Hệ thống vệ tinh dẫn đường của Liên Xô, Nga và Mỹ. câu chuyện hai
Ngày 4 tháng 1957 năm 1 là một động lực quan trọng đối với Hoa Kỳ - sau khi Liên Xô phóng vệ tinh Trái đất nhân tạo đầu tiên, các kỹ sư Mỹ đã quyết định điều chỉnh không gian để đáp ứng nhu cầu điều hướng (với đặc điểm thực tế của Yankees). Tại Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng Johns Hopkins (Applied Physics Laboratory), các nhân viên W. G. Guyer và J. K. Wiffenbach đã nghiên cứu tín hiệu vô tuyến từ vệ tinh Sputnik-XNUMX của Liên Xô và thu hút sự chú ý đến sự dịch chuyển tần số Doppler mạnh của tín hiệu phát ra từ một vệ tinh đi ngang qua. Khi đứa con đầu lòng của chúng ta trong không gian đến gần, tần số của tín hiệu tăng lên, trong khi đứa con đầu lòng đi xa hơn phát ra tín hiệu vô tuyến có tần số giảm dần. Các nhà nghiên cứu đã cố gắng phát triển một chương trình máy tính để xác định các thông số về quỹ đạo của một vật thể bay từ tín hiệu vô tuyến của nó trong một lần. Đương nhiên, nguyên tắc ngược lại cũng có thể xảy ra - tính toán các tham số quỹ đạo đã biết bằng cách sử dụng cùng một tần số thay đổi tọa độ chưa biết của máy thu vô tuyến mặt đất. Ý tưởng này nảy ra với nhân viên APL F. T. McClure, và anh ấy cùng với giám đốc phòng thí nghiệm Richard Kershner đã tập hợp một nhóm các nhà nghiên cứu để thực hiện một dự án có tên là Transit.
Richard Kershner (trái) là một trong những cha đẻ của Hệ thống Định vị Toàn cầu Hoa Kỳ. Nguồn: gpsworld.com
USS George Washington là người sử dụng đầu tiên của hệ thống Transit. Nguồn: zonwar.ru
Quỹ đạo hoạt động của chòm sao Transit. Nguồn: gpsworld.com
Khách hàng chính là Hải quân Hoa Kỳ, lực lượng cần các công cụ dẫn đường chính xác cho các tàu ngầm mới được trang bị tên lửa Polaris. Nhu cầu xác định chính xác vị trí của các tàu ngầm lớp George Washington là điều cần thiết cho sự mới lạ khi đó - phóng tên lửa mang đầu đạn hạt nhân từ bất kỳ đâu trên các đại dương trên thế giới.
Thiết bị tiếp nhận quá cảnh cho tàu ngầm. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Đến năm 1958, người Mỹ đã có thể trình bày mẫu thử nghiệm đầu tiên của vệ tinh Transit và vào ngày 17 tháng 1959 năm XNUMX, nó đã được đưa vào vũ trụ. Cơ sở hạ tầng mặt đất cũng được tạo ra - tổ hợp thiết bị định vị dành cho người tiêu dùng, cũng như các trạm theo dõi mặt đất, đã sẵn sàng vào thời điểm ra mắt.
Các kỹ sư của Đại học Hopkins lắp ráp và thử nghiệm tàu vũ trụ Transit. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Người Mỹ đã làm việc trong một dự án định vị vệ tinh ở chế độ đốt cháy hoàn toàn: đến năm 1959, họ đã thiết kế tới 1963 loại vệ tinh Transit, tất cả đều được phóng và thử nghiệm sau đó. Ở chế độ vận hành, hệ thống định vị của Mỹ bắt đầu hoạt động vào tháng 60 năm XNUMX, tức là trong vòng chưa đầy XNUMX năm, có thể tạo ra một hệ thống khả thi được phân biệt bởi độ chính xác tốt vào thời điểm đó - lỗi bình phương trung bình gốc (RMS) cho một vật thể đứng yên là XNUMX m.
