Единый S-диапазон - Unified S-band

Аполлон 15 Лунный модуль и Лунный вездеход, 1 августа 1971 года. Видна параболическая антенна S-диапазона для марсохода.

В Единый S-диапазон (USB) - это система слежения и связи, разработанная для Программа Аполлон к НАСА и Лаборатория реактивного движения (JPL). Он работал в Группа S часть микроволнового спектра, объединяющая голосовую связь, телевидение, телеметрия, команда, отслеживание и ранжирование в единую систему для экономии размера и веса и упрощения операций. Наземная сеть USB управлялась Центр космических полетов Годдарда (GSFC). Включены коммерческие подрядчики Коллинз Радио, Blaw-Knox, Motorola и Энергетические системы.

Основа

Предыдущие программы, Меркурий и Близнецы, имел отдельные радиосистемы для голоса, телеметрии и слежения. Голос и команда по восходящей линии связи, а также голос по нисходящей линии связи и данные телеметрии были отправлены через сверхвысокая частота (УВЧ) и очень высокая частота (VHF) системы.^[1] Возможность отслеживания была Группа C радиомаяк опрошен наземной РЛС. С гораздо большей дистанцией Аполлона пассивный ранжирование было 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 Unified S-band (USB) была разработана для решения этих проблем.

Система USB не полностью заменила все другие радиопередатчики на Apollo. Аполлон все еще использовал УКВ между космонавтами и Лунный модуль (LM) и Лунный вездеход в течение внекорабельная деятельность; между посадочным модулем и командным модулем, а также между космическим кораблем и Земные станции на орбитальной и восстановительной фазах. В качестве резерва CM может измерить дальность до LM по голосовой связи VHF. Радиолокационные системы космического корабля работали на частотах, отличных от частот USB.

Разработка

Система связи и дальности S-Band была разработана Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института в Лексингтоне, штат Массачусетс, в рамках задачи А контракта с лабораторией Линкольна «Аполлон». Проектный подход 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 под названием Промежуточный отчет о разработке внутренней бортовой системы радиосвязи для космического корабля Apollo. В этом отчете было показано, что многие бортовые электронные функции могут быть очень эффективно выполнены с помощью одной системы, которая представляет собой подходящую адаптацию 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 система связи. 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. В ранних полетах 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 маяк C-диапазона
• Транспондерный маяк S-диапазона

Наземные сооружения, соответствующие этому капсульному оборудованию, были включены во многие станции сети «Меркурий».

Когда был инициирован проект Apollo, НАСА постановило, что необходимо использовать как можно больше существующего оборудования наземной сети Mercury. 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 (диапазон S) (для дальних расстояний) 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 наведения спасательных самолетов
• 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

В начале 1962 года небольшую группу сотрудников лаборатории Линкольна попросили предоставить НАСА демонстрацию концепции единого носителя к 31 декабря 1962 года. Демонстрация была направлена ​​на предоставление экспериментальных доказательств того, что концепция единого носителя осуществима. Поскольку человеческие ресурсы были ограничены, было решено сосредоточиться на линии связи космический аппарат-Земля, критически важном звене в системе. Демонстрация была доступна к 17 декабря 1962 года. Демонстрация была проведена 17 января 1963 года 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 моделированном наземном приемнике использовался ФАПЧ. Ссылка на оператора связи, созданная VCO Фазированной автоподстройки частоты несущей использовалась для гетеродинирования принятого сигнала в видео, процесс синхронная демодуляция. Для обработки переданных и полученных 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 сигналы для отношений сигнал / шум, которые, как прогнозируется, будут существовать на максимальной дальности действия Аполлона и для 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 расширен, 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 орбитой Луны, стало очевидно, что для этих применений предпочтительнее будет специализированное радарное 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

Из технического резюме НАСА:^[4]

Конструкция USB-системы основана на когерентном доплеровском режиме и системе псевдослучайных диапазонов, разработанной JPL. Система S-диапазона использует те же методы, что и существующие системы, с основными изменениями, касающимися включения каналов голоса и данных.

Один несущая частота используется в каждом направлении для передачи всех данных слежения и связи между космическим кораблем и землей. Речевые 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 проводить измерения несущей доплеровской частоты для определения радиальной скорости космического аппарата.

В транспондере поднесущие извлекаются из радиочастотной 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, которые должны передаваться с космического корабля, модулируются на поднесущие, объединяются с сигналами дальности видеосигнала и используются для фазовой модуляции несущей частоты нисходящей линии связи. Передатчик транспондера также может быть модулирован по частоте для передачи телевизионной информации или записанных данных вместо сигналов дальности.

Базовая USB-система способна одновременно предоставлять данные слежения и связи для двух космических аппаратов, при условии, что они находятся в пределах ширины луча одной антенны. Основной режим отслеживания и связи - использование ВЕЧЕРА режим работы. Для этой цели используются два набора частот, разделенных приблизительно 5 мегагерцкими [...]. В дополнение к основному режиму связи система USB может принимать данные на двух других частотах, которые используются в основном для передачи данных FM с космического корабля.

Частоты

Унифицированная система S-диапазона использовала полосу 2025–2120 МГц для передачи на космический корабль (восходящие линии связи) и использовала полосу 2200–2290 МГц для передачи с космического корабля (нисходящие линии связи). Эти группы выделены на международном уровне для космических исследований и операций, хотя по стандартам 2014 года восходящий канал ALSEP находился в неправильной части диапазона (глубокий космос, а не около Земли).

Релейный блок лунной связи (LCRU) на Луноход (Apollo 15, 16, 17) имел свою собственную частоту нисходящей линии связи (чтобы избежать помех LM), но совместно использовал частоту восходящей линии связи LM, поскольку 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.

