МИСТРАМ
MISTRAM ( MISsile TRAjectory Measurement с высоким разрешением, ) — система слежения используемая ВВС США (а позже и НАСА ) для обеспечения весьма детального траектории анализа запусков ракет .
«Классическая» система измерения дальности, используемая с 1960-х годов, использует радар для определения времени прохождения радиосигнала до цели (в данном случае ракеты) и обратно. Точность этого метода составляет примерно 1%. Точность этого метода ограничена необходимостью создать резкий « импульс » радиосигнала, чтобы можно было точно определить начало сигнала. Существуют как практические, так и теоретические пределы остроты импульса. Кроме того, синхронизация сигналов часто сама по себе вносила неточности до появления высокоточных часов.
В MISTRAM этого удалось избежать за счет передачи непрерывного сигнала. Базовая система использовала наземную станцию, расположенную недалеко от стартовой площадки (в Валкарии, Флорида , и на острове Эльютера, Багамы ), а также транспондер на корабле. Станция слежения передала несущую сигнал X-диапазона, на который транспондер ответил, ретранслировав его на другую (смещенную) частоту. Медленно изменяя частоту несущей передачи со станции и сравнивая ее с фазой возвращаемого сигнала, наземный контроль мог очень точно измерить расстояние до транспортного средства. Даже при использовании аналоговой схемы точность MISTRAM на расстоянии до Луны составляла менее 1 км.
Чтобы соответствовать более строгим требованиям к испытаниям баллистических ракет , в 1950-х и 1960-х годах несколько систем были спроектированы, закуплены и добавлены к оборудованию Восточного полигона ВВС США. Система слежения за непрерывными волнами AZUSA была добавлена на мыс в середине 1950-х годов и на Гранд-Багаму в начале 1960-х годов. Радиолокационная система AN /FPS-16 была внедрена на мысе, Гранд-Багама , Сан-Сальвадор , Вознесении и восточном острове Гранд-Багама в период с 1958 по 1961 год. В начале 1960-х годов система MISTRAM (измерение траектории ракеты) была установлена в Валкарии, Флорида. и остров Эльютера на Багамах для поддержки полетов ракет «Минитмен» .
Принципы работы
[ редактировать ]
МИСТРАМ — это сложная интерферометрическая система, состоящая из группы из пяти приемных станций, расположенных в форме буквы L. Базовые линии составляют 10 000 футов (3 000 м). и 100 000 футов (30 000 м). Центральные станции содержат простую следящую антенну. Расстояние от центральной станции до самой дальней удаленной станции составляет примерно 100 000 футов (30 000 м). Антенны центральной станции и четырех удаленных станций следят за полетом ракеты и принимают сигналы от ее радиомаяка.
В системе MISTRAM наземная станция передает несущую на космический корабль, а космический корабль возвращает эту несущую на другой частоте. Наземная станция сканирует несущую восходящей линии связи, и фазовый сдвиг несущей нисходящей линии связи измеряется (подсчитывается) во время ее сканирования. Можно показать, что время задержки туда и обратно равно T=(delta-phi)/(delta-f) ; где delta-f — сдвиг частоты (например, ~4000 Гц), а delta-phi — измеренный сдвиг фазы в радианах. Предположим, T=2 секунды (~лунное расстояние), тогда дельта-фи=8000 радиан, т.е. (8000*180)/Пи. Предположим также, что фазу можно измерить с точностью до 1 градуса, т.е. это означает, что дальность можно определить с точностью (600000*1*Пи)/(2*8000*180)=0,33 км. Дополнительная несущая, близкая к описанной выше, которая оставалась фиксированной по частоте и использовалась в качестве опорной фазы. Эта несущая и две частоты (между которыми менялась развертка) генерировались как кратные одной и той же основной частоте генератора. Таким образом, все сигналы будут иметь фиксированное соотношение фаз, как это было сделано в MISTRAM. Похожая техника использовалась на советском космическом корабле «Луна-20» на частоте 183,54 МГц для исследования поверхности Луны. [1]
MISTRAM представлял собой мультистатический радиолокационный интерферометр с длинной базой, разработанный для прецизионных измерений траекторий ракет на Восточном испытательном полигоне ВВС США. Мультистатические радиолокационные системы имеют более высокую сложность, поскольку несколько подсистем передатчика и приемника используются скоординировано на более чем двух объектах. Все географически рассредоточенные подразделения способствуют коллективному обнаружению, обнаружению, определению местоположения и разрешению целей с одновременным приемом на приемных пунктах. В более простом смысле мультистатические радары — это системы, которые имеют две или более приемные площадки с общей пространственной зоной покрытия, а данные из этих зон покрытия объединяются и обрабатываются в центральном месте. Эти системы считаются множественными бистатическими парами. Мультистатические радиолокационные системы имеют различное применение, включая предотвращение помех и противорадиолокационные боеприпасы.
