Единый S-диапазон

Не путать с универсальной последовательной шиной .

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

Система Unified S-band ( USB ) — это система слежения и связи, разработанная для «Аполлон» НАСА программы и Лабораторией 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. Наземная сеть USB управлялась Центром космических полетов Годдарда (GSFC). В число коммерческих подрядчиков входили Collins Radio , Blaw-Knox , Motorola и Energy Systems .

Основа

Предыдущие программы «Меркурий» и «Джемини » имели отдельные радиосистемы для передачи голоса, телеметрии и слежения. Голосовые и командные данные по восходящей линии связи, а также голосовые и телеметрические данные по нисходящей линии связи передавались через системы сверхвысокой частоты (УВЧ) и очень высокой частоты (ОВЧ). Возможность слежения представляла собой радиомаяк диапазона C , опрашиваемый наземным радаром. Из-за гораздо большего расстояния до Аполлона пассивная дальность была невозможна, поэтому потребовалась новая система активной дальности. «Аполлон» также планировал использовать телевизионные передачи, которые не поддерживались существующими системами. Наконец, использование трех разных частот усложнило системы космического корабля и наземное обеспечение. Для решения этих проблем была разработана система Unified S-band (USB).

Система USB не заменила полностью все остальные радиопередатчики на «Аполлоне». Аполлон по-прежнему использовал УКВ между астронавтами и лунным модулем (LM) и лунным передвижным транспортным средством во время работы в открытом космосе ; между спускаемым модулем и командным модулем, а также между космическим кораблем и земными станциями на орбитальном этапе и этапе восстановления. В качестве резерва CM может измерить расстояние до LM по голосовой линии УКВ. Радиолокационные системы космического корабля работали на частотах, отличных от частот USB.

Разработка

Система связи и определения дальности S-диапазона была разработана лабораторией Линкольна Массачусетского технологического института в Лексингтоне, штат Массачусетс, в рамках задания А контракта лаборатории Линкольна с Аполлоном. Подход к проектированию заключался в разработке альтернативной интегрированной системы связи, функционально совместимой с конструкцией космического корабля.

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 очень эффективно выполняться одной системой, которая представляет собой подходящую адаптацию транспондера, разработанного Лабораторией реактивного движения, для использования со станциями слежения DSIF. Это положило начало системе целей для Аполлона, позже названной Интегрированной (или Интегральной) радиочастотной системой, а затем известной как Единая несущая система. Идея единой системы связи S-диапазона заключалась в сокращении количества систем, ранее использовавшихся в космической программе «Меркурий», что обеспечивало множественность электромагнитного передающего и приемного оборудования. В первых полетах они работали на семи дискретных частотах в пяти широко разнесенных диапазонах частот. Во многом из соображений целесообразности были задействованы следующие отдельные подразделения:

• ВЧ речевой передатчик и приемник
• УВЧ передатчик и приемник голоса
• Приемник команд
• Телеметрический передатчик №1
• Телеметрический передатчик №2
• Маяк-транспондер C-диапазона
• Маяк-транспондер S-диапазона

Наземные средства, соответствующие этому капсульному оборудованию, были включены в состав многих станций сети «Меркурий».

Когда проект «Аполлон» был инициирован, НАСА поставило условие, что необходимо использовать как можно больше существующего наземного сетевого оборудования «Меркурия». 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 слежения в окололунном пространстве между Землей и Луной.

В предварительном исследовании Unified S-Band компания North American Aviation, Inc. (компания, разработавшая командные и сервисные модули Apollo) указала, что на Apollo будут установлены следующие четыре единицы оборудования для использования наземных космических кораблей:

• Транспондер DSIF (S-диапазон) (для окололунных расстояний) для передачи телевизионных, голосовых, телеметрических данных и сигналов дальности.
• УКВ FM-передатчик (на околоземные расстояния) для передачи телеметрических данных
• УКВ-АМ-приёмопередатчик (для околоземных расстояний) для передачи и приёма речи и наведения спасательных самолётов
• Транспондер C-диапазона (для околоземных расстояний) для радиолокационного слежения

