トランジット（衛星）

交通機関
打ち上げ準備中のSOLRAD 1を搭載したトランジット2A
原産国アメリカ合衆国
状態引退（1996年）
星座の大きさ
最初の打ち上げ1959
最後の打ち上げ1988

NAVSATまたはNNSS（海軍航法衛星システム）としても知られるトランジットシステムは、実用化された最初の衛星航法システムでした。この無線航法システムは主にアメリカ海軍でポラリス弾道ミサイル潜水艦に正確な位置情報を提供するために使用され、また海軍の水上艦艇の航法システムとして、また水路測量や測地測量にも使用されました。トランジットは1964年から継続的な航法衛星サービスを提供し、最初はポラリス潜水艦向けに、後に民間向けにも提供されました。プロジェクトDAMPプログラムでは、ミサイル追跡艦アメリカンマリナーも、追跡レーダーを配置する前に正確な船舶の位置情報を得るために衛星からのデータを使用しました。

歴史

トランジット1A
トランジット1B
トランジット3A
トランジット5A

海軍がスポンサーとなり、ジョンズホプキンス大学のリチャード・カーシュナー博士のリーダーシップの下、高等研究計画局(ARPA) とジョンズホプキンス応用物理学研究所が共同で開発したトランジット衛星システムは、初の衛星ベースの測位システムであった。 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] 1957年10月4日、ソ連が人類初の地球周回衛星スプートニク1号を打ち上げた 数日後、APLの物理学者ウィリアム・ガイアーとジョージ・ワイフェンバッハの2人は、衛星から放射されていると思われる無線信号について議論していた。彼らは、スプートニクが1回通過した際の無線信号のドップラーシフトを解析することで、スプートニクの軌道を判定することができた。[ 4 ]研究の進め方について議論していたAPL研究センター長のフランク・マクルーア所長は1958年3月、衛星の位置が分かっていて予測可能であればドップラーシフトを利用して地球上の受信機の位置を特定できると示唆し、この原理を実装する衛星システムを提案した。[ 5 ]

トランジットシステムの開発は1958年に始まり、プロトタイプ衛星であるトランジット1Aは1959年9月に打ち上げられた。 [ 6 ]この衛星は軌道に乗らなかった。[ 7 ] 2番目の衛星であるトランジット1Bは1960年4月13日にソー・エイブルスターロケットによって打ち上げられた。[ 8 ]システムの最初のテストは1960年に成功し、システムは1964年に海軍に配備された。1968年には36機の衛星からなる完全運用可能な衛星群が設置された。[ 9 ]

チャンス・ヴォート/LTVのスカウトロケットは、最も低いポンド当たりのコストでペイロードを軌道に乗せることができたため、このプログラムの専用打ち上げ機として選ばれた。しかし、スカウトの決定によって設計上の制約が2つ課された。まず、初期の衛星の重量はそれぞれ約300ポンド (140 kg) であったが、トランジット軌道へのスカウトの打ち上げ能力は約120ポンド (54 kg) であり、これは後に大幅に増加された。APLが以前に衛星に設計したよりも大きな電力が要求されたにもかかわらず、衛星の質量削減を達成する必要があった。2つ目の問題は、スカウトが固体ロケットモーターを使用していたため、打ち上げ中にペイロードに影響を及ぼす振動が増加することであった。したがって、以前よりも小型で、打ち上げの振動増加に耐えられるほど頑丈な電子機器を製造する必要があった。新しい要求を満たすことは予想以上に困難であったが、達成された。最初の試作運用衛星（トランジット5A-1）は、1962年12月18日にスカウトロケットで極軌道に打ち上げられた。この衛星は太陽電池パネルの展開とロケットからの分離に関する新技術を検証したが、電源系統のトラブルのため成功しなかった。 1963年4月5日に打ち上げられたトランジット5A-2は軌道投入に失敗した。再設計された電源を搭載したトランジット5A-3は、1963年6月15日に打ち上げられた。動力飛行中にメモリの故障が発生し、ナビゲーションメッセージの受信と保存ができなくなり、打ち上げ中に発振器の安定性が低下した。そのため、5A-3はナビゲーションに使用できなかった。しかし、この衛星は重力勾配安定化を初めて達成し、その他のサブシステムも良好に動作した。[ 10 ]

