S-диапазона Унифицированная ( USB ) система представляет собой систему слежения и связи , разработанный для программы Apollo по НАСА и Лаборатории реактивного движения (JPL). Он работал в S-диапазоне микроволнового спектра, объединяя голосовую связь, телевидение , телеметрию , управление , отслеживание и определение дальности в единую систему для экономии размера и веса и упрощения операций. Наземной сетью USB управлял Центр космических полетов Годдарда (GSFC). Коммерческие подрядчики включали Collins Radio ,Blaw-Knox , Motorola и Energy Systems .
Основа [ править ]
В предыдущих программах « Меркурий» и « Близнецы» были отдельные радиосистемы для голоса, телеметрии и отслеживания. Голосовая связь и команда по восходящей линии связи, а также голосовые и телеметрические данные по нисходящей линии связи отправлялись через системы сверхвысокой частоты (UHF) и очень высокой частоты (VHF). [1] Возможностью слежения был радиомаяк диапазона C, опрашиваемый наземным радаром. При гораздо большем расстоянии от Аполлона пассивное определение дальностибыло невозможно, поэтому потребовалась новая система активного определения дальности. Apollo также планировал использовать телевизионные передачи, которые не поддерживались существующими системами. Наконец, использование трех разных частот усложнило системы космического корабля и наземную поддержку. Система унифицированного S-диапазона (USB) была разработана для решения этих проблем.
Система USB не полностью заменила все другие радиопередатчики на Apollo. Аполлон все еще использовал УКВ между астронавтами и лунным модулем (LM) и лунным движущимся транспортным средством во время внекорабельной деятельности ; между посадочным модулем и командным модулем, а также между космическим кораблем и земными станциями на этапах орбиты и восстановления. В качестве резерва CM может измерять дальность до LM по голосовой связи VHF. Радиолокационные системы космического корабля работали на частотах, отличных от частот USB.
Развитие [ править ]
Система связи и определения дальности в S-диапазоне была разработана лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института в Лексингтоне, штат Массачусетс, в рамках задачи А контракта с лабораторией Линкольна Apollo. Подход к проектированию заключался в разработке альтернативной интегрированной системы связи, функционально совместимой с конструкцией космического корабля. [2] [3]
Концепция была представлена лабораторией Линкольна в первоначальном отчете от 16 июля 1962 года, озаглавленном « Промежуточный отчет о разработке внутренней бортовой системы радиочастотной связи для космического корабля Аполлон».. В этом отчете было показано, что многие бортовые электронные функции могут быть очень эффективно выполнены с помощью одной системы, которая является подходящей адаптацией транспондера, разработанного Лабораторией реактивного движения для использования со станциями слежения DSIF. Это было источником системы целей для Apollo, позже названной интегрированной (или интегральной) радиочастотной системой, а затем известной как унифицированная несущая система. Идея унифицированной системы связи S-диапазона заключалась в том, чтобы уменьшить количество систем, ранее использовавшихся в космической программе «Меркурий», которые обеспечивали множество электромагнитных передающих и принимающих устройств. На ранних этапах полета они работали на семи дискретных частотах в пяти широко разделенных полосах частот. Во многом из-за целесообразности были задействованы следующие отдельные подразделения:
- Передатчик и приемник ВЧ голоса
- Передатчик и приемник голоса УВЧ
- Приемник команд
- Передатчик телеметрии №1
- Передатчик телеметрии №2
- Транспондерный радиомаяк C-диапазона
- Транспондерный маяк S-диапазона
Наземные сооружения, соответствующие этому оборудованию капсулы, были включены во многие станции сети «Меркурий».
Когда был инициирован проект «Аполлон», НАСА постановило, что необходимо использовать как можно больше существующего оборудования наземной сети «Меркурий». Кроме того, космический корабль должен был включать транспондер, совместимый с наземными станциями Deep Space Instrumentation Facility (DSIF), созданными Лабораторией реактивного движения. Этот транспондер будет использоваться для связи и отслеживания в цис-лунном пространстве между Землей и Луной.
