4. říjen 1957 se stal pro Spojené státy důležitým podnětem - po vypuštění první umělé družice Země v SSSR se američtí inženýři rozhodli přizpůsobit prostor tak, aby plnil navigační potřeby (s praktickou charakteristikou Yankees). V Laboratoři aplikované fyziky (APL) Univerzity Johna Hopkinse studovali spolupracovníci WG Guyer a J. C. Wiffenbach rádiový signál ze sovětského Sputniku 1 a upozornili na silný dopplerovský frekvenční posun signálu vysílaného projíždějícím satelitem. Když se přiblížil náš prvorozený ve vesmíru, frekvence signálu se zvýšila a ten ustupující vysílal rádiové signály s klesající frekvencí. Vědcům se podařilo vyvinout počítačový program pro určení parametrů oběžné dráhy procházejícího objektu z jeho rádiového signálu v jednom průchodu. Přirozeně je možný i opačný princip - výpočet již známých parametrů oběžné dráhy pomocí stejného frekvenčního posunu neznámých souřadnic pozemního rádiového přijímače. Tato myšlenka přišla k vedoucímu zaměstnance APL F. T. McClureho a ten společně s ředitelem laboratoře Richardem Kershnerem dali dohromady skupinu výzkumníků, aby pracovali na projektu s názvem Transit.
Richard Kershner (vlevo) je jedním ze zakladatelů amerického globálního polohovacího systému. Zdroj: gpsworld.com
Jaderná ponorka „George Washington“je prvním uživatelem systému Transit. Zdroj: zonwar.ru
Operační dráhy souhvězdí Transitu. Zdroj: gpsworld.com
Hlavním zákazníkem bylo americké námořnictvo, které potřebovalo přesné navigační nástroje pro nové ponorky vybavené raketami Polaris. Potřeba přesně určit polohu ponorek typu „George Washington“byla pro tehdejší novinku - vypuštění raket s jadernými hlavicemi odkudkoli z oceánů, nesmírně nutná.
Zařízení pro příjem tranzitu pro ponorky. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Do roku 1958 mohli Američané představit první experimentální prototyp satelitu Transit a 17. září 1959 byl vyslán do vesmíru. Byla také vytvořena pozemní infrastruktura - v době spuštění byl připraven komplex navigačního zařízení uživatele a pozemních sledovacích stanic.
Inženýři Hopkinsovy univerzity sestavující a testující kosmickou loď Transit. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Američané pracovali na projektu satelitní navigace v režimu plného přídavného spalování: do roku 1959 zkonstruovali až pět typů satelitů Transit, které byly později všechny vypuštěny a testovány. V provozním režimu začala americká navigace fungovat v prosinci 1963, to znamená, že za méně než pět let bylo možné vytvořit funkční systém s dobrou přesností na svou dobu-chyba střední odmocniny (RMS) pro nehybný objekt bylo 60 m.
Model Satellite Transit 5A 1970. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Přijímač Transit instalovaný v autě, které v roce 1987 použil geolog Smithsonian Ted Maxwell v egyptské poušti. Pracovní kůň výzkumníka se ukázal být …
… sovětská „Niva“! Zdroj: gpsworld.com [/centrum]
Určení souřadnic ponorky pohybující se na povrchu bylo problematičtější: pokud uděláte chybu s hodnotou rychlosti o 0,5 km / h, pak se RMS zvýší na 500 m. Proto bylo účelnější obrátit se na satelit pro pomoc ve stacionární poloze plavidla, což opět nebylo snadné. Transit s nízkou oběžnou dráhou (nadmořská výška 1 100 km) byl přijat americkým námořnictvem v polovině roku 64 jako součást čtyř satelitů, což dále rozšířilo orbitální seskupení na sedm vozidel a od roku 67 byla navigace dostupná pro pouhé smrtelníky. V současné době se ke studiu ionosféry používá konstelace satelitů Transit. Nevýhody prvního satelitního navigačního systému na světě spočívaly v neschopnosti určit výšku polohy pozemního uživatele, značné trvání pozorování a přesnost určování polohy objektu, která se nakonec stala nedostatečnou. To vše vedlo k novému hledání v americkém vesmírném průmyslu.
Časování kosmických lodí. Zdroj: timeandnavigation.si.edu
Druhým satelitním navigačním systémem byl Timation z Naval Research Laboratory (NRL), který provozoval Roger Easton. V rámci projektu byly sestaveny dva satelity vybavené ultra přesnými hodinami pro vysílání časových signálů pozemským spotřebitelům a přesné určení jejich vlastní polohy.
Experimentální satelit Timation NTS-3, vybavený rubidiovými hodinami. Zdroj: gpsworld.com
V časování byl formulován základní princip budoucích systémů GPS: na satelitu fungoval vysílač vysílající kódovaný signál, který zaznamenával pozemního předplatitele a měřil zpoždění jeho průchodu. Díky znalosti přesné polohy satelitu na oběžné dráze zařízení snadno vypočítalo vzdálenost k němu a na základě těchto údajů určilo vlastní souřadnice (efemeridy). Samozřejmě to vyžaduje alespoň tři satelity, nejlépe čtyři. První časování se dostalo do vesmíru v roce 1967 a na začátku neslo křemenné hodiny a později ultra přesné atomové hodiny - rubidium a cesium.