測量士はトランジットを使って数十回の測量を平均化し、1メートル未満の精度で遠隔地のベンチマークの位置を特定しました。 [ 11 ]実際、エベレストの標高は1980年代後半にトランジット受信機を使って近くのベンチマークを再測量することで修正されました。[ 12 ]

1967年から1991年まで、数千隻の​​軍艦、貨物船、民間船舶がトランジットを使用していました。1970年代には、ソ連が独自の衛星航法システムであるParus（軍用）/ Tsikada（民間用）の運用を開始しました。これは、次世代のGLONASSと並んで、現在でも使用されています。[ 13 ]一部のソ連軍艦には、モトローラのNavSat受信機が搭載されていました。 [ 14 ]

トランジットシステムは全地球測位システム（GPS）の登場により時代遅れとなり、1996年にナビゲーションサービスを停止しました。電子機器の進歩により、GPS受信機は複数の測​​位を一度に効率的に取得できるようになり、位置推定の複雑さが大幅に軽減されました。GPSはトランジットシステムよりもはるかに多くの衛星を使用しており、トランジットシステムは継続的に使用できますが、トランジットシステムは1時間かそれ以上に1回しか測位できませんでした。

1996年以降、衛星は海軍電離層監視システム（NIMS）に使用され続けた。[ 15 ]

説明

衛星

このシステムで使用された衛星（OSCAR衛星またはNOVA衛星として知られる）は、高度約600海里（690マイル、1,100 km）の低極軌道に配置され、周回周期は約106分であった。地球全体を十分な範囲でカバーするには、5機の衛星からなる衛星群が必要であった。システムの運用中は、通常、少なくとも10機の衛星（基本衛星群の各衛星につき1機の予備）が軌道上に維持されていた。これらのOSCAR衛星は、アマチュア無線家が衛星通信に使用するために専用に設計されたOSCARシリーズの衛星とは異なることに注意されたい。

トランジット衛星の軌道は地球全体をカバーするように選定され、両極を横切り、赤道付近で分散配置されていました。通常、一度に観測できる衛星は1つだけであるため、測位は衛星のいずれかが地平線上に出た時にのみ可能でした。赤道上では測位間隔は数時間でしたが、中緯度では1～2時間に短縮されました。潜水艦は慣性誘導システムをリセットするために定期的に測位を行っていたため、トランジット衛星はSLBM発射のための更新システムとしての役割を十分に果たしていましたが、高速かつリアルタイムの位置測定を行う能力が欠けていました。

その後の改良により、このシステムは1回の通過で約200メートル（660フィート）の精度を実現し、約50マイクロ秒単位の時刻同期も可能になりました。トランジット衛星は暗号化されたメッセージも送信していましたが、これは副次的な機能でした。

トランジット衛星は、最大32キロバイトの大容量データストレージとして磁気コアメモリアレイを使用しました。 [ 16 ]

地上位置の決定

位置を特定すること、つまり「位置測定」は、通常、2次元の位置を生成するために2回以上の測定を必要とします。現代のGPSシステムでは、その時点でどの衛星が見えるかに応じて数十回の測定が行われ、それぞれの測定が精度の向上に役立っています。トランジットの場合、軌道上には少数の衛星しかなく、それらは分散していました。つまり、常に見える衛星は1つだけだったのです。そのため、2つ目の測定を行うには、別の方法が必要でした。

トランジットは、信号のドップラーシフトを測定することでこれを実現しました。宇宙船は約17,000mph（27,000km/h）で移動していたため、地上で測定すると、受信搬送信号の周波数が最大10kHz増減する可能性があります。衛星が地上局に接近する間、信号周波数は上昇し、遠ざかるにつれて再び下降します。周波数が放送周波数と正確に一致する正確な瞬間は、衛星の地上軌道が地上の位置（多少の補正あり）を通過した時です。これにより、必要な2つの測定値のうちの1つが得られます。

2つ目の指標については、ドップラーシフトのパターンを考慮する必要があります。衛星が真上を通過する場合、通過時の角速度は横にずれて通過する場合よりも大きくなります。極端な場合、衛星が地平線に近い場合、相対速度の変化は最小限に抑えられます。したがって、周波数の変化の速さは、地上局と衛星間の相対経度を示す指標となります。さらに、地球の自転によってドップラー補正がさらに得られ、これを用いて衛星が地上局の東側にあるか西側にあるかを判断することができます。

