Elérkeztünk a műholdas rendszerekhez

Ma már természetes, hogy a legolcsóbb okostelefonban is van GPS, de nagyon hosszú út vezetett idáig. Talán a lentebb található kép érzékelteti legjobban a fejlődés mértékét, a nagy darab szekrények egy 1970-ben hajón használt műholdas helymeghatározó rendszer elemei, a jobb alsó sarokban látható chip pedig 2 darab külső alkatrész felhasználásával működőképes GPS vevőt alkot napjainkban.

A történet szálai egészen az első mesterséges hold - a Szputnyik -  indításáig nyúlnak vissza. Amerikában a Johns Hopkins Egyetemen valakinek eszébe jutott, hogy észleljék a felettük átrepülő objektumot. A műhold rádiójelének Doppler-eltolódását sikerült kimérni, majd a mért adatokból matematikailag is bizonyították, hogy a rádióadást egy Föld körüli pályán keringő tárgy bocsátotta ki. A következő napokban azon fáradoztak, hogyan lehetne a számításokkal nem csak közelítő, hanem pontos pályát rajzolni. A rádiójelek Doppler-eltolódását és a rádióvevő ismert helyzetét alapul véve George Weiffenbach és William Guier kidolgozott egy számítási módszert, amellyel jó közelítéssel meg lehetett határozni egy műhold pályaelemeit. Ezután megfordították a tételt: ha ismerjük egy műhold pályáját, kimérjük a rádiójeleit, akkor meg tudjuk határozni a jeleket fogó földi vevőkészülék helyzetét.

1958 -ban az amerikai haditengerészet nekilátott a Transit nevű navigációs rendszer tervezéséhez, és 1959 szeptemberében indult el a Transit 1A műholdak prototípusa . Sajnos az eszköz nem tudta elérni a kijelölt pályát, mert a hordozórakéta hibája miatt az óceánba zuhant. A második műholdat, a Transit 1B -t indították el sikeresen 1960 április 13-án , tehát ettől a naptól számíthatjuk a műholdas helymeghatározás kezdetét. Még ugyanebben az évben elkezdődtek a tesztek, és 1964-ben elindult a szolgáltatás.

A rendszert eredetileg a Polaris ballisztikus rakétákkal felszerelt tengeralattjáró flotta, és a felszíni hajók pontos navigálása érdekében dolgozták ki. Tengeralattjáróknál a dolog úgy funkcionált, hogy megfelelő időpontban 2 percre kidugták az antennáikat a vízfelszínre, és bepontosították a saját inerciális helymeghatározó rendszereiket.

Most pedig próbáljuk megérteni a működési elvet. Előbb nézzük a száraz adatokat: a Transit rendszerben 5 műhold üzemelt, de mindegyik mellett volt egy tartalék, tehát összesen 10 darabot állítottak az 1100 km távolságra lévő keringési pályára. A Föld bármely tetszőleges pontjáról mindig csak egy látszott, de az is állandó mozgásban volt. A műholdak 108 perc alatt kerülték meg bolygónkat, és két UHF vivőjelet sugároztak 150 és 400 MHz-en. Ezeken frekvenciákon két percenként jöttek adatcsomagok, melyeknek az utolsó 25 bitje egy szinkronizációs szót tartalmazott, amellyel azonosítani lehetett az órajelet és a következő adatcsomag kezdetét. A szó felismerésével a navigációs vevő beszinkronozta magát a holdhoz, és innentől kezdve értelmezni tudta az adatokat. Tehát ismertek a pálya pontjai két percenként. Mivel az órák nagyon stabilak ez úgy is felfogható, mintha annyi műhold lenne, ahány kétperces pont van. Ha megmérjük a dopplereltolódás mértékét, akkor kiszámíthatóak a távolságkülönbségek. A pályaadatok és a távolságkülönbségek alapján olyan görbéket vehetünk fel, melyek metszéspontja megadja a vevő helyét.

A műhold 7,5 kilométert tesz meg másodpercenként, ami azt jelenti  a Doppler elv alapján, hogy a vivőfrekvencia akár 10 kilohertzet is csökkenhet vagy nőhet, viszont a hold nem mindig látható ideális szögből az állandó mozgás miatt, ezért egyszerre maximum 9 darab 2 perces csomag vételére van lehetőség. A helymeghatározás úgy történik, hogy az első adatcsomag vételekor a vevő szoftvere egy durva becslést végez, ami lassan mozgó objektumoknál 100-200 méter pontos is lehet, de gyorsan mozgó járműveknél akár több kilométer is. Ezután a többi csomag érkezésekor fokozatosan egyre pontosabb értéket kapunk, és akár a 25 méteres hibahatárt is elérhetjük. Kellettek még a rendszerhez földi követőállomások is, ezek felügyelték a holdakat és napjában kétszer pontosították az órajeleket.

