SECOR - TRANSIT - NNSS - NAVSTAR GPS - CIKLON, PARUS, CIKADA - GLONASS - DRUGI NAVIGACIJSKI SISTEMI

Lansiranje prvog umjetnog satelita Sputnik je pokrenulo istraživanja za razvoj satelitskog navigacijskog sistema. Prvi američki satelitski navigacijski sistem je bio SECOR (Sequential Collation of Range) - trinaest satelita je bilo lansirano od 1963. do 1969. godine, masa satelita je bila 17 do 20 kg.

Počeci suvremenih navigacijskih satelita pronalaze se u programima ratne mornarice SAD koji su koncem pedesetih kulminirali projektom Transit. Njegova je svrha bila da brodovima daleko od kopna u svakom trenutku omogući pronalaženje točnog položaja. Korištenje navigacijskih satelita je na neki način produžetak starih tehnika plovidbe koje su povećale Stari svijet.

Vješti evropski pomorci koloniziraju zemaljsku kuglu tek nakon otkrića kronometra. Vrijeme očitano s točne ure i podatak o kutu između obzorja i neke zvijezde omogućuju navigatoru da odredi položaj broda. Kako zvijezde nisu uvijek vidljive, za istu se svrhu može iskoristiti radio-signal poslan s poznatog mjesta, recimo satelita. U tom će se slučaju valna duljina signala smanjivati u trenucima dok se letjelica približava brodu, odnosno povećavati u vrijeme udaljavanja. Taj tzv. Dopplerov efekt služi za mjerenje relativne brzine satelita prema opažaču. S obzirom da radio-valovi stižu do zemljine površine u svim vremenskim uvjetima, satelitska je navigacija potencijalno najjednostavniji i najefikasniji način određivanja položaja na našem planetu. U praksi to baš nije sasvim tako jer neke nepoznanice, ili u najboljem slučaju nesigurne vrijednosti, otežavaju proračune. Za izračunavanje položaja nekog objekta najvažnije je točno poznavanje putanje navigacijskog satelita. No homogenih svemirskih tijela praktički da i nema, a izuzetak nije ni Zemlja. Zbog određenih gravitacijskih nepravilnosti putanje svih satelita se polako mijenjaju. Navigatorova ura možda nije toliko točna koliko on misli (razlike što se mjere u sekundama već su sasvim neprihvatljive), pritisak sunčevog zračenja pomaknuo je letjelicu iz teoretskog položaja, a i zemljina atmosfera zakrivljuje putanju radio-signala, pa prividna pozicija satelita nije jednaka stvarnoj. Sve su te teškoće ustanovljene i djelomično rješavane u Transit programu. Prva letjelica iz te serije poletjela je na Thor-Able raketi još 1960. godine. Već 1963. projekt se više javno ne spominje jer ga se želi sakriti od znatiželjnih ušiju i očiju.

Tijekom 1964. godine postaje operativan prvi mornarički satelitski navigacijski sistem NNSS (Navy Navigation Satellite System), a sastojao se od 5 navigacijskih satelita Transit u polarnoj orbiti, koji su određivali položaj objekta pomoću mjerenja doplerovog efekta i uračunavanjem poznatih parametara staze satelita, a točnost mjerenja je bila osigurana na 160 metara. Sateliti iz programa Transit, čiju proizvodnju preuzima RCA, imaju različite oblike, no većinom se radi o kugli promjera 90 cm, mase 100 kg, postavljenoj u orbitu visine između 220 i 1300 km, nagiba 28 do 90 stupnjeva prema ekvatoru. Sistem je zamišljen za podršku brodova ratne mornarice, posebno nuklearnih podmornica s Polaris projektilima, no pokazao se dovoljno dobrim za korištenje u mnogim civilnim i komercijalnim projektima. Informacije s Transit letjelica stižu do nekoliko tisuća prijemnika, ne samo u vojnom vlasništvu, već i na trgovačkim brodovima, plovilima za polaganje podmorskih komunikacijskih kabela, te platformama za eksploataciju nafte. Svi navigacijski sateliti u upotrebi smješteni su u polarne putanje, oko 1100 km iznad Zemlje. Transit letjelice druge generacije, nazvane Nova, namijenjene su ispunjavanju zadataka ratne mornarice SAD do kraja osamdesetih godina. Kao i satelite prošle serije, proizvodi ih tvrtka RCA Astro-Electronics. Mase od 167 kg, kućište Nove je u obliku oktaedra promjera 52 cm na kojem se nalazi 27 cm visoki dio s opremom za kontrolu položaja. Ukupno, satelit je dug 116 cm. Električna energija se stvara na četiri ploče s fotovoltaičnim ćelijama, a na krajevima duge motke se nalaze dvije mase za gravitacijsku stabilizaciju; ovom je tehnikom omogućeno da dulja os letjelice bude neprekidno upravljena prema središtu Zemlje.

