トランシット (人工衛星)

トランシット(TRANSIT) : 初期の衛星測位システム

トランシット（TRANSIT）は、アメリカ海軍が開発した世界初の衛星測位システムです。正式名称はNAVSAT（Navy Navigation Satellite System）と呼ばれ、1960年代初頭から1990年代半ばまで運用されました。ポラリスミサイル搭載潜水艦に正確な位置情報を提供することを主な目的とし、その他にも海軍艦艇の航行、水路測量、土地測量などに広く利用されました。このシステムは、GPS（Global Positioning System）が登場するまで、長年にわたり重要な航法手段として活躍しました。

歴史

トランシットシステムの開発は、ジョンズ・ホプキンス大学応用物理研究所（APL）がアメリカ海軍の委託を受けて進められました。きっかけは、1957年にソビエト連邦が打ち上げた世界初の人工衛星スプートニク1号でした。APLの物理学者であるウィリアム・ギアとジョージ・ワイフェンバックは、スプートニクが発信するマイクロ波信号を捉え、そのドップラー効果を分析することで衛星の軌道を特定できることを発見しました。さらに、APLのフランク・マクルーアは、衛星の位置が既知であれば、ドップラー効果を逆に利用して地上の受信機の位置を特定できるというアイデアを提唱しました。

このアイデアに基づき、1958年からトランシットシステムの開発が始まりました。1959年9月にはプロトタイプ衛星のトランシット1Aが打ち上げられましたが、軌道投入に失敗しました。翌1960年4月には2号機のトランシット1Bが打ち上げに成功し、システムの実用化に向けたテストが開始されました。1964年には、トランシットシステムが正式に海軍に導入され、航行支援システムとして運用が開始されました。

当初は軍事目的で使用されていたトランシットシステムでしたが、3年後には民間にも開放され、測量や海洋調査などにも利用されるようになりました。特に、測量分野では、トランシットの平均値を補正することで、サブメートル単位の精度で位置を特定することができました。実際に、エベレスト山の標高は、1980年代後半にトランシット受信機を用いて近くの基準点を再調査することで修正されました。

1967年から1991年まで、数千隻の軍艦、輸送船、民間船舶がトランシットシステムを利用しました。ソ連の一部の軍艦もモトローラ製のNAVSAT受信機を搭載していました。しかし、GPSの登場によりトランシットシステムは徐々に廃止され、1996年にはナビゲーションサービスを終了しました。GPSは電子機器の改良によって、一度に複数の測位を効率的に行うことができるようになり、位置推定の複雑さを大幅に軽減しました。トランシットは1時間ごとに補正が必要でしたが、GPSはより多くの衛星を利用し、継続的な測位を可能にしました。

1996年以降、トランシット衛星は衛星搭載のメールボックスとして利用されたり、海軍の電離層監視システムとして保持されたりしています。

システムの解説

衛星

トランシットシステムでは、高度約1100kmの低軌道に衛星が配置され、軌道周期は約106分でした。これらの衛星はOSCARやNOVAとしても知られています。全球測位を実現するためには、5機の衛星が基本配置として必要でした。システムの運用中は、少なくとも10機の衛星体制が維持されており、基本配置に加えて予備の衛星が運用されていました。トランシット衛星として利用されたOSCARは、アマチュア衛星のOSCARとは別のものです。

トランシット衛星の軌道は地球全体をカバーするように選ばれており、極軌道に近いものでした。これにより、任意の時点で通常1機の衛星が可視となり、衛星が地平線上にあるときにのみ測位が可能でした。赤道付近では、測位の間隔が数時間でしたが、中緯度では1〜2時間に短縮されました。

トランシットシステムは、潜水艦発射弾道ミサイル（SLBM）の打ち上げシステムの改良にも貢献しました。潜水艦は、慣性航法装置をリセットするために定期的に測位を行いました。しかし、トランシットは高速かつ即時の位置測定能力には欠けていました。

