Tránsito (sistema de navegación por satélite)

Los satélites (conocidos como satélites OSCAR o NOVA ) utilizados en el sistema se colocaron en órbitas polares bajas , a una altitud de aproximadamente 600 millas náuticas (690 millas; 1100 km) , con un período orbital de aproximadamente 106 minutos. Se requería una constelación de cinco satélites para proporcionar una cobertura global razonable. Mientras el sistema estuvo operativo, generalmente se mantenían en órbita al menos diez satélites : uno de reserva por cada satélite de la constelación básica . Cabe señalar que estos satélites OSCAR no eran los mismos que los de la serie OSCAR destinados a las comunicaciones por satélite por parte de radioaficionados .   

Las órbitas de los satélites Transit se eligieron para cubrir toda la Tierra; cruzaban los polos y se extendían por el ecuador. Dado que normalmente solo un satélite era visible a la vez, las mediciones de posición solo podían realizarse cuando uno de los satélites se encontraba sobre el horizonte. En el ecuador, este retraso entre mediciones era de varias horas; en latitudes medias, el retraso se reducía a una o dos horas. Para su función prevista como sistema de actualización para el lanzamiento de misiles balísticos lanzados desde submarinos (SLBM) , Transit era suficiente, ya que los submarinos realizaban mediciones periódicas para reiniciar su sistema de guiado inercial , pero Transit carecía de la capacidad de proporcionar mediciones de posición en tiempo real y a alta velocidad.

Con mejoras posteriores, el sistema ofrecía una precisión de pasada única de aproximadamente 200 metros (660 pies) y también una sincronización horaria de aproximadamente 50 microsegundos. Los satélites de tránsito también transmitían mensajes cifrados, aunque esta era una función secundaria. 

Los satélites Transit utilizaban matrices de memoria de núcleo magnético como almacenamiento masivo de datos de hasta 32 kilobytes. ^{[ 16 ]}

Determinar una ubicación, también conocido como "obtener una posición", normalmente requiere tomar dos o más mediciones para obtener una ubicación en 2D. En el caso del sistema GPS moderno, se pueden tomar docenas de estas mediciones dependiendo de los satélites visibles en ese momento, y cada una contribuye a mejorar la precisión. En el caso de Transit, solo había un pequeño número de satélites en órbita y estaban dispersos. Esto generalmente significaba que solo había un satélite visible en cualquier momento. Se necesitaba algún otro método para obtener una segunda medición.

Transit logró esto midiendo el desplazamiento Doppler de la señal. La nave espacial viajó a aproximadamente 27 000 km/h (17 000 mph ) , lo que podía aumentar o disminuir la frecuencia de la señal portadora recibida hasta en 10 kHz, según las mediciones realizadas en tierra. Mientras el satélite se acerca a la estación terrestre, sus señales aumentan su frecuencia, y al alejarse, disminuyen nuevamente. El momento preciso en que la frecuencia es exactamente igual a la frecuencia de transmisión se produce cuando la trayectoria del satélite pasa por la ubicación de la estación terrestre (con algunas correcciones). Esto proporciona una de las dos mediciones necesarias.   

Para la segunda medida, es necesario considerar el patrón del efecto Doppler. Si el satélite pasa directamente por encima, su velocidad angular será mayor que si pasa a un lado. En el caso extremo, con un satélite cerca del horizonte, el cambio de velocidad relativa se minimiza. Por lo tanto, la rapidez del cambio de frecuencia indica la longitud relativa entre la estación y el satélite. Además, la rotación de la Tierra proporciona otra corrección Doppler que puede utilizarse para determinar si el satélite se encuentra al este o al oeste de la estación terrestre.

Estas mediciones generan una posición relativa con respecto al satélite. Para determinar la posición exacta, se aplica dicha medida relativa a la posición del satélite. Esto se logra mediante el envío periódico de señales horarias precisas (cada dos minutos), junto con los seis elementos orbitales del satélite y las variables de perturbación orbital . El receptor terrestre descargaba estas señales y calculaba la posición del satélite mientras medía los cambios. Las efemérides orbitales y las correcciones del reloj se cargaban dos veces al día a cada satélite desde una de las cuatro estaciones de seguimiento e inyección de la Armada.

