Histoire du système de navigation par satellite
Le département américain de la Défense place «Transit 1B», 1er satellite de navigation, en orbite autour de la Terre
Le système Transit, également connu sous le nom de NAVSAT ou NNSS (pour Navy Navigation Satellite System), a été le premier système de navigation par satellite à être utilisé de manière opérationnelle. Le système de radionavigation a été principalement utilisé par l’US Navy pour fournir des informations de localisation précises à ses sous-marins lanceurs de missiles balistiques Polaris, et il a également été utilisé comme système de navigation par les navires de surface de la Navy, ainsi que pour les levés hydrographiques et géodésiques..
Transit a fourni un service de navigation par satellite continu à partir de 1964, initialement pour les sous-marins Polaris et plus tard pour un usage civil également. Dans le programme Project DAMP, le navire de poursuite de missiles USAS American Mariner a également utilisé les données du satellite pour obtenir des informations précises sur la localisation du navire avant de positionner ses radars de poursuite.
Histoire – Satellite de transit opérationnel
Le système de satellite Transit, parrainé par la Marine et développé conjointement par la DARPA et le Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, sous la direction du Dr Richard Kershner de Johns Hopkins, a été le premier système de géo positionnement par satellite. Quelques jours seulement après le lancement soviétique de Spoutnik1, le premier satellite artificiel en orbite terrestre le 4 octobre 1957, deux physiciens de l’APL, William Guier et George Weiffenbach, se sont retrouvés en discussion sur les signaux radio susceptibles d’émaner du satellite. Ils ont pu déterminer l’orbite de Spoutnik en analysant le décalage Doppler de ses signaux radio au cours d’une seule passé. Discutant de la voie à suivre pour leurs recherches, leur directeur Frank McClure, président du centre de recherche de l’APL, a suggéré en mars 1958 que si la position du satellite était connue et prévisible, le décalage Doppler pourrait être utilisé pour localiser un récepteur sur Terre, et a proposé un système satellitaire pour mettre en œuvre ce principe.
Le développement du système de transit a commencé en 1958 et un prototype de satellite, le transit 1A, a été lancé en septembre 1959. Ce satellite n’a pas réussi à atteindre l’orbite. Un deuxième satellite, Transit 1B, a été lancé avec succès le 13 avril 1960 par une fusée Thor-Ablestar. Les premiers tests réussis du système ont été réalisés en 1960 et le système est entré dans le service naval en 1964.
Le Chance Vought/LTV Scout La fusée a été choisie comme véhicule de lancement dédié pour le programme car elle a livré une charge utile en orbite pour le coût le plus bas par livre. Cependant, la décision Scout a imposé deux contraintes de conception. Tout d’abord, le poids des premiers satellites était d’environ 300 livres (140 kg) chacun, mais la capacité de lancement du Scout sur l’orbite de transit était d’environ 120 livres (54 kg), mais elle a été considérablement augmentée par la suite. Une réduction de la masse du satellite a dû être réalisée, malgré une demande de plus de puissance que ce qu’APL avait précédemment conçu dans un satellite. Le deuxième problème concernait l’augmentation des vibrations qui affectait la charge utile lors du lancement car le Scout utilisait des moteurs à fusée solide. Ainsi, un équipement électronique plus petit qu’auparavant et suffisamment robuste pour résister aux vibrations accrues du lancement a dû être produit.
