
La información crítica que permitió al receptor calcular la ubicación fue una curva de frecuencia única causada por el efecto Doppler . El efecto Doppler provocó una aparente compresión de la longitud de onda de la portadora cuando el satélite se acercó al receptor, y el estiramiento de las longitudes de onda cuando el satélite retrocedió. La nave espacial viajó a aproximadamente 17,000 mph, lo que podría aumentar o disminuir la frecuencia de la señal portadora recibida hasta en 10 kHz. Esta curva Doppler era única para cada ubicación dentro de la línea de visión del satélite. Por ejemplo, la rotación de la tierra hizo que el receptor terrestre se acercara o se alejara de la órbita del satélite, creando un desplazamiento Doppler no simétrico para la aproximación y la recesión, lo que permitió al receptor determinar si estaba al este o al oeste del terreno norte-sur del satélite. pista .
Calcular la ubicación del receptor más probable 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. El software luego realizaría un ajuste de la 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 coincida 'más cerca' con el Doppler real recibido del satélite para todos los segmentos de la curva de dos minutos. .
Si el receptor también se moviera con respecto a la tierra, como a bordo de un barco o avión, esto causaría desajustes con las curvas Doppler idealizadas y degradaría la precisión de la posición. Sin embargo, la precisión posicional generalmente se puede calcular con una precisión de 100 metros para un barco de movimiento lento, 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 un punto de tránsito utilizable. La versión submarina estadounidense del sistema de tránsito también incluyó una versión especial encriptada y más precisa de los datos orbitales del satélite descargado [ cita requerida ] Estos datos mejorados permitieron una precisión del sistema considerablemente mejorada [no diferente a la disponibilidad selectiva (SA) bajo GPS]. Utilizando este modo mejorado, la precisión era normalmente inferior a 20 metros, es decir, la precisión estaba entre la de LORAN C y GPS. Ciertamente, Transit fue el sistema de navegación más preciso de su época.
Determinación de las órbitas de los satélites
Una red de estaciones terrestres, cuyas ubicaciones se conocían con precisión, rastreaba continuamente los satélites de tránsito. Midieron el desplazamiento Doppler y transfirieron los datos a una cinta de papel de 5 orificios. Estos datos se enviaron al Centro de Control de Satélites en el 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. Ubicar un satélite de tránsito en órbita terrestre desde una estación terrestre conocida usando el desplazamiento Doppler es simplemente lo contrario de usar la ubicación conocida del satélite en órbita para ubicar una ubicación desconocida en la tierra, nuevamente usando el desplazamiento Doppler.
Una estación terrestre típica ocupaba una pequeña cabaña de Quonset . La precisión de las mediciones de la estación terrestre fue una función de la precisión del reloj maestro de la estación terrestre. Inicialmente, se utilizó un oscilador de cuarzo en un horno de temperatura controlada como reloj maestro. El reloj maestro se verificó diariamente para ver si había 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 a otro al mediodía a lo largo de la ruta 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 de números; por ejemplo, la Estación 019 fue la Estación McMurdo, Antártida. Durante muchos años durante la década de 1970, esta estación fue atendida por un estudiante graduado 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 todos los pases de todos los satélites de tránsito debido a su ubicación cerca del polo de estos satélites en órbita polar.
Geoceiver portátil
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 varios estuches de aluminio acolchados 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 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 utilizaron para medir el movimiento de la capa de hielo. Se sacaron otros geoceptores en el campo en la Antártida durante el verano y se usaron para medir ubicaciones, por ejemplo, el movimiento de la plataforma de hielo de Ross .
La computadora AN / UYK-1 (TRW-130)
Dado que no existía una 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). [16] Fue construido con esquinas redondeadas para pasar a través de la escotilla y tenía 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 [17] (más tarde TRW) para los SSBN de la clase Lafayette . Estaba equipado con 8.192 palabras de memoria central de 15 bits más bits de paridad , enhebrados 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). [18]
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 un complemento de 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, complementando el contenido de un registro mientras cargaba o almacenaba otro. Puede haber sido la primera computadora que implementó una capacidad de direccionamiento indirecto de ciclo único.
Durante un pase de satélite, un receptor GE recibiría los parámetros orbitales y los mensajes cifrados del satélite, además de medir la frecuencia de desplazamiento Doppler 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. Usando esta información, el AN / UYK-1 ejecutó un algoritmo de mínimos cuadrados y proporcionó una lectura de ubicación en aproximadamente quince minutos.
Otros satélites
Había 41 satélites en la serie Transit a los que la NASA les asignó el nombre de Transit . [19]
Transit 3B demostró la carga de programas en la memoria de la computadora de a bordo mientras estaba 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 ). [20] Transit 4B (1961) también tenía un RTG SNAP-3. Transit 4B fue uno de varios satélites que fueron inadvertidamente dañados o destruidos en una explosión nuclear, específicamente la prueba nuclear de gran altitud Starfish Prime de los Estados Unidos el 9 de julio de 1962 y el cinturón de radiación posterior . [21]
Transit 5A3 y Transit 5B-1 (1963) tenían cada uno un SNAP-3 RTG . [22] [23]
Transit 5B-2 (1963) tenía un RTG SNAP-9A . [24]
En 1964, un cohete no logró poner en órbita el Transit 5BN-3 con un RTG SNAP-9A. "Se quemó durante la reentrada y se separó en pequeñas partículas" junto con su aproximadamente 1 kilogramo de plutonio-238. [25]
Transit 5B-5 reanudó la comunicación después de un período prolongado de inactividad (un satélite zombi ). [26]
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 requerida ] Las estaciones de rastreo terrestre de Transit rastrearon estos satélites también, ubicando los satélites dentro de sus órbitas usando 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.
Referencias
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enlaces externos
- Enciclopedia Astronautica