thumb|Vue d'artiste d'un satellite Transit-O utilisé par le système Transit dans sa configuration opérationnelle. On distingue la longue perche terminé par une masse qui permet de stabiliser l'orientation du satellite. Transit est le premier système de positionnement par satellites au monde, mis au point pour la marine de guerre des États-Unis. Il est développé dans le contexte de la guerre froide par le laboratoire de l'université Johns-Hopkins en 1958. Il devient opérationnel en 1964. Il sera remplacé en 1996 par le NAVSTAR (GPS).

Le système Transit repose sur l'exploitation de l'effet Doppler de signaux radio émis par des satellites de petite taille (une cinquantaine de kilogrammes) circulant sur une orbite polaire et stabilisés par gradient de gravité. La constellation de satellites Transit compte quatre satellites dans sa configuration opérationnelle. Une fois un des satellites en vue, soit en général après une attente de l'ordre de l'heure, le récepteur Transit parvenait à calculer dans un délai d'une quinzaine de minutes la position avec une précision d'environ .

Le système est développé initialement pour obtenir une frappe précise des missiles Polaris embarqués à bord des sous-marins nucléaires lanceurs d'engins américains. Dès 1967 son utilisation se généralise à bord des navires civils américains comme étrangers et une centaine de milliers de récepteurs Transit étaient en fonctionnement au début des années 1990.

Contexte

Systèmes de radionavigation existants dans les années 1950

À l'époque du développement du système Transit dans les années 1950, les navires et les avions utilisent pour déterminer leur position d'une part des systèmes optiques (sextant) d'autre part des systèmes terrestres de radionavigation, comme le DECCA, le LORAN () et l’Oméga. Certains de ces systèmes sont encore opérationnels en 2021, particulièrement en aéronautique, en raison de leur fiabilité et de leur précision locale, comme le VOR (), le DME, le TACAN (), l’ILS ou l’ADF. Tous ces systèmes utilisent un réseau de stations terrestres qui émettent un signal radio. En analysant le signal de plusieurs stations émettrices, le système de radionavigation détermine la position. Mais ces systèmes présentent les inconvénients suivants : une couverture très partielle. Chaque station a une portée limitée du fait de la rotondité de la Terre et de l’affaiblissement du signal. Il faut disposer d'un réseau dense de stations. Pour des raisons financières et techniques (océans) la couverture se limite aux régions continentales ou proches des côtes où le nombre d'utilisateurs est suffisamment important ; une précision réduite lorsqu'on s'éloigne des stations ou lorsque les conditions de propagation des ondes sont mauvaises.

Découverte d'une application de l'effet Doppler dans le domaine spatial

Le principe utilisé par le système de navigation par satellite Transit est élaboré en 1957 par les ingénieurs et chercheurs de (APL) à l'université Johns-Hopkins. Ceux-ci, en analysant les signaux radios émis par le premier satellite artificiel (1957) sur , découvrent qu'ils peuvent déterminer avec précision l'orbite du satellite en mesurant l'effet Doppler sur le signal reçu découlant de la progression du satellite sur son orbite. Avec un récepteur radio muni d'une simple antenne filaire de deux mètres ils mesurent avec précision les fluctuations du signal radio qui oscille de de part et d'autre de sa fréquence nominale. Durant les trois mois de fonctionnement de l'émetteur de , les ingénieurs travaillent sur les formules de calcul en se faisant aider notamment par l'équipe du programme Vanguard plus au fait des problèmes soulevés par la navigation spatiale (irrégularités du champ de gravité terrestre). En utilisant un ordinateur Univac 1200F tout juste acquis (il s'agissait d'un des premiers ordinateurs commercialisés), les ingénieurs parviennent à déterminer avec une bonne précision les six paramètres orbitaux du satellite ainsi que les trois autres variables interférant avec ce calcul (réfraction ionosphérique, fréquence de l'oscillateur de l'émetteur du satellite et sa dérive de fréquence) en analysant le signal émis sur une portion de l'orbite d'horizon à horizon.

Élaboration des principes du système de navigation Transit

À l'époque le laboratoire APL participe également aux travaux sur les systèmes de guidage des missiles balistiques intercontinentaux Polaris embarqués à bord des sous-marins nucléaires lanceurs d'engins (le premier d'entre eux, l', est lancé en 1957). Dans le contexte de la guerre froide qui oppose Union soviétique et États-Unis, la crédibilité en tant qu'arme des missiles balistiques intercontinentaux est devenue un élément essentiel de la paix armée qui s'est installée. Pour que le missile atteigne sa cible avec suffisamment de précision, il faut que la position du sous-marin, qui constitue sa plateforme de lancement, soit connue avec une erreur inférieure à une centaine de mètres. Mais il n'existe à l'époque aucun système de navigation capable d'une telle précision. En s'inspirant de leurs travaux sur Spoutnik, les ingénieurs de l'APL définissent en quelques jours en les caractéristiques d'un système de navigation capable de fournir une position avec une précision suffisante aux sous-marins avec une couverture géographique suffisamment étendue. Pour cela ils proposent d'inverser le processus utilisé pour calculer l'orbite de Spoutnik. En mettant en orbite des satellites dont l'orbite est connue et qui émettent dans deux fréquences choisies (pour déterminer la réfraction ionosphérique), un équipement installé à bord d'un engin mobile (sous-marin ou autre) comprenant un récepteur avec une antenne très simple car non directionnelle et un ordinateur chargé de calculer la position à partir du signal peut déterminer sa position à l'aide des éphémérides du satellite et de la mesure de l'effet Doppler.

