Система Unified S-band ( USB ) — это система слежения и связи, разработанная для программы Apollo NASA и Лабораторией реактивного движения (JPL). Она работала в диапазоне S микроволнового спектра, объединяя голосовую связь, телевидение , телеметрию , управление , слежение и измерение дальности в единую систему для экономии размера и веса и упрощения операций. Наземная сеть USB управлялась Центром космических полетов имени Годдарда ( GSFC). Коммерческими подрядчиками были Collins Radio , Blaw-Knox , Motorola и Energy Systems.
Предыдущие программы, Mercury и Gemini , имели отдельные радиосистемы для голоса, телеметрии и отслеживания. Голос и команды 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] Возможность отслеживания представляла собой маяк C-диапазона , опрашиваемый наземным радаром. С гораздо большим расстоянием Apollo пассивное измерение дальности было невозможным, поэтому требовалась новая активная система измерения дальности. Apollo также планировал использовать телевизионные передачи, которые не поддерживались существующими системами. Наконец, использование трех разных частот усложняло системы космического корабля и наземную поддержку. Для решения этих проблем была разработана система Unified S-band (USB).
Система USB не полностью заменила все остальные радиопередатчики на Apollo. Apollo все еще использовал VHF между астронавтами и лунным модулем (LM) и лунным вездеходом во время внекорабельной деятельности ; между посадочным модулем и командным модулем, а также между космическим кораблем и земными станциями на орбитальной и восстановительной фазах. В качестве резерва CM мог измерять дальность до LM по голосовой связи VHF. Радарные системы космического корабля работали на частотах, отличных от частот USB.
Система связи и дальности S-Band была разработана лабораторией MIT Lincoln в Лексингтоне, штат Массачусетс, в рамках задачи A контракта Lincoln Laboratory Apollo. Подход к проектированию заключался в разработке альтернативной интегрированной системы связи, функционально совместимой с конструкцией космического корабля. [2] [3]
Концепция была представлена Lincoln Laboratory в первоначальном отчете от 16 июля 1962 года под названием « Промежуточный отчет о разработке внутренней бортовой системы радиочастотной связи для космического корабля Apollo» . В этом отчете было показано, что многие бортовые электронные функции могут выполняться очень эффективно с помощью одной системы, которая была подходящей адаптацией транспондера, разработанного Jet Propulsion Laboratory для использования со станциями слежения DSIF. Это было происхождением Goal System для Apollo, позже названной Integrated (или Integral) RF system, затем позже известной как Unified Carrier System. Идея, лежащая в основе единой системы связи S-Band, заключалась в сокращении количества систем, ранее использовавшихся в космической программе Mercury, которая обеспечивала множественность электромагнитного передающего и приемного оборудования. В ранних полетах они работали на семи дискретных частотах в пяти широко разнесенных частотных диапазонах. Во многом из-за целесообразности были использованы следующие отдельные блоки:
Наземные сооружения, соответствующие этому капсульному оборудованию, были включены в состав многих станций сети «Меркурий».
Когда проект Apollo был инициирован, NASA поставило условие, что должно быть использовано как можно больше существующего наземного сетевого оборудования Mercury. Кроме того, космический корабль должен был включать транспондер, совместимый с наземными станциями Deep Space Instrumentation Facility (DSIF), установленными Лабораторией реактивного движения. Этот транспондер должен был использоваться для связи и отслеживания в окололунном пространстве между Землей и Луной.
В предварительном исследовании Unified S-Band компания North American Aviation, Inc. (разработавшая командные и сервисные модули Apollo) указала, что на Apollo будут установлены следующие четыре вида оборудования для связи с землей и космическим аппаратом:
Транспондер DSIF имел базовую возможность выполнять функции передатчика VHF FM, трансивера VHF AM и транспондера C-диапазона на околоземных расстояниях. Существенными особенностями транспондера и его наземного оборудования были полностью когерентная, фазовая синхронизация работы 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 линий связи был ключевым фактором в адаптации единой несущей системы к требованиям Apollo. [3]
Дополнительные электронные приборы должны были быть развернуты для руководства сближением, для лунной (и земной) альтиметрии и для управления посадкой на Луну. Требования к этому дополнительному оборудованию не были твердо установлены, когда лаборатория Линкольна начала свои исследования. Из опыта космической программы «Меркурий» лаборатории Линкольна стало очевидно, что значительное упрощение на борту произойдет, если в «Аполлоне» будет использоваться одна интегрированная система связи и слежения вместо четырех систем, перечисленных выше. [3]
В начале 1962 года небольшой группе сотрудников лаборатории Линкольна было поручено продемонстрировать концепцию унифицированного носителя для NASA к 31 декабря 1962 года. Целью демонстрации было предоставление экспериментальных доказательств того, что концепция унифицированного носителя осуществима. Поскольку рабочая сила была ограничена, было решено сосредоточиться на линии связи космический корабль-Земля, критическом звене в системе. Демонстрация была доступна к 17 декабря 1962 года. Демонстрация была проведена 17 января 1963 года для NASA (пилотируемый космический центр и штаб-квартира) и North American Aviation, Inc. [3]
Демонстрация концепции унифицированного носителя для связи космического корабля с Землей была ограничена передачей кода дальности и широкополосного телеметрического сигнала на носителе 47,5 мкс по жесткому проводу через шумящую и затухающую среду. Имитируемый наземный приемник использовал контур фазовой автоподстройки частоты . Опорный сигнал носителя, генерируемый VCO контура фазовой автоподстройки частоты несущего, использовался для гетеродинирования полученного сигнала в видео, процесс синхронной демодуляции. Метод корреляции использовался для обработки переданных и полученных кодов для измерения дальности. Демонстрация имитировала эффект Доплера и отношение сигнал/шум, ожидаемое для миссии Apollo. Контуры фазовой автоподстройки частоты в приемнике получали переданный несущий, поднесущий телеметрии и компоненты тактового кода почти мгновенно для отношений сигнал/шум, которые, как прогнозировалось, должны были существовать на максимальной дальности Apollo и для радиальной скорости космического корабля 36 000 футов/сек. Корреляция кода дальности обычно занимала всего несколько секунд. [3]
Вначале предполагалось, что транспондер DSIF можно модифицировать и дополнить, чтобы использовать его для лунной альтиметрии и рандеву-локации. Однако, поскольку все больше внимания уделялось лунной посадке и лунным орбитальным методам рандеву, стало очевидно, что для этих целей предпочтительнее использовать 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 Apollo и Землей.
