Transit (Satellit) - Transit (satellite)
.png) Transit 2A mit GRAB 1 oben während der Startvorbereitungen
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| Herkunftsland/-länder | Vereinigte Staaten |
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| Status | Im Ruhestand (1996) |
| Konstellationsgröße | |
| Erster Start | 1959 |
| Letzter Start | 1988 |
Das Transitsystem , auch bekannt als NAVSAT oder NNSS (für Navy Navigation Satellite System ), war das erste Satellitennavigationssystem , das operativ eingesetzt wurde. Das Funknavigationssystem wurde in erster Linie von der US-Marine verwendet , um ihren U-Booten mit ballistischen Raketen Polaris genaue Standortinformationen bereitzustellen , und es wurde auch von den Überwasserschiffen der Marine als Navigationssystem sowie für hydrographische Vermessungen und geodätische Vermessungen verwendet . Transit bot ab 1964 einen kontinuierlichen Navigationssatellitendienst an, zunächst für Polaris-U-Boote und später auch für zivile Zwecke. Im Projekt DAMP-Programm verwendete das Raketenverfolgungsschiff USAS American Mariner auch Daten des Satelliten für genaue Standortinformationen des Schiffes, bevor es seine Verfolgungsradare positionierte.
Geschichte
Das von der Marine gesponserte und gemeinsam von der DARPA und dem Johns Hopkins Applied Physics Laboratory unter der Leitung von Dr. Richard Kershner bei Johns Hopkins entwickelte Satellitensystem Transit war das erste satellitengestützte Geopositionierungssystem. Nur wenige Tage nach dem sowjetischen Start von Sputnik 1 , dem ersten künstlichen Erdumlaufsatelliten am 4. Oktober 1957, diskutierten zwei Physiker der APL, William Guier und George Weiffenbach, über die Funksignale, die wahrscheinlich von der Satellit. Sie konnten die Umlaufbahn von Sputnik bestimmen, indem sie die Dopplerverschiebung seiner Funksignale während eines einzigen Durchgangs analysierten . Im März 1958 schlug ihr Direktor Frank McClure, der Vorsitzende des Forschungszentrums der APL, den Weg für ihre Forschungen vor, wenn die Position des Satelliten bekannt und vorhersehbar wäre, die Doppler-Verschiebung zur Ortung eines Empfängers auf der Erde zu verwenden, und schlug a Satellitensystem, um dieses Prinzip umzusetzen.
Die Entwicklung des Transit-Systems begann 1958, und ein Prototyp-Satellit, Transit 1A , wurde im September 1959 gestartet. Dieser Satellit erreichte die Umlaufbahn nicht. Ein zweiter Satellit, Transit 1B , wurde am 13. April 1960 erfolgreich von einer Thor-Ablestar- Rakete gestartet. Die ersten erfolgreichen Tests des Systems wurden 1960 durchgeführt und das System wurde 1964 in den Marinedienst aufgenommen.
Die Chance Vought/LTV Scout- Rakete wurde als dedizierte Trägerrakete für das Programm ausgewählt, da sie eine Nutzlast zu den niedrigsten Kosten pro Pfund in die Umlaufbahn beförderte. Die Scout-Entscheidung erlegte jedoch zwei Designbeschränkungen auf. Erstens betrug das Gewicht der früheren Satelliten jeweils etwa 300 Pfund (140 kg), aber die Scout-Startkapazität für die Transit-Umlaufbahn betrug etwa 120 Pfund (54 kg), die jedoch später erheblich erhöht wurde. Eine Massenreduzierung des Satelliten musste erreicht werden, obwohl mehr Leistung verlangt wurde, als APL zuvor in einen Satelliten eingebaut hatte. Das zweite Problem betraf die erhöhten Vibrationen, die die Nutzlast während des Starts beeinträchtigten, da der Scout Feststoffraketenmotoren verwendete. Daher mussten elektronische Geräte hergestellt werden, die kleiner als zuvor und robust genug waren, um den erhöhten Vibrationen beim Abschuss standzuhalten. Die Erfüllung der neuen Anforderungen war schwieriger als erwartet, aber es wurde erreicht. Der erste Prototyp eines funktionsfähigen Satelliten (Transit 5A-1) wurde am 18. Dezember 1962 von einer Scout-Rakete in eine polare Umlaufbahn gebracht. Der Satellit verifizierte eine neue Technik zum Ausbringen der Solarzellen und zur Trennung von der Rakete, war aber ansonsten nicht erfolgreich wegen Problemen mit dem Stromnetz. Transit 5A-2, gestartet am 5. April 1963, konnte die Umlaufbahn nicht erreichen. Transit 5A-3, mit einer neu gestalteten Stromversorgung, wurde am 15. Juni 1963 gestartet. Während des Motorflugs trat eine Fehlfunktion des Speichers auf, die ihn daran hinderte, die Navigationsnachricht zu akzeptieren und zu speichern, und die Oszillatorstabilität wurde während des Starts verschlechtert. Somit konnte 5A-3 nicht für die Navigation verwendet werden. Dieser Satellit war jedoch der erste, der eine Stabilisierung des Schwerkraftgradienten erreichte , und seine anderen Subsysteme schnitten gut ab.