В S-IVB имел USB-транспондер слежения для использования после отделения 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 не работал во время полета, однако это было проблемой, когда во время Аполлон-13 полет, так как LM нужно было рано включить в качестве спасательной шлюпки.^[5]

Частоты LM также использовались субспутниками, развернутыми на лунной орбите после того, как LM покинул Луну, как часть более позднего J-миссии.

Использование двух разделенных полос частот сделало полный дуплекс операция возможна. Земля и космический корабль передаются непрерывно. Звук микрофона был настроен вручную или VOX, но в отличие от обычных полудуплекс двусторонняя радиосвязь, обе стороны могли разговаривать одновременно без взаимных помех.

Модуляция

Обычно используется система S-диапазона фазовая модуляция (ВЕЧЕРА). PM, как и FM, имеет постоянная амплитуда (конверт ) независимо от модуляции. Это позволяет использовать нелинейные усилители RF, которые более эффективны, чем усилители RF, которые должны поддерживать линейность.

PM индекс модуляции маленький, поэтому сигнал напоминал двойная боковая полоса амплитудная модуляция (AM) за исключением фазы несущей. В AM составляющая несущей имеет постоянную амплитуду, поскольку боковые полосы меняются с модуляцией, но в PM полная мощность сигнала имеет постоянную амплитуду. PM смещает 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 Доплеровский сдвиг.

Когерентные транспондеры и доплеровское слежение

Для некоторых фазовая модуляция (PM) в нисходящем канале отношение частот восходящего и нисходящего каналов было точно 221/240, с когерентным транспондеры использовал. А фазовая автоподстройка частоты на космическом корабле умножили несущую частоту восходящего канала на 240/221, чтобы получить несущую частоту нисходящего канала. Если восходящий канал был недоступен, гетеродин генерировал несущую нисходящую линию

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 Эксперименты на поверхности Луны имели общий канал связи и не имели связного транспондера. Пассивный лазерные ретрорефлекторы оставленные миссиями Apollo 11, 14 и 15 обеспечивают гораздо большую точность и намного пережили активную электронику в других экспериментах ALSEP.

Поднесущие

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 повредить петли фазовой автоподстройки частоты, используемые для их отслеживания. Это было сделано за счет использования различных поднесущие.

В восходящей линии связи было две поднесущих. Поднесущая 30 кГц имела (Capcom ) голос и носитель 70 кГц имели командные данные для обновления бортовых компьютеров данными слежения за землей, а также для команды о снятии 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. Режим «резервного голоса» отключает поднесущую NBFM 1,25 МГц и передает 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 на Луну Аполлона-11 это было проиллюстрировано, когда лунный модуль время от времени 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 Аполлон-13 аварийная ситуация для экономии энергии, а также когда Аполлон-16 На лунном модуле вышла из строя управляемая антенна S-диапазона.

Используемые передачи голоса Квиндарные тона для внутриполосной сигнализации.

Аварийный ключ

Нисходящая линия связи Apollo USB также имела режим «аварийного ключа» для генератора поднесущей на частоте 512 кГц. Это могло быть использовано для отправки Азбука Морзе если голосовой режим был невозможен. Хотя этот режим тестировался во время Аполлон 7, этого никогда не требовалось.

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

Система Apollo S-диапазона обеспечивает точные измерения дальности (расстояния). Наземная станция генерировала псевдослучайный шум (PN) последовательность со скоростью 994 килобит / с и добавила ее к сигналу основной полосы частот, идущему на передатчик PM. Транспондер повторил последовательность. К коррелирующий полученные и переданные версии - прошедшее время и поэтому расстояние до космического корабля можно было определить в пределах 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 до Луны, поэтому не было бы двусмысленности в ее времени приема.

Современное GPS приемники работают примерно так же, поскольку они также коррелируют принятый поток битов PN (со скоростью 1,023 Мбит / с) с локальной ссылкой 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. Однако программа определения орбиты может найти уникальный космический корабль. вектор состояния от дальности, дальности (относительной скорости) и антенны угол взгляда наблюдения, сделанные одной или несколькими наземными станциями, исходя только из предположения, что баллистический движение КА на интервале наблюдений.

Как только вектор состояния определен, 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 лишь изредка, например, во время передачи обслуживания между наземными станциями. Когда станция восходящей линии связи зафиксируется на транспондере, она будет определять дальность действия космического корабля. Измерения доплеровской скорости обновили диапазон, и сигнал дальности был отключен. Если наземная станция потеряла захват во время прохода, она повторит измерение дальности после повторного захвата.

FM и видео

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 или инженерные данные, также требовали большей полосы пропускания. Система широкополосной частотной модуляции обеспечивает улучшенное отношение сигнал / шум за счет эффект захвата. Это улучшает отношение сигнал / шум для РЧ сигналов с более чем 8-10 дБ. соотношение сигнал шум (SNR). 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

В СССР контролировал телеметрию миссий Аполлона.^[7][8]

В США это было законно для любительское радио операторов, чтобы контролировать телеметрию, но FCC действительно выпустила директиву, которая требует, чтобы любое раскрытие перехвата телеметрии Apollo было разрешено НАСА.^{[нужна 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

В Международная космическая станция, Скайлаб как и другие орбитальные космические станции, имеют (или имели) какую-то единую подсистему микроволновой связи. Неизменное инженерное влияние USB заключается в том, что почти каждая человеческая миссия в космосе имела ту или иную унифицированную систему микроволновой связи.

Рекомендации

внешняя ссылка

• "Система слежения за Аполлоном".
• "Труды Объединенной технической конференции S-диапазона" (PDF)., НАСА SP-87.
• "Единая 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.