El satélite Transit transmitía en 150 y 400  MHz. Estas dos frecuencias se utilizaban para compensar la refracción de las señales de radio satelitales por la ionosfera, mejorando así la precisión de la localización. El sistema Transit también proporcionó el primer servicio mundial de sincronización horaria, permitiendo sincronizar relojes en todo el mundo con una precisión de 50 microsegundos.

Calcular la ubicación más probable del receptor no era tarea fácil. El software de navegación utilizaba el movimiento del satélite para calcular una curva Doppler de prueba, basándose en una ubicación inicial de prueba para el receptor. A continuación, el software realizaba un ajuste de curva por mínimos cuadrados para cada segmento de dos minutos de la curva Doppler, moviendo recursivamente la posición de prueba hasta que la curva Doppler de prueba coincidiera lo más posible con la señal Doppler real recibida del satélite en todos los segmentos de dos minutos.

Si el receptor también se desplazaba con respecto a la Tierra, como a bordo de un barco o un avión, esto provocaría desajustes con las curvas Doppler idealizadas y degradaría la precisión de la posición. Sin embargo,  para un barco que se desplazaba lentamente, la precisión de la posición solía calcularse con una exactitud de 100 metros, incluso con la recepción de una sola curva Doppler de dos minutos. Este era el criterio de navegación exigido por la Armada de los Estados Unidos, ya que los submarinos estadounidenses normalmente exponían su antena UHF solo durante dos  minutos para obtener una posición útil con el sistema Transit. La versión para submarinos estadounidenses del sistema Transit también incluía una versión especial encriptada y más precisa de los datos orbitales descargados del satélite. Estos datos mejorados permitían una precisión del sistema considerablemente mayor (similar a la Disponibilidad Selectiva (SA) del GPS). Con este modo mejorado, la precisión era normalmente inferior a 20 metros (es decir, se situaba entre la de LORAN C y la del GPS). Para un paso típico de 12 a 15 minutos a gran altitud por el satélite, la precisión era inferior a diez metros. Sin duda, Transit fue el sistema de navegación más preciso de su época.

El principio de funcionamiento básico de Transit es similar al del sistema utilizado por los transmisores localizadores de emergencia (ELT), con la diferencia de que en estos últimos el transmisor está en tierra y el receptor en órbita. Los ELT miden el desplazamiento Doppler del transmisor instalado en la embarcación o aeronave al pasar por encima y envían esos datos a tierra, donde se puede determinar la ubicación de la embarcación.

Una red de estaciones terrestres, cuyas ubicaciones se conocían con precisión, realizaba un seguimiento continuo de los satélites Transit. Estas estaciones medían el efecto Doppler y transferían los datos a cintas de papel perforadas. Dichos datos se enviaban al Centro de Control de Satélites del Laboratorio de Física Aplicada en Laurel, Maryland, mediante redes de teleimpresoras comerciales y militares. Los datos de las estaciones terrestres fijas proporcionaban la información de ubicación en la órbita de los satélites Transit. Localizar un satélite Transit en órbita terrestre desde una estación terrestre conocida, utilizando el efecto Doppler, es simplemente el proceso inverso al de utilizar la ubicación conocida del satélite en órbita para localizar una ubicación desconocida en la Tierra, también mediante el efecto Doppler.

Una estación terrestre típica ocupaba una pequeña cabaña Quonset . La precisión de las mediciones de la estación terrestre dependía de la precisión del reloj maestro. Inicialmente, se utilizaba un oscilador de cuarzo en un horno con temperatura controlada como reloj maestro. Este reloj se verificaba diariamente para detectar desviaciones mediante un receptor VLF sintonizado a una estación VLF de la Armada de los Estados Unidos. La señal VLF tenía la propiedad de que su fase no variaba de un día a otro al mediodía a lo largo del trayecto entre el transmisor y el receptor, por lo que podía utilizarse para medir la deriva del oscilador. Posteriormente, se utilizaron relojes de haz de rubidio y cesio . Las estaciones terrestres tenían nombres numéricos; por ejemplo, la Estación 019 era la Estación McMurdo, en la Antártida. Durante muchos años de la década de 1970, esta estación estuvo atendida por un estudiante de posgrado y un estudiante de pregrado, generalmente de ingeniería eléctrica, de la Universidad de Texas en Austin. Otras estaciones se ubicaron en la Universidad Estatal de Nuevo México, la Universidad de Texas en Austin, Sicilia, Japón, las Islas Seychelles, Thule (Groenlandia) y otros lugares. Las estaciones de Groenlandia y la Antártida pudieron observar cada paso de cada satélite de tránsito debido a su proximidad a los polos para estos satélites de órbita polar.