Vệ tinh Transit 5A model 1970. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Máy thu của hệ thống Chuyển tuyến được lắp đặt trong xe do nhà địa chất Ted Maxwell của Đại học Smithsonian sử dụng ở sa mạc Ai Cập năm 1987. Con ngựa của nhà nghiên cứu hóa ra là ...
... "Niva" của Liên Xô! Nguồn: gpsworld.com[/center]
Việc xác định tọa độ của một chiếc tàu ngầm đang di chuyển trên bề mặt gặp nhiều vấn đề hơn: nếu bạn mắc lỗi với giá trị tốc độ 0,5 km / h, thì SCP sẽ tăng lên 500 m. giúp đỡ ở vị trí cố định của tàu, điều này một lần nữa không dễ dàng. Quá cảnh quỹ đạo thấp (độ cao 1100 km) đã được Hải quân Hoa Kỳ thông qua vào giữa năm thứ 64 như một phần của bốn vệ tinh, sau đó đưa chòm sao quỹ đạo lên bảy thiết bị và từ điều hướng thứ 67 chỉ có sẵn cho người phàm. Hiện tại, chòm sao vệ tinh Transit được sử dụng để nghiên cứu tầng điện ly. Nhược điểm của hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên trên thế giới là không có khả năng xác định độ cao vị trí của người sử dụng mặt đất, thời gian quan sát đáng kể và độ chính xác của việc định vị vật thể, cuối cùng trở nên không đủ. Tất cả điều này dẫn đến những tìm kiếm mới trong ngành vũ trụ Hoa Kỳ.
Phi thuyền thời gian. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Hệ thống định vị vệ tinh thứ hai liên tiếp là Timation từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân (NRL - Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân), do Roger Easton đứng đầu. Là một phần của dự án, hai vệ tinh đã được lắp ráp, được trang bị đồng hồ siêu chính xác để phát tín hiệu thời gian cho người tiêu dùng trên mặt đất và xác định chính xác vị trí của họ.
Vệ tinh thử nghiệm Timation NTS-3 được trang bị đồng hồ rubidi. Nguồn: gpsworld.com
Tại Timation, nguyên tắc cơ bản về hoạt động của các hệ thống GPS trong tương lai đã được xây dựng: một máy phát đang hoạt động trên vệ tinh, phát ra tín hiệu được mã hóa, tín hiệu này đã cố định thuê bao mặt đất và đo độ trễ trong quá trình truyền của nó. Biết vị trí chính xác của vệ tinh trên quỹ đạo, thiết bị dễ dàng tính toán khoảng cách tới nó và dựa trên những dữ liệu này, xác định tọa độ của chính nó (thiên văn). Tất nhiên, điều này cần ít nhất ba vệ tinh và tốt nhất là bốn vệ tinh. Những chiếc Timations đầu tiên đã đi vào vũ trụ vào năm 1967 và mang theo những chiếc đồng hồ thạch anh lúc đầu, và sau đó là những chiếc nguyên tử cực kỳ chính xác - rubidi và Caesium.
Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, độc lập với Hải quân, vận hành hệ thống định vị toàn cầu của riêng mình, được gọi là Hệ thống 621B (Không quân 621B). Tính ba chiều đã trở thành một cải tiến quan trọng của kỹ thuật này - giờ đây có thể xác định vĩ độ, kinh độ và chiều cao đã chờ đợi từ lâu của một vật thể. Các tín hiệu vệ tinh được phân tách theo nguyên tắc mã hóa mới dựa trên tín hiệu giống như nhiễu giả ngẫu nhiên. Mã giả ngẫu nhiên làm tăng khả năng chống nhiễu của tín hiệu và giải quyết vấn đề hạn chế truy cập. Người dùng dân sự của thiết bị định vị chỉ có quyền truy cập vào các mã mở, mã này có thể được sửa đổi từ trung tâm điều khiển mặt đất bất cứ lúc nào. Trong trường hợp này, tất cả các thiết bị "hòa bình" sẽ thất bại, xác định tọa độ của chính nó với một lỗi đáng kể. Các mã quân sự đã đóng sẽ không thay đổi.
