První byl Sputnik
Psal se 4. říjen 1957, když SSSR vypustila oficiálně první umělou družici planety Země – Sputnik 1. Sputnik 1 byl jeden z primitivních satelitů (dokonce tak byl i označován výrobcem) a vysílal signál na frekvencích 20005 kHz a 40002 kHz, což umožnilo blíže zkoumat například vliv vlnové délky na velikost ionosférické refrakce (zpoždění paprsku v ionosféře měnící se v čase). Jeho „pípání“ na obou zmiňovaných frekvencích tehdy poslouchal celý svět, a to včetně USA.
Po Sputniku 1 následovala celá řada dalších satelitů. Necelý měsíc poté vyletěl Sputnik 2 s prvním zvířetem na palubě – psem Laika, po čtvrt roce následoval Sputnik 3, s dvouletým odstupem pak Sputnik 4 a půl roku později Sputnik 5. Všechny tyto satelity vysílaly radiové signály a všechny vydržely obíhat Zemi několik dní, týdnů a někdy až měsíců. USA (a nejen ty) však toto vysílání bedlivě sledovaly.
Kde je Sputnik?
V dobách Studené války samozřejmě západní mocnosti nebyly nijak nadšené z toho, že jim nad hlavami létá sovětský satelit neznámých schopností, který neustále něco vysílá (a potažmo i ruší některé jejich přístroje). Zejména Američané vynakládali nemalé úsilí na to, aby byli schopni Sputnik co nejblíže lokalizovat, k čemuž využívali analýzy Dopplerovského posuvu. Celý projekt mělo na starosti ministerstvo obrany. Dopplerovský posuv je jev, který lze pozorovat u pohybujících se objektů vysílajících signál na určité frekvenci – pokud se objekt blíží, je frekvence vyšší než ve skutečnosti vysílaná, pokud se vzdaluje, je frekvence nižší. Typicky tento jev můžete pozorovat v akustické oblasti u projíždějícího auta – když se auto přibližuje, frekvence vydávaného zvuku se zvyšuje, když se vzdaluje, zase se snižuje. Stejná metoda byla také tou dobou používána k analýze pohybu astronomických těles, kde se Dopplerovský posuv projevuje v barvě vyzařovaného světla.
Někdy v době těsně po vypuštění Sputniku 2 však přišla se zajímavým zjištěním Laboratoř aplikované fyziky na Johns Hopkin’s University. Ta si uvědomila, že by bylo možné využít i obráceného postupu – tedy namísto toho, aby ze známého místa na Zemi lokalizoval pomocí Dopplerovského posuvu pohybující se objekt na orbitální dráze, tak by při znalosti polohy družice (potažmo několika družic) bylo možné pomocí Dopplerovského posuvu naopak lokalizovat objekt na Zemi. Celý systém navíc demonstrovala, a tak se zrodil nový tajný projekt Ministerstva obrany – satelitní navigace.
NNSS - přísně tajné
Tak tedy započal vývoj prvního satelitního navigačního systému a metod, které by bylo možné k lokalizaci využít. Zpočátku se přitom operovalo i se signály ze sovětských Sputniků. Celý projekt byl přísně utajován a pojmenován jako NNSS – Navy Navigation Satellite System. Na projektu přitom pracovala právě výše zmíněná laboratoř Johns Hopkin’s University. První testy byly provedeny již v roce 1960, a to se dvěma družicemi (OSCAR a NOVA operujícími ve výšce 600 námořních mil - 1100 km). Do „komerčního“ nasazení se systém dostal v roce 1964. Jelikož jej vyvíjelo americké námořnictvo, byl využíván primárně pro navigaci a lokalizaci lodí a ponorek. Systém za plného provozu v roce 1964 využíval sedmi aktivních satelitů obíhajících ve výšce 500 námořních mil (cca. 900 km) s dobou oběhu 100 minut. Signálem byla pokryta celá planeta a bylo dosahováno přesnosti s odchylkou stovek metrů, což na tehdejší poměry bylo nevídaně přesné a pro navigaci lodí, vyjma navigace v průplavech a přístavech, postačovalo.
MOSAIC – konkurence od letectva
Jak už to ale v armádě bývá, tak se nevyvíjel pouze jeden systém, nýbrž hned dva. Na svém systému pracovalo také letectvo, které bylo motivováno zejména dramatizující se situací ohledně rozmisťování jaderných zbraní a hrozby jaderného konfliktu. Mobile System For Accurate ICBM (InterContinental Ballistic Missile) Control - neboli mobilní systém pro přesné navádění balistických raket - byl představen US Airforce již 15. února 1960. MOSAIC oproti NNSS operoval také s určením nadmořské výšky (3D lokalizací), kterou námořnictvo nepotřebovalo (lodě se obvykle nachází na hladině moře), ale pro letectvo to byl jeden z nejpodstatnějších údajů. Projekt byl však později ukončen ministrem obrany Robertem McNamarou.