Транспондер DSIF имел базовую возможность выполнять функции УКВ ЧМ-передатчика, УКВ-АМ-трансивера и транспондера С-диапазона на околоземных расстояниях. Существенными особенностями транспондера и его наземного оборудования были целостность, фазовая синхронизация и использование псевдослучайного (шумоподобного) двоичного кода для однозначного измерения дальности на больших расстояниях. Выбор оптимальных методов модуляции и форм сигналов для восходящих и нисходящих радиочастотных линий стал ключевым фактором в адаптации унифицированной несущей системы к требованиям Apollo.

Дополнительная электронная аппаратура должна была быть развернута для управления сближением, для лунной (и земной) альтиметрии и для управления посадкой на Луну. Требования к этому дополнительному оборудованию еще не были четко установлены, когда лаборатория Линкольна начала свои исследования. Из опыта космической программы «Меркурий» Лаборатории Линкольна стало очевидно, что значительное упрощение бортовой системы приведет к использованию в «Аполлоне» единой интегрированной системы связи и слежения вместо четырех систем, перечисленных выше.

Демонстрация унифицированного S-диапазона

В начале 1962 года небольшую группу сотрудников Лаборатории Линкольна попросили продемонстрировать НАСА концепцию унифицированного авианосца к 31 декабря 1962 года. Целью демонстрации было предоставление экспериментальных доказательств того, что концепция унифицированного авианосца осуществима. Поскольку человеческие ресурсы были ограничены, было решено сконцентрироваться на линии связи космический корабль-Земля, важнейшем звене системы. Демонстрация была доступна к 17 декабря 1962 года. Демонстрация прошла 17 января 1963 года для НАСА (Пилотируемого космического центра и штаб-квартиры) и North American Aviation, Inc.

Демонстрация концепции единой несущей для линии связи космический корабль-Земля ограничивалась передачей дальномерного кода и широкополосного телеметрического сигнала на несущей длиной 47,5 мс по жесткому проводу через шумящую и ослабляющую среду. В смоделированном наземном приемнике использовалась система фазовой автоподстройки частоты . Опорная частота несущей, генерируемая ГУН контура фазовой автоподстройки частоты несущей, использовалась для гетеродинирования принятого сигнала в видео, в процессе синхронной демодуляции . Для обработки переданных и полученных кодов для определения дальности использовался корреляционный метод. Демонстрация моделировала эффект Доплера и соотношение сигнал/шум, ожидаемое для миссии «Аполлон». Контуры фазовой автоподстройки частоты в приемнике практически мгновенно регистрировали передаваемую несущую, телеметрическую поднесущую и компоненты кодовой синхронизации для отношения сигнал/шум, которое, по прогнозам, существует на максимальной дальности Аполлона и для радиальной скорости космического корабля 36 000 футов/сек. . Корреляция кода диапазона обычно занимала всего несколько секунд.

Вначале предполагалось, что транспондер DSIF можно модифицировать и дополнить, чтобы его можно было использовать для измерения лунной альтиметрии и определения дальности сближения. Однако, поскольку повышенное внимание стало уделяться методам высадки на Луну и сближения на лунной орбите, стало очевидно, что для этих применений предпочтительнее будет специализированное радиолокационное и оптическое оборудование. Соответственно, большая часть усилий в Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института была направлена ​​на связь и отслеживание связи между космическим кораблем «Аполлон» и Землей.

Техническое резюме

Из технического резюме НАСА:

Конструкция USB-системы основана на когерентном доплеровском и псевдослучайном диапазоне.система, разработанная JPL. Система S-диапазона использует те же методы, что исуществующие системы, причем основные изменения заключаются в включении каналов передачи 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 по поднесущим, а затем объединяются с данными ранжирования [...]. Эта составная информация используется для фазовой модуляции передаваемой несущей частоты. Принимаемые и передаваемые несущие частоты когерентно связаны. Это позволяет проводить измерения несущей доплеровской частоты наземной станцией для определения радиальной скорости космического корабля.