Хотя этот метод измерения не является новым ни в теории, ни на практике, уникальный способ, которым эти методы были реализованы в системе MISTRAM, позволяет измерять параметры полета транспортного средства со степенью точности и достоверности, ранее недостижимой для других длинных базовых траекторий. системы измерения. Во многом это достигалось за счет уникального метода передачи в неизменном виде фазовой информации в сигналах от периферийных станций к центральной станции. Двусторонний путь передачи данных на каждой базовой линии использовался для устранения неопределенностей, вызванных различиями в геометрии грунта и температуре. [2]
Передатчик на главной или центральной станции генерирует две частоты CW X-диапазона, номинально 8148 МГц и 7884–7892 МГц. Более высокая частота (сигнал диапазона) очень стабильна, тогда как более низкая частота (калиброванный сигнал) периодически колеблется в указанном диапазоне. Бортовой транспондер принимает сигналы, усиливает и сдвигает их частоту на 68 МГц и ретранслирует обратно на землю. Доплеровский сдвиг используется для определения скорости. [3]
Система MISTRAM во Флориде имела базовую линию 100 000 футов (30 000 м) (~ 18,9 миль) со следующими расчетными характеристиками:
| От 0 до 50 000 футов/с (от 0 до 15 240 м/с) |
| от 0 до 750 футов/с 2 (от 0 до 229 м/с 2 ) |
| 360 ты |
| от 5 до 85 ты |
| От 20 до 1000 миль (1600 км) |
| 0,4 фута (0,12 м) |
| 0,3 фута (91 мм) |
| 0,02 фута/с (6,1 мм/с) [n 1] [2] |
| 0,002 фута/с (0,61 мм/с) [n 1] [2] |
- ^ Jump up to: а б полсекунды сглаживания.
Транспондер МИСТРАМ
[ редактировать ]
Транспондер принимает два фазокогерентных непрерывных сигнала X-диапазона, передаваемых от наземного оборудования. Клистрон с когерентным сдвигом частоты 68 МГц синхронизируется по фазе с каждым из принимаемых сигналов. Эти клистроны обеспечивают фазокогерентную обратную передачу. Имеется два отдельных контура фазовой автоподстройки частоты : непрерывный и калибровочный.
- Технические характеристики транспондера модели MISTRAM «A»
- Рабочие частоты (номинальные)
- Непрерывный - получено 8148 МГц
- Передача 8216 МГц
- Калибровка - получено от 7884 до 8992 (с разверткой)
- Передача от 7952 до 7960 (с разверткой)
- Входная мощность — максимум 5,25 А от 25,2 до 32,2 В постоянного тока.
- Выходная мощность - 500 мВт мин/канал
- Время прогрева — максимум 1 минута при температуре 0 градусов Цельсия или выше.
- Время сбора данных — максимум 0,1 секунды.
- Фазовая когерентность — 256 МГц — в пределах 45 градусов (макс. погрешность диапазона 0,25 фута).
- 8 МГц — в пределах 2 градусов (макс. погрешность диапазона 0,36 фута (110 мм))
- Динамический диапазон = от -39 до -105 дБм.