Naissance de l'activité spatiale du laboratoire APL

Le laboratoire APL a été créé en 1942 à l'initiative du gouvernement américain pour favoriser le développement des technologies nécessaires à l'effort de guerre en créant des passerelles entre les universités et l'industrie. APL développe à cette époque la fusée de proximité qui permet d'améliorer l'efficacité de la lutte antiaérienne. Le laboratoire conserve après guerre son ancrage dans le domaine militaire. Le développement d'un système de navigation reposant sur des satellites est vu par le laboratoire comme une opportunité pour pénétrer sur le marché du spatial qui vient tout juste de s'ouvrir mais qui est en forte croissance. APL joue toujours en 2021 un rôle important dans le domaine spatial avec la responsabilité de plusieurs missions spatiales de premier plan comme Europa Clipper ou Dragonfly.

Historique du programme Transit

Définition du besoin par la Marine de guerre américaine

Le développement du système Transit veut répondre au besoin de la Marine de guerre américaine qui souhaite disposer d'un équipement permettant à ses sous-marins de déterminer leur position plusieurs fois par jour avec une précision d'environ . Ce besoin est affiné par la suite de la manière suivante. La durée d'attente moyenne avant la réception d'un signal de satellite doit être inférieure à lorsque le sous-marin se situe entre les latitudes 15 et 75°. Ce délai ne doit dépasser que dans 5 % des cas et l'intervalle le plus long ne doit pas être supérieur à . La précision de la position calculée doit être inférieure à . L'heure associée à la position doit être fournie avec une précision inférieure à . La fiabilité du système doit être de 97 %.

Lancement du projet

La description du système, baptisé Transit, proposé par l'APL, un document de rédigé en , est remis à l'US Navy au printemps 1958. Le développement est durant la première année financé par l'agence de recherche militaire DARPA car l'US Navy ne veut pas reconnaitre le manque de précision des systèmes de navigation qu'elle envisage à l'époque (le système de navigation Oméga avec en secours le Loran C qui reposent sur l'analyse d'ondes radio émises par des systèmes terrestres). Transit est toutefois un système complexe et la DARPA demande une estimation du temps moyen de fonctionnement avant panne. Celui-ci est évalué à deux semaines. Malgré cette valeur très faible le développement est poursuivi car le bureau des programmes de la Navy estime que le potentiel de Transit (précision, couverture) l'emporte largement sur les systèmes Omega et Loran C. Le développement du système est planifié par l'APL avec une phase expérimentale qui s'achèvera fin 1966 et une phase opérationnelle.

Mise au point du segment spatial

Premiers prototypes de satellites vignette|Prototype Transit-1A. vignette|Prototype Transit-4A (cylindrique à la base) surmonté des satellites Injun-1 et Solrad-3.

La première phase du développement de Transit comprend la mise au point du segment spatial avec le lancement de plusieurs satellites expérimentaux destinés à tester chacun des équipements embarqués. Le projet se déroule au tout début de l'ère spatiale (le premier satellite artificiel a été lancé deux ans plus tôt) et les technologies spatiales sont balbutiantes. Un premier satellite, Transit-1A, est lancé le , mais le lanceur ne parvient pas à le placer en orbite. Le lancement de Transit-1B le est un succès et le satellite fonctionne durant . Il est utilisé pour mettre au point le processus de correction de la réfraction ionosphérique par émission de l'onde radio sur deux fréquences ainsi qu'un système de stabilisation de l'orientation provisoire. À l'époque les satellites sont uniquement stabilisés par rotation car c'est la méthode la plus simple et la seule au point. Mais la mesure de l'effet Doppler nécessite que l'orientation du satellite soit fixe car tout mouvement vient modifier l'effet Doppler. La solution serait d'utiliser des petits moteurs de contrôle d'attitude pour corriger tout déviation mais cette technique est incompatible avec la durée de fonctionnement de cinq ans souhaitée car elle nécessite l'emport d'une grande quantité d'ergols. Le système utilisé provisoirement sur ces prototypes repose sur des aimants qui interagissent avec le champ magnétique terrestreC'est le premier recours à un aimant pour stabiliser un satellite. Le système ne fonctionne que dans l'hémisphère nord car dans l'hémisphère sud le champ magnétique est inversé ce qui entraine une rotation à 180° du satellite mais dans cette phase de développement tous les tests sont effectués dans l'hémisphère nord.. Pour le système Transit opérationnel, APL décide de tester le système de stabilisation par gradient de gravité jamais testé jusque là mais dont l'efficacité est contestée par ses détracteurs qui lui oppose l'irrégularité du champ de gravité terrestre. Le satellite expérimental TRAAC (Transit Research and Attitude Control) est développé et lancé pour tester cette technique. Le satellite similaire à est lancé le et fonctionne durant deux ans. , lancé le , permet de tester la réception des éphémérides dans une mémoire embarquée d'une capacité de et l'émission par le satellite de ces éphémérides vers le récepteur par modulation de la fréquence. Jusque là les satellites lancés étaient sphériques. Les satellites et 4B lancés respectivement le et le sont cylindriques ce qui permet d'ajouter des cellules solaires et de disposer de plus d'énergie. Les deux satellites sont utilisés pour mesurer les variations du champ gravitationnel terrestre et d'affiner la position des continents et des îles. On découvre à cette occasion que la position officielle d'Hawaï comporte une erreur d'un kilomètre.

Mise au point des satellites opérationnels vignette|Assemblage d'un satellite pré-opérationnel équipé d'un Générateur thermoélectrique à radioisotope SNAP 9A.