Répondre aux nouvelles demandes a été plus difficile que prévu, mais cela a été accompli. Le premier prototype de satellite opérationnel (Transit 5A-1) a été lancé sur une orbite polaire par une fusée Scout le 18 décembre 1962. Le satellite a vérifié une nouvelle technique pour déployer les panneaux solaires et pour se séparer de la fusée, mais sans succès en raison de problèmes avec le système d’alimentation. Le transit 5A-2, lancé le 5 avril 1963, n’a pas réussi à atteindre l’orbite. Le Transit 5A-3, avec une alimentation redessinée, a été lancé le 15 juin 1963. Un dysfonctionnement de la mémoire s’est produit pendant le vol propulsé qui l’a empêché d’accepter et de stocker le message de navigation, et la stabilité de l’oscillateur a été dégradée pendant le lancement. Ainsi, 5A-3 ne pouvait pas être utilisé pour la navigation. Cependant, ce satellite a été le premier à atteindre. Le premier prototype de satellite opérationnel (Transit 5A-1) a été lancé sur une orbite polaire par une fusée Scout le 18 décembre 1962. Le satellite a vérifié une nouvelle technique pour déployer les panneaux solaires et pour se séparer de la fusée, mais sans succès en raison de problèmes avec le système d’alimentation.
Le transit 5A-2, lancé le 5 avril 1963, n’a pas réussi à atteindre l’orbite. Le Transit 5A-3, avec une alimentation redessinée, a été lancé le 15 juin 1963. Un dysfonctionnement de la mémoire s’est produit pendant le vol propulsé qui l’a empêché d’accepter et de stocker le message de navigation, et la stabilité de l’oscillateur a été dégradée pendant le lancement. Ainsi, 5A-3 ne pouvait pas être utilisé pour la navigation. Cependant, ce satellite a été le premier à atteindre Le premier prototype de satellite opérationnel (Transit 5A-1) a été lancé sur une orbite polaire par une fusée Scout le 18 décembre 1962. Le satellite a vérifié une nouvelle technique pour déployer les panneaux solaires et pour se séparer de la fusée, mais sans succès en raison de problèmes avec le système d’alimentation. Le transit 5A-2, lancé le 5 avril 1963, n’a pas réussi à atteindre l’orbite. Le Transit 5A-3, avec une alimentation redessinée, a été lancé le 15 juin 1963. Un dysfonctionnement de la mémoire s’est produit pendant le vol propulsé qui l’a empêché d’accepter et de stocker le message de navigation, et la stabilité de l’oscillateur a été dégradée pendant le lancement. Ainsi, 5A-3 ne pouvait pas être utilisé pour la navigation. Cependant, ce satellite a été le premier à atteindre Le satellite a vérifié une nouvelle technique pour déployer les panneaux solaires et pour se séparer de la fusée, mais sinon, cela n’a pas réussi en raison de problèmes avec le système d’alimentation.
Le transit 5A-2, lancé le 5 avril 1963, n’a pas réussi à atteindre l’orbite. Le Transit 5A-3, avec une alimentation redessinée, a été lancé le 15 juin 1963. Un dysfonctionnement de la mémoire s’est produit pendant le vol propulsé qui l’a empêché d’accepter et de stocker le message de navigation, et la stabilité de l’oscillateur a été dégradée pendant le lancement. Ainsi, 5A-3 ne pouvait pas être utilisé pour la navigation. Cependant, ce satellite a été le premier à atteindre Le satellite a vérifié une nouvelle technique pour déployer les panneaux solaires et pour se séparer de la fusée, mais sinon, cela n’a pas réussi en raison de problèmes avec le système d’alimentation. Le transit 5A-2, lancé le 5 avril 1963, n’a pas réussi à atteindre l’orbite. Le Transit 5A-3, avec une alimentation redessinée, a été lancé le 15 juin 1963. Un dysfonctionnement de la mémoire s’est produit pendant le vol propulsé qui l’a empêché d’accepter et de stocker le message de navigation, et la stabilité de l’oscillateur a été dégradée pendant le lancement.