- Физические характеристики
- Размер: 8,9×12,4×5,4 дюйма (230×310×140 мм) (включая монтажные выступы)
- Волноводные порты: два X-диапазона уменьшенной высоты (1 Xmit; 1 Rcv).
- Срок жизни: 3 года. Наработка 500 часов.
Компьютер М-236
[ редактировать ]Компьютер General Electric M236 был разработан для поддержки MISTRAM и других крупных проектов военных радаров в 1960-х годах. (По словам доктора Ниландса, некоторые военные, участвовавшие в проекте, были непреклонны в том, чтобы не полагаться на «компьютеры», поэтому был разработан этот «информационный процессор».) Этот высокоскоростной 36-битный мини-компьютер был разработан отделом тяжелой военной электроники GE. (HMED) в Сиракузах, штат Нью-Йорк , что в конечном итоге привело к созданию GE-600 серии мейнфреймов . M236 был разработан для обработки в реальном времени в радиолокационной системе измерения полета ракеты, и ему не хватало некоторых функций общего назначения, таких как перекрывающаяся обработка инструкций, операции с плавающей запятой, необходимые для Фортрана , и функции поддержки операционной системы, такие как база и границы. регистры. [4] Компьютер М-236 был разработан для ракетного полигона ВВС США на мысе Канаверал и установлен на острове Эльютера (Багамские острова). 36 -битное компьютерное слово было необходимо для вычислений радиолокационного слежения и для необходимого обмена данными с IBM 7094, расположенным на мысе. Главным архитектором М-236 был Джон Кулер , который позже стал техническим руководителем больших компьютерных систем GE.
Дебаты в пользу или против последующей разработки компьютера общего назначения на базе M236 длились более года и завершились, наконец, победой сторонников проекта M2360 в феврале 1963 года. Высшее руководство GE было впечатлено возможностью сэкономить на арендной плате. от арендованного IBM оборудования, используемого внутри компании GE (затраты на разработку нового проекта, по оценкам, были компенсированы всего за один год аренды). Другие отделы GE были не очень впечатлены и не хотели выбрасывать свои машины IBM. [5]
Серия GE-600 была разработана группой под руководством Джона Кулера на основе работы, проделанной для проекта MISTRAM в 1959 году. MISTRAM представляла собой систему слежения за ракетами, которая использовалась в ряде проектов (включая проект «Аполлон»), и ВВС требовали компьютер для сбора данных будет установлен на станции слежения ниже мыса Канаверал. Данные в конечном итоге будут переданы 36-битной машине IBM 7094 в Кейптауне, поэтому компьютер, вероятно, тоже должен быть 36-битным (почему они не использовали IBM 7094, остается загадкой). Для этой задачи компания GE построила машину под названием M236, и в результате требований 36-битной системы она стала во многом напоминать 7094. [6]
Отдел тяжелой военной электроники GE в Сиракузах спроектировал и построил систему слежения для ракетного комплекса ATLAS под названием MISTRAM, которая на самом деле представляла собой передовую компьютерную систему. Это вполне соответствовало указаниям Cordiner, поскольку компания не собиралась разрабатывать линейку машин, которые можно было бы разместить на открытом рынке, чтобы конкурировать с IBM. (Ральф Дж. Кординер был председателем и генеральным директором General Electric с 1958 по 1963 год.) Преимущество этого проекта также заключалось в том, что первоначальные расходы на разработку должны были оплачиваться правительством США, а не GE, что было гораздо более удовлетворительным соглашением, чем 570 GE. «счетчики бобов». Эти обстоятельства привели к возможности дублирования возможностей MISTRAM для компьютерного отдела. Много позже результатом стал заказ на 32 машины компьютерного отдела. Однако компьютер MISTRAM был первым в линейке разработок Джона Кулера, которые привели к созданию того, что можно считать самым успешным и долговечным семейством компьютеров GE — линейки GE 600. [7]
Приложения
[ редактировать ]MISTRAM использовался при разработке и испытаниях инерциальной системы наведения баллистической ракеты «Минитмен», а впоследствии использовался для испытаний космического корабля «Джемини» и системы запуска «Сатурн-5». После вывода из эксплуатации интерферометра X-диапазона MISTRAM на Восточном испытательном полигоне ВВС в 1971 году у летно-испытательного сообщества не было традиционной наземной системы измерения дальности, лучше или сравнимой с инерциальными системами наведения, характеристики которых оценивалось. [8] Так было и в годы, предшествовавшие разработке и внедрению GPS.
