El 4 d’octubre de 1957 es va convertir en un incentiu important per als Estats Units: després del llançament del primer satèl·lit de la Terra artificial a l’URSS, els enginyers nord-americans van decidir adaptar l’espai per satisfer les necessitats de navegació (amb la practicitat característica dels ianquis). Al Laboratori de Física Aplicada (APL) de la Universitat Johns Hopkins, els col·laboradors WG Guyer i J. C. Wiffenbach van estudiar el senyal de ràdio de l’Sputnik 1 soviètic i van cridar l’atenció sobre el fort desplaçament de freqüència Doppler del senyal emès per un satèl·lit que passava. Quan es va apropar el nostre primogènit a l’espai, la freqüència del senyal va augmentar i la que va retrocedir va emetre senyals de ràdio de freqüència decreixent. Els investigadors van aconseguir desenvolupar un programa informàtic per determinar els paràmetres de l'òrbita d'un objecte que passa del seu senyal de ràdio en una sola passada. Naturalment, també és possible el principi contrari: el càlcul dels paràmetres ja coneguts de l'òrbita mitjançant el mateix desplaçament de freqüència de les coordenades desconegudes del receptor de ràdio terrestre. Aquesta idea va arribar al cap de l’empleat de l’APL, F. T. McClure, i ell, juntament amb el director del laboratori, Richard Kershner, van reunir un grup d’investigadors per treballar en un projecte anomenat Transit.
Richard Kershner (a l'esquerra) és un dels pares fundadors del sistema de posicionament global americà. Font: gpsworld.com
El submarí nuclear "George Washington" és el primer usuari del sistema de trànsit. Font: zonwar.ru
Orrbites operatives de la constel·lació de Trànsit. Font: gpsworld.com
El client principal era la Marina dels Estats Units, que necessitava eines de navegació de precisió per a nous submarins equipats amb míssils Polaris. La necessitat de determinar amb precisió la ubicació de submarins com "George Washington" era extremadament necessària per a la novetat de llavors: el llançament de míssils amb ogives nuclears des de qualsevol lloc dels oceans.
Equip de recepció de trànsit per a submarins. Font: timeandnavigation.si.edu
El 1958, els nord-americans van poder presentar el primer prototip experimental del satèl·lit Transit i el 17 de setembre de 1959 va ser enviat a l’espai. També es va crear la infraestructura terrestre: en el moment del llançament, el complex dels equips de navegació de l’usuari i les estacions de seguiment terrestre ja estaven a punt.
Enginyers de la Universitat Hopkins que van muntar i provar la sonda Transit. Font: timeandnavigation.si.edu
Els nord-americans van treballar en un projecte de navegació per satèl·lit en plena manera postcombustible: el 1959 ja havien construït fins a cinc tipus de satèl·lits de trànsit, que posteriorment es van llançar i provar. En mode de funcionament, la navegació nord-americana va començar a funcionar el desembre de 1963, és a dir, en menys de cinc anys, va ser possible crear un sistema viable amb una bona precisió per al seu temps: l’error de la mitjana del quadrat (RMS) d’un objecte estacionari feia 60 m.
Model Satellite Transit 5A 1970. Font: timeandnavigation.si.edu
Un receptor de trànsit instal·lat en un cotxe utilitzat pel geòleg Smithsonian Ted Maxwell al desert egipci el 1987. El cavall de batalla de la investigadora va resultar ser …
… la "Niva" soviètica! Font: gpsworld.com [/centre]
La determinació de les coordenades d’un submarí que es movia a la superfície era més problemàtica: si cometeu un error amb el valor de la velocitat 0,5 km / h, el RMS augmentarà fins a 500 m. Per tant, era més convenient girar cap al satèl·lit durant ajuda en una posició estacionària del vaixell, cosa que de nou no va ser fàcil. El transport públic en òrbita baixa (1100 km d’altitud) va ser adoptat per la Marina dels Estats Units a mitjan 64, com a part de quatre satèl·lits, augmentant encara més l’agrupació orbital a set vehicles i, a partir dels 67, la navegació va estar disponible per als simples mortals. De moment, la constel·lació de satèl·lits Transit s’utilitza per estudiar la ionosfera. Els desavantatges del primer sistema de navegació per satèl·lit del món eren la incapacitat de determinar l’alçada de la posició de l’usuari terrestre, la considerable durada de l’observació i la precisió del posicionament de l’objecte, que finalment va esdevenir insuficient. Tot plegat va provocar noves cerques a la indústria espacial nord-americana.
Temps de nau espacial. Font: timeandnavigation.si.edu
El segon sistema de navegació per satèl·lit va ser Timation from the Naval Research Laboratory (NRL), dirigit per Roger Easton. En el marc del projecte, es van reunir dos satèl·lits equipats amb rellotges ultra precisos per transmetre senyals horaris als consumidors terrestres i determinar amb exactitud la seva pròpia ubicació.