В транспондере поднесущие извлекаются из радиочастотной несущей и обнаруживаются.для создания голосовой и командной информации. Двоичные сигналы дальности, модулированныенепосредственно на несущую, обнаруживаются широкополосным фазовым детектором и преобразуются ввидеосигнал.

Голосовые и телеметрические данные, передаваемые с космического корабля, модулируются.на поднесущие, объединяемые с сигналами видеоранжирования и используемые для фазовой модуляциинесущая частота нисходящей линии связи. Транспондер-передатчик также может быть частотным.модулированные для передачи телевизионной информации или записанных данных вместо дальномерных сигналов.

Базовая USB-система способна предоставлять данные отслеживания и связи для двух человек.космические аппараты одновременно, при условии, что они находятся в пределах ширины луча одной антенны.Основной режим отслеживания и связи заключается в использовании PM режима работы .Для этой цели используются два набора частот, разделенных примерно 5 мегагерцами [...]. Помимо основного режима связи, система USB имеет возможность приема данных на двух других частотах.Они используются в основном для передачи FM-данных с космического корабля.

Частоты

Единая система S-диапазона использовала диапазон 2025–2120 МГц для передачи на космический корабль (восходящие линии связи) и полосу 2200–2290 МГц для передачи с космического корабля (нисходящие линии связи). Эти полосы распределены на международном уровне для космических исследований.и операции , хотя по стандартам 2014 года восходящий канал ALSEP находился не в той части диапазона (глубокий космос, а не околоземный).

Частотные присвоения Аполлона
Космический корабль	К Земле (МГц)	В космос (МГц)	Когерентное соотношение
Командный модуль ПМ	2287.5	2106.40625	221/240
Командный модуль FM	2272.5
Лунный модуль	2282.5	2101.802083	221/240
С-IVБ ПМ	2282.5	2101.802083	221/240
С-IVБ FM	2277.5
Луноход	2265.5	2101.802083
Аполлон-11 Ранний ALSEP	2276.5	2119
Аполлон-12 АЛСЕП	2278.5	2119
Аполлон-14 АЛСЕП	2279.5	2119
Аполлон-15 АЛСЕП	2278.0	2119
Субспутник Аполлон-15	2282.5	2101.802083	221/240
Аполлон-16 АЛСЕП	2276.0	2119
Аполлон-17 АЛСЕП	2275.5	2119

Релейный блок лунной связи (LCRU) на луноходе (Аполлон 15, 16, 17) имел собственную частоту нисходящей линии связи (чтобы избежать помех с LM), но разделял частоту восходящей линии связи LM, поскольку в нем не был реализован когерентный транспондер. В общем восходящем канале S-диапазона использовались отдельные голосовые поднесущие: 30 кГц для LM и 124 кГц для LCRU, чтобы LM и LCRU не ретранслировали голос по восходящей линии связи и не создавали помех друг другу.

У S-IVB был USB-транспондер слежения, который можно было использовать после отделения CSM. Данные отслеживания улучшили анализ воздействия, зафиксированного сейсмометрами, оставленными предыдущими экипажами Аполлона. S-IVB использовал ту же пару частот, что и LM. Обычно LM был неактивен во время полета, однако это стало проблемой во время полета Аполлона-13 , поскольку LM приходилось рано включать, чтобы использовать его в качестве спасательной шлюпки.

Частоты LM также использовались субспутниками, развернутыми на лунной орбите после того, как LM покинул Луну, в рамках более поздних J-миссий .

Использование двух отдельных полос частот сделало возможным полнодуплексную работу. Земля и космический корабль передавали непрерывно. Звук микрофона переключался вручную или с помощью VOX , но в отличие от обычной полудуплексной двусторонней радиосвязи обе стороны могли говорить одновременно без взаимных помех.