Pomoću letjelica Transit i Nova američke ratne mornarice, osim što su služile za pozicioniranje brodova i podmornica, avioni što lete nisko nad neprijateljskim područjem trebali su primati informacije za nastavak leta, interkontinentalni balistički projektili mijenjati kurs, krstareće rakete dobivati obavijesti o novim ciljevima, a jedinice na fronti i u njenoj pozadini izbjegavati protivnika. Zbog kompleksnog i teškog izračunavanja, počeo je razvoj sistema koji bi brže i jednostavnije određivao položaj prijemnika. Sistem TRANSIT je djelovao sve do 1996. godine, a sada ga američka vojna mornarica upotrebljava za nadzor ionosfere. U SAD-u su mnoge nove tehnologije satelitske navigacije testirali sa satelitima Timation, a prvi takvi satelit je lansiran 1972. godine. Timation je bio prvi satelit s kristalnim kvarcnim oscilatorom, atomskim satom i demonstrator tehnologije GPS. Ustanovljena je mogućnost poboljšavanja sistema navigacije, s prednostima iskoristivim za sva četiri roda oružanih snaga SAD.

Istraživanjima provedenim kroz Program za razvoj obrambenog navigacijskog satelita (Defense Navigation Satellite Development Program) rađa se 1974. Navstar sistem svjetskog pozicioniranja (Global Positioning System, GPS). Pomoću 18 satelita postavljenih u tri jednako razmaknuta prstena s nagibom 63 stupnja prema ekvatoru, položaj će se u sve tri osi pronalaziti s pogreškom manjom od 16 metara. Osim toga, sistem će omogućiti i mjerenje brzine s točnošću od 0,2 km/h. Svaki Navstar satelit, a izrađuje ih Rockwell International, ima tri neobično točne rubidijeve atomske ure za mjerenje vremena. Pogreška od jedne sekunde javlja se kod njih tek za 36 tisuća godina.

Za određivanje položaja potrebna su četiri satelita, a kako prijemnik radi pasivno, korisnika informacije ne može se otkriti. Automatski uređaj bira četiri najpogodnije smještene Navstar letjelice i izračunava približnu udaljenost od njih. Tako se dobivaju podaci potrebni za četiri jednadžbe: tri prostorne i jednu vremensku. Korisnikovo mikroračunalo rješava sistem jednadžbi i određuje vrijeme, položaj i brzinu kretanja.

Antena na satelitu emitira signal koji prekriva čitavu stranu planeta okrenutu prema njemu. Električna energija dolazi od dva niza fotovoltaičnih ćelija neprekidno okrenutih prema Suncu. Letjelica ima i raketni motor na kruto gorivo za pomicanje u željenu putanju, kao i 18 hidrazinskih mlaznica za održavanje položaja u putanji. U početnu eliptičnu putanju Navstar polazi na Atlas F nosaču. Njegova masa na početku leta iznosi 759 kg, a nakon paljenja motora i ulaska u gotovo kružnu orbitu 20200 km nad Zemljom, pada na 455 kg.

