Jednotné S-pásmo - Unified S-band

Apollo 15 Lunární modul a Lunar Roving Vehicle, 1. srpna 1971. Anténa pro pásmo S pro pásmo je viditelná.

The Jednotné S-pásmo (USB) systém je sledovací a komunikační systém vyvinutý pro Program Apollo podle NASA a Laboratoř tryskového pohonu (JPL). Fungovalo to v S band část mikrovlnného spektra, sjednocující hlasovou komunikaci, televize, telemetrie, příkaz, sledování a v rozsahu do jednoho systému, aby se ušetřila velikost a hmotnost a zjednodušily operace. Pozemní síť USB byla spravována Goddardovo vesmírné středisko (GSFC). Včetně komerčních dodavatelů Collins Radio, Blaw-Knox, Motorola a Energetické systémy.

Základ

Předchozí programy, Rtuť a Blíženci, měl samostatné rádiové systémy pro hlas, telemetrii a sledování. Uplinkový hlas a příkazy a downlinková hlasová a telemetrická data byla odeslána prostřednictvím ultra vysoká frekvence (UHF) a velmi vysoká frekvence (VHF) systémy.^[1] Sledovací schopnost byla a Pásmo C. maják vyslýchán pozemním radarem. S mnohem větší vzdáleností Apolla, pasivní v rozsahu nebylo proveditelné, takže byl vyžadován nový aktivní systém měření vzdálenosti. Apollo také plánovalo využít televizní přenosy, které stávající systémy nepodporovaly. Nakonec použití tří různých frekvencí zkomplikovalo systémy kosmických lodí a pozemní podporu. K řešení těchto problémů byl vyvinut systém Unified S-band (USB).

Systém USB úplně nenahradil všechny ostatní rádiové vysílače na Apollu. Apollo stále používalo VHF mezi astronauty a Lunární modul (LM) a Lunar Roving Vehicle v době mimosilniční aktivita; mezi přistávacím modulem a velitelským modulem a mezi kosmickou lodí a Pozemské stanice ve orbitální fázi a ve fázi obnovy. Jako zálohu mohl CM měřit rozsah do LM přes VHF hlasový spoj. Radarové systémy kosmické lodi fungovaly na frekvencích oddělených od frekvencí USB.

Rozvoj

Komunikační a rozsahový systém S-Band byl vyvinut společností Laboratoř MIT Lincoln v Lexingtonu v Massachusetts, pod úkolem A smlouvy Lincoln Laboratory Apollo. Konstrukčním přístupem byl vývoj alternativního integrovaného komunikačního systému funkčně kompatibilního s konstrukcí kosmické lodi.^[2][3]

Koncept byl představen Lincoln Laboratory v úvodní zprávě z 16. července 1962 s názvem Průběžná zpráva o vývoji interního palubního vysokofrekvenčního komunikačního systému pro kosmickou loď Apollo. V této zprávě se ukázalo, že mnoho palubních elektronických funkcí lze provádět velmi efektivně pomocí jediného systému, který je vhodnou adaptací transpondéru vyvinutého laboratoří Jet Propulsion Laboratory pro použití se sledovacími stanicemi DSIF. To byl původ systému cílů pro Apollo, později nazývaného Integrovaný (nebo Integrovaný) RF systém, později známý jako Unified Carrier System. Myšlenkou jednotného komunikačního systému S-Band bylo snížit počet systémů dříve používaných v kosmickém programu Merkur, který poskytoval množství elektromagnetických vysílacích a přijímacích zařízení. Na začátku lety fungovaly na sedmi diskrétních frekvencích v pěti široce oddělených frekvenčních pásmech. Z velké části kvůli účelnosti byly použity následující samostatné jednotky:

• Vysílač a přijímač vysokofrekvenčního hlasu
• Vysílač a přijímač hlasu UHF
• Příkazový přijímač
• Telemetrický vysílač č. 1
• Telemetrický vysílač č. 2
• Maják transpondéru v pásmu C.
• Maják transpondéru v pásmu S.

Pozemní zařízení odpovídající tomuto tobolkovému zařízení bylo zahrnuto v mnoha stanicích sítě Merkur.

Když byl zahájen projekt Apollo, NASA stanovila, že by mělo být použito co nejvíce stávajícího pozemního síťového vybavení Merkuru. Kromě toho měla kosmická loď obsahovat transpondér kompatibilní s pozemními stanicemi Deep Space Instrumentation Facility (DSIF) zřízenými Jet Propulsion Laboratory. Tento transpondér by byl použit pro komunikaci a sledování v cis-lunárním prostoru mezi Zemí a Měsícem.