Ainsi, 5A-3 ne pouvait pas être utilisé pour la navigation. Cependant, ce satellite a été le premier à atteindre avec une alimentation redessinée, a été lancé le 15 juin 1963. Un dysfonctionnement de la mémoire s’est produit pendant le vol propulsé qui l’empêchait d’accepter et de stocker le message de navigation, et la stabilité de l’oscillateur s’est dégradée pendant le lancement. Ainsi, 5A-3 ne pouvait pas être utilisé pour la navigation. Cependant, ce satellite a été le premier à atteindre avec une alimentation redessinée, a été lancé le 15 juin 1963. Un dysfonctionnement de la mémoire s’est produit pendant le vol propulsé qui l’empêchait d’accepter et de stocker le message de navigation, et la stabilité de l’oscillateur s’est dégradée pendant le lancement. Ainsi, 5A-3 ne pouvait pas être utilisé pour la navigation. Cependant, ce satellite a été le premier à atteindre stabilisation par gradient de gravité et ses autres sous-systèmes ont bien fonctionné.
Les géomètres ont utilisé Transit pour localiser des points de repère à distance en faisant la moyenne de dizaines de points de transit, produisant une précision inférieure au mètre. [10] En fait, l’élévation du mont Everest a été corrigée à la fin des années 1980 en utilisant un récepteur de transit pour réétudier un repère à proximité.
Des milliers de navires de guerre, de cargos et d’embarcations privées ont utilisé Transit de 1967 à 1991. Dans les années 1970, l’Union soviétique a commencé à lancer son propre système de navigation par satellite Parus (militaire) / Tsikada (civil), qui est toujours utilisé aujourd’hui en plus de la prochaine génération GLONASS. Certains navires de guerre soviétiques étaient équipés de récepteurs Motorola NavSat.
Le système de transit a été rendu obsolète par le système de positionnement global (GPS) et a cessé le service de navigation en 1996. Les améliorations de l’électronique ont permis aux récepteurs GPS de prendre plusieurs points à la fois, réduisant considérablement la complexité de déduire une position. Le GPS utilise beaucoup plus de satellites qu’avec Transit, ce qui permet au système d’être utilisé en continu, tandis que Transit ne fournissait un relevé que toutes les heures ou plus.
Après 1996, les satellites ont été maintenus en service pour le système de surveillance ionosphérique de la marine (NIMS).
La description – Satellites
Les satellites (connus sous le nom de satellites OSCAR ou NOVA) utilisés dans le système ont été placés sur des orbites polaires basses, à une altitude d’environ 600 milles marins (690 mi; 1 100 km), avec une période orbitale d’environ 106 minutes. Une constellation de cinq satellites était nécessaire pour assurer une couverture mondiale raisonnable. Pendant que le système était opérationnel, au moins dix satellites – un de réserve pour chaque satellite de la constellation de base – étaient généralement maintenus en orbite. Notez que ces satellites OSCAR n’étaient pas les mêmes que la série de satellites OSCAR qui étaient destinés à être utilisés par les opérateurs de radio amateur pour les communications par satellite.
Les orbites des satellites Transit ont été choisis pour couvrir l’ensemble de la Terre ; ils traversaient les pôles et s’étalaient à l’équateur. Étant donné qu’un seul satellite était généralement visible à un moment donné, les corrections ne pouvaient être effectuées que lorsque l’un des satellites était au-dessus de l’horizon. A l’équateur, ce délai entre les repères était de plusieurs heures ; aux latitudes moyennes, le retard a diminué à une heure ou deux. Pour son rôle de système de mise à jour pour le lancement du SLBM, Transit suffisait, car les sous-marins effectuaient des corrections périodiques pour réinitialiser leur système de guidage inertiel, mais Transit n’avait pas la capacité de fournir des mesures de position à grande vitesse et en temps réel.
Les satellites Transit utilisaient des matrices de mémoire à noyau magnétique comme stockage de masse de données jusqu’à 32 kilo-octets.
Détermination de l’emplacement au sol
Le principe de fonctionnement de base du Transit est similaire au système utilisé par les émetteurs de localisation d’urgence, sauf que dans ce dernier cas l’émetteur est au sol et le récepteur est en orbite.
