Размеры первых образцов атомных часов были слишком большими для установки на спутнике. Несколько лет ушло на то, чтобы уменьшить их габариты до приемлемых.
В 1964 году компанией Hewlett-Packard были созданы атомные часы на цезии-133 модели HP 5060A размером с большой чемодан.
Атомные часы HP5060A 1964 г.
Но на Западе в это время ещё только создавалась система 1 поколения 'Transit'. Её разрабатывали с 1958 г и ввели в эксплуатацию в 1964 г, в первую очередь, для обеспечения пусков ракет 'Поларис' с атомных подводных лодок. В системе 'Transit' координаты определялись при помощи эффекта Доплера. Спутники вращались по известной траектории, передавая сигнал на известной частоте. За счёт допплеровского смещения до приёмника же доходил сигнал несколько другой частоты. Местоположение вычислялось по смещению частот сигналов от нескольких спутников. С помощью спутников 'Transit' корабли и АПЛ могли определять своё местоположение в каждой точке мирового океана каждые полтора часа с точностью до 200 метров.
(В реальной истории решение о разработке системы следующего поколения NAVSTAR, из которой 'выросла' GPS, было принято только в 1973 г)
В СССР работа над атомными часами компактного размера велась непрерывно и целенаправленно, с расчётом на космическое использование, поэтому созданный под руководством Николая Геннадьевича Басова вариант спутниковых атомных часов был готов в 1963 г (АИ). Параллельно проводилась большая работа по математическому моделированию процессов и разрабатывалось математическое обеспечение системы, в первую очередь для организации вычислений эфемеридного обеспечения. В процессе была поставлена и решена задача оценки точности определения поправок к курсоуказанию ИСЗ, связанная с перебором значений с секундным шагом аргументов в пределах нескольких угловых минут и выбором минимальных значений.
Спутниковый компонент модернизировали постепенно. В отличие от спутников 'Циклон', новые навигационные спутники 'Маяк-Н' (АИ) строили на универсальной платформе КАУР-2 (https://ru.wikipedia.org/wiki/КАУР_(спутниковая_платформа) ), той же, на которой базировались телевизионные спутники 'Молния'. Их срок существования рассчитывался на три года. Спутники выводились на средневысокие круговые приполярные орбиты высотой 19000 км с космодрома Плесецк. Вывод осуществлялся типовым носителем 'Союз-2.3' с дополнительным разгонным блоком. Такая орбита позволяла охватить радионавигационным полем акваторию Севморпути, всё побережье Северного Ледовитого океана, Кольский полуостров, Новую Землю и другие высокоширотные области. Не следовало забывать и о другой стороне Земли — в Антарктике работали советские полярники, которым тоже очень нужна была точная навигация.
В течение 1964 г были запущены 12 спутников из 24, необходимых для полноценной работы системы, ещё 12 планировалось запустить в 1965-м году. Также предполагалось держать в резерве ещё два-три аппарата. Для определения координат в трёх измерениях, включая высоту, было достаточно четырёх спутников. Размеры аппаратов позволяли разместить в них одновременно два комплекта передатчиков — предыдущего поколения, для системы 'Циклон' и нового поколения для создаваемой СНС. Таким образом обеспечивался постепенный переход на использование новой системы всеми пользователями.
Передатчики СНС мощностью 50 Вт и 8 Вт работали на частотах L1=1575,42 МГц, и L2=12275,6МГц. Первая частота была доступна для гражданских пользователей, сигнал на второй шифровался и предназначался для военных — по нему производилось уточнение вычисленных координат.
Разработчики СНС предусмотрели возможность качественно увеличить точность определения координат при помощи так называемого 'режима дифференциальной коррекции', позволяющего уменьшить ошибку в измерениях до нескольких сантиметров (интересующимся гуглить DGPS — Differential GPS). В дифференциальном режиме для определения координат использовались два приёмника. Один — базовый — неподвижно размещён в точке с известными координатами, вторым, как обычно, является мобильный приёмник пользователя. Данные, полученные базовым приёмником, используются для коррекции данных, принятых навигатором на подвижной платформе, как в режиме реального времени, так и при отложенной обработке геоданных на стационарной ЭВМ. Этот метод, разумеется, требовал дополнительных вычислительных мощностей, но подводные лодки с баллистическими ракетами уже оснащались полноценной БЦВМ. Исходя из этого, станции дифференциальной коррекции устанавливались, в первую очередь, на побережье Кольского полуострова и Камчатки.