Prvi je Navstar lansiran 22. veljače 1978, a u slijedeće dvije godine ispaljeno ih je još četiri. 1985. godine lansirano je 10 satelita Block I, čitav je sistem je bio u pokusnoj, djelomično operativnoj fazi. U jednom od pokusa GPS sateliti su korišteni za navođenje desantnog čamca pomorske pješadije do plaže predviđene za iskrcavanje. Bez ikakvih zvučnih ili svjetlosnih signala, Navstar je jedinicu doveo 25 m od idealne točke. U drugom pokusu, lovački se avion sastao s Lockheedom C-141 koji je igrao ulogu tankera, također bez ikakvih signala. Dva padobrana ispuštena iz teretnog zrakoplova pala su svega 20 m od cilja. Trenutak izbacivanja odredio je, naravno, Navstar. U složenijoj simulaciji borbenih zadataka GPS prijemnici na velikim B-52 bombarderima služe za »bombardiranje« bez radarske kontrole ciljeva; dva F-16 lovca približavaju se »neprijateljskim« avionima, a Grummanov zrakoplov A-6 spušta se na nosač aviona služeći se pri tom samo signalima Navstar satelita u zemljinoj putanji. U svim spomenutim primjerima sposobnost pronalaženja točnog položaja bez signaliziranja odlično prikazuje mogućnosti nove generacije navigacijskih letjelica. To je ujedno prvi projekt koji će potpuno iskoristiti prijelaz s raketa za jednokratnu upotrebu na Space Shuttle.

Operativnu konstelaciju su SAD počele graditi 1989. godine, lansiranju 8 satelita GPS Block II je slijedilo postavljanje u orbitu još 15 malo poboljšanih satelita Block IIA. Godine 1995. je konstelacija satelita GPS postala u cijelosti operativna. Sateliti GPS su namijenjeni posredovanju navigacijskih podataka kako civilnom, tako i vojnom sektoru. GPS izuzetno pouzdano posreduje podatke o zemljopisnom položaju (širinu, dužinu i visinu), brzini i posreduje vrijeme, koje je precizno do 1 sekunde svakih 300000 godina. Podatke posreduje u svim vremenskim prilikama u realnom vremenu, podržava neograničen broj korisnika i pokriva cijeli svijet. Sateliti GPS, po nekim informacijama, imaju na krovu detektor za otkrivanje nuklearnih eksplozija.

Sateliti GPS odašilju dva različita signala, prvi je namijenjen vojnim korisnicima, a drugi civilnom sektoru. Civilni signali imaju točnost od 100 do 15 metara, odstupanje je namjerno, čime se želi spriječiti zloupotreba točnog signala za terorističke napade ili upotreba u korist otpadničkih država. Poradi mnogih poteškoća koje prouzrokuje namjerna greška, 2006. godine će civilni signal biti potpuno jednak vojnom. Vojni signali su kodirani i bolje otporni na smetnje, te imaju točnost do 1 metra. Pored navigacije svih rodova vojske, signal satelita GPS se koristi za vođenje manevrirajućih i balističkih raketa, vođenih bombi (JDAM, JSOW), te topničkih granata. GPS prijemnik postao je nužni dio vojne opreme, nakon uspješne primjene takve navigacije u Zaljevskom ratu 1991. godine. GPS prijemnici su razvijeni za sve vrste transportnih sredstava i dosegli su veličinu džepnog kalkulatora, poradi čega se upotreba GPS prijemnika jako povećala i u širokoj svakidašnjoj upotrebi.

