מערכות לוויין ניווט של ברית המועצות, רוסיה וארה"ב. סיפור שני
4 באוקטובר 1957 היווה תמריץ חשוב עבור ארצות הברית - לאחר שיגור לוויין כדור הארץ המלאכותי הראשון בברית המועצות, החליטו מהנדסים אמריקאים להתאים את החלל למילוי צורכי ניווט (עם המעשיות האופיינית ליאנקיז). במעבדה לפיזיקה יישומית של ג'ונס הופקינס (מעבדת פיזיקה יישומית), העובדים W.G. Guyer ו-J.K. Wiffenbach חקרו את אות הרדיו מהספוטניק-1 הסובייטי והסבו את תשומת הלב לשינוי החזק בתדר הדופלר של האות הנפלט מלוויין חולף. כשהבכורים שלנו בחלל התקרבו, תדירות האות גדלה, בעוד שהבכורה הנסוגה פלטת אותות רדיו בתדירות הולכת ופוחתת. החוקרים הצליחו לפתח תוכנת מחשב לקביעת הפרמטרים של מסלולו של עצם מעופף מתוך אות הרדיו שלו במעבר אחד. מטבע הדברים, העיקרון ההפוך אפשרי גם - חישוב פרמטרי המסלול הידועים כבר תוך שימוש באותו שינוי תדר של הקואורדינטות הלא ידועות של מקלט הרדיו הקרקע. רעיון זה עלה על דעתו של עובד APL F.T. McClure, והוא, יחד עם מנהל המעבדה, ריצ'רד קרשנר, הרכיבו קבוצת חוקרים לעבודה על פרויקט בשם טרנזיט.
ריצ'רד קרשנר (משמאל) הוא אחד מהאבות המייסדים של מערכת המיקום הגלובלית האמריקאית. מקור: gpsworld.com
USS George Washington הוא המשתמש הראשון של מערכת ה-Transit. מקור: zonwar.ru
מסלולים מבצעיים של קבוצת הכוכבים המעבר. מקור: gpsworld.com
הלקוח העיקרי היה חיל הים האמריקאי, שהיה זקוק לכלי ניווט מדויקים לצוללות חדשות המצוידות בטילי פולריס. הצורך לקבוע במדויק את מיקומן של צוללות בדרגת ג'ורג' וושינגטון היה חיוני לחידוש דאז - שיגור טילים עם ראשי נפץ גרעיניים מכל מקום באוקיינוסים בעולם.
ציוד קליטת מעבר לצוללות. מקור: timeandnavigation.si.edu
כבר ב-1958 הצליחו האמריקאים להציג את המדגם הניסיוני הראשון של לוויין הטרנזיט, וב-17 בספטמבר 1959 הוא נשלח לחלל. כמו כן נוצרה תשתית הקרקע - מתחם ציוד הניווט הצרכני, כמו גם תחנות מעקב קרקעיות, היו מוכנים עד למועד השיגור.
מהנדסי אוניברסיטת הופקינס מרכיבים ובודקים את חללית הטרנזיט. מקור: timeandnavigation.si.edu
האמריקאים עבדו על פרויקט ניווט לווייני במצב מבער מלא: עד 1959, הם תכננו לא פחות מחמישה סוגים של לווייני טרנזיט, שכולם שוגרו ונבדקו מאוחר יותר. במצב ההפעלה החל הניווט האמריקני לפעול בדצמבר 1963, כלומר תוך פחות מחמש שנים, ניתן היה ליצור מערכת ניתנת לעבודה אשר נבחנה על ידי דיוק טוב לתקופתה - שגיאת ה-Root mean square error (RMS) עבור חפץ נייח היה 60 מ'.
Satellite Transit 5A דגם 1970. מקור: timeandnavigation.si.edu
מקלט מערכת טרנזיט שהותקן ברכב ששימש את הגיאולוג מאוניברסיטת סמיתסוניאן טד מקסוול במדבר המצרי ב-1987. סוס העבודה של החוקר התברר כ...