В предварительных исследованиях Unified S-Band North American Aviation, Inc. (компания, которая разработала командные и служебные модули Apollo) указала, что следующие четыре единицы оборудования будут установлены на Apollo для использования в наземных космических кораблях:
- Транспондер DSIF (S-диапазон) (для дальних стран ближнего и дальнего зарубежья) для передачи ТВ, голоса, данных телеметрии и сигналов дальности
- VHF FM-передатчик (для околоземных расстояний) для передачи телеметрических данных
- Приемопередатчик VHF AM (для околоземных расстояний) для передачи и приема голоса и управления спасательными самолетами
- Транспондер C-диапазона (для околоземных расстояний) для радиолокационного слежения
Транспондер DSIF имел базовую возможность выполнять функции передатчика VHF FM, приемопередатчика VHF AM и транспондера C-диапазона на земных расстояниях. Существенными особенностями транспондера и его наземного оборудования были полностью когерентная работа с синхронизацией по фазе и использование псевдослучайного (шумоподобного) двоичного кода для однозначных измерений дальности на больших расстояниях. Выбор оптимальных методов модуляции и форм сигналов для восходящих и нисходящих радиочастотных каналов был ключевым фактором в адаптации унифицированной системы несущей к требованиям Apollo. [3]
Дополнительные электронные устройства должны были быть развернуты для наведения на сближение, для лунной (и земной) альтиметрии и для управления посадкой на Луну. Требования к этому дополнительному оборудованию еще не были четко определены, когда лаборатория Линкольна начала свои исследования. Из опыта работы с космической программой «Меркурий» для лаборатории Линкольна было очевидно, что значительное упрощение на борту могло бы произойти, если бы на «Аполлоне» использовалась единая интегрированная система связи и слежения вместо четырех систем, перечисленных выше. [3]
Демонстрация унифицированного S-диапазона [ править ]
В начале 1962 года небольшую группу сотрудников лаборатории Линкольна попросили предоставить НАСА демонстрацию концепции унифицированного носителя к 31 декабря 1962 года. Демонстрация была направлена на предоставление экспериментальных доказательств того, что концепция единого носителя осуществима. Поскольку людские ресурсы были ограничены, было решено сосредоточиться на линии связи космический аппарат-Земля, критически важном звене в системе. Демонстрация была доступна к 17 декабря 1962 г. Демонстрация была проведена 17 января 1963 г. для НАСА (пилотируемый космический центр и штаб-квартира) и North American Aviation, Inc. [3]
Демонстрация концепции единой несущей для линии связи космический аппарат-Земля была ограничена передачей кода дальности и широкополосного телеметрического сигнала на несущей 47,5 мк по жесткому кабелю через зашумленную и затухающую среду. В имитируемом наземном приемнике использовалась фазовая автоподстройка частоты . Опорный сигнал несущей, сгенерированный ГУН контура фазовой автоподстройки частоты несущей, использовался для гетеродинирования принятого сигнала в видео, процесс синхронной демодуляции. Для обработки переданных и принятых кодов для ранжирования использовался метод корреляции. Демонстрация смоделировала эффект Доплера и отношение сигнал / шум, ожидаемые для миссии Apollo. Контуры фазовой автоподстройки частоты в приемнике почти мгновенно получают передаваемую несущую, поднесущую телеметрии и кодовые тактовые импульсы для отношений сигнал / шум, которые, согласно прогнозам, будут существовать при максимальной дальности действия Аполлона и радиальной скорости космического корабля 36000 футов / с . Корреляция кода диапазона обычно занимает всего несколько секунд. [3]
Вначале предполагалось, что транспондер DSIF может быть модифицирован и дополнен, чтобы его можно было использовать для лунной альтиметрии и определения дальности сближения. Однако по мере того, как все большее внимание уделялось методам посадки на Луну и методов сближения с лунной орбитой, стало очевидно, что для этих приложений предпочтительнее будет специализированное радиолокационное и оптическое оборудование. Соответственно, большая часть усилий в лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института была направлена на установление связи и отслеживания связи между космическим кораблем Аполлон и Землей.