(В феврале 1998 года недалеко от Санкт-Петербурга компания 'НавГеоКом' установила первую в России наземную станцию дифференциального GPS. Мощность передатчика станции — 100 Ватт (частота 298,5 кГц), что позволяет пользоваться DGPS при удалении от станции на расстояния до 300 км по морю и до 150 км по суше. Кроме наземных базовых приемников, для дифференциальной коррекции GPS-данных можно использовать спутниковую систему дифференциального сервиса компании OmniStar. Данные для коррекции передаются с нескольких геостационарных спутников компании. https://www.ixbt.com/car/gps/gps.html)
DGPS также позволяла увеличить точность геодезических измерений. Геодезистам требовалось намного более точное определение текущих координат, чем обычным пользователям. (http://gbucitrb.ru/referens/help.pdf 'Введение в GPS' очень толковое пособие для геодезистов от Leica Geosystems, случайно нагуглилось)
Вторым большим и важным направлением деятельности была разработка клиентских устройств. Выдвинутая Первым секретарём идея создания общедоступной спутниковой навигационной системы с самого начала упёрлась в примитивность ранней элементной базы. Это на корабле достаточно места, чтобы установить тумбочку курсопрокладчика, в которую можно вставить хоть блоки ламповой электроники, хоть платы, смонтированные на дискретных электронных элементах. В то же время попытки обеспечить рядового пользователя хоть какой-то, пусть даже самой примитивной навигацией, на Западе, с его развитой автомобилизацией, предпринимались ещё в первой половине XX века.
Plus Fours Routefinder 1920 г
Первый 'навигатор' Plus Fours Routefinder появился в 1920 году и был размером чуть больше наручных часов. В комплекте к нему шла коробочка с рулончиками карт, на которых были схематично изображены населённые пункты вдоль той или иной трассы, перекрёстки и расстояния между объектами в милях. Перед поездкой водитель должен был найти нужную карту-рулончик, вставить её в 'навигатор', и прокручивать вручную, проезжая через очередной городок.
Iter-Auto 1930 г.
В 1930 г появился прибор Iter-Auto, в котором прокрутка была уже автоматическая, синхронизированная со скоростью движения автомобиля. Но при повороте на другую дорогу надо было останавливаться, вручную менять карту и прокручивать её в поисках своей текущей позиции.
Следующий значимый шаг на Западе сделала лишь в 1966 году General Motors, выпустившая компактный для того времени прибор 'Driver Aid Information and Routing', размещавшийся сверху над приборной панелью автомобиля. (на 'торпеде')
Навигатор DAIR System (сверху на 'торпеде')
Система рекламировалась как 'помощник водителя', способный брать на себя часть его функций, чтобы он мог сосредоточиться на вождении. Прибор также позволял позвонить по радиотелефону в аварийную или справочную службы. В DAIR System использовались перфорированные карты: по ним навигатор ориентировался и сообщал об ограничении скорости, направлении и других важных факторах.
Эти ранние системы были механическими или электромеханическими, так как электроника была ещё слишком примитивной, чтобы отображать изображение карты электронными средствами.
Разработка советского навигатора 'Турист' была поручена НИИ-380 совместно с Институтом электромеханики, информационным обеспечением — подготовкой карт — занимался НИГШИ ВМФ (АИ). Несколько специализированных микросхем были разработаны в НИИ-35, а основная разработка схемотехники платы и изготовление электронной части было возложено на НПО 'Научный центр' в Зеленограде. Навигатору не требовалось выполнять широкий круг задач, как персональной ЭВМ, он рассчитывался на постоянное решение одной и той же задачи определения координат, поэтому его оснастили процессором 4004 от программируемого калькулятора, дополнив схему специализированными микросхемами, изготовлявшимися по тому же техпроцессу, что и процессор 6502, но намного более простыми и дешёвыми.
В НИИ-380 разрабатывалось устройство для отображения информации. Руководил разработкой Пётр Фёдорович Брацлавец, главный конструктор комплексов телевизионного оборудования для обеспечения полётов космических кораблей и создатель фототелевизионной установки, сфотографировавшей в 1959 году невидимую с Земли сторону Луны.
Навигатор должен был быть простым и надёжным, а также по минимуму зависящим от каких-либо наземных станций. Поэтому первоначальные предложения передавать карту телевизионным сигналом были отвергнуты сразу, даже не потому, что текущее телевизионное разрешение не позволяло передавать изображение с достаточной чёткостью, а просто из-за возникающей при этом 'зависимости' от базовых станций. Вместо этого Брацлавец выбрал самый доступный на текущий момент формат носителя информации — киноплёнку. Он предложил последовательно фотографировать обычные топографические карты, размещая между кадрами и вдоль боковых сторон кадра микрошкалу для отсчёта поправок и штрих-код для кодирования масштаба. Получалось что-то вроде диафильма с картами. Карты на плёнке фотографировались с разным масштабом на разных кадрах. Для автомобилистов, к примеру, не важны точные карты каждой придорожной деревни, а вот для езды по городу уже требуется достаточно подробный план улиц. Военные и любые промышленные объекты на картах изображались сплошным контуром периметра, без пояснений и подробностей — это позволило 'примирить' разработчиков системы с 'секретчиками'.
Для автомобилистов были свои карты, где основное шоссе располагалось на каждом кадре по центру, а при повороте на ответвление от него требовалось переустановить карту-диафильм. Для пеших туристов карты были свои — каждый квадрат топографической карты делился на несколько полос, и при переходе на соседнюю полосу навигатор, вычисляя положение пользователя по сигналам спутников, считывал штрих-код кадра и автоматически перематывал карту на нужный кадр. (АИ)
Демонстрировать навигатор Первому секретарю приехали сразу четыре основных разработчика — Старос и Берг из НПО 'Научный центр', а также Игорь Александрович Росселевич и Пётр Фёдорович Брацлавец из НИИ-380. После короткого вступительного пояснения Росселевич выложил на стол прибор размером с обычную книгу формата А5. Сверху на корпусе у него был откидной проекционный экран для отображения карты.
