4. október 1957 sa stal dôležitým podnetom pre USA - po vypustení prvého umelého satelitu Zeme v ZSSR sa americkí inžinieri rozhodli prispôsobiť priestor tak, aby spĺňal navigačné potreby (s praktickou charakteristikou Yankees). V Laboratóriu aplikovanej fyziky (APL) Univerzity Johna Hopkinsa spolupracovníci WG Guyer a J. C. Wiffenbach študovali rádiový signál zo sovietskeho Sputniku 1 a upozornili na silný dopplerovský frekvenčný posun signálu vysielaného prechádzajúcim satelitom. Keď sa náš prvorodený vo vesmíre priblížil, frekvencia signálu sa zvýšila a ustupujúci vysielal rádiové signály so znižujúcou sa frekvenciou. Vedcom sa podarilo vyvinúť počítačový program na určenie parametrov obežnej dráhy prechádzajúceho objektu z jeho rádiového signálu v jednom priechode. Prirodzene je možný aj opačný princíp - výpočet už známych parametrov obežnej dráhy pomocou rovnakého frekvenčného posunu neznámych súradníc pozemného rádiového prijímača. Táto myšlienka prišla k vedúcemu zamestnanca APL F. T. McClureho a ten spolu s riaditeľom laboratória Richardom Kershnerom spojili skupinu výskumníkov, aby pracovali na projekte s názvom Transit.
Richard Kershner (vľavo) je jedným zo zakladateľov amerického globálneho pozičného systému. Zdroj: gpsworld.com
Jadrová ponorka „George Washington“je prvým používateľom systému Transit. Zdroj: zonwar.ru
Operačné dráhy súhvezdia Tranzitu. Zdroj: gpsworld.com
Hlavným zákazníkom bolo americké námorníctvo, ktoré potrebovalo presné navigačné nástroje pre nové ponorky vybavené raketami Polaris. Potreba presne určiť polohu ponoriek ako „George Washington“bola pre vtedajšiu novinku - vypustenie rakiet s jadrovými hlavicami odkiaľkoľvek z oceánov - mimoriadne potrebná.
Zariadenie na príjem tranzitu pre ponorky. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Do roku 1958 mohli Američania predstaviť prvý experimentálny prototyp satelitu Transit a 17. septembra 1959 bol vyslaný do vesmíru. Vytvorila sa aj pozemná infraštruktúra - v čase spustenia bol pripravený komplex navigačného zariadenia používateľa a pozemné sledovacie stanice.
Technici Hopkinsovej univerzity montujú a testujú vesmírnu loď Transit. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Američania pracovali na projekte satelitnej navigácie v plnom režime prídavného spaľovania: do roku 1959 skonštruovali až päť typov satelitov Transit, ktoré boli neskôr všetky vypustené a testované. V operačnom režime začala americká navigácia fungovať v decembri 1963, to znamená, že za menej ako päť rokov bolo možné vytvoriť funkčný systém s dobrou presnosťou na svoju dobu-chyba stredného štvorca (RMS) pre stacionárny objekt. mala 60 m.
Model Satellite Transit 5A 1970. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Prijímač Transit nainštalovaný v aute, ktoré v roku 1987 v egyptskej púšti používal Smithsonov geológ Ted Maxwell. Pracovný kôň výskumníka sa ukázal byť …
… sovietska „Niva“! Zdroj: gpsworld.com [/center]
Určovanie súradníc ponorky pohybujúcej sa na povrchu bolo problematickejšie: ak urobíte chybu s hodnotou rýchlosti o 0,5 km / h, potom sa RMS zvýši na 500 m. Preto bolo účelnejšie obrátiť sa na satelit pomoc v stacionárnej polohe plavidla, čo opäť nebolo jednoduché. Tranzit s nízkou obežnou dráhou (1 100 km nadmorská výška) prijalo americké námorníctvo v polovici roku 64 ako súčasť štyroch satelitov, čím sa ďalej rozšírilo orbitálne zoskupenie na sedem vozidiel a zo 67 sa navigácia stala dostupnou iba pre smrteľníkov. V súčasnosti sa na štúdium ionosféry používa satelitná konštelácia Transit. Nevýhody prvého satelitného navigačného systému na svete boli neschopnosť určiť výšku polohy používateľa zeme, značné trvanie pozorovania a presnosť určovania polohy objektu, ktorá sa nakoniec stala nedostatočnou. To všetko viedlo k novému hľadaniu v americkom vesmírnom priemysle.
Časovanie kozmických lodí. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Druhým satelitným navigačným systémom bol Timation z Naval Research Laboratory (NRL), ktorý prevádzkoval Roger Easton. V rámci projektu boli zostavené dva satelity vybavené ultrapresnými hodinami na vysielanie časových signálov pozemským spotrebiteľom a presné určovanie ich vlastnej polohy.
Experimentálny satelit Timation NTS-3, vybavený rubídiovými hodinami. Zdroj: gpsworld.com
V Timation bol formulovaný základný princíp budúcich systémov GPS: na satelite fungoval vysielač vysielajúci kódovaný signál, ktorý zaznamenával pozemného účastníka a meral oneskorenie jeho prechodu. Zariadenie, ktoré pozná presnú polohu satelitu na obežnej dráhe, ľahko vypočítalo vzdialenosť k nemu a na základe týchto údajov určilo vlastné súradnice (efemeridy). Na to sú samozrejme potrebné najmenej tri satelity, najlepšie štyri. Prvé Timations sa dostali do vesmíru v roku 1967 a na začiatku niesli kremenné hodiny a neskôr ultrapresné atómové hodiny - rubídium a cézium.
