トランジット（衛星）

交通

打ち上げ準備中のGRAB 1を搭載した Transit 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

トランジットシステムは、 NAVSATまたはNNSS（海軍航法衛星システム）としても知られ、運用に使用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、主に米海軍がポラリス 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し、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年から最初はポラリス潜水艦向けに、後に民間向けにも継続的な航法衛星サービスを提供しました。プロジェクトDAMPプログラムでは、ミサイル追跡艦USASアメリカンマリナーも、追跡レーダーを配置する前に、衛星からのデータを使用して正確な船舶の位置情報を取得しました。

海軍が後援し、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、 DARPA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、最初の衛星ベースの地理測位システムでした。 ^{[1] [2] [3] 1957年10月4日、}ソ連が人類初の地球周回衛星であるスプートニク1号を打ち上げた わずか数日後、APLの2人の物理学者、ウィリアム・ガイアーとジョージ・ワイフェンバッハは、衛星から発せられるであろう無線信号について議論していました。彼らは、スプートニクの1回の通過中の無線信号のドップラーシフトを分析することで、スプートニクの軌道を決定することができました。^[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]このシステムの最初のテストは1960年に成功し、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に運用可能な衛星群が設置された。^[9]

チャンス・ヴォート/LTV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ロケットとして選択された。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、以前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した。APL が以前に衛星に設計したよりも多くの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という問題であった。したがって、以前よりも小型で、打ち上げ時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、それ以外は電源システムのトラブルで成功しなかった。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実現した最初の衛星であり、その他のサブシステムは良好に機能した。^[10]

測量士はトランジットを使用して数十回のトランジット測位を平均化し、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用し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、何千もの軍艦、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、ソ連が独自の衛星ナビゲーションシステムであるParus（軍事）/ Tsikada （民間）の運用を開始しました。これは、次世代のGLONASSと並んで今日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]

Transit システムは、全地球測位システム(GPS) によって時代遅れとなり、1996 年にナビゲーション サービスが停止されました。電子機器の改良により、GPS 受信機は複数の測​​位を一度に効果的に行うことができるようになり、位置を推測する複雑さが大幅に軽減されました。GPS は Transit で使用されていたものよりも多くの衛星を使用しており、システムを継続的に使用できますが、Transit は 1 時間ごとに測位を提供するだけでした。

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]

システムで使用された衛星 ( OSCARまたはNOVA衛星として知られる)は、高度約 600 海里 (690 mi、1,100 km) の低 極軌道に配置され、軌道周期は約 106 分でした。地球全体を適度にカバーするには、5 つの衛星のコンステレーションが必要でした。システムが運用されている間は、通常、少なくとも 10 個の衛星 (基本コンステレーションの各衛星に対して 1 つの予備) が軌道上に維持されていました。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使用されたOSCARシリーズの衛星とは異なることに注意してください。

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択され、両極を横切り、赤道で分散していた。通常、一度に観測できる衛星は 1 つだけなので、測位は衛星の 1 つが地平線より上に出たときにのみ実行できた。赤道では測位間の遅延は数時間であったが、中緯度では遅延は 1 時間か 2 時間に短縮された。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、トランジットはSLBM発射の更新システムとしての本来の役割を果たすには十分であったが、トランジットには高速でリアルタイムの位置測定を行う能力がなかった。

その後の改良により、このシステムはシングルパスで約 200 メートル (660 フィート) の精度を実現し、約 50 マイクロ秒の時刻同期も実現しました。トランジット衛星は暗号化されたメッセージも送信しましたが、これは二次的な機能でした。^[要出典]

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]

位置を特定すること (「位置の特定」とも呼ばれる) には、通常、2D 位置を生成するために 2 回以上の測定が必要です。最新の GPS システムの場合、その時点でどの衛星が見えているかに応じて、このような測定が数十回行われ、それぞれの測定が精度の向上に役立ちます。トランジットの場合、軌道上にある衛星は少数で、分散していました。つまり、通常、一度に 1 つの衛星しか見えませんでした。2 つ目の測定を決定する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行いました。宇宙船は時速約 17,000 マイル (27,000 km/h) で移動しており、地上で測定すると、受信キャリア信号の周波数が最大 10 kHz 増加または減少する可能性があります。衛星が地上局に近づいている間、その信号の周波数は上昇し、遠ざかるにつれて再び低下します。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) を通過したときです。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 番目の基準については、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、横を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なります。したがって、周波数の変化の速さは、ステーションと衛星間の相対経度の指標となります。さらに、地球の自転によって別のドップラー補正が行われ、これを使用して、衛星が地上ステーションの東にあるか西にあるかを判断することができます。

これらの測定により、衛星と比較した相対的な位置が生成されます。実際の位置を決定するために、その相対的な測定値が衛星の位置に適用されます。これは、正確なタイム ハック (2 分ごと) と、衛星の 6 つの軌道要素および軌道摂動変数を定期的に送信することで提供されます。地上の受信機はこれらの信号をダウンロードし、シフトを測定しながら衛星の位置を計算しました。軌道エフェメリスとクロック補正は、海軍の 4 つの追跡およびインジェクション ステーションの 1 つから各衛星に 1 日 2 回アップロードされました。