Испытание инерциальной системы наведения Minuteman
[ редактировать ]Первые ракеты «Минитмен» (MM I) были запущены в начале 1960-х годов с Восточного испытательного полигона ВВС (AFETR) и отслеживались с помощью системы слежения AZUSA CW. Сравнительно низкое качество данных отслеживания AZUSA в сочетании с элементарной стадией методов оценки позволяло только оценить общую ошибку; изоляция источников ошибок отдельных инерциальных измерительных блоков (IMU) была невозможна. [9]
Последующая разработка в AFETR улучшенных систем слежения UDOP и MISTRAM позволила получить гораздо более качественные профили слежения за скоростью. В ходе программы летных испытаний Minuteman II были достигнуты значительные улучшения в послеполетной оценке точности IMU. Самым важным из этих улучшений было введение оценки ошибки максимального правдоподобия с использованием алгоритма Калмана для фильтрации профиля ошибки скорости. Постоянное совершенствование систем слежения UDOP и MISTRAM и совершенствование методов оценки в ходе программы летных испытаний Minuteman III позволило получить значительное представление об источниках ошибок IMU NS-20A1. [9]
Оценка точности
[ редактировать ]Одной из основных проблем оценки траектории и орбиты является получение реалистичной оценки точности траектории и других важных параметров. В орбитальном случае некоторые из параметров, которые не могут быть решены, - это константы геопотенциала, исследования и т. д. Эти факторы будут влиять на общую неопределенность орбиты и, конечно же, на прогнозы эфемерид. Был разработан статистический метод, который выполняет дисперсионно-ковариационное распространение для получения оценок точности на основе случайных и немоделированных ошибок. Пример распространения немоделированной ошибки в системе MISTRAM был приведен для спутника Geos B. [10]
Ключевой персонал
[ редактировать ]Люди, которые работали с ним, когда он работал в лаборатории электроники General Electric Corporation и отделе тяжелой военной электроники (HMED) в 1950-х и начале 60-х годов, называли доктора Льюиса Дж. Ниландса инженером-инженером. Его вклад в наведение ракет и телеметрию сделал его ключевой фигурой в программах Altas Guidance и MISTRAM, двух самых сложных и успешных проектах HMED. [11]
Оглядываясь назад, Ниландс сказал, что не получил максимального удовлетворения от работы над руководством Атласа (о котором он сказал: «оно было успешным благодаря группе других людей, которые собрали его и заставили работать»). С большей гордостью он вспоминает MISTRAM, систему слежения и измерения ракет. «В то время ничто не могло сравниться с ним по сложности и требуемой точности», — вспоминает он об измерительной системе реального времени для точного отслеживания полета ракеты. Один из его коллег вспоминает: «В 1960 году он решил неуловимую проблему измерения траектории — объединения в одном месте для обработки сигналов, полученных от широко расположенных приемных станций, с устранением неточностей, вызванных аномалиями распространения в среде, соединяющей станции. Связанная с этим проблема, которую решил Лью, заключалась в том, как сделать это, используя достаточно высокие частоты, чтобы достичь требуемой точности угловых измерений без неоднозначностей измерений и без необходимости использования большого количества приемных станций для разрешения этих неоднозначностей». Он задумал систему беспрецедентной точности. [10] Техническую работу по наведению ракеты Hermes A-3 возглавил доктор Льюис Дж. Ниландс, и в результате была создана успешная система, ноу-хау которой позже было передано в другую систему наведения межконтинентальной баллистической ракеты, известную как проект 8014, а также в высокоточную систему наведения Mistram. приборное оборудование, все они были основаны на использовании микроволнового интерферометра. [11] Доктор Ниландс умер в своем доме в Гейнсвилле, штат Флорида, 17 июля 2007 года в возрасте 91 года.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Свен Гран. «Прием сигналов на частоте 183,54 МГц с возвращающегося космического корабля «Луна-20» в Стокгольме» . Соллентуна, Швеция.