Các thử nghiệm bắt đầu vào năm 1972 tại địa điểm thử nghiệm New Mexico, sử dụng máy phát khí cầu và máy bay làm mô phỏng vệ tinh. "Hệ thống 612B" cho thấy độ chính xác định vị vượt trội vài mét và đó là thời điểm khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu quỹ đạo trung bình với 16 vệ tinh đã ra đời. Trong phiên bản này, một cụm bốn vệ tinh (số lượng như vậy là cần thiết để điều hướng chính xác) cung cấp vùng phủ sóng 24 giờ cho toàn bộ lục địa. Trong một vài năm, "Hệ thống 612B" đã ở trong tình trạng thử nghiệm và không được Lầu Năm Góc đặc biệt quan tâm. Đồng thời, một số văn phòng ở Hoa Kỳ đang làm việc về một chủ đề điều hướng "nóng": Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng đang nghiên cứu một bản sửa đổi của Transit, Hải quân đang "hoàn thiện" Thời gian, và thậm chí cả lực lượng mặt đất cũng đưa ra đề xuất của riêng họ. SECOR (Sequential Correlation of Range, tính tuần tự các khoảng). Điều này không khỏi khiến Bộ Quốc phòng lo lắng, có nguy cơ gặp phải các định dạng điều hướng riêng trong từng loại quân. Tại một thời điểm nào đó, một trong những chiến binh người Mỹ đã đập tay lên bàn và GPS ra đời, tiếp thu tất cả những gì tốt nhất của những người tiền nhiệm. Vào giữa những năm 70, dưới sự bảo trợ của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, một ủy ban hỗn hợp ba bên đã được thành lập, được gọi là NAVSEG (Nhóm điều hành vệ tinh điều hướng), xác định các thông số quan trọng của hệ thống trong tương lai - số lượng vệ tinh, độ cao của chúng, mã tín hiệu và phương pháp điều chế. Khi chúng tôi đi đến con số chi phí, chúng tôi quyết định tạo ngay hai tùy chọn - quân sự và thương mại với sai số xác định trước về độ chính xác định vị. Lực lượng Không quân đóng một vai trò hàng đầu trong chương trình này, vì Lực lượng Không quân 621B của nó là mô hình phức tạp nhất của hệ thống định vị trong tương lai, từ đó GPS mượn công nghệ tiếng ồn giả ngẫu nhiên của nó gần như không thay đổi. Hệ thống đồng bộ hóa tín hiệu được lấy từ dự án Timtation, nhưng quỹ đạo được nâng lên 20 nghìn km, cung cấp chu kỳ quỹ đạo 12 giờ thay vì 8 giờ của người tiền nhiệm. Một vệ tinh có kinh nghiệm đã được phóng lên vũ trụ vào năm 1978 và như thường lệ, tất cả các cơ sở hạ tầng mặt đất cần thiết đã được chuẩn bị sơ bộ - chỉ có bảy loại thiết bị thu được phát minh. Năm 1995, GPS đã được triển khai đầy đủ - khoảng 30 vệ tinh liên tục trên quỹ đạo, mặc dù thực tế là 24 là đủ để hoạt động.Sáu mặt phẳng quỹ đạo cho các vệ tinh được phân bổ, với độ nghiêng 550. Hiện tại, các ứng dụng trắc địa GPS cho phép bạn xác định vị trí của người tiêu dùng với độ chính xác chưa đến một milimet! Từ năm 1996, vệ tinh Block 2R xuất hiện, được trang bị hệ thống định vị tự động AutoNav, cho phép thiết bị hoạt động trên quỹ đạo khi trạm điều khiển mặt đất bị phá hủy trong ít nhất 180 ngày.
