Ważnym bodźcem dla Stanów Zjednoczonych stał się 4 października 1957 r. – po wystrzeleniu pierwszego sztucznego satelity Ziemi w ZSRR amerykańscy inżynierowie postanowili przystosować przestrzeń kosmiczną do potrzeb nawigacyjnych (z praktycznością charakterystyczną dla Yankees). W Laboratorium Fizyki Stosowanej (APL) Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa współpracownicy WG Guyer i J. C. Wiffenbach zbadali sygnał radiowy z radzieckiego Sputnika 1 i zwrócili uwagę na silne przesunięcie częstotliwości Dopplera sygnału emitowanego przez przelatującego satelitę. Kiedy nasz pierworodny zbliżył się w kosmosie, częstotliwość sygnału wzrosła, a oddalający emitował sygnały radiowe o malejącej częstotliwości. Naukowcom udało się opracować program komputerowy do określania parametrów orbity przechodzącego obiektu na podstawie jego sygnału radiowego w jednym przejściu. Oczywiście możliwa jest również odwrotna zasada - obliczenie znanych już parametrów orbity przy użyciu tego samego przesunięcia częstotliwości nieznanych współrzędnych naziemnego odbiornika radiowego. Pomysł ten wpadł na szefa pracownika APL F. T. McClure'a i wraz z dyrektorem laboratorium Richardem Kershnerem zebrał grupę badaczy do pracy nad projektem o nazwie Transit.
Richard Kershner (z lewej) jest jednym z ojców założycieli amerykańskiego Globalnego Systemu Pozycjonowania. Źródło: gpsworld.com
Nuklearna łódź podwodna „George Washington” jest pierwszym użytkownikiem systemu Transit. Źródło: zonwar.ru
Orbity operacyjne konstelacji Tranzytu. Źródło: gpsworld.com
Głównym klientem była US Navy, która potrzebowała precyzyjnych narzędzi nawigacyjnych dla nowych okrętów podwodnych wyposażonych w pociski Polaris. Konieczność dokładnego określenia lokalizacji okrętów podwodnych takich jak „George Washington” była niezwykle potrzebna dla ówczesnej nowości - wystrzeliwania pocisków z głowicami nuklearnymi z dowolnego miejsca w oceanach.
Sprzęt odbiorczy tranzytu dla okrętów podwodnych. Źródło: timeandnavigation.si.edu
Do 1958 roku Amerykanie byli w stanie zaprezentować pierwszy eksperymentalny prototyp satelity Transit, który 17 września 1959 został wysłany w kosmos. Powstała również infrastruktura naziemna - do czasu startu gotowy był kompleks sprzętu nawigacyjnego użytkownika, a także naziemne stacje śledzenia.
Inżynierowie z Uniwersytetu Hopkinsa montują i testują statek kosmiczny Transit. Źródło: timeandnavigation.si.edu
Amerykanie pracowali nad projektem nawigacji satelitarnej z pełnym dopalaczem: do 1959 roku zbudowali aż pięć typów satelitów Transit, z których wszystkie zostały później wystrzelone i przetestowane. W trybie operacyjnym nawigacja amerykańska zaczęła działać w grudniu 1963 r., czyli w niecałe pięć lat udało się stworzyć działający system o dobrej jak na owe czasy dokładności - błąd średniokwadratowy (RMS) dla obiektu nieruchomego było 60 m.
Model satelity Transit 5A 1970. Źródło: timeandnavigation.si.edu
Odbiornik Transit zainstalowany w samochodzie używanym przez geologa Smithsonian Teda Maxwella na egipskiej pustyni w 1987 roku. Wół roboczy badacza okazał się być …
… radziecka "Niva"! Źródło: gpsworld.com [/center]
Ustalenie współrzędnych łodzi podwodnej poruszającej się po powierzchni było bardziej problematyczne: jeśli pomylisz się z wartością prędkości o 0,5 km / h, wtedy RMS wzrośnie do 500 m. Dlatego bardziej celowe było zwrócenie się do satelity pomoc w stacjonarnej pozycji statku, co znowu nie było łatwe. Tranzyt o niskiej orbicie (1100 km wysokości) został przyjęty przez marynarkę wojenną Stanów Zjednoczonych w połowie 64 roku jako część czterech satelitów, co jeszcze bardziej zwiększyło grupę orbitalną do siedmiu pojazdów, a od 67 nawigacja stała się dostępna dla zwykłych śmiertelników. W tej chwili konstelacja satelity Transit jest wykorzystywana do badania jonosfery. Wadami pierwszego na świecie systemu nawigacji satelitarnej były brak możliwości określenia wysokości położenia użytkownika naziemnego, znaczny czas trwania obserwacji oraz dokładność pozycjonowania obiektu, która ostatecznie stała się niewystarczająca. Wszystko to doprowadziło do nowych wyszukiwań w amerykańskim przemyśle kosmicznym.
Czas statku kosmicznego. Źródło: timeandnavigation.si.edu
Drugim systemem nawigacji satelitarnej był Timation z Naval Research Laboratory (NRL), którym kierował Roger Easton. W ramach projektu zmontowano dwa satelity, wyposażone w ultraprecyzyjne zegary do nadawania sygnałów czasu do odbiorców naziemnych i dokładnego określania własnej lokalizacji.