後に改良されたトランシットシステムは、約50マイクロ秒の伝送時間で、約200メートルの精度で単一のパスを提供しました。また、トランシット衛星は、暗号化されたメッセージを広域放送する二次的な機能も持っていました。

地上の位置決定

トランシットの基本的な動作原理は、緊急位置指示無線標識装置で使用されるシステムに類似しています。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。

トランシット衛星は、正確な時刻情報と衛星の6つの軌道要素、および軌道摂動に関する情報を2つのUHFキャリア信号で2分ごとに送信しました。この軌道暦と時計の補正は、海軍が展開する4つの追跡基地のいずれかから、1日2回各衛星にアップロードされました。

このブロードキャストされた情報によって、地上の受信機は任意の時点での衛星の位置を測定することが可能になりました。2つのキャリアを使用することで、電離層での反射によるナビゲーションエラーを軽減することができました。また、トランシットシステムは、世界初の時刻維持サービスも提供し、世界中の人々が50マイクロ秒の精度で時計を同期させることが可能になりました。トランシット衛星は150MHzと400MHzの周波数で送信しており、これらの二つの波長は電離層による電波の屈折を相殺するために使用され、位置精度が向上しました。

受信機は、ドップラー効果による固有の周波数曲線によって位置を測定できました。ドップラー効果とは、宇宙機が接近してくるときに電波の波長が圧縮され、遠ざかるときに伸びる現象です。宇宙機は時速約27,360kmで移動しており、受信される信号の周波数は約10kHz変化します。ドップラー曲線は、衛星からの距離に応じて異なるため、受信機の位置ごとに固有のものとなります。地球の自転により、受信機は衛星に近づいたり遠ざかったりするため、ドップラーシフトは非対称となり、これによって受信機は衛星軌道の南北軸と東西軸を特定することができました。

正確な受信機の位置を特定することはより複雑で、ナビゲーションソフトウェアは受信機の最初の「仮」位置に基づき、「仮」ドップラー曲線を計算することで位置を測定しました。ソフトウェアは次に、ドップラー曲線の2分間ごとに最小二乗法を使用してカーブを調整し、衛星から受信した実際のドップラー曲線と「仮」ドップラー曲線が最も一致する位置に「仮」位置を調整しました。

もし、受信機が船や航空機などのように移動している場合、理想的なドップラー曲線との間にずれが生じ、位置精度が低下しました。しかし、低速で移動する船舶の場合、1回の2分間のドップラー曲線の受信でも、およそ100メートル以内の精度で位置を特定することができました。

このナビゲーション基準は、アメリカの潜水艦がトランシットの測位を可能にするために、UHFアンテナを2分間しか展開しないという米海軍の要件に基づいたものでした。米海軍の潜水艦版トランシットシステムは、衛星の軌道データからダウンロードされた暗号化された追加データを含んでおり、システム精度を大幅に向上させました。この拡張モードでは、誤差はロランCとGPSの間となる20m以下となり、当時は最も正確な測位システムでした。

衛星位置の把握

正確な位置が既知である地上局のネットワークがトランシット衛星を追跡していました。これらの地上局は、ドップラーシフトを測定し、測定したデータは5穴の紙テープに記録され、応用物理研究所の衛星制御センターに送信されました。固定された地上局のデータは、軌道上のトランシット衛星の位置に関する情報を提供しました。地上局からのドップラーシフトを使用して軌道上のトランシット衛星の位置を測定することは、既知の衛星の位置を使用して地上不明の位置を決定するという単純な逆転であり、ここでもドップラーシフトが利用されました。

典型的な地上基地は、かまぼこ型の小型クォンセットハットで構成されていました。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。マスタークロックは、ドリフトを防ぐために海軍の低周波VLF局に接続されたVLF受信機を使用して毎日チェックされました。VLF信号の位相は、送信機と受信機間の経路全体で翌日まで変化しない性質があり、発信機のドリフトを測定するために利用できました。後にルビジウムやセシウムの原子時計が利用されるようになりました。