Una versión portátil de la estación terrestre se llamaba Geoceiver y se utilizaba para realizar mediciones de campo. Este receptor, la fuente de alimentación, la unidad de cinta perforada y las antenas cabían en varias cajas de aluminio acolchadas y podían enviarse como carga adicional en una aerolínea. Los datos se tomaban durante un período de tiempo, normalmente una semana, y se enviaban al Centro de Control de Satélites para su procesamiento. Por lo tanto, a diferencia del GPS, no había una ubicación precisa e inmediata de la posición del Geoceiver. Un Geoceiver estaba ubicado permanentemente en la Estación del Polo Sur y era operado por personal del Servicio Geológico de los Estados Unidos. Dado que estaba ubicado en la superficie de una capa de hielo en movimiento, sus datos se utilizaban para medir el movimiento de la capa de hielo. Otros Geoceivers se llevaban al campo en la Antártida durante el verano y se utilizaban para medir ubicaciones, por ejemplo, el movimiento de la Plataforma de Hielo de Ross .

Dado que en 1958 no existía ningún ordenador lo suficientemente pequeño como para pasar por la escotilla de un submarino, se diseñó uno nuevo, denominado AN/UYK-1 (TRW-130). ^{[ 17 ]} Fue construido con esquinas redondeadas para poder pasar por la escotilla, medía aproximadamente cinco pies de altura y estaba sellado para ser impermeable. El ingeniero de diseño principal fue Lowell Amdahl, entonces miembro de la facultad de la UCLA y hermano de Gene Amdahl . El AN/UYK-1 fue construido por la Ramo-Wooldridge Corporation ^{[ 18 ]} (más tarde TRW) para los SSBN de la clase Lafayette . Estaba equipado con 8192 palabras de memoria de núcleo de 15 bits más un bit de paridad , enhebradas a mano en su fábrica de Canoga Park. El tiempo de ciclo era de aproximadamente un microsegundo . El AN/UYK-1 pesaba alrededor de 550 libras (250 kg) . ^{[ 19 ]} 

El AN/UYK-1 era una máquina microprogramada con una longitud de palabra de 15 bits que carecía de comandos de hardware para restar, multiplicar o dividir, pero podía sumar, desplazar, calcular el complemento a uno y comprobar el bit de acarreo. Las instrucciones para realizar operaciones estándar de punto fijo y flotante eran subrutinas de software, y los programas eran listas de enlaces y operadores a dichas subrutinas. Por ejemplo, la subrutina de "resta" debía calcular el complemento a uno del sustraendo y sumarlo. La multiplicación requería desplazamientos sucesivos y sumas condicionales.

En el conjunto de instrucciones AN/UYK-1, las instrucciones en lenguaje máquina contaban con dos operadores que podían manipular simultáneamente los registros aritméticos ; por ejemplo, complementando el contenido de un registro mientras se cargaba o almacenaba otro. Es posible que haya sido la primera computadora en implementar la capacidad de direccionamiento indirecto de un solo ciclo. 

Durante el paso del satélite, un receptor GE recibía los parámetros orbitales y los mensajes cifrados del satélite, además de medir la frecuencia con desplazamiento Doppler a intervalos regulares y proporcionar estos datos al ordenador AN/UYK-1. El ordenador también recibía del sistema de navegación inercial (SINS) del buque la latitud y la longitud. Con esta información, el AN/UYK-1 ejecutaba un algoritmo que proporcionaba la ubicación en unos quince minutos.