SECOR – konkurence od pozemního vojska
V roce 1961 se ke slovu dostává i US Army, která ve světle vývoje u námořnictva a letectva chce taktéž vlastní navigační systém. Ten sice zpočátku počítá pouze s 2D navigací, ale to pozemnímu vojsku tolik nevadí. Důležité je dosáhnout podstatně větší přesnosti než NNSS. SECOR (Sequential Collation of Range) neboli postupný popis vzdáleností vypouští svůj první testovací satelit již 24. 1. 1962. Další satelity jsou však vypuštěny až v roce 1964. Mezitím vzniká diskuse nad novými, modernějšími metodami lokalizace umožňujícími i zjišťování nadmořské výšky. Diskuse odstartovaná letectvem totiž zajímá i ostatní části armády, neboť při znalosti všech tří souřadnic by šlo také lépe řídit dělostřelectvo, systémy odpalování raket z lodí a ponorek apod.
TRANSIT
Systém NNSS byl v 70. letech odtajněn, uvolněn pro komerční použití a přejmenován na TRANSIT, což lépe označovalo jeho primární využití coby navigačního systému pro lodní dopravu. Systém byl postupně zpřesněn a umožňoval navigaci až s přesností na 200 metrů. Systém TRANSIT byl přitom v provozu až do roku 1996, kdy jej plně nahradil systém GPS.
DNSS – aneb nová šance pro letectvo
V roce 1973 konečně dochází k uvedení prvního funkčního 3D navigačního systému. Ten nese název DNSS (Defense Navigation Satellite System) neboli obranný satelitní navigační systém a vzniká spojením zrušeného projektu MOSAIC, přesněji odvozeným systémem 621B a nové části systému NNSS využívající družice druhé generace Timation. Systém DNSS však není definitivně schválen výborem DSARC (Defense System Acquisition and Review Council), a to proto, že nerespektuje původní požadavek Joint Program Office o participaci všech druhů vojska na jednom společném systému.
NAVSTAR aneb pokročilá lokalizace
O několik měsíců později je DSARC předložena upravená verze DNSS pod názvem NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System). Nový systém využívá zcela nové metody lokalizace pomocí přesného časování. Systém využívá vysílání tzv. dálkoměrného kódu a kódu s parametry dráhy jednotlivých družic. Koordinaci celého systému má v gesci letectvo.
V roce 1974 je jako dodavatel vybrána společnost Rockwell International, která ještě tentýž rok vysílá první testovací družici NTS-1. Vývoj je však poměrně zdlouhavý, neboť je vyžadována nejen poměrně sofistikovaná družice s přesnými hodinami schopnými pracovat i ve vesmíru, ale také poměrně sofistikovaný přijímač. Přijímač je vyvíjen zcela samostatně a první přijímače jsou k dispozici již v roce 1977 a jsou testovány na umělých signálech, neboť v té době ještě nejsou k dispozici družice. Ty vylétají na orbitální dráhu až o rok později, kdy se podaří do vesmíru vynést první čtyři. O dva roky později jsou hotové další dvě družice, přičemž NAVSTAR 5 je navíc vybavena zařízením schopným detekovat jaderné výbuchy na Zemi. V roce 1981 je po nezdařeném startu rakety zničena družice NAVSTAR 7.
Klíčový pro NAVSTAR je rok 1983, kdy je vypuštěna NAVSTAR 8 s novějším detekčním systémem nukleárních explozí a kdy dochází ke slavné aféře sestřelení zbloudilého jihokorejského dopravního letadla sovětským letectvem, které si jej popletlo s americkým špionážním letounem, který ve stejné oblasti nad sovětským územím operoval pár desítek minut předtím. Ronald Reagan ve světle těchto okolností odtajňuje projekt NAVSTAR a nabízí jej k volnému využití v civilním letectví, až bude projekt hotov.
Zrodilo se GPS
NAVSTAR je později přejmenován na GPS (Global Positioning System). Satelity NAVSTAR jsou vynášeny na orbitální dráhu pravidelně každý rok. V roce 1986 však dochází k nehodě raketoplánu Challenger, který družice vynášel a další rozvoj GPS je díky tomu pozastaven. V letech 1989 a 1990 se však daří dohnat zpoždění a každý rok je vypuštěno dalších 5 satelitů. V roce 1993 je spuštěna družice NAVSTAR 39 a FAA (Federal Aviation Administration) oficiálně uvolňuje GPS pro civilní využití tak, jak kdysi přislíbil prezident Reagan.
GPS nebylo jediné
Spolu s USA však na vývoji satelitní navigace pracovala také řada dalších Zemí. Mezi nimi samozřejmě SSSR (se systémem Glonass) a Čína (se systémem Beidou) a v posledních deseti letech také EU (se systémem Galileo). GPS je však v současné době jediným satelitním navigačním systémem využitelným globálně. Systém Glonass byl šíře využitelný pouze několik měsíců, jeho největším nedostatkem je totiž extrémní poruchovost družic a omezený rozpočet, který byl bohužel vyčerpán na vypouštění družic, které vydržely fungovat třeba jen jednotky měsíců. Do budoucna je však možné, že se podaří rozšířit pokrytí systémem Glonass stejně, jako se možná podaří vybudovat další globální satelitní navigační systémem Galileo.