Техническое резюме [ править ]
Из технического резюме НАСА: [4]
Конструкция системы USB основана на когерентном доплеровском режиме и системе псевдослучайного диапазона, разработанной JPL. Система S-диапазона использует те же методы, что и существующие системы, с основными изменениями, касающимися включения каналов голоса и данных.
Одна несущая частота используется в каждом направлении для передачи всех данных слежения и связи между космическим кораблем и землей. Голосовые данные и данные обновления модулируются на поднесущие, а затем объединяются с данными ранжирования [...]. Эта составная информация используется для фазовой модуляции передаваемой несущей частоты. Принимаемые и передаваемые несущие частоты связаны когерентно. Это позволяет наземной станцией измерять несущую доплеровскую частоту для определения радиальной скорости космического аппарата.
В транспондере поднесущие извлекаются из РЧ-несущей и обнаруживаются для создания голосовой и командной информации. Двоичные сигналы дальности, модулированные непосредственно на несущую, обнаруживаются широкополосным фазовым детектором и преобразуются в видеосигнал.
Голосовые и телеметрические данные, передаваемые с космического корабля, модулируются на поднесущие, объединяются с сигналами дальности видеосигнала и используются для фазовой модуляции несущей частоты нисходящей линии связи. Передатчик транспондера может также иметь частотную модуляцию для передачи телевизионной информации или записанных данных вместо сигналов дальности.
Базовая USB-система может обеспечивать данные слежения и связи для двух космических аппаратов одновременно, при условии, что они находятся в пределах ширины луча одной антенны. Основной режим отслеживания и связи - использование режима работы PM . Для этой цели используются два набора частот, разделенных примерно 5 мегациклами [...]. Помимо основного режима связи, система USB может принимать данные на двух других частотах. Они используются в основном для передачи FM-данных с космического корабля.
Частоты [ править ]
Унифицированная система S-диапазона использовала полосу 2025–2120 МГц для передачи на космический аппарат (восходящие линии связи) и использовала полосу 2200–2290 МГц для передачи с космического корабля (нисходящие линии связи). Эти полосы распределены на международном уровне для космических исследований и операций , хотя по стандартам 2014 года восходящая линия связи ALSEP находилась в неправильной части полосы (дальний космос вместо околоземной).
| Частотные присвоения Apollo | |||
|---|---|---|---|
| Космический корабль | На Землю (МГц) | В космос (МГц) | Когерентное соотношение |
| Командный модуль PM | 2287,5 | 2106.40625 | 221/240 |
| Командный модуль FM | 2272,5 | ||
| Лунный модуль | 2282,5 | 2101.802083 | 221/240 |
| S-IVB PM | 2282,5 | 2101.802083 | 221/240 |
| S-IVB FM | 2277,5 | ||
| Луноход | 2265,5 | 2101.802083 | |
| Аполлон 11 Ранний ALSEP | 2276,5 | 2119 | |
| Аполлон-12 ALSEP | 2278,5 | 2119 | |
| Аполлон 14 ALSEP | 2279,5 | 2119 | |
| Аполлон 15 ALSEP | 2278,0 | 2119 | |
| Подспутник Apollo 15 | 2282,5 | 2101.802083 | 221/240 |
| Аполлон-16 ALSEP | 2276,0 | 2119 | |
| Аполлон-17 ALSEP | 2275,5 | 2119 | |
Блок ретрансляции лунной связи (LCRU) на лунном вездеходе (Apollo 15, 16, 17) имел собственную частоту нисходящего канала (чтобы избежать помех LM), но совместно использовал частоту восходящего канала LM, поскольку он не реализовал когерентный транспондер. Отдельные голосовые поднесущие использовались в общем восходящем канале S-диапазона, 30 кГц для LM и 124 кГц для LCRU, так что LM и LCRU не будут одновременно ретранслировать голос восходящего канала и создавать помехи друг другу.
S-IVB имел USB отслеживания транспондер для использования после разделения CSM. Данные слежения улучшили анализ удара, зарегистрированного сейсмометрами, оставленными более ранними командами Apollo. S-IVB использовал ту же пару частот, что и LM. Обычно LM был неактивен во время полета, однако это было проблемой во время полета Apollo 13, так как LM нужно было включать раньше, чтобы использовать в качестве спасательной шлюпки. [5]
Частоты LM также использовались субспутниками, развернутыми на лунной орбите после того, как LM покинул Луну, как часть более поздних J-миссий .
