Il 4 ottobre 1957 divenne un importante incentivo per gli Stati Uniti: dopo il lancio del primo satellite artificiale terrestre in URSS, gli ingegneri americani decisero di adattare lo spazio per soddisfare le esigenze di navigazione (con la caratteristica di praticità degli Yankees). Presso l'Applied Physics Laboratory (APL) della Johns Hopkins University, i collaboratori WG Guyer e J. C. Wiffenbach hanno studiato il segnale radio dello Sputnik 1 sovietico e hanno attirato l'attenzione sul forte spostamento di frequenza Doppler del segnale emesso da un satellite di passaggio. Quando il nostro primogenito nello spazio si avvicinò, la frequenza del segnale aumentò e quello che si allontanava emetteva segnali radio di frequenza decrescente. I ricercatori sono riusciti a sviluppare un programma per computer per determinare i parametri dell'orbita di un oggetto in transito dal suo segnale radio in un solo passaggio. Naturalmente, è anche possibile il principio opposto: il calcolo dei parametri già noti dell'orbita utilizzando lo stesso spostamento di frequenza delle coordinate sconosciute del ricevitore radio terrestre. Questa idea è venuta al capo dell'impiegato APL F. T. McClure e lui, insieme al direttore del laboratorio, Richard Kershner, ha messo insieme un gruppo di ricercatori per lavorare su un progetto chiamato Transit.
Richard Kershner (a sinistra) è uno dei padri fondatori dell'American Global Positioning System. Fonte: gpsworld.com
Il sottomarino nucleare "George Washington" è il primo utente del sistema di transito. Fonte: zonwar.ru
Orbite operative della costellazione del Transito. Fonte: gpsworld.com
Il cliente principale era la US Navy, che necessitava di strumenti di navigazione di precisione per i nuovi sottomarini equipaggiati con missili Polaris. La necessità di determinare con precisione la posizione di sottomarini come "George Washington" era estremamente necessaria per l'allora novità: il lancio di missili con testate nucleari da qualsiasi parte degli oceani.
Apparecchiature di ricezione del transito per sottomarini. Fonte: timeandnavigation.si.edu
Nel 1958, gli americani furono in grado di presentare il primo prototipo sperimentale del satellite Transit e il 17 settembre 1959 fu inviato nello spazio. È stata anche creata l'infrastruttura di terra: al momento del lancio, il complesso delle apparecchiature di navigazione dell'utente e le stazioni di rilevamento a terra erano pronte.
Gli ingegneri della Hopkins University assemblano e testano la navicella spaziale Transit. Fonte: timeandnavigation.si.edu
Gli americani lavorarono a un progetto di navigazione satellitare in modalità full postbruciatore: nel 1959 avevano costruito ben cinque tipi di satelliti Transit, che in seguito furono tutti lanciati e testati. In modalità operativa, la navigazione americana iniziò a funzionare nel dicembre 1963, ovvero in meno di cinque anni fu possibile creare un sistema funzionante con una buona precisione per l'epoca: l'errore quadratico medio (RMS) per un oggetto stazionario era di 60 metri.
Modello Satellite Transit 5A 1970. Fonte: timeandnavigation.si.edu
Un ricevitore Transit installato in un'auto utilizzata dal geologo Smithsonian Ted Maxwell nel deserto egiziano nel 1987. Il cavallo di battaglia del ricercatore si è rivelato essere …
…la "Niva" sovietica! Fonte: gpsworld.com [/center]
Determinare le coordinate di un sottomarino in movimento sulla superficie era più problematico: se si commette un errore con il valore della velocità di 0,5 km / h, l'RMS aumenterà a 500 m. Pertanto, era più opportuno rivolgersi al satellite per aiutare in una posizione stazionaria della nave, che ancora una volta non è stato facile. Il transito in orbita bassa (1100 km di altitudine) fu adottato dalla Marina degli Stati Uniti a metà del 64, come parte di quattro satelliti, aumentando ulteriormente il raggruppamento orbitale a sette veicoli, e da 67 la navigazione divenne disponibile per i comuni mortali. Al momento, la costellazione di satelliti Transit viene utilizzata per studiare la ionosfera. Gli svantaggi del primo sistema di navigazione satellitare al mondo erano l'incapacità di determinare l'altezza della posizione dell'utente a terra, la notevole durata dell'osservazione e l'accuratezza del posizionamento dell'oggetto, che alla fine divenne insufficiente. Tutto ciò ha portato a nuove ricerche nell'industria spaziale statunitense.
Temporizzazione del veicolo spaziale. Fonte: timeandnavigation.si.edu
Il secondo sistema di navigazione satellitare era Timation del Naval Research Laboratory (NRL), gestito da Roger Easton. Nell'ambito del progetto sono stati assemblati due satelliti, dotati di orologi ultra precisi per trasmettere segnali orari ai consumatori terrestri e determinare con precisione la propria posizione.