Модуляция

В системе S-диапазона обычно использовалась фазовая модуляция (ФМ). ПМ, как и ЧМ, имеет постоянную амплитуду ( огибающую ) независимо от модуляции. Это позволяет использовать нелинейные радиочастотные усилители, которые более эффективны, чем радиочастотные усилители, которые должны сохранять линейность.

ФМ Индекс модуляции невелик, поэтому сигнал напоминал двухполосную амплитудную модуляцию (АМ), за исключением фазы несущей. В AM компонент несущей имеет постоянную амплитуду, поскольку боковые полосы изменяются в зависимости от модуляции, но в PM общая мощность сигнала имеет постоянную амплитуду. ФМ смещает мощность от несущей к боковым полосам с помощью модуляции, а при некоторых показателях 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 отслеживание

Для некоторых нисходящих линий с фазовой модуляцией (PM) соотношение частот восходящей и нисходящей линий составляло ровно 221/240 с использованием когерентных транспондеров . Система фазовой автоподстройки частоты на космическом корабле умножила несущую частоту восходящей линии связи на 240/221, чтобы получить несущую частоту нисходящей линии связи. Гетеродин создавал несущую нисходящей линии связи, если восходящая линия связи была недоступна.

Этот «двусторонний» метод позволял измерять скорость с точностью порядка сантиметров в секунду путем наблюдения доплеровского сдвига несущей нисходящей линии связи. Этот метод не требовал наличия высокоточного генератора на космическом корабле, хотя он все еще был необходим на Земле.

Эксперименты на лунной поверхности ALSEP имели общий восходящий канал и не имели когерентного транспондера. Пассивные лазерные ретрорефлекторы, оставленные миссиями «Аполлон-11», «14» и «15», обеспечивают гораздо большую точность и намного пережили активную электронику в других экспериментах ALSEP.

Поднесущие

Как упоминалось выше, операторы восходящей и нисходящей линии связи играли решающую роль в отслеживании космических кораблей. Боковые полосы, генерируемые информацией, также переносимой системой, необходимо было держать подальше от несущих, чтобы не нарушать работу систем фазовой автоподстройки частоты, используемых для их отслеживания. Это было сделано за счет использования различных поднесущих .

Восходящая линия связи имела две поднесущие. Поднесущая 30 кГц имела голосовую связь ( Capcom ), а несущая 70 кГц имела данные команд для обновления бортовых компьютеров данными слежения за землей, а также для команды по выводу лунного модуля с орбиты после его сброса.

Поднесущие можно было отключить, когда они не нужны. Это улучшило запасы сигнала для других информационных потоков, таких как данные телеметрии. В нисходящей линии связи были поднесущие на частотах 1,25 МГц (голосовая связь NBFM) и 1,024 МГц (данные телеметрии). Телеметрия может быть установлена ​​на скорости 1,6 кбит/сек или 51,2 кбит/сек. Более низкая скорость использовалась только при плохих условиях соединения или для экономии энергии. В режиме «резервного голоса» поднесущая NBFM 1,25 МГц отключается, и голос передается на основной несущей S-диапазона. Это обеспечило больший запас, но худшее качество передачи речи, 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 ухудшения качества связи внезапно появляется импульсный шум или шум «попкорна», который растет, пока не заглушает голоса астронавтов. Во время посадки на Луну «Аполлона-11» это было продемонстрировано, когда лунный модуль иногда блокировал линию обзора антенны на Землю. Резервный голосовой режим больше походил на AM. Голоса меняются по мере затухания сигнала, постоянно слышно фоновое шипение. Резервный режим использовался в аварийной ситуации на Аполлоне-13 для экономии энергии, а также когда Аполлона-16 на лунном модуле вышла из строя управляемая антенна S-диапазона .

При передаче голоса использовались тоны Quindar для внутриполосной сигнализации.

Аварийный ключ

Нисходящий канал Apollo USB также имел режим «аварийного ключа» для генератора поднесущей на частоте 512 кГц. Его можно было бы использовать для отправки азбуки Морзе , если бы голосовой режим был невозможен. Хотя этот режим был протестирован во время Аполлона-7 , он никогда не требовался.