Использование двух разделенных полос частот сделало возможной работу в дуплексном режиме. Земля и космический корабль передаются непрерывно. Звук микрофона настраивался вручную или с помощью VOX , но, в отличие от обычного полудуплексного двустороннего радио, обе стороны могли разговаривать одновременно без взаимных помех.
Модуляция [ править ]
В системе S-диапазона обычно используется фазовая модуляция (ФМ). PM, как и FM, имеет постоянную амплитуду ( огибающую ) независимо от модуляции. Это позволяет использовать нелинейные усилители RF, которые более эффективны, чем усилители RF, которые должны поддерживать линейность.
Индекс модуляции PM невелик, поэтому сигнал напоминал двухполосную амплитудную модуляцию (AM), за исключением фазы несущей. В AM компонент несущей имеет постоянную амплитуду, поскольку боковые полосы меняются с модуляцией, но в PM полная мощность сигнала имеет постоянную амплитуду. PM сдвигает мощность с несущей на боковые полосы с модуляцией, и при некоторых индексах модуляции несущая может полностью исчезнуть. Вот почему Apollo использует низкий индекс модуляции: чтобы оставить сильную несущую, которую можно использовать для высокоточного отслеживания скорости путем измерения ее доплеровского сдвига .
Когерентные транспондеры и доплеровское слежение [ править ]
Для определенных нисходящих линий с фазовой модуляцией (PM) соотношение частот восходящего и нисходящего каналов было точно 221/240 с использованием когерентных транспондеров . Фазовой автоматической подстройки частоты на космический корабль , умноженное на частоту несущей восходящей линии связи с помощью 240/221 для получения частоты несущей нисходящей линии связи. Если восходящий канал был недоступен, гетеродин создавал несущую для нисходящей линии связи.
Этот «двусторонний» метод позволял измерять скорость с точностью порядка сантиметров в секунду, наблюдая доплеровский сдвиг несущей нисходящей линии связи. Этот метод не требовал наличия генератора высокой точности на космическом корабле, хотя он все еще был необходим на земле.
В ALSEP Луна экспериментов поверхности имели общую восходящую линию связь и не имеют согласованный транспондер. Пассивные лазерные ретрорефлекторы, оставленные миссиями Apollo 11, 14 и 15, обеспечивают гораздо большую точность и намного пережили активную электронику в других экспериментах ALSEP.
Поднесущие [ править ]
Как упоминалось выше, несущие восходящей и нисходящей линий связи играли решающую роль в отслеживании космических аппаратов. Боковые полосы, генерируемые информацией, также передаваемой системой, должны быть удалены от несущих, чтобы не нарушать контуры фазовой автоподстройки частоты, используемые для их отслеживания. Это было сделано за счет использования различных поднесущих .
В восходящей линии связи было две поднесущих. Поднесущая 30 кГц имела голос ( Capcom ), а несущая 70 кГц имела командные данные для обновления бортовых компьютеров данными слежения за землей, а также для команды на снятие с орбиты лунного модуля после того, как он был сброшен.
Поднесущие можно отключить, когда они не нужны. Это улучшило пределы сигнала для других информационных потоков, таких как данные телеметрии. В нисходящей линии связи были поднесущие 1,25 МГц (голос NBFM) и 1,024 МГц (данные телеметрии). Телеметрия могла быть установлена на уровне 1,6 килобит / сек или 51,2 килобит / сек. Более низкая скорость использовалась только при плохих условиях связи или для экономии энергии. В режиме «резервного голоса» отключается поднесущая NBFM 1,25 МГц и передается голос на основной несущей S-диапазона. Это обеспечивало больший запас, но худшее качество голоса, чем режим, используемый в хороших условиях.