... "ניווה" הסובייטית! מקור: gpsworld.com[/center]
קביעת הקואורדינטות של צוללת שנעה על פני השטח הייתה בעייתית יותר: אם אתה עושה טעות עם ערך המהירות ב-0,5 קמ"ש, ה-SCP יגדל ל-500 מ'. לכן, היה כדאי יותר לפנות ללוויין עבור עזרה במצב נייח של הכלי, וזה שוב לא היה קל. הטרנזיט במסלול נמוך (גובה 1100 ק"מ) אומץ על ידי הצי האמריקני באמצע השנה ה-64 כחלק מארבעה לוויינים, בהמשך הביאו את קבוצת הכוכבים המסלולית לשבעה מכשירים, ומהניווט ה-67 הפך זמין לבני תמותה בלבד. כרגע, קבוצת הלוויין Transit משמשת לחקר היונוספירה. החסרונות של מערכת הניווט הלווינית הראשונה בעולם היו חוסר היכולת לקבוע את גובה המיקום של המשתמש הקרקעי, משך התצפית המשמעותי ודיוק המיקום של העצם, שבסופו של דבר הפך לבלתי מספק. כל זה הוביל לחיפושים חדשים בתעשיית החלל האמריקאית.
חללית תזמון. מקור: timeandnavigation.si.edu
מערכת ניווט לוויינית השנייה בשורה הייתה Timation ממעבדת המחקר הימי (NRL - Naval Research Laboratory), אותה הוביל רוג'ר איסטון. במסגרת הפרויקט הורכבו שני לוויינים שצוידו בשעונים מדויקים במיוחד לשידור אותות זמן לצרכני הקרקע ולקבוע במדויק את מיקומם.
לוויין ניסיוני Timation NTS-3 מצויד בשעון רובידיום. מקור: gpsworld.com
ב-Timation גובש העיקרון הבסיסי של פעולת מערכות ה-GPS העתידיות: על הלוויין פעל משדר, שפולט אות מקודד, אשר קיבע את המנוי הקרקעי ומדד את העיכוב במעברו. בידיעת מיקומו המדויק של הלוויין במסלול, הציוד חישב בקלות את המרחק אליו ועל סמך נתונים אלה קבע את הקואורדינטות שלו (אפמריס). כמובן, זה דורש לפחות שלושה לוויינים, ורצוי ארבעה. הטימציות הראשונים יצאו לחלל ב-1967 ונשאו בראשיתם שעוני קוורץ, ואחר כך אטומיים מדויקים במיוחד - רובידיום וצסיום.
חיל האוויר של ארצות הברית, ללא תלות בצי, הפעיל מערכת מיקום גלובלית משלו, בשם System 621B (Air Force 621B). תלת מימד הפכה לחידוש חשוב בטכניקה זו - כעת ניתן לקבוע את קו הרוחב, קו האורך והגובה המיוחל של עצם. אותות הלוויין הופרדו על פי עקרון קידוד חדש המבוסס על אות דמוי רעש פסאודו אקראי. הקוד הפסאודו אקראי מגביר את חסינות הרעש של האות ופותר את סוגיית הגבלת הגישה. למשתמשים אזרחיים של ציוד ניווט יש גישה רק לקודים פתוחים, אותם ניתן לשנות ממרכז הבקרה הקרקעי בכל עת. במקרה זה, כל הציוד "השלו" ייכשל, ויקבע את הקואורדינטות שלו עם שגיאה משמעותית. הקודים הצבאיים הסגורים יישארו ללא שינוי.