Việc sử dụng GPS trong chiến đấu cho đến cuối những năm 80 là không thường xuyên và không đáng kể: xác định tọa độ của các bãi mìn ở Vịnh Ba Tư và loại bỏ những điểm không hoàn hảo của bản đồ trong cuộc xâm lược Panama. Một lễ rửa tội đầy lửa đã xảy ra ở Vịnh Ba Tư vào năm 1990-1991 trong "Cơn bão sa mạc". Bộ đội đã có thể chủ động cơ động trên sa mạc, nơi khó tìm được các mốc có thể chấp nhận được, cũng như tiến hành bắn pháo với độ chính xác cao vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày trong điều kiện bão cát. Sau đó, GPS tỏ ra hữu ích trong hoạt động gìn giữ hòa bình ở Somalia năm 1993, trong cuộc đổ bộ của Mỹ vào Haiti năm 1994, và cuối cùng là trong các chiến dịch ở Afghanistan và Iraq của thế kỷ XNUMX.
Richard Kershner (trái) là một trong những cha đẻ của Hệ thống Định vị Toàn cầu Hoa Kỳ. Nguồn: gpsworld.com
USS George Washington là người sử dụng đầu tiên của hệ thống Transit. Nguồn: zonwar.ru
Quỹ đạo hoạt động của chòm sao Transit. Nguồn: gpsworld.com
Khách hàng chính là Hải quân Hoa Kỳ, lực lượng cần các công cụ dẫn đường chính xác cho các tàu ngầm mới được trang bị tên lửa Polaris. Nhu cầu xác định chính xác vị trí của các tàu ngầm lớp George Washington là điều cần thiết cho sự mới lạ khi đó - phóng tên lửa mang đầu đạn hạt nhân từ bất kỳ đâu trên các đại dương trên thế giới.
Thiết bị tiếp nhận quá cảnh cho tàu ngầm. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Đến năm 1958, người Mỹ đã có thể trình bày mẫu thử nghiệm đầu tiên của vệ tinh Transit và vào ngày 17 tháng 1959 năm XNUMX, nó đã được đưa vào vũ trụ. Cơ sở hạ tầng mặt đất cũng được tạo ra - tổ hợp thiết bị định vị dành cho người tiêu dùng, cũng như các trạm theo dõi mặt đất, đã sẵn sàng vào thời điểm ra mắt.
Các kỹ sư của Đại học Hopkins lắp ráp và thử nghiệm tàu vũ trụ Transit. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Người Mỹ đã làm việc trong một dự án định vị vệ tinh ở chế độ đốt cháy hoàn toàn: đến năm 1959, họ đã thiết kế tới 1963 loại vệ tinh Transit, tất cả đều được phóng và thử nghiệm sau đó. Ở chế độ vận hành, hệ thống định vị của Mỹ bắt đầu hoạt động vào tháng 60 năm XNUMX, tức là trong vòng chưa đầy XNUMX năm, có thể tạo ra một hệ thống khả thi được phân biệt bởi độ chính xác tốt vào thời điểm đó - lỗi bình phương trung bình gốc (RMS) cho một vật thể đứng yên là XNUMX m.
Vệ tinh Transit 5A model 1970. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Máy thu của hệ thống Chuyển tuyến được lắp đặt trong xe do nhà địa chất Ted Maxwell của Đại học Smithsonian sử dụng ở sa mạc Ai Cập năm 1987. Con ngựa của nhà nghiên cứu hóa ra là ...
... "Niva" của Liên Xô! Nguồn: gpsworld.com[/center]
Việc xác định tọa độ của một chiếc tàu ngầm đang di chuyển trên bề mặt gặp nhiều vấn đề hơn: nếu bạn mắc lỗi với giá trị tốc độ 0,5 km / h, thì SCP sẽ tăng lên 500 m. giúp đỡ ở vị trí cố định của tàu, điều này một lần nữa không dễ dàng. Quá cảnh quỹ đạo thấp (độ cao 1100 km) đã được Hải quân Hoa Kỳ thông qua vào giữa năm thứ 64 như một phần của bốn vệ tinh, sau đó đưa chòm sao quỹ đạo lên bảy thiết bị và từ điều hướng thứ 67 chỉ có sẵn cho người phàm. Hiện tại, chòm sao vệ tinh Transit được sử dụng để nghiên cứu tầng điện ly. Nhược điểm của hệ thống định vị vệ tinh đầu tiên trên thế giới là không có khả năng xác định độ cao vị trí của người sử dụng mặt đất, thời gian quan sát đáng kể và độ chính xác của việc định vị vật thể, cuối cùng trở nên không đủ. Tất cả điều này dẫn đến những tìm kiếm mới trong ngành vũ trụ Hoa Kỳ.