V rámci předběžného výzkumu Unified S-Band společnost North American Aviation, Inc. (společnost, která vyvinula velitelské a servisní moduly Apolla) uvedla, že do Apolla budou instalovány následující čtyři části zařízení pro použití od Země k kosmické lodi:

• DSIF transpondér (pásmo S) (pro cis-lunární vzdálenosti) pro přenos televizních, hlasových, telemetrických dat a signálů dosahu
• VHF FM vysílač (pro vzdálenosti blízké Zemi) pro přenos telemetrických dat
• Transceiver VHF AM (pro vzdálenosti blízké Zemi) pro přenos a příjem hlasu a vedení záchranných letadel
• Transpondér pásma C (pro vzdálenosti blízké Zemi) pro radarové sledování

Transpondér DSIF měl základní schopnost vykonávat funkce VHF FM vysílače, VHF AM transceiveru a C-pásma transpondéru na vzdálenosti blízké Zemi. Významnými rysy transpondéru a jeho pozemního vybavení byla všekoherentní, fázově uzamčená operace a použití pseudonáhodného (podobného) binárního kódu pro jednoznačná měření dosahu na velké vzdálenosti. Volba optimálních modulačních metod a křivek pro vysokofrekvenční spoje nahoru a dolů byla klíčovým faktorem při přizpůsobení jednotného nosného systému požadavkům Apolla.^[3]

Další elektronický přístroj měl být nasazen pro setkávací vedení, pro měsíční (a Zemi) výškoměr a pro kontrolu přistání na Měsíci. Když laboratoř Lincoln Laboratory zahájila výzkum, nebyly pevně stanoveny požadavky na toto další vybavení. Ze zkušeností s kosmickým programem Mercury bylo Lincoln Laboratory zřejmé, že by došlo ke značnému zjednodušení na palubě, kdyby byl v Apollu místo čtyř výše uvedených systémů použit jeden integrovaný komunikační a sledovací systém.^[3]

Unified S-Band demonstration

Na začátku roku 1962 byla malá skupina zaměstnanců Lincoln Laboratory požádána, aby poskytla demonstraci konceptu Unified Carrier pro NASA do 31. prosince 1962. Cílem demonstrace bylo poskytnout experimentální důkaz, že koncept unifikovaného nosiče je proveditelný. Vzhledem k tomu, že pracovní síla byla omezená, bylo rozhodnuto soustředit se na spojení vesmír-vozidlo-země, kritické spojení v systému. Demonstrace byla k dispozici 17. prosince 1962. Demonstrace se konala 17. ledna 1963 pro NASA (pilotované vesmírné středisko a velitelství) a North American Aviation, Inc.^[3]

Demonstrace konceptu sjednocené nosné pro spojení vesmírné vozidlo-Země byla omezena na přenos měřicího kódu a širokopásmového telemetrického signálu na nosiči 47,5 mc pomocí pevného drátu přes hlučné a útlumové médium. Simulovaný pozemní přijímač používal a fázově uzavřená smyčka. Odkaz na přepravce vygenerovaný VCO smyčky fázově uzamčeného nosiče bylo použito k heterodynování přijímaného signálu na video, což je proces synchronní demodulace. Ke zpracování přenášených a přijímaných kódů pro stanovení rozsahu byla použita korelační metoda. Demonstrace simulovala Dopplerův jev a poměr signálu k šumu očekávaný pro misi Apollo. Fázově uzavřené smyčky v přijímači získaly přenášenou nosnou, telemetrickou pomocnou nosnou a kódovací hodiny téměř okamžitě pro poměry signálu k šumu, které se předpokládají při maximálním dosahu Apolla, a pro rychlost radiálního vesmírného vozidla 36 000 ft / s . Korelace rozsahu kódu obecně trvala jen několik sekund.^[3]

Na začátku bylo navrženo, aby odpovídač DSIF mohl být upraven a rozšířen tak, aby mohl být použit pro lunární altimetrii a rozsah setkávání. Jelikož však byl kladen větší důraz na techniky přistání na Měsíci a techniky lunárního orbitálního setkání, bylo zřejmé, že pro tyto aplikace by bylo vhodnější použít specializované radarové a optické zařízení. V souladu s tím byla většina úsilí v laboratoři M.I.T Lincoln Laboratory zaměřena na komunikační a sledovací spojení mezi kosmickou lodí Apollo a zemí.