Vermessungsingenieure verwendeten Transit, um Remote- Benchmarks zu lokalisieren, indem sie den Durchschnitt von Dutzenden von Transit-Fixes ermittelten, was eine Genauigkeit von unter einem Meter ergab. Tatsächlich wurde die Höhe des Mount Everest in den späten 1980er Jahren korrigiert, indem ein Transit-Empfänger verwendet wurde, um einen nahegelegenen Benchmark erneut zu vermessen.
Tausende von Kriegsschiffen, Frachtern und privaten Wasserfahrzeugen nutzten Transit von 1967 bis 1991. In den 1970er Jahren begann die Sowjetunion mit der Einführung eines eigenen Satellitennavigationssystems Parus (Militär) / Tsikada (Zivil), das neben der nächsten Generation GLONASS . auch heute noch im Einsatz ist . Einige sowjetische Kriegsschiffe waren mit Motorola NavSat-Empfängern ausgestattet.
Das Transitsystem wurde durch das Global Positioning System (GPS) obsolet und stellte 1996 den Navigationsdienst ein. Verbesserungen in der Elektronik ermöglichten es GPS-Empfängern, effektiv mehrere Fixes gleichzeitig zu erfassen, was die Komplexität der Positionsbestimmung erheblich reduzierte. GPS verwendet viel mehr Satelliten als bei Transit, was eine kontinuierliche Nutzung des Systems ermöglicht, während Transit nur stündlich oder mehr eine Ortung bereitstellt.
Nach 1996 wurden die Satelliten für das Navy Ionosphere Monitoring System (NIMS) verwendet.
Beschreibung
Satelliten
Die im System verwendeten Satelliten (bekannt als OSCAR- oder NOVA- Satelliten) wurden in niedrigen polaren Umlaufbahnen in einer Höhe von etwa 600 Seemeilen (690 Meilen; 1.100 km) mit einer Umlaufdauer von etwa 106 Minuten platziert. Eine Konstellation von fünf Satelliten war erforderlich, um eine angemessene globale Abdeckung zu gewährleisten. Während des Betriebs des Systems wurden in der Regel mindestens zehn Satelliten – ein Ersatzsatellit für jeden Satelliten in der Grundkonstellation – im Orbit gehalten. Beachten Sie , dass diese OSCAR - Satelliten nicht mit der OSCAR - Serie von Satelliten identisch waren , die für Amateurfunker zur Verwendung in der Satellitenkommunikation bestimmt waren .
Die Umlaufbahnen der Transit-Satelliten wurden so gewählt, dass sie die gesamte Erde abdecken; sie überquerten die Pole und verteilten sich am Äquator. Da in der Regel nur ein Satellit zu einem bestimmten Zeitpunkt sichtbar war, konnten Ortungen nur vorgenommen werden, wenn sich einer der Satelliten über dem Horizont befand. Am Äquator betrug diese Verzögerung zwischen den Fixes mehrere Stunden; in mittleren Breiten verringerte sich die Verzögerung auf ein oder zwei Stunden. Für seine beabsichtigte Rolle als Aktualisierungssystem für den SLBM-Start reichte Transit aus, da U-Boote regelmäßig Korrekturen vornahmen, um ihr Trägheitsleitsystem zurückzusetzen , Transit jedoch nicht in der Lage war, schnelle Positionsmessungen in Echtzeit durchzuführen.
Mit späteren Verbesserungen lieferte das System eine Single-Pass-Genauigkeit von ungefähr 200 Metern (660 ft) und ermöglichte auch eine Zeitsynchronisierung auf ungefähr 50 Mikrosekunden. Transitsatelliten sendeten auch verschlüsselte Nachrichten, obwohl dies eine sekundäre Funktion war.