Режимы можно определить по тому, как они звучат во время затухания сигнала. В предпочтительном режиме поднесущей NBFM по мере того, как линия связи ухудшается, импульсный или «попкорн» шум появляется внезапно и нарастает, пока не перекрывает голоса астронавтов. Во время посадки Аполлона 11 на Луну это было проиллюстрировано, когда лунный модуль иногда блокировал линию обзора Земли для антенны. Резервный голосовой режим больше походил на AM. Голоса меняются по мере затухания сигнала, и появляется постоянное фоновое шипение. Резервный режим использовался в аварийной ситуации Аполлона-13 для экономии энергии, а также когда на лунном модуле вышла из строя управляемая антенна S-диапазона Аполлона-16 .
В голосовых передачах для внутриполосной передачи сигналов использовались квиндаровские тона .
Аварийный ключ [ править ]
В нисходящем канале Apollo USB также был режим «аварийного ключа» для генератора поднесущей на частоте 512 кГц. Это могло быть использовано для отправки кода Морзе, если голосовой режим был невозможен. Хотя этот режим был протестирован во время Apollo 7 , он никогда не требовался.
Подобная возможность восходящего канала не требовалась, потому что восходящий канал имел гораздо большую доступную мощность. Передатчики космических аппаратов Apollo S-диапазона производили 20 ватт; передатчик восходящей линии связи произвел 10 кВт, отношение 27 дБ.
Ранжирование [ править ]
Система Apollo S-диапазона обеспечивает точные измерения дальности (расстояния). Наземная станция сгенерировала последовательность псевдослучайного шума (PN) со скоростью 994 килобит / с и добавила ее к сигналу основной полосы частот, идущему на передатчик PM. Транспондер повторил последовательность. Путем сопоставления полученных и переданных версий можно было определить прошедшее время и расстояние до космического корабля с точностью до 15 метров. [6]
Последовательность PN, хотя и детерминированная, имела свойства случайного потока битов. Хотя последовательность PN была периодической, ее период около 5 секунд превышал максимально возможное время полета туда и обратно к Луне, поэтому не было бы двусмысленности в ее времени приема.
Современные приемники GPS работают примерно так же, поскольку они также коррелируют принятый поток битов PN (на скорости 1,023 Мбит / с) с местным эталоном для измерения расстояния. Но GPS - это система только для приема, которая использует относительные временные измерения от набора спутников для определения положения приемника, в то время как Apollo USB - это двусторонняя система, которая может определять только мгновенное расстояние и относительную скорость. Тем не менее, программа определения орбиты может найти уникальный вектор состояния космического корабля на основе наблюдений за дальностью, дальностью (относительной скоростью) и углом обзора антенны, выполненными одной или несколькими наземными станциями, предполагающими чисто баллистическое движение космического корабля в интервале наблюдений.
После определения вектора состояния будущая траектория космического корабля может быть полностью предсказана до следующего пропульсивного события.
Поворот транспондера для определения дальности должен был быть включен космонавтом вручную. Он использовал большую часть пропускной способности нисходящей линии связи, и это было необходимо только изредка, например, во время передачи обслуживания между наземными станциями. Когда станция восходящей линии связи зафиксируется на транспондере, она будет определять дальность действия космического корабля. Доплеровские измерения скорости обновили диапазон, и сигнал дальности был отключен. Если наземная станция потеряла захват во время прохода, она повторит измерение дальности после повторного захвата захвата.
FM и видео [ править ]
Обычно передатчик нисходящей линии связи был PM, чтобы обеспечить когерентное доплеровское слежение. Также поддерживаются команды, телеметрия и двусторонняя голосовая связь. Видеосигналы требовали большей полосы пропускания, чем было доступно в этой системе. Другие широкополосные сигналы, такие как научные данные или инженерные данные, также требовали большей полосы пропускания. Система широкополосной частотной модуляции обеспечивает улучшенное отношение сигнал / шум за счет эффекта захвата . Это улучшает отношение сигнал / шум для РЧ сигналов с отношением сигнал / шум (SNR) более 8-10 дБ . Однако ниже этого порога широкополосный сигнал имеет худшее отношение сигнал / шум. Прием "все или ничего". Если приемная антенна слишком мала для захвата широкополосного видео, узкополосные сигналы, такие как голос, также не могут быть приняты.