Mint láthatjuk komoly számítási teljesítmény szükségeltetett az eljáráshoz, ezért nem véletlen, hogy a hatvanas években készült első generációs vevők komplett szekrénysor méretűek voltak. A tengeralattjárók Transit navigációjához külön számítógépet fejlesztettek, ez volt az AN/UYK-1. Nem kis kihívást jelentett akkorába elkészíteni, hogy a bejárati nyíláson beférjen. A számítástechnika fejlődésével arányosan a méretek is csökkentek, a lenti képen már a hetvenes években készült katonai vevőkészüléket láthatunk, alatta pedig már a nyolcvanas évek végének technikája.

A Transit rendszernek egyéb szolgáltatásai is voltak. Ez volt az első olyan rendszer, amely világméretű pontos időjelzést adott, ami 50 mikromásodperces pontossággal tette lehetővé a hozzá igazított órák szinkronizálását. Emellett a haditengerészeti felhasználók titkosított üzeneteket is küldhettek rajta keresztül. Egészen 1967-ig maradt titkos katonai helymeghatározó rendszer, ekkor feloldották a rádióadás titkosítását és kereskedelmi hajók, vagy akár magánjachtok is felhasználhatták a jeleket. Sőt egyes források szerint még bizonyos szovjet hadihajókon is használtak Motorola NavSat vevőkészülékeket. A lenti képen egy polgári célra készült főleg hajókban használatos a Magnavox (akkor amerikai Philips) által 1988-ban gyártott már utolsó generációs Transit navigációs készüléket láthatunk.

Később a földmérők is megtalálták a módját, hogyan használják fel a rendszert a pontatlansága ellenére. Nagy számú frissített helyzetadat átlagolásával egy méter alá lehetett szorítani a hibahatárt. Ezzel a módszerrel mérték ki például a Mount Everest magasságát is az 1980-as évek végén, amikor az addig közismert 8848 méteres magasság 8850-re változott. 

Fenti képen egy geodéziai célokra készült MAGNAVOX MX 1502 un. Geoceiver vevőkészülék látható a hetvenes évekből. A szerkezet normál audio kazettára rögzítette a helyadatokat.

Hazánkban a VIDEOTON fejlesztett és gyártott a Transit rendszer jeleivel működő helymeghatározó készüléket a nyolcvanas években (lenti kép). Az SNS-11 főleg exportra készült, a Szovjetunióban tengerjáró hajókon alkalmazták előszeretettel, de létezett személygépkocsiba épített változat is.

A Transit a GPS térnyerése miatt 1996-ban megszüntette navigációs szolgáltatásait, de a műholdakat továbbra is üzemben tartották, és a haditengerészet ionoszféra kutató részlege használta őket.

A Transit rendszerrel egyidejűleg a Szovjetunióban kifejlesztettek egy katonai célokra használt műholdas navigációs rendszert, de jellemzőit titkosították. Persze ma már ismert, ez volt a Ciklon, aminek meglepő módon szintén ballisztikus rakétákat hordozó tengeralattjárók pozíciójának meghatározása volt a fő feladata. A projektet még az 1950-es években fogalmazták meg, és a javaslattervezetet 1962-ben hagyták jóvá, de különböző technikai problémák miatt egészen 1972-ig nem volt működőképes. 31 Ciklon műholdat indítottak 1967 és 1978 között. A rendszer legfőbb problémája az volt, hogy bár a helyhez kötött vagy lassan mozgó hajók esetében nagyon pontos volt, a fogadó állomás néhány órányi megfigyelést követelt a pozíció rögzítéséhez, emiatt sokak számára felhasználhatatlanná vált, ezért inkább a Transit rendszert választották. 1976 decemberében a Szovjetunió Központi Bizottsága és a Szovjetunió Minisztertanácsa elfogadott egy új megoldás fejlesztésére vonatkozó tervet, ez volt a " GLONASS egységesített űr-navigációs rendszer", de erről majd a következő részben.

Források: űrvilág.hu, Kertész József (BME) tanulmány, wikipédia