Die Transit-Satelliten verwendeten Arrays von Magnetkernspeichern als Massendatenspeicher von bis zu 32 Kilobyte.
Bestimmung der Bodenlage
Das grundlegende Funktionsprinzip von Transit ähnelt dem von Notfall- Ortungssendern , nur dass sich im letzteren Fall der Sender am Boden und der Empfänger im Orbit befindet.
Jeder Satellit des Transit-Systems sendete zwei UHF-Trägersignale, die präzise Zeithacks (alle zwei Minuten) lieferten, sowie die sechs Bahnelemente des Satelliten und die Bahnstörungsvariablen . Die Bahn- Ephemeriden und die Uhrkorrekturen wurden zweimal täglich von einer der vier Navy-Tracking- und Injektionsstationen auf jeden Satelliten hochgeladen. Diese ausgestrahlten Informationen ermöglichten es einem Bodenempfänger, den Standort des Satelliten zu jedem Zeitpunkt zu berechnen. Die Verwendung von zwei Trägerfrequenzen ermöglichte es Bodenempfängern, durch ionosphärische Brechung verursachte Navigationsfehler zu reduzieren. Das Transit-System stellte auch den ersten weltweiten Zeitnahmedienst bereit, der es ermöglichte, Uhren überall mit einer Genauigkeit von 50 Mikrosekunden zu synchronisieren.
Der Transit-Satellit sendet auf 150 und 400 MHz. Die beiden Frequenzen wurden verwendet, um die Brechung der Satellitenfunksignale durch die Ionosphäre aufzuheben, wodurch die Ortungsgenauigkeit verbessert wurde.
Die entscheidende Information, die es dem Empfänger ermöglichte, den Standort zu berechnen, war eine einzigartige Frequenzkurve, die durch den Dopplereffekt verursacht wurde . Der Doppler-Effekt verursachte eine scheinbare Kompression der Wellenlänge des Trägers, wenn sich der Satellit dem Empfänger näherte, und eine Dehnung der Wellenlängen, wenn sich der Satellit zurückzog. Das Raumfahrzeug flog mit etwa 17.000 Meilen pro Stunde, was die Frequenz des empfangenen Trägersignals um bis zu 10 kHz erhöhen oder verringern konnte. Diese Dopplerkurve war für jeden Standort innerhalb der Sichtlinie des Satelliten einzigartig. Zum Beispiel führte die Erdrotation dazu, dass sich der Bodenempfänger auf die Umlaufbahn des Satelliten zu oder von ihr weg bewegte, wodurch eine nicht symmetrische Doppler-Verschiebung für Annäherung und Rezession erzeugt wurde, sodass der Empfänger feststellen konnte, ob er sich östlich oder westlich des Nord-Süd- Bodens des Satelliten befand verfolgen .
Die Berechnung des wahrscheinlichsten Empfängerstandorts war keine triviale Aufgabe. Die Navigationssoftware verwendet die Bewegung des Satelliten, um eine „Probe“-Doppler-Kurve zu berechnen, basierend auf einer anfänglichen „Probe“-Position für den Empfänger. Die Software würde dann für jeden 2-Minuten-Abschnitt der Doppler-Kurve eine Kurvenanpassung nach der Methode der kleinsten Quadrate durchführen und die Testposition rekursiv verschieben, bis die Test-Doppler-Kurve dem tatsächlichen Doppler-Empfang des Satelliten für alle 2-Minuten-Kurvensegmente „am nächsten“ entsprach .
Wenn sich der Empfänger auch relativ zur Erde bewegt, beispielsweise an Bord eines Schiffes oder Flugzeugs, würde dies zu Fehlanpassungen mit den idealisierten Dopplerkurven führen und die Positionsgenauigkeit verschlechtern. Die Positionsgenauigkeit konnte jedoch für ein langsam fahrendes Schiff normalerweise auf 100 Meter genau berechnet werden, selbst wenn nur eine zweiminütige Dopplerkurve empfangen wurde. Dies war das von der US Navy geforderte Navigationskriterium, da amerikanische U-Boote ihre UHF-Antenne normalerweise nur 2 Minuten lang freilegen, um einen brauchbaren Transit-Fix zu erhalten. Die US-U-Boot-Version des Transit-Systems enthielt auch eine spezielle verschlüsselte, genauere Version der Orbitaldaten des heruntergeladenen Satelliten. Diese verbesserten Daten ermöglichten eine erheblich verbesserte Systemgenauigkeit [ähnlich der selektiven Verfügbarkeit (SA) unter GPS]. In diesem erweiterten Modus betrug die Genauigkeit typischerweise weniger als 20 Meter, dh die Genauigkeit lag zwischen der von LORAN C und GPS. Transit war sicherlich das genaueste Navigationssystem seiner Zeit.