Chaque satellite du système de transit a diffusé deux signaux porteurs UHF qui ont fourni des hacks de temps précis (toutes les deux minutes), ainsi que les six éléments orbitaux du satellite et les variables de perturbation de l’orbite. Les éphémérides d’orbite et les corrections d’horloge ont été téléchargées deux fois par jour sur chaque satellite à partir de l’une des quatre stations de suivi et d’injection de la Marine. Ces informations de diffusion ont permis à un récepteur au sol de calculer l’emplacement du satellite à tout moment. L’utilisation de deux fréquences porteuses a permis aux récepteurs au sol de réduire les erreurs de navigation causées par la réfraction ionosphérique. Le système Transit a également fourni le premier service mondial de chronométrage, permettant aux horloges de partout d’être synchronisées avec une précision de 50 microsecondes.
Le satellite Transit diffuse sur 150 et 400 MHz. Les deux fréquences ont été utilisées pour permettre l’annulation de la réfraction des signaux radio satellite par l’ionosphère, améliorant ainsi la précision de la localisation.
L’information critique qui a permis au récepteur de calculer l’emplacement était une courbe de fréquence unique causée par l’effet Doppler. L’effet Doppler a provoqué une compression apparente de la longueur d’onde de la porteuse à mesure que le satellite s’approchait du récepteur et un étirement des longueurs d’onde à mesure que le satellite s’éloignait. Le vaisseau spatial a voyagé à environ 17 000 mph, ce qui pourrait augmenter ou diminuer la fréquence du signal porteur reçu jusqu’à 10 kHz. Cette courbe Doppler était unique pour chaque emplacement dans la ligne de visée du satellite. Par exemple, la rotation de la Terre a amené le récepteur au sol à se rapprocher ou à s’éloigner de l’orbite du satellite, créant un décalage Doppler non symétrique pour l’approche et la récession, permettant au récepteur de déterminer s’il était à l’est ou à l’ouest du satellite.nord-sudpiste au sol.
Le calcul de l’emplacement le plus probable du récepteur n’était pas un exercice trivial. Le logiciel de navigation a utilisé le mouvement du satellite pour calculer une courbe Doppler « d’essai », basée sur un emplacement « d’essai » initial pour le récepteur. Le logiciel effectuerait ensuite un ajustement de la courbe des moindres carrés pour chaque section de deux minutes de la courbe Doppler, déplaçant de manière récursive la position d’essai jusqu’à ce que la courbe Doppler d’essai corresponde « le plus étroitement » au Doppler réel reçu du satellite pour tous les segments de courbe de deux minutes.
Si le récepteur se déplaçait également par rapport à la terre, comme à bord d’un navire ou d’un avion, cela entraînerait des décalages avec les courbes Doppler idéalisées et dégraderait la précision de la position. Cependant, la précision de la position peut généralement être calculée à moins de 100 mètres pour un navire lent, même avec la réception d’une seule courbe Doppler de deux minutes. C’était le critère de navigation exigé par l’US Navy, car les sous-marins américains n’exposaient normalement leur antenne UHF que 2 minutes pour obtenir un repère de transit utilisable. La version sous-marine américaine du système de transit comprenait également une version spéciale cryptée et plus précise des données orbitales du satellite téléchargé. Ces données améliorées ont permis d’améliorer considérablement la précision du système [un peu comme Disponibilité sélective (SA) sous GPS]. En utilisant ce mode amélioré, la précision était généralement inférieure à 20 mètres, c’est-à-dire que la précision se situait entre celle du LORAN C et du GPS. Certes, Transit était le système de navigation le plus précis de son époque.
Détermination des orbites des satellites
Un réseau de stations au sol, dont les emplacements étaient connus avec précision, suivait en permanence les satellites Transit. Ils ont mesuré le décalage Doppler et transféré les données sur une bande de papier à 5 trous. Ces données ont été envoyées au centre de contrôle des satellites du laboratoire de physique appliquée à Laurel, dans le Maryland, à l’aide de réseaux de téléimprimeurs commerciaux et militaires. Les données des stations fixes au sol ont fourni les informations de localisation sur l’orbite du satellite Transit. La localisation d’un satellite de transit en orbite terrestre à partir d’une station au sol connue en utilisant le décalage Doppler est simplement l’inverse de l’utilisation de l’emplacement connu du satellite en orbite pour localiser un emplacement inconnu sur la terre, encore une fois en utilisant le décalage Doppler.