הניסויים החלו בשנת 1972 באתר הניסויים בניו מקסיקו, תוך שימוש במשדרי בלונים ומטוסים כסימולטורים לוויינים. "מערכת 612B" הציגה דיוק מיקום יוצא דופן של מספר מטרים ובאותה תקופה נולד הרעיון של מערכת ניווט עולמית במסלול בינוני עם 16 לוויינים. בגרסה זו, צביר של ארבעה לוויינים (מספר כזה הכרחי לניווט מדויק) סיפק כיסוי 24 שעות של כל היבשת. במשך כמה שנים, "מערכת 612B" הייתה בדרגת ניסוי ולא עניינה במיוחד את הפנטגון. במקביל, כמה משרדים בארצות הברית עבדו על נושא ניווט "חם": המעבדה לפיזיקה יישומית עבדה על שינוי של הטרנזיט, הצי "סיים" את התזמון, ואפילו כוחות היבשה הציעו משלהם. SECOR (Correlation Sequential of Range, חישוב רציף של טווחים). זה לא יכול היה אלא להדאיג את משרד הביטחון, שהסתכן בהיתקלות בפורמטי ניווט ייחודיים בכל סוג של חיילים. בשלב מסוים, אחד הלוחמים האמריקאים הטיח את ידו על השולחן ונולד GPS, שקלט את כל המיטב מקודמיו. באמצע שנות ה-70, בחסות משרד ההגנה האמריקני, הוקמה ועדה משותפת משולשת בשם NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), שקבעה את הפרמטרים החשובים של המערכת העתידית - מספר הלוויינים, גבהים שלהם, קודי אות ושיטות אפנון. כשהגענו לנתון העלות, החלטנו ליצור מיידית שתי אפשרויות - צבאית ומסחרית עם שגיאה ידועה מראש ברמת דיוק המיקום. חיל האוויר מילא תפקיד מוביל בתוכנית זו, שכן ה-Air Force 621B שלו היה הדגם המשוכלל ביותר של מערכת הניווט העתידית, שממנו ה-GPS שאלו את טכנולוגיית הרעש הפסאודו-אקראי כמעט ללא שינוי. מערכת סינכרון האותות נלקחה מפרויקט Timtation, אך המסלול הועלה ל-20 אלף קילומטרים, מה שסיפק תקופת מסלול של 12 שעות במקום קודמו של 8 שעות. לוויין מנוסה שוגר לחלל כבר ב-1978 וכרגיל הוכנה מראש כל התשתית הקרקעית הדרושה - רק שבעה סוגי ציוד קליטה הומצאו. בשנת 1995 נפרס GPS במלואו - כ-30 לוויינים נמצאים כל הזמן במסלול, למרות ש-24 מספיקים לעבודה. מוקצים שישה מטוסי מסלול ללוויינים, בנטייה של 550. נכון לעכשיו, אפליקציות גיאודטיות GPS מאפשרות לקבוע את מיקומו של הצרכן בדיוק של פחות ממילימטר אחד! מאז 1996 הופיעו לווייני Block 2R, מצוידים במערכת הניווט האוטונומית AutoNav, המאפשרת למכשיר לפעול במסלול כאשר תחנת הבקרה הקרקעית נהרסה למשך 180 יום לפחות.
השימוש הקרבי ב-GPS עד סוף שנות ה-80 היה אפיזודי וחסר חשיבות: קביעת הקואורדינטות של שדות מוקשים במפרץ הפרסי וביטול פגמי המפות במהלך הפלישה לפנמה. טבילת אש מן המניין אירעה במפרץ הפרסי בשנים 1990-1991 במהלך "סערת המדבר". הכוחות הצליחו לתמרן באופן פעיל במדבר, שם קשה למצוא ציוני דרך מקובלים, כמו גם לנהל ירי ארטילרי בדיוק גבוה בכל שעה של היום בתנאי סופת חול. מאוחר יותר, GPS התגלה כשימושי במבצע שמירת השלום בסומליה ב-1993, בנחיתות האמריקאיות בהאיטי ב-1994, ולבסוף בקמפיינים האפגניים והעיראקים של המאה ה-XNUMX.
ריצ'רד קרשנר (משמאל) הוא אחד מהאבות המייסדים של מערכת המיקום הגלובלית האמריקאית. מקור: gpsworld.com
USS George Washington הוא המשתמש הראשון של מערכת ה-Transit. מקור: zonwar.ru
מסלולים מבצעיים של קבוצת הכוכבים המעבר. מקור: gpsworld.com
הלקוח העיקרי היה חיל הים האמריקאי, שהיה זקוק לכלי ניווט מדויקים לצוללות חדשות המצוידות בטילי פולריס. הצורך לקבוע במדויק את מיקומן של צוללות בדרגת ג'ורג' וושינגטון היה חיוני לחידוש דאז - שיגור טילים עם ראשי נפץ גרעיניים מכל מקום באוקיינוסים בעולם.
ציוד קליטת מעבר לצוללות. מקור: timeandnavigation.si.edu
כבר ב-1958 הצליחו האמריקאים להציג את המדגם הניסיוני הראשון של לוויין הטרנזיט, וב-17 בספטמבר 1959 הוא נשלח לחלל. כמו כן נוצרה תשתית הקרקע - מתחם ציוד הניווט הצרכני, כמו גם תחנות מעקב קרקעיות, היו מוכנים עד למועד השיגור.