Eksperymentalny satelita Timation NTS-3, wyposażony w rubidowy zegar. Źródło: gpsworld.com
W Timation sformułowano podstawową zasadę przyszłych systemów GPS: nadajnik działał na satelicie, emitując zakodowany sygnał, który rejestrował naziemny abonent i mierzył opóźnienie jego przejścia. Znając dokładną lokalizację satelity na orbicie, sprzęt z łatwością obliczył odległość do niego i na podstawie tych danych określił własne współrzędne (efemerydy). Oczywiście wymaga to co najmniej trzech satelitów, a najlepiej czterech. Pierwsze Timations poleciały w kosmos w 1967 roku i na początku nosiły zegary kwarcowe, a później ultraprecyzyjne zegary atomowe – rubidowy i cezowy.
Siły Powietrzne Stanów Zjednoczonych działały niezależnie od marynarki wojennej na własnym globalnym systemie pozycjonowania o nazwie Air Force 621B. Trójwymiarowość stała się ważną innowacją tej techniki - teraz możliwe jest określenie szerokości i długości geograficznej oraz długo oczekiwanej wysokości obiektu. Sygnały satelitarne zostały oddzielone zgodnie z nową zasadą kodowania opartą na sygnale pseudolosowym podobnym do szumu. Kod pseudolosowy zwiększa odporność sygnału na zakłócenia i rozwiązuje problem ograniczenia dostępu. Cywilni użytkownicy sprzętu nawigacyjnego mają dostęp tylko do kodu open source, który w dowolnym momencie można modyfikować z naziemnego centrum kontroli. W takim przypadku cały „pokojowy” sprzęt zawiedzie, określając własne współrzędne ze znacznym błędem. Wojskowe kody zablokowane pozostaną niezmienione.
Testy rozpoczęły się w 1972 roku na poligonie w Nowym Meksyku, wykorzystując nadajniki na balonach i samolotach jako symulatory satelitów. „System 612B” wykazał się niezwykłą dokładnością pozycjonowania rzędu kilku metrów i właśnie wtedy narodziła się koncepcja globalnego systemu nawigacji o średniej orbicie z 16 satelitami. W tej wersji klaster czterech satelitów (liczba ta jest niezbędna do dokładnej nawigacji) zapewniał całodobowy zasięg całego kontynentu. Przez kilka lat „System 612B” znajdował się w randze eksperymentalnej i nie był szczególnie zainteresowany Pentagonem. W tym samym czasie kilka biur w Stanach Zjednoczonych pracowało nad „gorącym” tematem nawigacyjnym: Laboratorium Fizyki Stosowanej pracowało nad modyfikacją Transita, Marynarka Wojenna „kończył” Timation, a nawet siły lądowe oferowały własne SECOR (Sequential Correlation of Range, sekwencyjne obliczanie zakresów). Mogło to niepokoić Ministerstwo Obrony, które było zagrożone unikalnymi formatami nawigacji w każdym typie wojsk. W pewnym momencie jeden z amerykańskich wojowników uderzył dłonią w stół i narodził się GPS, zawierający wszystko, co najlepsze ze swoich poprzedników. W połowie lat 70. pod auspicjami Departamentu Obrony USA powstał trójstronny wspólny komitet o nazwie NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group), który określił ważne parametry przyszłego systemu - liczbę satelitów, ich wysokości, sygnał kody i metody modulacji. Kiedy doszli do kosztorysu, postanowili od razu stworzyć dwie opcje - wojskową i komercyjną z ustalonym z góry błędem w dokładności pozycjonowania. Siły Powietrzne odegrały w tym programie wiodącą rolę, ponieważ ich Air Force 621B był najbardziej wyrafinowanym modelem przyszłego systemu nawigacyjnego, z którego GPS zapożyczył praktycznie niezmienioną technologię pseudolosowego szumu. System synchronizacji sygnału zaczerpnięto z projektu Timtation, ale orbitę podniesiono do 20 tysięcy kilometrów, co zapewniło 12-godzinny okres orbitalny zamiast 8-godzinnego okresu jego poprzednika. Doświadczony satelita został wystrzelony w kosmos już w 1978 roku i jak zwykle z góry przygotowano całą niezbędną infrastrukturę naziemną - wynaleziono tylko siedem rodzajów urządzeń odbiorczych. W 1995 r. GPS został w pełni wdrożony - około 30 satelitów jest stale na orbicie, mimo że do działania wystarczy 24. Samoloty orbitalne dla satelitów mają przydzielone sześć, z nachyleniem 550… W tej chwili aplikacje geodezyjne GPS pozwalają na określenie pozycji konsumenta z dokładnością poniżej jednego milimetra! Od 1996 roku pojawiły się satelity Block 2R, wyposażone w autonomiczny system nawigacji AutoNav, który pozwala pojazdowi operować na orbicie po zniszczeniu naziemnej stacji kontroli przez co najmniej 180 dni.
Do późnych lat 80. bojowe użycie GPS było sporadyczne i nieistotne: określanie współrzędnych pól minowych w Zatoce Perskiej i eliminowanie niedoskonałości map podczas inwazji na Panamę. Pełnoprawny chrzest bojowy miał miejsce w Zatoce Perskiej w latach 1990-1991 podczas Pustynnej Burzy. Wojska były w stanie aktywnie manewrować na terenie pustynnym, gdzie trudno jest znaleźć akceptowalne punkty orientacyjne, a także prowadzić ogień artyleryjski z dużą celnością o każdej porze dnia w warunkach burz piaskowych. Później GPS okazał się przydatny w operacji pokojowej w Somalii w 1993 roku, w amerykańskim lądowaniu na Haiti w 1994 roku i wreszcie w kampaniach afgańskich i irackich w XXI wieku.