Americké vojenské letectvo pôsobilo nezávisle od námorníctva na svojom vlastnom globálnom pozičnom systéme s názvom Air Force 621B. Trojrozmernosť sa stala dôležitou inováciou tejto techniky-teraz je možné určiť zemepisnú šírku, dĺžku a dlho očakávanú výšku objektu. Satelitné signály boli oddelené podľa nového kódovacieho princípu založeného na pseudonáhodnom šumovom signáli. Pseudonáhodný kód zvyšuje odolnosť signálu proti šumu a rieši problém obmedzenia prístupu. Civilní užívatelia navigačných zariadení majú prístup iba k otvorenému zdrojovému kódu, ktorý je možné kedykoľvek zmeniť z pozemného riadiaceho strediska. V tomto prípade zlyhá všetko "mierové" zariadenie, ktoré definuje svoje vlastné súradnice s výraznou chybou. Vojenské zamknuté kódy zostanú nezmenené.
Testy sa začali v roku 1972 na testovacom mieste v Novom Mexiku pomocou vysielačov na balónoch a lietadlách ako simulátorov satelitov. „Systém 612B“vykazoval vynikajúcu presnosť polohovania niekoľko metrov a práve v tom čase sa zrodil koncept globálneho navigačného systému so strednou obežnou dráhou so 16 satelitmi. V tejto verzii klaster štyroch satelitov (toto číslo je nevyhnutné pre presnú navigáciu) poskytoval 24-hodinové pokrytie celého kontinentu. „Systém 612B“bol niekoľko rokov v experimentálnej hodnosti a Pentagon ho nijako zvlášť nezaujímal. Niekoľko kancelárií v USA súčasne pracovalo na „horúcej“navigačnej téme: Laboratórium aplikovanej fyziky pracovalo na úprave tranzitu, námorníctvo „dokončovalo“časovanie a dokonca aj pozemné sily ponúkli svoje SECOR (sekvenčná korelácia rozsahu, sekvenčný výpočet rozsahov). To nemohlo znepokojovať ministerstvo obrany, ktorému hrozilo, že bude v každom type vojska čeliť jedinečným formátom navigácie. V určitom momente jeden z amerických bojovníkov buchol rukou o stôl a zrodilo sa GPS, ktoré v sebe zahŕňa všetko najlepšie zo svojich predchodcov. V polovici 70. rokov bol pod záštitou amerického ministerstva obrany vytvorený tripartitný spoločný výbor s názvom NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), ktorý určoval dôležité parametre budúceho systému - počet satelitov, ich výšky, signál kódy a metódy modulácie. Keď prišli na údaj o nákladoch, rozhodli sa okamžite vytvoriť dve možnosti - vojenské a obchodné s vopred určenou chybou v presnosti určovania polohy. Letectvo v tomto programe zohralo vedúcu úlohu, pretože jeho lietadlo Air Force 621B bolo najsofistikovanejším modelom budúceho navigačného systému, od ktorého si GPS požičiavalo prakticky nezmenenú technológiu pseudonáhodného šumu. Systém synchronizácie signálu bol prevzatý z projektu Timtation, ale obežná dráha sa zdvihla na 20 000 kilometrov, čo poskytovalo 12-hodinovú obežnú dobu namiesto 8-hodinovej predchodcu. Skúsený satelit bol vypustený do vesmíru už v roku 1978 a ako obvykle bola vopred pripravená všetka potrebná pozemná infraštruktúra - bolo vynájdených iba sedem typov prijímacích zariadení. V roku 1995 bol GPS nasadený naplno - na obežnej dráhe je neustále asi 30 satelitov, napriek tomu, že na prevádzku je dostatok 24. Orbitálnym rovinám pre satelity je pridelených šesť, so sklonom 550… V súčasnosti vám geodetické aplikácie GPS umožňujú určiť polohu spotrebiteľa s presnosťou menšou ako jeden milimeter! Od roku 1996 sa objavujú satelity Block 2R vybavené autonómnym navigačným systémom AutoNav, ktorý umožňuje vozidlu fungovať na obežnej dráhe, keď je pozemná riadiaca stanica zničená najmenej 180 dní.
Do konca osemdesiatych rokov bolo bojové používanie GPS sporadické a bezvýznamné: určovanie súradníc mínových polí v Perzskom zálive a odstraňovanie nedokonalostí máp počas invázie do Panamy. Plnohodnotný krst ohňom sa odohral v Perzskom zálive v rokoch 1990-1991 počas púštnej búrky. Vojaci dokázali aktívne manévrovať v púštnej oblasti, kde je ťažké nájsť prijateľné orientačné body, ako aj delostreleckú paľbu s vysokou presnosťou kedykoľvek počas dňa v podmienkach piesočných búrok. Neskôr sa GPS osvedčilo pri mierovej operácii v Somálsku v roku 1993, pri americkom pristátí na Haiti v roku 1994 a nakoniec pri afganských a irackých kampaniach 21. storočia.