GPS sateliti su postavljeni u 6 kružnih orbita na visini 20200 km, imaju vrijeme obilaska od 12 sati, tako da je u svako vrijeme korisniku na raspolaganju 6 satelita. Za normalan rad sistema potrebno je 24 satelita, s tim da je u orbite je postavljeno još nekoliko rezervnih , a u svemir se lansiraju pomoću nosećih raketa Delta II. Inklinacija satelita je 55°, odašilju dva signala na različitim frekvencijama. Životni vijek satelita GPS Block IIR je 7,5 godina. Konstelaciju satelita GPS vode i nadziru iz glavne kontrolne postaje GPS (MCS - Master Control Station), koja je pod nadzorom Svemirskog zapovjedništva Zrakoplovnih snaga SAD. Zemaljski dio sistema GPS čini 5 nadzornih postaja i 4 antene, postavljene na različitim krajevima svijeta, koje u MCS šalju različite informacije.

Satelite GPS izrađuju različiti proizvođači; tako je satelite Block I/II/IIA izrađivala tvrtka Rockwell - Boeing North American, Block II/R izrađuje Lockheed Martin, a Block II/F izrađuje Boeing. Odsluženi sateliti Block II/IIA zamjenjuju se poboljšanim inačicama Block 2R, koji ima sposobnost određivanja vlastitog položaja s izvođenjem međusatelitskog rangiranja, te se na osnovu nađenih pogrešaka može sam reprogramirati i za vrijeme leta ispraviti grešku. Sateliti Block 2R su pri radu bolje autonomni od prethodnika, te za održavanje normalnog rada konstelacije trebaju manje kontakata sa zemaljskom nadzornom postajom. Sateliti Block 2R su također bolje zaštićeni od učinaka zračenja, te imaju mogućnost bržeg postavljanja u željenu orbitu od prethodnika, a životni vijek satelita je 10 godina. Tvrtka ITT Industries godine 2001. počela je sa modernizacijom 12 satelita Block 2R, biti će im dodan drugi civilni signal i još dva vojna signala, poboljšati će im točnost i otpornost na smetnje. S tim poboljšanjima približit će se Boeingovom modelu Block 2F. Poboljšani modeli biti će postavljeni u orbite do 2006. godine.

Razvoj GPS satelita: Block I, Block IA, Block II, Block IIA

Trenutno se razvijaju napredniji sateliti Block IIF, koji bi trebali imati više vojnih i civilnih signala, a prije svega bi bili bolje otporni na elektroničko ometanje, životni vijek satelita biti će 15 godina i moći će se lansirati sa različitim nosećim raketama. U razvoju je također potpuno nova generacija navigacijskih satelita Block 3, kod kojih bi troškovi izrade bili znatno manji od sadašnjih, imali bi duži životni vijek, poboljšane bi također bile sve ostale funkcije sistema i zadovoljili bi najrazličitije nove potrebe. U upotrebi bi trebali biti 2009. godine.

Sovjetski savez je počeo razvijati satelitski navigacijski sistem još krajem 50-tih godina. Prvi navigacijski satelit Ciklon bio je lansiran 1967. godine i bio je eksperimentalni satelit, koji je položaj izračunavao na principu doplerovog efekta. U početku je navigacijski sistem imao brojna programska ograničenja, položaj je izračunavao sa odstupanjima do 3 km. Otklanjanje svih pogrešaka, omogućilo je postavljanje prvog operativnog vojnog navigacijskog sistema Parus ili Ciklon-B. Prvi satelit Ciklon-B bio je lansiran 1974. godine, a čitava konstelacija od 6 satelita dostigla je operativnost 1976. godine. Sistem Parus je još u operativnoj upotrebi i uredno se održava, čini ga 10 satelita u dvije konstelacije i namijenjen je za navigacijske potrebe ruske vojne mornarice te strateških balističkih raketa. Na temelju sistema Parus, je u 70-tim godinama je razvijen gotovo identičan civilni navigacijski sistem Cikada, sastavljen od 4 satelita. Neki sateliti sistema Cikada su od 1982. godine opremljeni sa međunarodnim sistemom za traženje i spašavanje (COSPAS/SARSAT). Sistem danas uglavnom koriste trgovinske mornarice država bivšeg SSSR-a i ruska vojna mornarica. U svibnju 2001. godine lansiran je Kosmos 2378, kao zamjena Kosmosu 2279 koji je bio neprekidno operativan 7 godina.