Bestimmung der Satellitenumlaufbahnen
Ein Netzwerk von Bodenstationen, deren Standorte genau bekannt waren, verfolgte kontinuierlich die Transit-Satelliten. Sie maßen die Dopplerverschiebung und übertrugen die Daten auf ein 5-Loch-Papierband. Diese Daten wurden über kommerzielle und militärische Fernschreibernetze an das Satellitenkontrollzentrum des Applied Physics Laboratory in Laurel, Maryland, gesendet. Die Daten der festen Bodenstationen lieferten die Standortinformationen zur Umlaufbahn des Transit-Satelliten. Die Ortung eines Transit-Satelliten in der Erdumlaufbahn von einer bekannten Bodenstation unter Verwendung der Doppler-Verschiebung ist einfach das Gegenteil der Verwendung der bekannten Position des Satelliten in der Erdumlaufbahn, um eine unbekannte Position auf der Erde zu lokalisieren, wiederum unter Verwendung der Doppler-Verschiebung.
Eine typische Bodenstation belegte eine kleine Quonset-Hütte . Die Genauigkeit der Bodenstationsmessungen war eine Funktion der Hauptuhrgenauigkeit der Bodenstation. Als Hauptuhr diente zunächst ein Quarzoszillator in einem temperaturgesteuerten Ofen . Die Hauptuhr wurde täglich mit einem VLF-Empfänger, der auf eine VLF-Station der US Navy eingestellt war, auf Drift überprüft. Das VLF-Signal hatte die Eigenschaft, dass sich die Phase des VLF-Signals mittags auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger von Tag zu Tag nicht änderte und somit zur Messung der Oszillatordrift verwendet werden konnte. Später wurden Rubidium- und Cäsium-Strahlenuhren verwendet. Bodenstationen hatten Nummernnamen; Station 019 war beispielsweise die McMurdo-Station in der Antarktis. In den 1970er Jahren war diese Station viele Jahre lang von einem Doktoranden und einem Bachelor-Studenten, typischerweise in Elektrotechnik, der University of Texas in Austin besetzt. Weitere Stationen befanden sich an der New Mexico State University, der University of Texas in Austin, Sizilien, Japan, den Seychellen, Thule Grönland und einer Reihe anderer Standorte. Die Stationen in Grönland und Antarktis sahen jeden Durchgang jedes Transit-Satelliten aufgrund ihrer polnahen Position für diese polarumlaufenden Satelliten.
Tragbarer Geoceiver
Eine tragbare Version der Bodenstation wurde Geoceiver genannt und wurde verwendet, um Feldmessungen durchzuführen. Dieser Empfänger, das Netzteil, die Lochstreifeneinheit und die Antennen könnten in eine Reihe von gepolsterten Aluminiumkoffern passen und als zusätzliche Fracht auf einer Fluggesellschaft transportiert werden. Die Daten wurden über einen Zeitraum, in der Regel eine Woche, aufgenommen und zur Verarbeitung an das Satellitenkontrollzentrum zurückgesendet. Daher gab es im Gegensatz zu GPS keine sofortige genaue Position des Geoceiver-Standorts. Ein Geoceiver befand sich permanent an der Südpolstation und wurde von Mitarbeitern des United States Geological Survey betrieben. Da es sich auf der Oberfläche eines sich bewegenden Eisschildes befand, wurden seine Daten verwendet, um die Eisschildbewegung zu messen. Andere Geoceiver wurden im Sommer auf dem Feld in der Antarktis ausgefahren und verwendet, um Standorte zu vermessen, zum Beispiel die Bewegung des Ross-Schelfeises .
Der AN/UYK-1 (TRW-130) Computer
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Da es keinen Computer gab, der klein genug war, um durch die Luke eines U-Boots zu passen (1958), wurde ein neuer Computer mit dem Namen AN/UYK-1 (TRW-130) entwickelt. Es war mit abgerundeten Ecken gebaut, um durch die Luke zu passen, und war etwa 1,50 m hoch und wasserdicht versiegelt. Der Hauptdesigningenieur war damals UCLA-Fakultätsmitglied Lowell Amdahl, der Bruder von Gene Amdahl . Die AN/UYK-1 wurde von der Ramo-Wooldridge Corporation (später TRW) für die SSBNs der Lafayette- Klasse gebaut . Es war mit 8.192 Wörtern 15-Bit- Kernspeicher plus Paritätsbit ausgestattet , die in ihrer Fabrik in Canoga Park von Hand eingefädelt wurden. Die Zykluszeit betrug etwa eine Mikrosekunde . Die AN/UYK-1 wog etwa 250 kg.