地上局には番号が付けられており、例えば019局は南極のマクマード基地でした。1970年代の大部分において、地上局には大学生や学部生が配属されており、主にテキサス大学オースティン校の電子工学科の学生でした。基地局は、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、日本、セーシェル、グリーンランドのカーナークのチューレなどに設置されていました。グリーンランドと南極の局は地軸の極に近いため、極軌道にあるすべてのトランシット衛星を観測することができました。

ポータブルジオシーバー

ポータブルな地上受信機はジオシーバーと呼ばれ、現地測定のために使用されました。これらの受信機、電源装置、パンチテープ装置、およびアンテナは、複数のパッド付きアルミニウムケースに収められ、航空機や船舶で余剰貨物として輸送できました。しかし、GPSとは異なり、ジオシーバーの正確な位置が即座にわかるわけではありませんでした。

一部のジオシーバーは南極基地に恒久的に配置されており、USGS（アメリカ地質調査所）によって運用されていました。それは動く氷床の上にあり、データは氷床の移動の測定に使用されました。また、夏の間には、ロス棚氷などの動きを測定するために、氷原の場所を測定するために使用されました。

AN/UYK-1 コンピューター

1958年当時、潜水艦のハッチを通るほど小型のコンピュータは存在しなかったため、AN/UYK-1と呼ばれる新しいコンピュータが設計されました。このコンピュータは、ハッチを通過できるように角が丸められており、約5フィート程度の大きさで、防水のため密閉されていました。主任設計者はジーン・アムダールの兄弟であるローウェル・アムダールで、後にTRWとなるラモ・ウールドリッジによって、ラファイエット級原子力潜水艦のSSBM用に製造されました。カノガパーク工場で組み立てられたこのコンピュータは、15ビットの磁気コアメモリとパリティビットを備えており、8192語を格納でき、サイクルタイムは約1ミリ秒でした。

AN/UYK-1は15ビット長のワードで動作する「マイクロプログラム」マシンであり、ハードウェアによる減算や乗算の命令はありませんでしたが、シフトを追加し、1の補数を生成し、キャリービットをテストすることができました。標準の固定小数点演算を実行する命令はソフトウェアのサブルーチンであり、プログラムはこれらのサブルーチンへのリンクリストと演算子でした。例えば、「減算」のサブルーチンは減数の補数を生成し、それを加算していました。乗算には、連続したシフトと加算操作が必要でした。

最も興味深い機能は、AN/UYK-1の命令セットがマシン語レベルで、演算レジスタを同時に操作する2つのオペランドを持っていたことです。例えば、1つのレジスタが保存または読み込みを行っている間に、別のレジスタの内容を補完することができました。また、シングルサイクルで間接アドレス機能を実装した最初のコンピュータであったとされています。

衛星が通過する間、GE受信機は衛星から軌道要素と暗号化されたメッセージを受信し、ドップラーシフト周波数を一定間隔で測定した結果と共に、AN/UYK-1にデータを提供しました。コンピュータはまた、船の慣性航行システム（SINS）から経度と緯度の読み取り値を受信することができました。この情報を用いて、AN/UYK-1は最小二乗法アルゴリズムを実行し、約15分で位置情報を提供しました。

その他の衛星

トランシットシリーズでは、NASAから37個のその他の衛星にトランシットという名前が付けられています。

トランシット4Aは、1961年6月29日に打ち上げられ、放射性同位体熱電発電機を使用した最初の衛星でした。

トランシット4Bは、1962年のアメリカのスターフィッシュ・プライム高高度核爆発実験による核爆発によって損傷したことが知られています。

アメリカ空軍は、軌道減衰の研究のために、低い軌道に162MHzと324MHzの無線ビーコンを搭載した短寿命の衛星を定期的に打ち上げました。トランシットの地上追跡局は、これらの衛星も追跡し、同じ原理を用いて軌道を特定しました。衛星位置データは、上層大気の変動や地球の重力場を含む軌道減衰に関する知識を改良するために使用されました。

注

* Encyclopedia Astronautica (外部リンク)

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