Technické shrnutí

Z technického shrnutí NASA:^[4]

Konstrukce systému USB je založena na koherentním dopplerově a systému pseudonáhodných rozsahů, který vyvinula společnost JPL. Systém pásma S využívá stejné techniky jako stávající systémy, přičemž hlavními změnami je začlenění hlasových a datových kanálů.

Jediný nosná frekvence se používá v každém směru pro přenos všech sledovacích a komunikačních dat mezi kosmickou lodí a zemí. Hlasová a aktualizační data jsou modulována na pomocné nosné a poté kombinována s rozsahovými daty [...]. Tato složená informace se používá k fázové modulaci vysílané nosné frekvence. Přijímané a vysílané nosné frekvence souvisejí souvisle. To umožňuje měření nosné dopplerovské frekvence pozemní stanicí pro stanovení radiální rychlosti kosmické lodi.

V transpondéru jsou subnosné extrahovány z vysokofrekvenčního nosiče a detekovány k produkci hlasových a povelových informací. Binární rozsahové signály, modulované přímo na nosnou, jsou detekovány širokopásmovým fázovým detektorem a převedeny na video signál.

Hlasová a telemetrická data, která mají být přenášena z kosmické lodi, jsou modulována na pomocné nosné, kombinována s video rozsahovými signály a použita k fázové modulaci sestupné nosné frekvence. Vysílač transpondéru lze namísto měřicích signálů také frekvenčně modulovat pro přenos televizních informací nebo zaznamenaných dat.

Základní systém USB má schopnost poskytovat sledovací a komunikační data pro kosmické lodě současně, pokud jsou v šířce paprsku jediné antény. Primární režim sledování a komunikace je prostřednictvím použití ODPOLEDNE provozní režim. K tomuto účelu se používají dvě sady frekvencí oddělené přibližně 5 megacykly [...]. Kromě primárního způsobu komunikace má systém USB schopnost přijímat data na dvou dalších frekvencích, které se používají především k přenosu dat FM z kosmické lodi.

Frekvence

Jednotný systém S-Band používal pro přenos do kosmické lodi pásmo 2025–2120 MHz (uplinks) a pásmo 2200–2290 MHz používal pro přenosy z kosmické lodi (downlinks). Tyto kapely jsou mezinárodně přiděleno na vesmírný výzkum a provoz, ačkoli podle standardů roku 2014 byl uplink ALSEP ve špatné části pásma (hluboký vesmír místo blízké Zemi).

Lunar Communications Relay Unit (LCRU) na Lunar Rover (Apollo 15, 16, 17) měl vlastní downlinkovou frekvenci (aby se zabránilo interferenci s LM), ale sdílel uplinkovou frekvenci LM, protože neimplementoval koherentní transpondér. Na společném vzestupném pásmu S, 30 kHz pro LM a 124 kHz pro LCRU, byly použity samostatné nosné hlasové nosné, takže LM a LCRU nebudou přenášet vzestupný hlas a vzájemně se rušit.

The S-IVB měl USB sledovací transpondér pro použití po oddělení CSM. Sledovací data vylepšila analýzu dopadu zaznamenaného seismometry, které zanechaly dřívější posádky Apolla. S-IVB používal stejný frekvenční pár jako LM. Normálně byl LM během letu neaktivní, ale to byl problém, když během Apollo 13 let, protože LM musel být napájen dříve, aby mohl být použit jako záchranný člun.^[5]

Kmitočty LM byly využívány také sub-satelity rozmístěnými na měsíční oběžné dráze poté, co LM opustily Měsíc, jako součást pozdějších J-mise.

Využití dvou oddělených kmitočtových pásem plny Duplex provoz možný. Země a kosmická loď se přenášely nepřetržitě. Zvuk mikrofonu byl zadán ručně nebo pomocí VOX, ale na rozdíl od obyčejných poloviční duplex obousměrné rádio mohlo obě strany hovořit současně bez vzájemného rušení.

Modulace

Obvykle se používá systém S-band fázová modulace (ODPOLEDNE). PM, stejně jako FM, má konstantní amplituda (obálka ) bez ohledu na modulaci. To umožňuje použití nelineárních RF zesilovačů, které jsou účinnější než RF zesilovače, které musí udržovat linearitu.

PM modulační index je malý, takže se signál podobal dvojité postranní pásmo amplitudová modulace (AM) s výjimkou nosné fáze. V AM má nosná složka konstantní amplitudu, protože postranní pásma se mění s modulací, ale v PM je celková síla signálu konstantní amplitudou. PM přesouvá energii z nosné do postranních pásem s modulací a u některých indexů modulace může nosná látka úplně zmizet. To je důvod, proč Apollo používá nízký modulační index: ponechat silný nosič, který lze použít pro vysoce přesné sledování rychlosti měřením jeho Dopplerův posun.