Une station au sol typique occupait une petite hutte Quonset. La précision des mesures de la station au sol était fonction de la précision de l’horloge maîtresse de la station au sol. Initialement, un oscillateur à quartz dans un four à température contrôlée a été utilisé comme horloge mère. L’horloge mère a été vérifiée quotidiennement pour détecter toute dérive à l’aide d’un récepteur VLF réglé sur une station VLF de l’US Navy. Le signal VLF avait la propriété que la phase du signal VLF ne changeait pas d’un jour à l’autre à midi le long du trajet entre l’émetteur et le récepteur et pouvait donc être utilisé pour mesurer la dérive de l’oscillateur. 
Faisceau ultérieur de rubidium et de césiumdes horloges ont été utilisées. Les stations au sol avaient des noms de numéros ; par exemple, la station 019 était la station McMurdo, en Antarctique. Pendant de nombreuses années au cours des années 1970, cette station était composée d’un étudiant diplômé et d’un étudiant de premier cycle, généralement en génie électrique, de l’Université du Texas à Austin. D’autres stations étaient situées à l’Université d’État du Nouveau-Mexique, à l’Université du Texas à Austin, en Sicile, au Japon, à l’île des Seychelles, à Thulé Groenland et à plusieurs autres endroits. Les stations du Groenland et de l’Antarctique ont vu chaque passage de chaque satellite de transit en raison de leur emplacement proche du pôle pour ces satellites en orbite polaire.
Géo récepteur portable
Une version portable de la station au sol s’appelait Geoceiver et était utilisée pour effectuer des mesures sur le terrain. Ce récepteur, l’alimentation, l’unité de ruban perforé et les antennes pourraient tenir dans un certain nombre de boîtiers en aluminium rembourrés et pourraient être expédiés en tant que fret supplémentaire sur une compagnie aérienne. Les données ont été collectées sur une période de temps, généralement une semaine, et renvoyées au centre de contrôle des satellites pour traitement. Par conséquent, contrairement au GPS, il n’y avait pas de localisation précise immédiate de l’emplacement du Geoceiver. Un Geoceiver était situé en permanence à la station du pôle Sud et exploité par le personnel de l’United States Geological Survey. Comme il était situé à la surface d’une calotte glaciaire en mouvement, ses données ont été utilisées pour mesurer le mouvement de la calotte glaciaire. D’autres Geoceivers ont été sortis sur le terrain en Antarctique pendant l’été et ont été utilisés pour mesurer des emplacements, par exemple le mouvement de la Plate-forme de glace Ross.
Satellite de navigation
En 1960, le premier satellite de navigation américain, le Transit-1B a été lancé de cap Canaveral, en Floride, sur une fusée Thor-Ablestar et l’Ablestar a effectué le premier redémarrage du moteur dans l’espace pour affiner l’orbite. La charge utile, pesant 265 livres, inclus 2 oscillateurs ultrastables, 2 émetteurs et récepteurs de télémétrie, batteries et cellules solaires. Le système Transit a été conçu pour répondre aux besoins de la Marine en matière de localisation précise des sous-marins lance-missiles balistiques et d’autres navires. Il a atteint sa capacité opérationnelle initiale en 1964 et sa pleine capacité en octobre 1968. Ses émissions de navigation ont été délibérément désactivées le 31 décembre 1996. Les chefs d’état-major interarmées avaient décidé de s’appuyer uniquement sur le GPS pour la navigation et le positionnement, ont pris leur retraite après plus de 32 ans de service continu et réussi à la marine américaine.
Lancement du satellite «Transit 1B»
Lancement, depuis cap Canaveral, d’un satellite américain expérimental de 265 livres conçu pour aider à la navigation, le Transit 1B.
Ancêtre du système GPS (Global Positioning Satellite