Satèl·lit experimental Timation NTS-3, equipat amb un rellotge de rubidi. Font: gpsworld.com
A Timation, es va formular el principi bàsic dels futurs sistemes GPS: un transmissor funcionava al satèl·lit, que emetia un senyal codificat, que gravava el subscriptor de terra i mesurava el retard del seu pas. Sabent la ubicació exacta del satèl·lit en òrbita, l'equip va calcular fàcilment la distància fins a ell i, a partir d'aquestes dades, va determinar les seves pròpies coordenades (efemèrides). Per descomptat, això requereix almenys tres satèl·lits, i preferiblement quatre. Les primeres temporitzacions van entrar a l’espai el 1967 i portaven rellotges de quars al principi, i més tard rellotges atòmics ultra precisos: rubidi i cesi.
La Força Aèria dels Estats Units operava independentment de la Marina amb el seu propi sistema de posicionament global anomenat Air Force 621B. La tridimensionalitat s’ha convertit en una important innovació d’aquesta tècnica; ara és possible determinar la latitud, la longitud i l’altura esperada d’un objecte. Els senyals de satèl·lit es van separar segons un nou principi de codificació basat en un senyal pseudo-aleatori semblant al soroll. El codi pseudo-aleatori augmenta la immunitat contra el soroll del senyal i resol el problema de restringir l'accés. Els usuaris civils d’equips de navegació només tenen accés al codi font obert, que es pot modificar des del centre de control terrestre en qualsevol moment. En aquest cas, tots els equips "pacífics" fallaran, definint les seves pròpies coordenades amb un error significatiu. Els codis militars bloquejats es mantindran sense canvis.
Les proves es van iniciar el 1972 en un lloc de proves a Nou Mèxic, utilitzant transmissors en globus i avions com a simuladors de satèl·lits. El "Sistema 612B" mostrava una precisió de posicionament excepcional de diversos metres i va ser en aquest moment quan va néixer el concepte d'un sistema de navegació global d'òrbita mitjana amb 16 satèl·lits. En aquesta versió, un cúmul de quatre satèl·lits (aquest número és necessari per a una navegació precisa) proporcionava cobertura les 24 hores de tot el continent. Durant un parell d'anys, el "Sistema 612B" estava en el rang experimental i no estava particularment interessat en el Pentàgon. Al mateix temps, diverses oficines dels Estats Units treballaven en un tema de navegació "candent": el Laboratori de Física Aplicada estava treballant en una modificació del Trànsit, la Marina estava "acabant" el Timing i fins i tot les forces terrestres van oferir el seu propi SECOR (correlació seqüencial de rang, càlcul seqüencial de rangs). Això no podia deixar de preocupar el Ministeri de Defensa, que corria el risc d’afrontar formats de navegació únics en cada tipus de tropa. En un moment determinat, un dels guerrers nord-americans va copejar la mà sobre la taula i va néixer un GPS que incorporava tot el millor dels seus predecessors. A mitjan anys 70, sota els auspicis del Departament de Defensa dels Estats Units, es va crear un comitè mixt tripartit anomenat NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), que va determinar els paràmetres importants del futur sistema: el nombre de satèl·lits, les seves altures, el senyal codis i mètodes de modulació. Quan van arribar a la xifra de costos, van decidir crear immediatament dues opcions: militar i comercial, amb un error predeterminat en la precisió de posicionament. La Força Aèria va jugar un paper principal en aquest programa, ja que la seva Força Aèria 621B era el model més sofisticat del futur sistema de navegació, del qual el GPS va manllevar tecnologia de soroll pseudo-aleatori pràcticament sense canvis. El sistema de sincronització del senyal es va treure del projecte Timtation, però l'òrbita es va elevar a 20 mil quilòmetres, cosa que va proporcionar un període orbital de 12 hores en lloc del de 8 hores del seu predecessor. Un satèl·lit experimentat ja es va llançar a l’espai el 1978 i, com és habitual, es va preparar amb antelació tota la infraestructura terrestre necessària: només es van inventar set tipus d’equips receptors. El 1995, es va desplegar el GPS completament - uns 30 satèl·lits estan constantment en òrbita, tot i que per al funcionament hi ha prou 24. Hi ha assignats sis plans orbitals per a satèl·lits, amb una inclinació de 550… De moment, les aplicacions de topografia GPS us permeten determinar la posició del consumidor amb una precisió inferior a un mil·límetre. Des del 1996 han aparegut els satèl·lits Block 2R, equipats amb el sistema de navegació autònom AutoNav, que permet al vehicle operar en òrbita quan l'estació de control terrestre es destrueix durant almenys 180 dies.
Fins a finals dels anys vuitanta, l’ús de GPS en combat era esporàdic i insignificant: determinant les coordenades dels camps minats al golf Pèrsic i eliminant les imperfeccions dels mapes durant la invasió de Panamà. Un bateig de foc de ple dret va passar al golf Pèrsic el 1990-1991 durant la tempesta del desert. Les tropes van poder maniobrar activament en una zona desèrtica, on és difícil trobar fites acceptables, així com realitzar focs d'artilleria amb alta precisió a qualsevol hora del dia en condicions de tempestes de sorra. Més tard, el GPS va resultar útil en l'operació de manteniment de la pau a Somàlia el 1993, al desembarcament americà a Haití el 1994 i, finalment, a les campanyes afganeses i iraquianes del segle XXI.