Der AN/UYK-1 war eine mikroprogrammierte Maschine mit einer Wortlänge von 15 Bit, die keine Hardwarebefehle zum Subtrahieren, Multiplizieren oder Dividieren hatte, aber addieren, verschieben, Einserkomplement bilden und das Übertragsbit testen konnte. Anweisungen zum Ausführen von Standard-Fest- und Gleitkommaoperationen waren Software-Subroutinen und Programme waren Listen von Verknüpfungen und Operatoren zu diesen Subroutinen. Zum Beispiel musste das Unterprogramm "subtrahieren" das Einerkomplement des Subtrahends bilden und addieren. Die Multiplikation erforderte aufeinanderfolgendes Verschieben und bedingtes Addieren.
Im Befehlssatz AN/UYK-1 verfügten die maschinensprachlichen Befehle über zwei Operatoren, die gleichzeitig die arithmetischen Register manipulieren konnten – zum Beispiel den Inhalt eines Registers ergänzen, während ein anderes geladen oder gespeichert wird. Es könnte der erste Computer gewesen sein, der die Fähigkeit zur indirekten Adressierung in einem einzigen Zyklus implementierte.
Während eines Satellitendurchgangs würde ein GE-Empfänger die Bahnparameter und verschlüsselte Nachrichten vom Satelliten empfangen sowie die Doppler-verschobene Frequenz in Intervallen messen und diese Daten an den AN/UYK-1-Computer übermitteln. Der Computer würde auch vom Trägheitsnavigationssystem (SINS) des Schiffes eine Ablesung der Breiten- und Längengrade erhalten. Unter Verwendung dieser Informationen führte das AN/UYK-1 einen Algorithmus der kleinsten Quadrate durch und lieferte in etwa fünfzehn Minuten eine Standortbestimmung.
Andere Satelliten
Es gab 41 Satelliten in der Transit-Serie, die von der NASA den Transit- Namen erhielten.
Transit 3B demonstrierte das Hochladen von Programmen in den Speicher des Bordcomputers im Orbit.
Transit 4A, gestartet am 29. Juni 1961, war der erste Satellit, der eine radioaktive Energiequelle (RTG) (ein SNAP-3 ) verwendet. Transit 4B (1961) hatte auch ein SNAP-3-RTG. Transit 4B gehörte zu mehreren Satelliten, die bei einer Atomexplosion versehentlich beschädigt oder zerstört wurden, insbesondere beim US-amerikanischen Starfish Prime -Atomtest in großer Höhe am 9. Juli 1962 und dem anschließenden Strahlungsgürtel .
Transit 5A3 und Transit 5B-1 (1963) hatten jeweils ein SNAP-3 RTG .
Transit 5B-2 (1963) hatte ein SNAP-9A- RTG.
1964 gelang es einer Rakete nicht, Transit 5BN-3 mit einem SNAP-9A RTG in die Umlaufbahn zu bringen. Es „verglühte beim Wiedereintritt und zerfiel in kleine Partikel“ zusammen mit seinem etwa 1 Kilogramm Plutonium-238.
Transit 5B-5 nahm nach längerer Inaktivität die Kommunikation wieder auf (ein Zombie-Satellit ).
Transit-9 und 5B4 (1964) sowie Transit-5B7 und 5B6 (1965) hatten jeweils "eine Kernenergiequelle".
Die US Air Force startete auch regelmäßig kurzlebige Satelliten, die mit Funkfeuern von 162 MHz und 324 MHz ausgestattet sind, auf viel niedrigeren Umlaufbahnen, um den Bahnwiderstand zu untersuchen . Die Bodenverfolgungsstationen von Transit verfolgten auch diese Satelliten und lokalisierten die Satelliten innerhalb ihrer Umlaufbahnen nach den gleichen Prinzipien. Die Standortdaten der Satelliten wurden verwendet, um Daten über den Bahnwiderstand zu sammeln, einschließlich der Variationen in der oberen Atmosphäre und des Gravitationsfeldes der Erde.
Beacon Explorer-A und Beacon Explorer-B trugen auch Transit-kompatible Sender.