- ^ Jump up to: а б с Р.А. Хартц и Т.Х. Джонс (июль 1962 г.). «Мистрам и рандеву». Космонавтика . 7 : 47–50.
- ^ Джером Хоффман (январь – февраль 1965 г.). «Релятивистская и классическая доплеровская точность электронного слежения» . Журнал космических кораблей . 2 (1): 55–61. Бибкод : 1965JSpRo...2...55H . дои : 10.2514/3.28121 . Архивировано из оригинала 25 сентября 2017 года.
- ^ Джейн Кинг и Уильям А. Шелли (1997). «Семейная история крупномасштабных компьютерных систем Honeywell». IEEE Анналы истории вычислений . 19 (4): 42–46. дои : 10.1109/85.627898 .
- ^ Жан Беллек (ФЕВ). «От GECOS до GCOS8 — история больших систем в GE, Honeywell, NEC и Bull» . Архивировано из оригинала 9 июля 2010 г.
- ^ Джон Кулер (зима 1995 г.). «Ядро компьютерной корпорации Black Canyon» (PDF) . IEEE Анналы истории вычислений . 17 (4): 56–60. дои : 10.1109/85.477436 .
- ^ ЯН Ли (зима 1995 г.). «Взлет и падение компьютерного отдела корпорации General Electric» (PDF) . IEEE Анналы истории вычислений . 17 (4): 24–45. дои : 10.1109/85.477434 .
- ^ Томас П. Носек (1982). «Космический челнок как средство динамических испытаний систем наведения ракет». Журнал руководства, контроля и динамики . 6 (6): 530–531. дои : 10.2514/3.8534 .
- ^ Jump up to: а б Р. Фюссель; Дж. МакГи; Р. Пауэрс и Д. Сифтер. «Метод определения работоспособности прецизионной инерциальной системы наведения». Конференция AIAA по руководству и контролю, 6–8 августа 1979 г., Боулдер, Колорадо. Документ AIAA № 1979-1891 . стр. 637–644.
- ^ Jump up to: а б Норман Буш (май 1971 г.). «Немоделированный анализ ошибок при оценке траектории и орбиты». Технометрика . 13 (2): 303–314. дои : 10.2307/1266792 . JSTOR 1266792 .
- ^ Jump up to: а б Кевин Ниландс. «Биография доктора Льюиса Дж. Ниландса к 100-летию General Electric Co» .
- Хронология
MISTRAM был спроектирован и разработан Отделом тяжелой военной электроники Департамента оборонных систем компании General Electric, Сиракьюс, Нью-Йорк, при спонсорской поддержке Ракетного испытательного центра ВВС США, база ВВС Патрик, Флорида (Контракт AF08 (6060) 4891). Mistram I в Валкарии, Флорида, был введен в эксплуатацию в 1962 году, а Mistram II в Эльютере, Багамы, в 1963 году. Первоначальный контракт на 15,5 миллионов долларов был объявлен 12 июля 1960 года.
- Диссертации
МИСТРАМ был темой нескольких диссертаций на степень магистра технических наук.
- Генри Ф. Керр. Практический пример: Разработка транспондера Mistram типа B. Диссертация (MS) - Университет штата Флорида, 1966. 33 стр. OCLC: 44949051.
- Уильям Р. Трелкельд. Применение измерений рефракции для повышения точности отслеживания MISTRAM. Диссертация: Диссертация (MS) - Университет штата Флорида. 1965. 97 стр. OCLC: 10939666.
- Томас Ирвин Осборн. Мистрам — система измерения траектории ракеты. Диссертация: Диссертация (MS) - Сиракузский университет, 1964. 56 стр. OCLC: 79314654.