これらの測定値は、衛星を基準とした相対的な位置を生成します。実際の位置を決定するために、この相対的な測定値を衛星の位置に適用します。これは、正確な時刻ハック（2分ごと）を定期的に送信することに加え、衛星の6つの軌道要素と軌道摂動変数を送信することで提供されます。地上受信機はこれらの信号をダウンロードし、衛星が軌道のずれを測定しながら位置を計算しました。軌道暦とクロック補正は、海軍の4つの追跡・投入ステーションのいずれかから、各衛星に1日2回アップロードされました。

トランジット衛星は150MHzと400MHzで放送を行いました。この2つの周波数帯は、衛星電波の電離層による屈折を相殺し、位置測定の精度を向上させるために使用されました。また、トランジットシステムは世界初の計時サービスを提供し、世界中の時計を50マイクロ秒の精度で同期させることを可能にしました。

受信機の最も可能性の高い位置を計算するのは容易な作業ではありませんでした。ナビゲーションソフトウェアは、受信機の初期「試行」位置に基づいて、衛星の動きから「試行」ドップラー曲線を計算しました。その後、ソフトウェアはドップラー曲線の2分間区間ごとに最小二乗法による曲線フィッティングを実行し、試行ドップラー曲線がすべての2分間区間において衛星から受信した実際のドップラーに「最も近く」一致するまで、試行位置を再帰的に移動させました。

船や飛行機のように、受信機も地球に対して相対的に動いている場合は、理想的なドップラー曲線との不一致が生じ、位置精度が低下します。ただし、低速で移動する船舶であれば、2 分間のドップラー曲線を 1 つ受信しただけでも、通常、位置精度は 100 メートル以内で計算できます。これは、米国海軍が要求した航法基準でした。というのも、米国の潜水艦は通常、使用可能なトランジット フィックスを取得するために UHF アンテナを 2 分間だけ露出させるからです。米国の潜水艦版のトランジット システムには、ダウンロードした衛星の軌道データの特別に暗号化された、より正確なバージョンも含まれていました。この強化されたデータにより、システム精度が大幅に向上しました(GPS の選択的可用性(SA) と同様)。この強化モードを使用すると、精度は通常 20 メートル未満でした (つまり、精度はLORAN Cと GPSの間でした確かに、トランジットは当時最も正確なナビゲーション システムでした。

Transitの基本的な動作原理は、緊急位置特定送信機（ELT）のシステムと似ていますが、後者の場合、送信機は地上に設置され、受信機は軌道上に設置されます。ELTは、船舶または航空機に搭載された送信機が上空を通過する際にドップラーシフトを測定し、そのデータを地上に送信することで、航空機の位置を特定します。

衛星軌道の決定

トランジット衛星追跡ステーション 019 を収容する玄関ホールとクォンセット小屋。1. トライアド衛星磁力計ダウンロード アンテナ。2. 旗竿、3. 背景の電柱、4. 回転灯温度アラーム、5. VLF アンテナ、6 ～ 9. ドップラー衛星追跡アンテナ、10. ヒーター用ストーブ パイプ、11. 視界不良時の投光灯、12. 燃料タンク。
トランジット衛星追跡局019内の機器の一部。1. 自動制御装置、2. タイマーカウンター、3. タイムバースト検出器、4. 時刻変換チャート、5. 衛星暦、6. 追跡受信機、7. 時刻表示、8. ヘッダー・テーラー・プログラマー、9. デジタイザーおよびメインクロック、10. マスター発振器、11. ストリップチャートレコーダー、12. 紙テープパンチ、13. 短波受信機。サイト外：VLF受信機、屈折補正装置、バックアップバッテリーシステム、電源、AC電圧レギュレーター。

正確な位置が判明している地上局のネットワークが、トランジット衛星を継続的に追跡していました。これらの地上局はドップラーシフトを測定し、データを5穴紙テープに転送しました。このデータは、商用および軍用のテレプリンターネットワークを介して、メリーランド州ローレルにある応用物理学研究所の衛星管制センターに送信されました。固定地上局からのデータは、トランジット衛星の軌道上の位置情報を提供しました。既知の地上局からドップラーシフトを用いて地球軌道上のトランジット衛星の位置を特定することは、軌道上の衛星の既知の位置を用いて地球上の未知の位置を特定すること（これもドップラーシフトを用いて）の逆の手順です。