Phi thuyền thời gian. Nguồn: timeandnavlation.si.edu
Hệ thống định vị vệ tinh thứ hai liên tiếp là Timation từ Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân (NRL - Phòng thí nghiệm Nghiên cứu Hải quân), do Roger Easton đứng đầu. Là một phần của dự án, hai vệ tinh đã được lắp ráp, được trang bị đồng hồ siêu chính xác để phát tín hiệu thời gian cho người tiêu dùng trên mặt đất và xác định chính xác vị trí của họ.
Vệ tinh thử nghiệm Timation NTS-3 được trang bị đồng hồ rubidi. Nguồn: gpsworld.com
Tại Timation, nguyên tắc cơ bản về hoạt động của các hệ thống GPS trong tương lai đã được xây dựng: một máy phát đang hoạt động trên vệ tinh, phát ra tín hiệu được mã hóa, tín hiệu này đã cố định thuê bao mặt đất và đo độ trễ trong quá trình truyền của nó. Biết vị trí chính xác của vệ tinh trên quỹ đạo, thiết bị dễ dàng tính toán khoảng cách tới nó và dựa trên những dữ liệu này, xác định tọa độ của chính nó (thiên văn). Tất nhiên, điều này cần ít nhất ba vệ tinh và tốt nhất là bốn vệ tinh. Những chiếc Timations đầu tiên đã đi vào vũ trụ vào năm 1967 và mang theo những chiếc đồng hồ thạch anh lúc đầu, và sau đó là những chiếc nguyên tử cực kỳ chính xác - rubidi và Caesium.
Lực lượng Không quân Hoa Kỳ, độc lập với Hải quân, vận hành hệ thống định vị toàn cầu của riêng mình, được gọi là Hệ thống 621B (Không quân 621B). Tính ba chiều đã trở thành một cải tiến quan trọng của kỹ thuật này - giờ đây có thể xác định vĩ độ, kinh độ và chiều cao đã chờ đợi từ lâu của một vật thể. Các tín hiệu vệ tinh được phân tách theo nguyên tắc mã hóa mới dựa trên tín hiệu giống như nhiễu giả ngẫu nhiên. Mã giả ngẫu nhiên làm tăng khả năng chống nhiễu của tín hiệu và giải quyết vấn đề hạn chế truy cập. Người dùng dân sự của thiết bị định vị chỉ có quyền truy cập vào các mã mở, mã này có thể được sửa đổi từ trung tâm điều khiển mặt đất bất cứ lúc nào. Trong trường hợp này, tất cả các thiết bị "hòa bình" sẽ thất bại, xác định tọa độ của chính nó với một lỗi đáng kể. Các mã quân sự đã đóng sẽ không thay đổi.