SERIJA	NAZIV SATELITA	DATUM LANSIRANJA
PARUS	Kosmos 2336	20. prosinca 1996.
	Kosmos 2341	17. travnja 1997.
	Kosmos 2346	23. rujna 1997.
	Kosmos 2361	24. prosinca 1998.
	Kosmos 2366	26. kolovoza 1999.
	Kosmos 2378	8. lipnja 2001.

Pregled ruskih operativnih navigacijskih satelita (podaci od srpnja 2001. godine)

Sovjetski savez je razvio navigacijski sistem sličan američkom GPS-u, nazvan GLONASS (GLObalnaja NAvigacionaja Sputnikovaja Sistema, globalni navigacijski satelitski sistem). Potpuna konstelacija satelita GLONASS morala bi uključivati 24 satelita, od toga 21 operativan i 3 pričuvna, na visini 19100 km u tri različite orbite sa inklinacijom 64,8°, u svakoj orbiti po 8 satelita. Perioda satelita iznosi 11 sati i 15 minuta. Sateliti odašilju isti signal na različitim frekvencijama. Preciznost satelita GLONASS slična je satelitima GPS, ali nemaju selektivnog signala za civilne korisnike. GLONASS je operativan od 1983. godine, a poradi ruskih ekonomskih teškoća je potpuno konstelaciju od 24 satelita dostigao u prosincu 1995. godine, no lansiranja novih satelita nisu dostizala brzinu stavljanja odsluženih satelita van upotrebe, tako da je u siječnju 2002. godine djelovalo još samo 9 satelita. Zadnje lansiranje satelita GLONASS je bilo u prosincu 2001. godine, kada su postavili 3 satelita tipa Uragan, od kojih jedan pripada novoj generaciji satelita Uragan-M, koji ima puno poboljšanja i životni vijek povećan na 8 godina, umjesto dotadašnje 3 godine.

Nekoliko proizvođača navigacijske opreme pokušava napraviti prijemnik, koji bi dobivao podatke iz američkog i ruskog navigacijskog sistema, čime bi se još povećala točnost određivanja položaja. Glavni problem pri razvoju prouzrokuje različiti koordinatni sustav oba navigacijska sistema. Evropska svemirska agencija razvija civilni satelitski navigacijski sistem Galileo, koji će biti kompatibilan sa sistemima GPS i GLONASS, tako da će korisnik moći dobivati podatke iz sva tri navigacijska sistema. Sistem bi trebao početi djelovati 2008. godine, konstelaciju će činiti 30 satelita koji će kružiti u srednjoj Zemljinoj orbiti na visini 24000 kilometara, a nekoliko satelita će kružiti u geostacionarnoj kružnici. Sistem će nadzirati 14 zemaljskih nadzornih postaja, postavljenih na različitim dijelovima svijeta. Interes za sudjelovanje pri sistemu Galileo su pokazali Rusija i Japan, dok su oružane snage evropskih država za sada još suzdržane od projekta. Različiti interesi i birokratska ograničenja još za sada nisu dovela do dogovora o postavljanju sistema.

Kina razvija vlastiti satelitski navigacijski sistem BNTS-1 (Beidou Navigation Test Satellite-1). Sateliti BNTS-1 i BNTS-1B "Beidou" bili su lansirani u listopadu i prosincu 2000. godine, raketama Changzheng-3A (Dugi marš 3A) u geostacionarnu orbitu sa kosmodroma Xichang Satellite Launching Center (XSLC) u jugozapadnoj Sichuan Provinciji, čime si je Kina osigurala pokrivenost cijele svoje zemlje. U razvoju je i nova generacija satelita, kojima će se uz veće mogućnosti pokriti veća površina.