Как это происходило и происходит с множеством высоких технологий, сначала GPS разрабатывалась как сугубо военная система, и на деньги выделенные из государственного бюджета США на нужды Министерства обороны. Военные нуждались, с одной стороны, в средствах наведения высокоточного оружия дальнего радиуса действия, и, с другой стороны, в универсальной системе навигации, доступной для массового применения в армии.Вполне очевидным решением было объединение этих двух задач в одну -создание системы точного позиционирования. Начиная с 1960-х годов Министерство обороны США начало развивать идею создания глобальной, всепогодной, непрерывно доступной, очень точной системы навигации и позиционирования. В случае с GPS Министерство обороны США попыталось проявить редкостную дальновидность в плане последующей экономии денег. Было очевидно, что система, обладающая подобными характеристиками, имеет обширные перспективы для гражданского применения. Поэтому с самого начала от разработчиков было затребовано, чтобы оконечное (пользовательское) оборудование было доступно самым разнообразным пользователям, но при условии, что военные смогут по своему желанию и в любой момент ограничивать его функциональность, вплоть до полного блокирования. Подразумевалось также, что распространением пользовательского оборудования будет управлять Министерство обороны США, частично компенсируя свои расходы. Известно, что в итоге получилось не совсем так: разработкой, производством и продажей пользовательского оборудования занимаются многие независимые коммерческие организации, а реальная величина затрат многократно превысила первоначальные расчеты. Но, в любом случае, Соединенные Штаты не прогадали. Образно выражаясь, практически весь цивилизованный мир проглотил гигантскую наживку на крючке, который всегда можно подсечь. Вот эффектный пример: стоит правительству США полностью закрыть доступ к сервису GPS для гражданских пользователей, как во всем мире будет частично затруднена, а в отдельных случаях и полностью парализована работа сетей мобильной связи. Дело в том, что для синхронизации сетей связи дешевле и проще всего использовать сигнал точного времени со спутников GPS или ГЛОНАСС, но реально в мире заметно шире распространено оборудование стандарта GPS NAVSTAR. Понимание этой проблемы привело к тому, что сейчас все большее число пользовательских приемников имеет возможность работы в двух системах. Когда основные требования к системе были определены, Военно-морские и Военно-воздушные Силы США приступили к разработке концепции использования в целях навигации и позиционирования радиосигналов, излучаемых со спутников. Безусловно, толчком к такому пути развития послужил запуск Советским Союзом первого искусственного спутника в 1957 г. Соединенные Штаты напряженно следили за полетом советских спутников, принимая сигнал бортового передатчика на наземных пунктах с заранее известными координатами. Были изучены параметры прохождения сигнала через толщу земной атмосферы и возникающий при движении спутника по орбите доплеровский сдвиг частоты. Исследования APL (Applied Physics Laboratory, лаборатории прикладной физики) показали, что по доплеровскому сдвигу можно вычислить полную орбиту спутника. Доктор Фрэнк МакКлар (Frank T.McClure) из APL указал, что наоборот, если известна полная орбита спутника, то по доплеровскому сдвигу можно вычислить точное положение спутника на орбите. Возник интерес к обратной задаче: расчет координат приемника на основании принятых со спутника сигналов. Военно-морские силы финансировали две программы, ставшие предшественниками GPS: Transit и Timation. Система Transit стала первой действующей спутниковой навигационной системой. Разработанная в 1964 г. в лаборатории прикладной физики имени Джона Гопкинса под руководством доктора Ричарда Кершнера, система Transit состояла из 7 низкоорбитальных спутников, которые излучали очень стабильные радиосигналы. Несколько наземных станций слежения контролировали и корректировали параметры орбиты. Пользователи системы Transit определяли свои координаты на земной поверхности, измеряя доплеровский сдвиг частоты от каждого спутника. Изначально разработанная Военно-морскими силами для управления подводными лодками с баллистическими ракетами Polaris на борту и иными военными объектами, находящимися на поверхности океана, в 1967 г. система Transit стала доступна для гражданских пользователей. Она была очень быстро приспособлена для навигации больших коммерческих судов и небольших частных катеров и яхт. Причем число гражданских пользователей быстро превысило число военных. Несмотря на то, что система Transit обеспечивала основные потребности в навигации судов, она имела много недостатков: низкое быстродействие, потребность в длительном наблюдении спутников, возможность позиционировать только стационарные или медленно движущиеся объекты, определение только двухмерных координат, отсутствие непрерывной доступности (время, когда ни один из спутников не был виден, измерялось часами), необходимость самостоятельного внесения пользователем коррективов для движущихся объектов – все это сделало невозможным применение системы в авиации и иных быстро движущихся объектах. Не последнюю роль сыграла и невозможность избирательно ограничивать доступ к системе. Тем не менее, заложенные в Transit новые технологии были очень важны для последующего развития GPS. Так, например, в GPS используется алгоритм предсказания спутников, впервые разработанный для Transit. Второй предшественник GPS, Timation, был разработан в NRL (Naval Research Laboratory, Военно-морская исследовательская лаборатория) под руководством Роджера Истона. Программа исследований стартовала в 1964 г. и включала в себя запуск двух искусственных спутников, несущих на борту разработанные ранее сверхстабильные часы, передачу со спутника прецизионных сигналов точного времени и определение двухмерных координат приемника. Основная идея состояла в использовании синхронизированных передатчиков, излучающих закодированный сигнал. Измеряя