Satellite sperimentale Timation NTS-3, dotato di orologio al rubidio. Fonte: gpsworld.com
A Timation è stato formulato il principio base dei futuri sistemi GPS: un trasmettitore operava sul satellite, emettendo un segnale codificato, che registrava l'abbonato di terra e misurava il ritardo del suo passaggio. Conoscendo l'esatta posizione del satellite in orbita, l'apparecchiatura ha facilmente calcolato la distanza da esso e, sulla base di questi dati, ha determinato le proprie coordinate (effemeridi). Naturalmente, ciò richiede almeno tre satelliti e preferibilmente quattro. I primi Timations andarono nello spazio nel 1967 e portarono all'inizio orologi al quarzo, e successivamente orologi atomici ultraprecisi - rubidio e cesio.
L'Air Force degli Stati Uniti ha operato indipendentemente dalla Marina sul proprio sistema di posizionamento globale chiamato Air Force 621B. La tridimensionalità è diventata un'importante innovazione di questa tecnica: ora è possibile determinare la latitudine, la longitudine e l'altezza tanto attesa di un oggetto. I segnali satellitari sono stati separati secondo un nuovo principio di codifica basato su un segnale pseudo-casuale simile al rumore. Il codice pseudo-casuale aumenta l'immunità al rumore del segnale e risolve il problema della limitazione dell'accesso. Gli utenti civili delle apparecchiature di navigazione hanno accesso solo al codice open source, che può essere modificato in qualsiasi momento dal centro di controllo a terra. In questo caso, tutte le apparecchiature "pacifiche" falliranno, definendo le proprie coordinate con un errore significativo. I codici militari bloccati rimarranno invariati.
I test iniziarono nel 1972 in un sito di prova nel New Mexico, utilizzando trasmettitori su palloni e aeroplani come simulatori di satelliti. Il "Sistema 612B" ha mostrato un'eccezionale precisione di posizionamento di diversi metri ed è stato in quel momento che è nato il concetto di un sistema di navigazione globale a media orbita con 16 satelliti. In questa versione, un cluster di quattro satelliti (questo numero è necessario per una navigazione accurata) ha fornito una copertura 24 ore su 24 dell'intero continente. Per un paio d'anni, il "Sistema 612B" era nel rango sperimentale e non era particolarmente interessato al Pentagono. Allo stesso tempo, diversi uffici negli Stati Uniti stavano lavorando su un tema di navigazione "caldo": il Laboratorio di Fisica Applicata stava lavorando a una modifica del Transito, la Marina stava "terminando" Timation, e anche le forze di terra hanno offerto il proprio SECOR (Sequential Correlation of Range, calcolo sequenziale dei range). Questo non poteva che preoccupare il Ministero della Difesa, che rischiava di trovarsi di fronte a formati di navigazione unici in ogni tipologia di truppa. Ad un certo momento, uno dei guerrieri americani sbatté la mano sul tavolo e nacque un GPS, che incorporava tutto il meglio dei suoi predecessori. A metà degli anni '70, sotto gli auspici del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti, fu creato un comitato congiunto tripartito chiamato NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), che determinò i parametri importanti del futuro sistema: il numero di satelliti, le loro altezze, il segnale codici e metodi di modulazione. Quando sono arrivati alla cifra dei costi, hanno deciso di creare immediatamente due opzioni: militare e commerciale con un errore predeterminato nella precisione di posizionamento. L'Air Force ha svolto un ruolo di primo piano in questo programma, poiché il suo Air Force 621B era il modello più sofisticato del futuro sistema di navigazione, dal quale il GPS ha mutuato la tecnologia del rumore pseudo-casuale praticamente invariata. Il sistema di sincronizzazione del segnale è stato preso dal progetto Timtation, ma l'orbita è stata portata a 20 mila chilometri, il che ha fornito un periodo orbitale di 12 ore invece di quello di 8 ore del suo predecessore. Un satellite esperto è stato lanciato nello spazio già nel 1978 e, come al solito, tutta l'infrastruttura di terra necessaria è stata preparata in anticipo: sono stati inventati solo sette tipi di apparecchiature di ricezione. Nel 1995, il GPS è stato implementato per intero: circa 30 satelliti sono costantemente in orbita, nonostante il fatto che per il funzionamento ce ne siano abbastanza 24. Gli aerei orbitali per i satelliti sono assegnati sei, con un'inclinazione di 550… Al momento, le applicazioni di rilevamento GPS consentono di determinare la posizione del consumatore con una precisione inferiore al millimetro! Dal 1996 sono comparsi i satelliti Block 2R, dotati del sistema di navigazione autonomo AutoNav, che consente al veicolo di operare in orbita quando la stazione di controllo a terra viene distrutta per almeno 180 giorni.
Fino alla fine degli anni '80, l'uso in combattimento del GPS era sporadico e insignificante: determinare le coordinate dei campi minati nel Golfo Persico ed eliminare le imperfezioni nelle mappe durante l'invasione di Panama. Un vero e proprio battesimo del fuoco è avvenuto nel Golfo Persico nel 1990-1991 durante Desert Storm. Le truppe sono state in grado di manovrare attivamente in un'area desertica, dove è difficile trovare punti di riferimento accettabili, nonché di condurre il fuoco di artiglieria con elevata precisione in qualsiasi momento della giornata in condizioni di tempeste di sabbia. Successivamente, il GPS si è rivelato utile nelle operazioni di mantenimento della pace in Somalia nel 1993, nello sbarco americano ad Haiti nel 1994 e, infine, nelle campagne afghane e irachene del 21° secolo.