Koherentní transpondéry a dopplerovské sledování

Najisto fázová modulace (PM) downlinks, poměr frekvence uplink k downlink byl přesně 221/240, s koherentní transpondéry použitý. A smyčka fázového závěsu na kosmické lodi vynásobil nosnou frekvenci uplinku 240/221 za vzniku nosné frekvence směrem dolů. Pokud uplink nebyl k dispozici, produkoval downlinkový nosič místní oscilátor.

Tato „obousměrná“ technika umožňovala měření rychlosti s přesností řádově centimetrů za sekundu pozorováním Dopplerův posun downlinkového dopravce. Tato technika nevyžadovala na kosmické lodi vysoce přesný oscilátor, přestože jeden byl stále zapotřebí na zemi.

The ALSEP experimenty na měsíčním povrchu sdílely společný vzestupný směr a neměly koherentní transpondér. Pasivní laserové retroreflektory zanechané misemi Apollo 11, 14 a 15 poskytují mnohem větší přesnost a daleko přežily aktivní elektroniku v ostatních experimentech ALSEP.

Pomocné nosiče

Jak bylo uvedeno výše, uplinkové a downlinkové nosiče hrály při sledování kosmických lodí kritickou roli. Postranní pásma generovaná informacemi rovněž přenášenými systémem musela být držena mimo nosiče, aby nedošlo k rušení smyček fázového závěsu použitých k jejich sledování. To bylo provedeno pomocí různých subnosiče.

Uplink měl dva subnosné. 30 kHz subnosná měla (Capcom ) hlas a 70kHz nosič měli příkazová data pro aktualizaci letových počítačů o data sledování země a pro příkaz k deorbitizaci lunárního modulu, jakmile byl odhoden.

Subnosiče bylo možné vypnout, pokud to nebylo potřeba. To zlepšilo okraje signálu pro další informační toky, jako jsou telemetrická data. Downlink měl subnosné na 1,25 MHz (NBFM hlas) a 1,024 MHz (telemetrická data). Telemetrii lze nastavit na 1,6 kilobitů / s nebo 51,2 kilobitů / s. Nižší rychlost byla použita pouze za špatných podmínek spojení nebo pro úsporu energie. Režim „záložního hlasu“ vypnul subnosnou NBFM 1,25 MHz a přenesl hlas na hlavní nosnou pásma S. To poskytlo větší rezervu, ale horší kvalitu hlasu než režim používaný za dobrých podmínek.

Režimy lze identifikovat podle toho, jak znějí během útlumu signálu. V upřednostňovaném režimu subnosné NBFM, jak se spojení zhoršuje, se náhle objeví impulzní nebo „popcornový“ šum a roste, dokud nezakryje hlasy astronautů. Během lunárního přistání Apolla 11 to bylo ilustrováno, když lunární modul příležitostně blokoval linii antény Země. Záložní hlasový režim se choval spíše jako AM. Hlasy se mění, jak slabne signál, a neustále syčí pozadí. Záložní režim byl použit v Apollo 13 nouzové šetřit energii, a také když Apollo 16 řiditelná anténa pásma S na lunárním modulu selhala.

Použité hlasové přenosy Tóny Quindar pro vnitropásmovou signalizaci.

Nouzový klíč

Apollo USB downlink měl také režim „nouzového klíče“ pro subnosný oscilátor na 512 kHz. To mohlo být použito k odeslání Morseova abeceda pokud hlasový režim nebyl možný. Ačkoli byl tento režim testován během Apollo 7, nikdy to nebylo nutné.

Podobná schopnost uplinku nebyla nutná, protože uplink měl k dispozici mnohem více energie. Vysílače kosmických lodí S-band Apollo vyrobily 20 wattů; uplinkový vysílač produkoval 10 kW, poměr 27 dB.

V rozsahu

Systém Apollo S-band umožňoval přesné měření vzdálenosti (vzdálenosti). Pozemní stanice vygenerovala a pseudonáhodný šum (PN) sekvenci na 994 kilobit / s a ​​přidal ji do signálu základního pásma směřujícího do vysílače PM. Transpondér odrážel sekvenci. Podle korelační přijatá a vyslaná verze uplynulý čas a tak vzdálenost k kosmické lodi mohla být určena do 15 metrů.^[6]

Sekvence PN, i když deterministická, měla vlastnosti náhodného bitového proudu. Ačkoli sekvence PN byla periodická, její perioda asi 5 sekund překročila největší možnou dobu zpáteční cesty na Měsíc, takže v přijatém načasování by nebyla žádná nejednoznačnost.