задержку прохождения сигнала от спутников, имеющих заранее известные координаты, можно вычислить расстояние до спутников и рассчитать на основании этого координаты приемника. Таким образом, был заложен и экспериментально опробован базовый принцип работы G PS. Первый спутник, системы Timation запущенный в 1967 г., нес на борту сверхстабильные кварцевые часы, последующие модели использовали атомный стандарт частоты (рубидиевый и цезиевый). Атомные часы позволили значительно улучшить предсказание орбит спутников и существенно увеличить промежуток между корректировками спутниковых часов с наземного пункта управления. Эти передовые разработки космического стандарта времени явились важнейшим вкладом в создание G PS. Фактически, последние два спутника системы Timation являлись действующими прототипами спутников GPS. Тем временем, Военно-воздушные силы США работали над аналогичной технологической программой, впоследствии названной “Система 621В”. Она предоставляла возможность трехмерной (широта, долгота и высота) навигации с непрерывным доступом. В 1972 г. была продемонстрирована работа системы, использующей новый метод разделения сигналов спутников – кодовое разделение на основе псевдослучайного, шумоподобного сигнала. В этом варианте все спутники излучают на одной несущей частоте, которая модулируется сверхдлинным псевдослучайным кодом (ПСК), индивидуальным для каждого спутника. Спектр такого сигнала весьма похож на спектр случайного шума с распределением по Гауссу, отчего сигнал и получил название шумоподобного. Использование псевдослучайного кода позволяет значительно увеличить помехоустойчивость и передавать в сигнале информацию о положении спутников (эфемериды) и метки точного времени. Также при использовании псевдослучайного кодирования легко решается проблема ограничения доступа. В простейшем случае, коды могут быть как открытыми для общего пользования, так и секретными. Гражданским пользователям доступны только открытые коды, поэтому достаточно по команде с наземного пункта управления внести преднамеренные погрешности в информацию, передаваемую открытыми кодами, как работоспособным останется только военное оборудование, а гражданские приемники перестанут функционировать с приемлемой точностью. Для испытания технологии ПСК американские ВВС произвели серию экспериментов на испытательном полигоне Белая Пустыня в Нью-Мехико. Для имитации спутников использовались передатчики, размещенные на воздушных шарах и самолетах. Экспериментальное оборудование позиционировало самолет с точностью до сотых долей мили. Одновременно была сформулирована концепция глобальной системы из 16 спутников на геостационарных орбитах, чьи проекции на земную поверхность образовывали четыре овальных кластера, вытянутых на 30 градусов севернее и южнее экватора. Эта особая геометрия допускала последовательное развитие системы, поскольку для демонстрации реальной работоспособности было достаточно четырех спутников. Следовательно, один полный кластер из четырех спутников обеспечивал 24-часовое покрытие определенного географического региона (например, Северной или Южной Америки). Тем не менее, вплоть до 1973 г. не было заметного сдвига в разработке полномасштабной “Системы 621В”. Частично причиной этого явилась поддержка со стороны ВВС дополнительных разработок по спутниковой навигации, основанных на нескольких параллельных инициативах от различных организаций. Начиная с 1960-х, ВМФ США, ВВС США и сухопутные силы независимо друг от друга работали над радионавигационной системой, обеспечивающей всепогодное 24-часовое покрытие, и с точностью, достаточной для военного применения соответствующими службами. Лаборатория прикладной физики разработала техническое обеспечение для системы Transit и собиралась усовершенствовать систему, тогда как Военно-морская исследовательская лаборатория энергично расширяла систему Timation; сухопутные силы предлагали использовать собственную систему, названную SECOR (Sequential Correlation of Range, последовательное вычисление дальностей). Возникшая ситуация начала беспокоить Министерство обороны США, поскольку различные стратегии построения системы были опробованы на практике и пришло время для построения единой концепции. Для координации усилий всех исследовательских групп, разрабатывающих различные навигационные системы, Министерство обороны США основало трехсторонний объединенный комитет, названный NAVSEG (Navigation Satellite Executive Group). В течение последующих нескольких лет комитет окончательно определил, какой должна быть система спутниковой навигации – количество спутников, высоту орбит, коды сигналов, метод модуляции – и сколько все это будет стоить. Наконец, в апреле 1973 г., Военно-воздушные силы были утверждены, как ведущий разработчик, объединяющий различные концепции построения систем спутниковой навигации в единую всеобъемлющую систему военного назначения, известную, как DNSS (Defense Navigation Satellite System, оборонительная система спутниковой навигации). Новая система должна была разрабатываться в Объединенном Центре разработок ВВС в партнерстве со всеми заинтересованными военными службами. Взаимодействием между различными службами с целью разработки концепции DNSS руководил полковник ВВС Брэд Паркинсон, программный директор Объединенного Центра. К сентябрю 1973 г. была создана компромиссная система, вобравшая в себя все лучшие опции от прежних программ ВВС и ВМФ. Структура сигнала и частоты были заимствованы от “Системы 621В”. Орбиты спутников основывались на структуре, предложенной для системы Timation, но с большей высотой, обеспечивающей 12-часовой период обращения вместо 8-часового. Обе системы предполагали использование атомных часов на спутниках, но только ВВС проверили эту идею на практике. Система, построенная по сформулированной концепции, теперь известна, как система глобального позиционирования NAVSTAR. В декабре 1973 г. Министерство обороны США утвердило и профинансировало первый этап разработки NAVSTAR GPS (планом работ было предусмотрено три этапа).