典型的な地上局は、小さなクォンセット小屋を占有していました。地上局の測定精度は、地上局マスター クロックの精度の関数でした。当初は、温度制御オーブン内の水晶発振器がマスター クロックとして使用されていました。マスター クロックは、米国海軍の VLF 局に同調した VLF 受信機を使用して、毎日ドリフトがないかチェックされました。VLF 信号には、送信機と受信機の間の経路に沿って正午に VLF 信号の位相が日々変化しないという特性があり、そのため発振器のドリフトの測定に使用できました。後に、ルビジウムとセシウムのビームクロックが使用されるようになりました。地上局には番号名が付けられていました。たとえば、ステーション 019 は南極のマクマード基地でした。1970 年代の長年にわたり、このステーションには、主にテキサス大学オースティン校の電気工学を専攻する大学院生と学部生が勤務していました。その他のステーションは、ニューメキシコ州立大学、テキサス大学オースティン校、シチリア島、日本、セーシェル諸島、グリーンランドのチューレ、その他多くの場所に設置されていました。グリーンランドと南極の基地は、これらの極軌道衛星の極に近い位置にあったため、すべてのトランジット衛星の通過をすべて観測しました。

ポータブルジオシーバー

地上局のポータブル版はジオシーバーと呼ばれ、現場での測定に使用されました。この受信機、電源、パンチ テープ ユニット、アンテナは、複数のパッド付きアルミ ケースに収まり、航空機の追加貨物として出荷できました。データは通常 1 週間にわたって取得され、処理のために衛星管制センターに送り返されました。したがって、GPS とは異なり、ジオシーバーの位置の正確な場所を即座に把握することはできませんでした。ジオシーバーは南極点基地に常設され、米国地質調査所の人員によって操作されました。移動する氷床の表面に設置されていたため、そのデータは氷床の動きの測定に使用されました。他のジオシーバーは夏の間、南極のフィールドに持ち出され、ロス棚氷の動きなどの位置測定に使用されました。

AN/UYK-1（TRW-130）コンピュータ

5 つのトランジット衛星の軌道（テキストはドイツ語）

1958年当時、潜水艦のハッチを通過できるほど小型のコンピュータは存在しなかったため、AN/UYK-1（TRW-130）と名付けられた新しいコンピュータが設計された。[ 17 ]ハッチを通過できるよう角が丸く、高さは約5フィートで、防水のため密閉されていた。主任設計技師は、当時UCLAの教員であったローウェル・アムダール（ジーン・アムダールの弟）であった。AN/UYK-1は、ラファイエット級SSBN向けにラモ・ウッドリッジ社[ 18 ]（後のTRW）によって製造された。8,192ワードの15ビット・コア・メモリとパリティ・ビットを備え、カノガ・パークの工場で手作業でスレッド化された。サイクルタイムは約1マイクロ秒であった。AN/UYK-1の重量は約550ポンド（250 kg）であった。[ 19 ]

AN/UYK-1は、15ビットのワード長を持つマイクロプログラム方式のマシンで、減算、乗算、除算などのハードウェアコマンドは備えていませんでしたが、加算、シフト、 1の補数の作成、キャリービットのテストは実行できました。標準的な固定小数点演算と浮動小数点演算を実行する命令はソフトウェアサブルーチンであり、プログラムはそれらのサブルーチンへのリンクと演算子のリストで構成されていました。例えば、「減算」サブルーチンは、減算された値の1の補数を作成し、それを加算する必要がありました。乗算には、連続的なシフトと条件付き加算が必要でした。

AN/UYK-1命令セットでは、機械語命令に算術レジスタを同時に操作できる2つの演算子が含まれていました。例えば、一方のレジスタの内容を反転しながら、もう一方のレジスタにロードまたはストアするといった操作です。これは、シングルサイクル間接アドレッシング機能を実装した最初のコンピュータだったかもしれません。

衛星通過中、GE受信機は衛星からの軌道パラメータと暗号化されたメッセージを受信するとともに、ドップラーシフト周波数を一定間隔で測定し、このデータをAN/UYK-1コンピュータに提供します。コンピュータはまた、船舶の慣性航法システム（SINS）から緯度と経度の情報を受け取ります。AN/UYK-1はこの情報を用いてアルゴリズムを実行し、約15分で位置情報を算出しました。