Moderní GPS přijímače fungují podobně podobně v tom, že také korelují přijatý bitový proud PN (při 1,023 Mbit / s) s lokálním odkazem na měření vzdálenosti. Ale GPS je systém pouze pro příjem, který používá měření relativního načasování ze sady satelitů k určení polohy přijímače, zatímco Apollo USB je obousměrný systém, který dokáže určit pouze okamžitou vzdálenost a relativní rychlost. Program pro určení oběžné dráhy však může najít jedinečnou kosmickou loď státní vektor z dosahu, rozsahu (relativní rychlosti) a antény podívejte se na úhel pozorování provedená jednou nebo více pozemními stanicemi za čistého předpokladu balistický pohyb kosmické lodi v intervalu pozorování.

Jakmile je stanoven stavový vektor, lze budoucí trajektorii kosmické lodi plně předpovědět až do další pohonné události.

Obrat v rozsahu transpondéru musel astronaut povolit ručně. Využíval velkou část kapacity pásma downlinku a bylo potřeba jen příležitostně, například při předávání mezi pozemními stanicemi. Když se uplinková stanice zafixovala na transpondér, dostala by se do dosahu kosmické lodi. Dopplerova měření rychlosti aktualizovala rozsah a měřicí signál byl vypnut. Pokud pozemská stanice ztratila zámek během průchodu, zopakovala by měření vzdálenosti po opětovném získání zámku.

FM a video

Normálně byl downlinkovým vysílačem PM, aby bylo umožněno koherentní dopplerovské sledování. To také podporovalo příkazy, telemetrii a obousměrný hlas. Video signály vyžadovaly větší šířku pásma, než bylo k dispozici v tomto systému. Další širokopásmové signály, jako jsou vědecká data nebo technická data, také vyžadovaly větší šířku pásma. Širokopásmový frekvenční modulační systém poskytoval vylepšený poměr signálu k šumu díky efekt zachycení. Tím se zlepšuje poměr signálu k šumu pro RF signály s více než 8–10 dB odstup signálu od šumu (SNR). Avšak pod touto prahovou hodnotou má širokopásmový signál horší SNR. Recepce je „vše nebo nic“. Pokud je přijímací anténa příliš malá na to, aby zachytila ​​širokopásmové video, nelze přijímat ani úzkopásmové signály, jako je hlas.

CSM měla vysílače FM a PM, které fungovaly pro současný přenos hlasu, telemetrie a videa. Vysílač LM mohl vysílat pouze FM nebo PM, ale ne současně v obou režimech. Vzhledem k tomu, že díky frekvenční modulaci je Dopplerovo sledování neúčinné, vyslal lander pouze FM při přenosu videa.

Zachycení

The SSSR sledoval telemetrii misí Apollo.^[7][8]

V USA to bylo legální amatérské rádio operátoři sledovali telemetrii, ale FCC vydala směrnici, která vyžadovala, aby veškeré zveřejnění zachycení telemetrie Apollo bylo vymazáno NASA.^{[Citace je zapotřebí ]} V srpnu 1971 slyšeli radioamatéři Paul Wilson (W4HHK) a Richard T. Knadle, Jr. (K2RIW) hlasové signály z Apolla 15, když obíhalo Měsíc. Jejich práci popsali v článku pro QST.^[9] Rovněž uvedli, že obdrželi signály z Apolla 16.^[10][11]

Vlivy designu

The Mezinárodní vesmírná stanice, Skylab stejně jako jiné orbitální vesmírné stanice mají (nebo měly) nějaký druh unifikovaného subsystému mikrovlnné komunikace. Trvalý technický vliv USB je ten, že téměř každá lidská mise ve vesmíru měla nějaký jednotný mikrovlnný komunikační systém.

Reference

externí odkazy

• „Sledovací systém pro Apollo“.
• „Sborník technické konference Unified S-Band“ (PDF)., NASA SP-87.
• „Jednotný pásmový systém Apollo“
• VÝVOJ SPECIFIKACÍ KONTROLY PRO NOVÉ TELEMETRICKÉ SYSTÉMY (PDF) (Technická zpráva). Boeing. 5. března 1968. D5-13402-1. Obsahuje úplný popis Unified S-Band a technické specifikace.