— Ого! Взять можно? — Первый секретарь тут же заинтересовался.
— Можно, конечно, — подтвердил Росселевич. — Прибор прочный, рассчитан на туристов.
Хрущёв взял навигатор, нажал кнопку включения. На экране высветилась цветная карта Москвы и надпись 'Поиск спутников'.
— В помещении он спутники не найдёт, Никита Сергеич, — предупредил Старос. — Надо на улицу выйти, и лучше в Александровский сад, потому что Кремль на карте показан закрашенным треугольником, без подробностей. То есть, во дворе Кремля мы отметку увидим, но не увидим окружения.
— А, вот оно что! Тогда пошли, — Хрущёв нажал кнопку селектора, предупредил Шуйского, чтобы в ближайший час не беспокоили, и вызвали охрану для сопровождения. Полковник Литовченко с несколькими сопровождающими явился буквально через минуту:
— Далеко едем, Никита Сергеич?
— Нет, буквально в Александровский парк выйдем, новый прибор на местности попробуем, — успокоил его Первый секретарь.
По дороге Хрущёв засыпал разработчиков вопросами:
— А питание у него какое?
— Никель-кадмиевый съёмный аккумулятор, по типу тех, что в мобильных телефонах используются, — ответил Брацлавец.
Мобильные телефоны советского производства всё ещё были достаточно солидных размеров и толщины, из-за несовершенства применяемой элементной базы, и потому оснащались довольно толстыми и ёмкими аккумуляторами.
— Это хорошо, — одобрил Никита Сергеевич. — Изображение цветное, очень чёткое и яркое. Как добились?
— Проекция с киноплёнки, на которую сняты карты. Проецируется светодиодом через систему линз и призм. Яркость регулируется фотоэлементом в зависимости от освещённости или настраивается вручную. Есть режим отслеживания координат с периодическим включением экрана кнопкой, — на ходу пояснял Брацлавец. — Например, можно включать экран только на перекрёстках или развилках, чтобы знать, куда свернуть, а в остальное время навигатор координаты вычисляет, но экран не светится.
— Очень интересная штуковина получилась, товарищи. Не терпится попробовать, — Первый секретарь едва не вприпрыжку возглавлял процессию.
Выйдя из Кремля и отойдя подальше от стены, Никита Сергеевич включил прибор снова. На экране опять высветилась надпись 'Поиск спутников', и затем в верхнем левом углу появилась жёлтая меняющаяся цифра: 3, 4, 5... Остановившись на пяти, цифра некоторое время оставалась жёлтой, потом сменилась на зелёную, и появилась надпись 'Поиск местоположения'. Все собрались вокруг Первого секретаря и с интересом ждали, глядя на экран прибора.
— Сейчас он принимает данные со спутников и вычисляет координаты, — подсказал Берг.
Карта на экране вдруг начала перематываться сама, пока не появились закрашенный серым треугольник Кремля, голубая лента Москва-реки, зелёная полоска Александровского сада, Красная площадь и прилегающие улицы. Положение пользователя на карте высветилось яркой мигающей точкой.
— Ух ты, да тут даже дорожки в саду видны! — восхитился Никита Сергеевич.
— Ну, если честно, мы специально зарядили туристическую карту, на которой довольно крупно отснят центр Москвы, с учётом места демонстрации, — как на духу признался Росселевич. — Но точность определения координат достаточно большая. Попробуйте пройтись по дорожке, хотя бы метров двадцать.
Первый секретарь пошёл вперёд, держа навигатор перед собой и наблюдая, как движется по экрану яркая точка.
— А если мы до края карты дойдём, тогда что будет? — спросил Хрущёв.
— Навигатор сам перемотает карту на нужный кадр или попросит вставить другую.
— О, кстати, а карты как меняются? — тут же спросил Первый секретарь.
— Вот здесь крышечка откидывается, там внутри две катушки с плёнкой. Вот кнопка перемотки плёнки на исходную катушку, — показал Брацлавец. — Смотали плёнку, сняли катушку, поставили нужную, включили, прибор сам найдёт по штрих-кодам нужный кадр.
— Красота неописуемая, товарищи! Но сколько будут стоить такие карты?
— Примерно по цене детского диафильма, — заверил Старос. — Это же киноплёнка обычная.
— А сам прибор сколько стоить будет?
— Мы старались уложиться в цену первого образца 250 рублей, в последующем можно будет снизить до двухсот, но меньше — вряд ли, всё-таки электроника ещё недешёвая, — ответил Росселевич. — Для человека, способного содержать автомобиль или мотоцикл — цена приемлемая. По сути, технически это гибрид радиоприёмника с программируемым калькулятором и диапроектором, из этого диапроектор едва ли не самое дешёвое устройство.