מהנדסי אוניברסיטת הופקינס מרכיבים ובודקים את חללית הטרנזיט. מקור: timeandnavigation.si.edu
האמריקאים עבדו על פרויקט ניווט לווייני במצב מבער מלא: עד 1959, הם תכננו לא פחות מחמישה סוגים של לווייני טרנזיט, שכולם שוגרו ונבדקו מאוחר יותר. במצב ההפעלה החל הניווט האמריקני לפעול בדצמבר 1963, כלומר תוך פחות מחמש שנים, ניתן היה ליצור מערכת ניתנת לעבודה אשר נבחנה על ידי דיוק טוב לתקופתה - שגיאת ה-Root mean square error (RMS) עבור חפץ נייח היה 60 מ'.
Satellite Transit 5A דגם 1970. מקור: timeandnavigation.si.edu
מקלט מערכת טרנזיט שהותקן ברכב ששימש את הגיאולוג מאוניברסיטת סמיתסוניאן טד מקסוול במדבר המצרי ב-1987. סוס העבודה של החוקר התברר כ...
... "ניווה" הסובייטית! מקור: gpsworld.com[/center]
קביעת הקואורדינטות של צוללת שנעה על פני השטח הייתה בעייתית יותר: אם אתה עושה טעות עם ערך המהירות ב-0,5 קמ"ש, ה-SCP יגדל ל-500 מ'. לכן, היה כדאי יותר לפנות ללוויין עבור עזרה במצב נייח של הכלי, וזה שוב לא היה קל. הטרנזיט במסלול נמוך (גובה 1100 ק"מ) אומץ על ידי הצי האמריקני באמצע השנה ה-64 כחלק מארבעה לוויינים, בהמשך הביאו את קבוצת הכוכבים המסלולית לשבעה מכשירים, ומהניווט ה-67 הפך זמין לבני תמותה בלבד. כרגע, קבוצת הלוויין Transit משמשת לחקר היונוספירה. החסרונות של מערכת הניווט הלווינית הראשונה בעולם היו חוסר היכולת לקבוע את גובה המיקום של המשתמש הקרקעי, משך התצפית המשמעותי ודיוק המיקום של העצם, שבסופו של דבר הפך לבלתי מספק. כל זה הוביל לחיפושים חדשים בתעשיית החלל האמריקאית.
חללית תזמון. מקור: timeandnavigation.si.edu
מערכת ניווט לוויינית השנייה בשורה הייתה Timation ממעבדת המחקר הימי (NRL - Naval Research Laboratory), אותה הוביל רוג'ר איסטון. במסגרת הפרויקט הורכבו שני לוויינים שצוידו בשעונים מדויקים במיוחד לשידור אותות זמן לצרכני הקרקע ולקבוע במדויק את מיקומם.
לוויין ניסיוני Timation NTS-3 מצויד בשעון רובידיום. מקור: gpsworld.com
ב-Timation גובש העיקרון הבסיסי של פעולת מערכות ה-GPS העתידיות: על הלוויין פעל משדר, שפולט אות מקודד, אשר קיבע את המנוי הקרקעי ומדד את העיכוב במעברו. בידיעת מיקומו המדויק של הלוויין במסלול, הציוד חישב בקלות את המרחק אליו ועל סמך נתונים אלה קבע את הקואורדינטות שלו (אפמריס). כמובן, זה דורש לפחות שלושה לוויינים, ורצוי ארבעה. הטימציות הראשונים יצאו לחלל ב-1967 ונשאו בראשיתם שעוני קוורץ, ואחר כך אטומיים מדויקים במיוחד - רובידיום וצסיום.
חיל האוויר של ארצות הברית, ללא תלות בצי, הפעיל מערכת מיקום גלובלית משלו, בשם System 621B (Air Force 621B). תלת מימד הפכה לחידוש חשוב בטכניקה זו - כעת ניתן לקבוע את קו הרוחב, קו האורך והגובה המיוחל של עצם. אותות הלוויין הופרדו על פי עקרון קידוד חדש המבוסס על אות דמוי רעש פסאודו אקראי. הקוד הפסאודו אקראי מגביר את חסינות הרעש של האות ופותר את סוגיית הגבלת הגישה. למשתמשים אזרחיים של ציוד ניווט יש גישה רק לקודים פתוחים, אותם ניתן לשנות ממרכז הבקרה הקרקעי בכל עת. במקרה זה, כל הציוד "השלו" ייכשל, ויקבע את הקואורדינטות שלו עם שגיאה משמעותית. הקודים הצבאיים הסגורים יישארו ללא שינוי.