Подобная возможность восходящей линии связи не требовалась, поскольку восходящая линия имела гораздо большую доступную мощность. Передатчики космического корабля Apollo S-диапазона выдавали мощность 20 Вт; передатчик восходящей линии связи выдавал мощность 10 кВт, коэффициент усиления 27 дБ.

Ранжирование

Система Apollo S-диапазона обеспечивала точные измерения дальности (расстояния). Наземная станция сгенерировала последовательность псевдослучайного шума (ПШ) со скоростью 994 кбит/с и добавила ее к групповому сигналу, поступающему на передатчик ФМ. Транспондер повторил эту последовательность. Сопоставив полученную и переданную версии , прошедшее время и расстояние до космического корабля можно было определить с точностью до 15 метров.

ПШ-последовательность, хотя и была детерминированной, 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 никакой двусмысленности в ее полученном времени.

Современные приемники GPS работают примерно аналогично: они также коррелируют полученный битовый поток PN (со скоростью 1,023 Мбит/с) с локальным эталоном для измерения расстояния. Но GPS — это система только приема, которая использует измерения относительного времени 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 вектор состояния космического корабля на основе наблюдений дальности, дальности (относительной скорости) и угла обзора антенны , выполненных одной или несколькими наземными станциями, предполагая чисто баллистическое движение космического корабля в течение интервала наблюдения.

После того, как вектор состояния определен, будущую траекторию космического корабля можно полностью предсказать до следующего движущего события.

Разворот транспондера должен был быть вручную включен космонавтом. Он использовал большую часть пропускной способности нисходящей линии связи и требовался лишь время от времени, например, во время переключения между наземными станциями. Когда станция восходящей связи захватила транспондер, она нацелилась на космический корабль. Измерения доплеровской скорости обновили дальность, и сигнал дальности был отключен. Если наземная станция потеряла захват во время прохода, она повторит измерение дальности после повторного захвата.

FM и видео

Обычно передатчиком нисходящей линии связи был PM, чтобы обеспечить когерентное доплеровское отслеживание. Это также поддерживало команды, телеметрию и двустороннюю голосовую 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. Широкополосная система частотной модуляции обеспечила улучшение соотношения сигнал/шум за счет эффекта захвата . (SNR) более 8–10 дБ Это улучшает соотношение сигнал/шум для радиочастотных сигналов с отношением сигнал/шум . Однако ниже этого порога широкополосный сигнал имеет худшее соотношение 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.

У CSM были 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 отслеживание неэффективным, посадочный модуль отправлял только FM-сигнал при передаче видео.

Перехват

СССР . контролировал телеметрию миссии «Аполлон»

было разрешено В США радиолюбителям отслеживать телеметрию, но Федеральная комиссия по связи издала директиву, которая требовала, чтобы НАСА одобрило любое раскрытие информации о перехвате телеметрии Аполлона. В августе 1971 года радиолюбители Пол Уилсон (W4HHK) и Ричард Т. Кнэдл-младший (K2RIW) услышали голосовые сигналы Аполлона-15, когда он вращался вокруг Луны. Свою работу они описали в статье для QST . Они также сообщили, что получили сигналы от Аполлона-16.

Влияние дизайна

Международная космическая станция , Скайлэб , а также другие орбитальные космические станции имеют (или имели) некую унифицированную подсистему микроволновой связи. Неизгладимое инженерное влияние USB заключается в том, что почти каждая человеческая миссия в космосе имела ту или иную унифицированную систему микроволновой связи.

Внешние ссылки

• «Система слежения за Аполлоном» .
• «Материалы объединенной технической конференции S-диапазона» (PDF) . , НАСА СП-87.
• «Унифицированная система S-Band Apollo»
• РАЗРАБОТКА КОНТРОЛЬНЫХ УСЛОВИЙ ДЛЯ НОВЫХ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ (PDF) (Технический отчет). Боинг. 5 марта 1968 г. D5-13402-1. Содержит полное описание Unified S-Band и технические характеристики.