Americké vojenské letectvo operovalo nezávisle na námořnictvu na svém vlastním globálním pozičním systému s názvem Air Force 621B. Trojrozměrnost se stala důležitou inovací této techniky-nyní je možné určit zeměpisnou šířku, délku a dlouho očekávanou výšku objektu. Satelitní signály byly odděleny podle nového principu kódování založeného na pseudonáhodném šumu podobném signálu. Pseudonáhodný kód zvyšuje odolnost signálu proti šumu a řeší problém omezení přístupu. Civilní uživatelé navigačních zařízení mají přístup pouze k otevřenému zdrojovému kódu, který lze kdykoli upravit z pozemního řídicího centra. V tomto případě selže veškeré „mírumilovné“vybavení, které definuje vlastní souřadnice s výraznou chybou. Vojenské zamčené kódy zůstanou beze změny.
Testy byly zahájeny v roce 1972 na testovacím místě v Novém Mexiku pomocí vysílačů na balónech a letadlech jako simulátorů satelitů. „Systém 612B“vykazoval vynikající přesnost určování polohy několika metrů a právě v té době se zrodil koncept globálního navigačního systému se středními oběžnými dráhami se 16 satelity. V této verzi poskytoval klastr čtyř satelitů (toto číslo je nutné pro přesnou navigaci) 24hodinové pokrytí celého kontinentu. „Systém 612B“byl několik let v experimentální pozici a o Pentagon se nijak zvlášť nezajímal. Několik úřadů ve Spojených státech současně pracovalo na „horkém“navigačním tématu: Laboratoř aplikované fyziky pracovalo na úpravě tranzitu, námořnictvo „dokončovalo“časování a dokonce i pozemní síly nabízely vlastní SECOR (Sekvenční korelace rozsahu, sekvenční výpočet rozsahů). To nemohlo znepokojovat ministerstvo obrany, kterému hrozilo, že bude čelit jedinečným navigačním formátům v každém typu vojska. V určitém okamžiku jeden z amerických válečníků práskl rukou o stůl a zrodilo se GPS, zahrnující vše nejlepší ze svých předchůdců. V polovině 70. let byl pod záštitou amerického ministerstva obrany vytvořen tripartitní společný výbor s názvem NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), který určoval důležité parametry budoucího systému - počet satelitů, jejich výšky, signál kódy a způsoby modulace. Když přišli na údaj o nákladech, rozhodli se okamžitě vytvořit dvě možnosti - vojenské a komerční s předem určenou chybou v přesnosti polohování. Letectvo v tomto programu hrálo vedoucí úlohu, protože jeho Air Force 621B byl nejpropracovanějším modelem budoucího navigačního systému, od kterého si GPS vypůjčilo prakticky nezměněnou technologii pseudonáhodného šumu. Systém synchronizace signálu byl převzat z projektu Timtation, ale oběžná dráha byla zvýšena na 20 tisíc kilometrů, což poskytlo 12hodinovou oběžnou dobu místo 8hodinové předchůdce. Zkušený satelit byl vypuštěn do vesmíru již v roce 1978 a jako obvykle byla předem připravena veškerá potřebná pozemní infrastruktura - bylo vynalezeno pouze sedm typů přijímacích zařízení. V roce 1995 byl GPS nasazen naplno - asi 30 satelitů je neustále na oběžné dráze, a to navzdory skutečnosti, že pro provoz je dost 24. Orbitálním letadlům pro satelity je přiděleno šest, se sklonem 550… V tuto chvíli vám GPS průzkumné aplikace umožňují určit polohu spotřebitele s přesností menší než jeden milimetr! Od roku 1996 se objevují satelity Block 2R vybavené autonomním navigačním systémem AutoNav, který umožňuje vozidlu pracovat na oběžné dráze, pokud je pozemní řídicí stanice zničena po dobu nejméně 180 dnů.
Až do konce 80. let bylo bojové používání GPS sporadické a bezvýznamné: určování souřadnic minových polí v Perském zálivu a odstraňování nedokonalostí map během invaze do Panamy. K plnohodnotnému křtu ohněm došlo v Perském zálivu v letech 1990-1991 během Pouštní bouře. Vojáci dokázali aktivně manévrovat v pouštní oblasti, kde je obtížné najít přijatelné orientační body, a také provádět dělostřeleckou palbu s vysokou přesností kdykoli během dne v podmínkách písečných bouří. Později se GPS osvědčilo při mírové operaci v Somálsku v roce 1993, při americkém přistání na Haiti v roce 1994 a nakonec při afghánských a iráckých kampaních 21. století.