トランジット衛星は 150 MHz と 400 MHz で放送しました。この 2 つの周波数は、衛星無線信号の電離層による屈折を相殺し、位置の精度を向上させるために使用されました。トランジット システムは、世界初の計時サービスも提供し、あらゆる場所の時計を 50 マイクロ秒の精度で同期できるようになりました。

最も可能性の高い受信機の位置を計算するのは簡単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、受信機の最初の「試行」位置に基づいて、衛星の動きを使用して「試行」ドップラー曲線を計算しました。次に、ソフトウェアはドップラー曲線の 2 分間のセクションごとに最小二乗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 分間の曲線セグメントで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しました。

受信機も地球に対して移動している場合、たとえば船や飛行機に乗っている場合、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、低速で移動する船の場合、2 分間のドップラー曲線を 1 つ受信しただけでも、位置精度は通常 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ナビゲーション基準でした。米国の潜水艦は通常、使用可能な Transit 位置を取得するために UHF アンテナを 2 分間だけ露出させるためです。米国の潜水艦バージョンの Transit 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。^{[要出典]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)と似ています]。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 の中間でした)。一般的な 12 - 15 分間の高衛星高度通過では、精度は 10 メートル未満でした。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、緊急ロケーター送信機(ELT)で使用されるシステムと似ていますが、後者の場合は送信機が地上にあり、受信機が軌道上にある点が異なります。ELT は、上空を通過する船舶または航空機の送信機のドップラー シフトを測定し、そのデータを地上に送信して航空機の位置を特定します。

正確な位置がわかっ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ました。地上局はドップラーシフトを測定し、そのデータを 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 ネットワークを使用して、メリーランド州ローレルの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。ドップラーシフトを使用して既知の地上局から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使用して、やはりドップラーシフトを使用して地球上の未知の位置を特定することの逆です。

典型的な地上局は、小さなクォンセット小屋に設置されていました。地上局の測定精度は、地上局のマスター クロックの精度に依存していました。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、毎日ドリフトがチェックされていました。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を測定するために使用できました。後に、ルビジウム ビームクロックとセシウム 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 ステーションでした。1970 年代の長年にわたり、このステーションには、テキサス大学オースティン校の大学院生と学部生 (通常は電気工学) 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、セイシェル諸島、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観測所は、これらの極軌道衛星の極に近い位置にあるため、すべてのトランジット衛星の通過を観測しました。

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、パンチングテープ装置、アンテナは、いくつかのパッド入りアルミケースに収まり、航空会社の追加貨物として出荷できました。データは一定期間（通常は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、米国地質調査所の職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を測定するために使用されました。他のジオシーバーは夏の間、南極の現場で持ち出され、ロス棚氷の動きなどの位置を測定するために使用されました。

1958年当時、潜水艦のハッチを通過できるほど小さい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]このコンピュータは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の教員だったローウェル・アムダールで、ジーン・アムダールの兄弟であった。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、カノガパーク工場で手作業でねじ切りされた。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、減算、乗算、除算を行うハードウェア コマンドを持たない 15 ビット ワード長のマイクロプログラムマシンでしたが、加算、シフト、 1 の補数の作成、およびキャリー ビットのテストは実行できました。標準の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した。たとえば、「減算」サブルーチンは、減数の 1 の補数を作成して加算する必要がありました。乗算には、連続した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 つの演算子がありました。たとえば、1 つのレジスタの内容を補完しながら、別のレジスタをロードまたは保存するなどです。これは、シングル サイクル間接アドレス指定機能を実装した最初のコンピューターだった可能性があります。

衛星の通過中、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、船の慣性航法システム (SINS) から緯度と経度の読み取り値も受信します。この情報を使用して、AN/UYK-1 は最小二乗アルゴリズムを実行し、約 15 分で位置読み取り値を提供します。

トランジットシリーズにはNASAによってトランジットという名前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いました。

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）を使用した最初の衛星でした。^[21] トランジット4B （1961年）にもSNAP-3 RTGが搭載されていました。トランジット4Bは、核爆発、具体的には1962年7月9日の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で不注意に損傷または破壊されたいくつかの衛星の1つでした。^[22]

トランジット5A3とトランジット5B-1（1963）にはそれぞれSNAP-3 RTGが搭載されていました。^{[23] [24]}

トランジット5B-2（1963）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ロケットは軌道に乗せることができなかった。このロケットは「再突入時に燃え尽き、約1キログラムのプルトニウム238とともに小さな粒子に砕け散った」。^[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」が搭載されていた。

アメリカ空軍はまた、軌道抵抗を研究するために、162 MHz と 324 MHz の無線ビーコンを搭載した短寿命の衛星を、はるかに低い軌道に定期的に打ち上げました。^[要出典] トランジット地上追跡局もこれらの衛星を追跡し、同じ原理を使用し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、上層大気と地球の重力場の変動を含む軌道抵抗データを収集するために使用されました。

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

トランジット衛星のリスト: ^[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（未発射）^[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 (1962.12.19) ^[33]
• トランジット5A 2（1963年4月5日、打ち上げ失敗）^[33]
• トランジット 5A 3 (16.06.1963) ^[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とトランジット5E-2（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（未発射）^[38]
• トランジット5E-4（キャンセル）^[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]

• トランジット衛星打ち上げ記録

ウィキメディア・コモンズには、トランジット (衛星)に関連するメディアがあります。

• 宇宙百科事典