CSM имел передатчики FM и PM, которые работали для одновременной передачи голоса, телеметрии и видео. Передатчик LM мог передавать только FM или PM, но не одновременно в обоих режимах. Поскольку частотная модуляция делает доплеровское слежение неэффективным, посадочный модуль отправлял только FM при передаче видео.
Перехват [ править ]
СССР контролировал Аполлон миссий телеметрию. [7] [8]
В США радиолюбителям было разрешено контролировать телеметрию, но Федеральная комиссия связи выпустила директиву, требующую разрешения НАСА на любое раскрытие информации о перехвате телеметрии Apollo. [ необходима цитата ] В августе 1971 года радиолюбители Пол Уилсон (W4HHK) и Ричард Т. Нэдл-младший (K2RIW) услышали голосовые сигналы от Аполлона-15, когда он вращался вокруг Луны. Они описали свою работу в статье для QST . [9] Они также сообщили, что получили сигналы с Аполлона 16. [10] [11]
Влияние дизайна [ править ]
Международная космическая станция , Skylab , а также другие орбитальных космические станции имеют (или имела) какое - то единую подсистему СВЧ связи. Неизменное инженерное влияние USB заключается в том, что почти каждая человеческая миссия в космосе имела ту или иную унифицированную систему микроволновой связи.
Ссылки [ править ]
- ^ "Унифицированная система S-диапазона Apollo" (PDF) ., НАСА TM-X55492.
- ↑ Промежуточный отчет о разработке внутренней бортовой системы радиосвязи для космического корабля Аполлон Массачусетского технологического института - Лаборатория Линкольна, 16 июля 1962 г.
- ^ a b c d e Окончательный отчет: Унифицированная несущая система , Массачусетский технологический институт - лаборатория Линкольна, 9 августа 1963 г.
- ^ WP Варсон. «Функциональное описание единой системы S-диапазона и интеграция в сеть пилотируемых космических полетов» (PDF) . Материалы конференции Apollo Unified S-Band . НАСА. С. 3–12 . Проверено 22 февраля 2010 .
- Перейти ↑ Goodman, JL (14–17 сентября 2009 г.). "Аполлон-13" Проблемы управления, навигации и управления " (PDF) . Конференция и выставка AIAA SPACE 2009 . Пасадена, Калифорния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. п. 15.
- ↑ Гарольд Р. Розенберг, редактор (1972). «Отчет об опыте APOLLO - Разработка и анализ сигналов системы S-BAND» ., стр. 5.
- ^ Мы «видели», как американцы высадились на Луну , «Новости космонавтики», декабрь 2005 г.
- ^ Юрий, Урличич, изд. (2009). "Ведущий научный сотрудник, доктор технических наук Евгений Павлович Молотов". Рязанский Михаил Сергеевич главный конструктор радиосистемы ракетно-космической техники. К 100-летию со дня рождения (PDF ). Москва: «ИД Медиа Паблишер». С. 56–58. ISBN 978-5-903650-11-8.
- ^ Уилсон, PM; Knadle, RT (июнь 1972 г.). «Хьюстон, это Аполлон ...». QST : 60–65.
- ^ "W4HHK сообщает о приеме Аполлона-16 (мир выше 50 МГц)". Журнал QST . Американская радиорелейная лига. Июнь 1972 г. с. 95.
- ^ "Прием Аполлона-16 на K2RIW (Мир выше 50 МГц)". Журнал QST . Американская радиорелейная лига. Июль 1972 г. с. 90.
Внешние ссылки [ править ]
- «Система слежения за Аполлоном» .
- "Труды Объединенной технической конференции S-диапазона" (PDF) ., НАСА SP-87.
- "Унифицированная система S-диапазона Apollo"
- РАЗРАБОТКА КОНТРОЛЬНЫХ СПЕЦИФИКАЦИЙ ДЛЯ НОВЫХ ТЕЛЕМЕТРНЫХ СИСТЕМ (PDF) (Технический отчет). Боинг. 5 марта 1968 г. D5-13402-1. Содержит полное описание Unified S-Band и технические характеристики.