その他の衛星

トランジット5E1
トランジットO（運用）航法衛星

トランジットシリーズにはNASAによってトランジットの名称が付けられた衛星が41機ありました。 [ 20 ]

トランジット3Bは、軌道上で搭載コンピューターのメモリにプログラムをアップロードする実演を行った。

1961年6月29日に打ち上げられたトランジット4Aは、放射性動力源（RTG）（SNAP-3）を搭載した最初の衛星でした。[ 21 ]トランジット4B（1961年）もSNAP-3 RTGを搭載していました。トランジット4Bは、1962年7月9日に行われたアメリカのスターフィッシュ・プライム高高度核実験とそれに続く放射線帯による核爆発で、意図せず損傷または破壊された複数の衛星のうちの1つでした。[ 22 ]

トランジット5A3は太陽電池で駆​​動するバッテリーを使用し、トランジット5BN-1（1963年）はSNAP-9A RTGを搭載していた。[ 23 ] [ 24 ]

トランジット5B-2（1963年）にはSNAP-9A RTGが搭載されていた。[ 25 ]

1964年、SNAP-9A RTGを搭載したトランジット5BN-3号ロケットは軌道投入に失敗しました。このロケットは「再突入時に燃え尽き、搭載されていた約1キログラムのプルトニウム238とともに微粒子に分解」しました。[ 26 ]

トランジット5B-5は、長期間の非活動期間（ゾンビ衛星）の後、再び通信を再開した。[ 27 ]

トランジット9号と5B4号（1964年）およびトランジット5B7号と5B6号（1965年）には、それぞれ「原子力電源」が搭載されていました。

アメリカ空軍は、軌道抵抗を研究するために、162MHzと324MHzの無線ビーコンを搭載した短寿命衛星を、はるかに低い軌道に定期的に打ち上げました。トランジット地上追跡局もこれらの衛星を追跡し、同じ原理を用いて軌道上の衛星の位置を特定しました。衛星の位置データは、上層大気や地球の重力場の変動を含む軌道抵抗データの収集に使用されました。

Beacon Explorer-AとBeacon Explorer-Bも Transit 対応の送信機を搭載していました。

トランジット衛星

1973年10月に打ち上げられたトランジット衛星

トランジット衛星の一覧: [ 28 ]

  • トランジット1A（1959年9月17日、打ち上げ失敗）[ 29 ]
  • トランジット1B（1960年4月13日）[ 29 ]
  • トランジット 2A (1960 年 6 月 22 日) [ 30 ]
  • トランジット2B（未打ち上げ）[ 30 ]
  • トランジット3A（1960年11月30日、打ち上げ失敗）[ 31 ]
  • トランジット3B（1961年2月22日）[ 31 ]
  • トランジット 4A (1961 年 6 月 29 日) [ 32 ]
  • トランジット 4B (1961 年 11 月 15 日) [ 32 ]
  • トランジット 5A 1 (19.12.1962) [ 33 ]
  • トランジット5A 2号（1963年4月5日、打ち上げ失敗）[ 33 ]
  • トランジット 5A 3 (1963 年 6 月 16 日) [ 33 ]
  • トランジット5BN1とトランジット5E-1（1963年9月28日）[ 34 ] [ 35 ]
  • トランジット5BN2とトランジット5E-3（1963年12月5日）[ 34 ] [ 36 ]
  • トランジット5BN3号とトランジット5E-2号（1964年4月21日、打ち上げ失敗）[ 34 ] [ 37 ]
  • トランジット5C 1 (1964年6月4日) [ 38 ]
  • トランジット5C 2（未打ち上げ）[ 38 ]
  • トランジット5E-4（欠航）[ 39 ]
  • トランジット5E-5とトランジット-O1～32（1964～1988年）[ 40 ] [ 41 ]

その他のトランジット航法衛星: [ 28 ]

  • トライアド1 / TIP1（1972）[ 42 ]
  • トライアド2と3（1975/6）[ 43 ]
  • ノヴァ1号から3号（1981年から1984年）[ 44 ]
  • トランザット（1977）[ 45 ]

参照

参考文献

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