הניסויים החלו בשנת 1972 באתר הניסויים בניו מקסיקו, תוך שימוש במשדרי בלונים ומטוסים כסימולטורים לוויינים. "מערכת 612B" הציגה דיוק מיקום יוצא דופן של מספר מטרים ובאותה תקופה נולד הרעיון של מערכת ניווט עולמית במסלול בינוני עם 16 לוויינים. בגרסה זו, צביר של ארבעה לוויינים (מספר כזה הכרחי לניווט מדויק) סיפק כיסוי 24 שעות של כל היבשת. במשך כמה שנים, "מערכת 612B" הייתה בדרגת ניסוי ולא עניינה במיוחד את הפנטגון. במקביל, כמה משרדים בארצות הברית עבדו על נושא ניווט "חם": המעבדה לפיזיקה יישומית עבדה על שינוי של הטרנזיט, הצי "סיים" את התזמון, ואפילו כוחות היבשה הציעו משלהם. SECOR (Correlation Sequential of Range, חישוב רציף של טווחים). זה לא יכול היה אלא להדאיג את משרד הביטחון, שהסתכן בהיתקלות בפורמטי ניווט ייחודיים בכל סוג של חיילים. בשלב מסוים, אחד הלוחמים האמריקאים הטיח את ידו על השולחן ונולד GPS, שקלט את כל המיטב מקודמיו. באמצע שנות ה-70, בחסות משרד ההגנה האמריקני, הוקמה ועדה משותפת משולשת בשם NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), שקבעה את הפרמטרים החשובים של המערכת העתידית - מספר הלוויינים, גבהים שלהם, קודי אות ושיטות אפנון. כשהגענו לנתון העלות, החלטנו ליצור מיידית שתי אפשרויות - צבאית ומסחרית עם שגיאה ידועה מראש ברמת דיוק המיקום. חיל האוויר מילא תפקיד מוביל בתוכנית זו, שכן ה-Air Force 621B שלו היה הדגם המשוכלל ביותר של מערכת הניווט העתידית, שממנו ה-GPS שאלו את טכנולוגיית הרעש הפסאודו-אקראי כמעט ללא שינוי. מערכת סינכרון האותות נלקחה מפרויקט Timtation, אך המסלול הועלה ל-20 אלף קילומטרים, מה שסיפק תקופת מסלול של 12 שעות במקום קודמו של 8 שעות. לוויין מנוסה שוגר לחלל כבר ב-1978 וכרגיל הוכנה מראש כל התשתית הקרקעית הדרושה - רק שבעה סוגי ציוד קליטה הומצאו. בשנת 1995 נפרס GPS במלואו - כ-30 לוויינים נמצאים כל הזמן במסלול, למרות ש-24 מספיקים לעבודה. מוקצים שישה מטוסי מסלול ללוויינים, בנטייה של 550. נכון לעכשיו, אפליקציות גיאודטיות GPS מאפשרות לקבוע את מיקומו של הצרכן בדיוק של פחות ממילימטר אחד! מאז 1996 הופיעו לווייני Block 2R, מצוידים במערכת הניווט האוטונומית AutoNav, המאפשרת למכשיר לפעול במסלול כאשר תחנת הבקרה הקרקעית נהרסה למשך 180 יום לפחות.
השימוש הקרבי ב-GPS עד סוף שנות ה-80 היה אפיזודי וחסר חשיבות: קביעת הקואורדינטות של שדות מוקשים במפרץ הפרסי וביטול פגמי המפות במהלך הפלישה לפנמה. טבילת אש מן המניין אירעה במפרץ הפרסי בשנים 1990-1991 במהלך "סערת המדבר". הכוחות הצליחו לתמרן באופן פעיל במדבר, שם קשה למצוא ציוני דרך מקובלים, כמו גם לנהל ירי ארטילרי בדיוק גבוה בכל שעה של היום בתנאי סופת חול. מאוחר יותר, GPS התגלה כשימושי במבצע שמירת השלום בסומליה ב-1993, בנחיתות האמריקאיות בהאיטי ב-1994, ולבסוף בקמפיינים האפגניים והעיראקים של המאה ה-XNUMX.
מידע