Các thử nghiệm bắt đầu vào năm 1972 tại địa điểm thử nghiệm New Mexico, sử dụng máy phát khí cầu và máy bay làm mô phỏng vệ tinh. "Hệ thống 612B" cho thấy độ chính xác định vị vượt trội vài mét và đó là thời điểm khái niệm về hệ thống định vị toàn cầu quỹ đạo trung bình với 16 vệ tinh đã ra đời. Trong phiên bản này, một cụm bốn vệ tinh (số lượng như vậy là cần thiết để điều hướng chính xác) cung cấp vùng phủ sóng 24 giờ cho toàn bộ lục địa. Trong một vài năm, "Hệ thống 612B" đã ở trong tình trạng thử nghiệm và không được Lầu Năm Góc đặc biệt quan tâm. Đồng thời, một số văn phòng ở Hoa Kỳ đang làm việc về một chủ đề điều hướng "nóng": Phòng thí nghiệm Vật lý Ứng dụng đang nghiên cứu một bản sửa đổi của Transit, Hải quân đang "hoàn thiện" Thời gian, và thậm chí cả lực lượng mặt đất cũng đưa ra đề xuất của riêng họ. SECOR (Sequential Correlation of Range, tính tuần tự các khoảng). Điều này không khỏi khiến Bộ Quốc phòng lo lắng, có nguy cơ gặp phải các định dạng điều hướng riêng trong từng loại quân. Tại một thời điểm nào đó, một trong những chiến binh người Mỹ đã đập tay lên bàn và GPS ra đời, tiếp thu tất cả những gì tốt nhất của những người tiền nhiệm. Vào giữa những năm 70, dưới sự bảo trợ của Bộ Quốc phòng Hoa Kỳ, một ủy ban hỗn hợp ba bên đã được thành lập, được gọi là NAVSEG (Nhóm điều hành vệ tinh điều hướng), xác định các thông số quan trọng của hệ thống trong tương lai - số lượng vệ tinh, độ cao của chúng, mã tín hiệu và phương pháp điều chế. Khi chúng tôi đi đến con số chi phí, chúng tôi quyết định tạo ngay hai tùy chọn - quân sự và thương mại với sai số xác định trước về độ chính xác định vị. Lực lượng Không quân đóng một vai trò hàng đầu trong chương trình này, vì Lực lượng Không quân 621B của nó là mô hình phức tạp nhất của hệ thống định vị trong tương lai, từ đó GPS mượn công nghệ tiếng ồn giả ngẫu nhiên của nó gần như không thay đổi. Hệ thống đồng bộ hóa tín hiệu được lấy từ dự án Timtation, nhưng quỹ đạo được nâng lên 20 nghìn km, cung cấp chu kỳ quỹ đạo 12 giờ thay vì 8 giờ của người tiền nhiệm. Một vệ tinh có kinh nghiệm đã được phóng lên vũ trụ vào năm 1978 và như thường lệ, tất cả các cơ sở hạ tầng mặt đất cần thiết đã được chuẩn bị sơ bộ - chỉ có bảy loại thiết bị thu được phát minh. Năm 1995, GPS đã được triển khai đầy đủ - khoảng 30 vệ tinh liên tục trên quỹ đạo, mặc dù thực tế là 24 là đủ để hoạt động.Sáu mặt phẳng quỹ đạo cho các vệ tinh được phân bổ, với độ nghiêng 550. Hiện tại, các ứng dụng trắc địa GPS cho phép bạn xác định vị trí của người tiêu dùng với độ chính xác chưa đến một milimet! Từ năm 1996, vệ tinh Block 2R xuất hiện, được trang bị hệ thống định vị tự động AutoNav, cho phép thiết bị hoạt động trên quỹ đạo khi trạm điều khiển mặt đất bị phá hủy trong ít nhất 180 ngày.
Việc sử dụng GPS trong chiến đấu cho đến cuối những năm 80 là không thường xuyên và không đáng kể: xác định tọa độ của các bãi mìn ở Vịnh Ba Tư và loại bỏ những điểm không hoàn hảo của bản đồ trong cuộc xâm lược Panama. Một lễ rửa tội đầy lửa đã xảy ra ở Vịnh Ba Tư vào năm 1990-1991 trong "Cơn bão sa mạc". Bộ đội đã có thể chủ động cơ động trên sa mạc, nơi khó tìm được các mốc có thể chấp nhận được, cũng như tiến hành bắn pháo với độ chính xác cao vào bất kỳ thời điểm nào trong ngày trong điều kiện bão cát. Sau đó, GPS tỏ ra hữu ích trong hoạt động gìn giữ hòa bình ở Somalia năm 1993, trong cuộc đổ bộ của Mỹ vào Haiti năm 1994, và cuối cùng là trong các chiến dịch ở Afghanistan và Iraq của thế kỷ XNUMX.
tin tức