Из технического обзора НАСА: [4]
Конструкция системы USB основана на когерентном доплере и системе псевдослучайного диапазона, разработанной JPL. Система S-диапазона использует те же методы, что и существующие системы, с основными изменениями, связанными с включением каналов голоса и данных.
Для передачи всех данных слежения и связи между космическим аппаратом и землей в каждом направлении используется одна несущая частота . Голосовые и данные обновления модулируются на поднесущие, а затем объединяются с данными о дальности [...]. Эта составная информация используется для фазовой модуляции передаваемой несущей частоты. Принимаемые и передаваемые несущие частоты когерентно связаны. Это позволяет наземной станции измерять несущую доплеровскую частоту для определения радиальной скорости космического аппарата.
В транспондере поднесущие извлекаются из несущей частоты RF и детектируются для получения голосовой и командной информации. Двоичные сигналы дальности, модулированные непосредственно на несущей, детектируются широкополосным фазовым детектором и преобразуются в видеосигнал.
Голосовые и телеметрические данные, которые должны быть переданы с космического корабля, модулируются на поднесущих, объединяются с видеосигналами дальности и используются для фазовой модуляции несущей частоты нисходящего канала. Передатчик транспондера также может быть частотно-модулированным для передачи телевизионной информации или записанных данных вместо сигналов дальности.
Базовая система USB способна одновременно предоставлять данные слежения и связи для двух космических аппаратов при условии, что они находятся в пределах ширины луча одной антенны. Основной режим слежения и связи осуществляется с использованием режима работы PM . Для этой цели используются два набора частот, разделенных примерно 5 мегациклами [...]. В дополнение к основному режиму связи система USB способна принимать данные на двух других частотах. Они используются в основном для передачи данных FM с космического аппарата.
Система Unified S-Band использовала диапазон 2025–2120 МГц для передачи на космический корабль (uplinks), и использовала диапазон 2200–2290 МГц для передач с космического корабля (downlinks). Эти диапазоны выделены на международном уровне для космических исследований и операций , хотя по стандартам 2014 года восходящий канал ALSEP находился в неправильной части диапазона (глубокий космос вместо околоземной зоны).
Lunar Communications Relay Unit (LCRU) на Lunar Rover (Apollo 15, 16, 17) имел собственную частоту нисходящей линии связи (чтобы избежать помех для LM), но разделял частоту восходящей линии связи LM, поскольку не реализовал когерентный транспондер. Отдельные голосовые поднесущие использовались на общей восходящей линии связи S-диапазона, 30 кГц для LM и 124 кГц для LCRU, так что LM и LCRU не ретранслировали бы голос восходящей линии связи и не мешали бы друг другу.
S -IVB имел USB-транспондер слежения для использования после отделения CSM. Данные слежения улучшили анализ удара, зарегистрированного сейсмометрами, оставленными предыдущими экипажами Apollo. S-IVB использовал ту же пару частот, что и LM. Обычно LM был неактивен во время полета, однако это стало проблемой во время полета Apollo 13 , поскольку LM приходилось включать заранее, чтобы использовать его в качестве спасательной шлюпки. [5]
Частоты LM также использовались субспутниками, развернутыми на лунной орбите после того, как LM покинул Луну, в рамках более поздних J-миссий .
Использование двух отдельных частотных диапазонов 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.
Система S-диапазона обычно использовала фазовую модуляцию (ФМ). ФМ, как и ЧМ, имеет постоянную амплитуду ( огибающую ) независимо от модуляции. Это позволяет использовать нелинейные усилители ВЧ, которые более эффективны, чем усилители ВЧ, которые должны поддерживать линейность.
Индекс модуляции PM мал, поэтому сигнал напоминал двухполосную амплитудную модуляцию (AM), за исключением фазы несущей. В AM компонент несущей имеет постоянную амплитуду, поскольку боковые полосы изменяются с модуляцией, но в PM общая мощность сигнала имеет постоянную амплитуду. PM смещает мощность от несущей к боковым полосам 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 .
Для определенных фазовых модуляционных (ФМ) нисходящих линий отношение частот восходящей и нисходящей линий было точно 221/240, с использованием когерентных транспондеров . Фазовая автоподстройка частоты на космическом аппарате умножала несущую частоту восходящей линии на 240/221 для получения несущей частоты нисходящей линии. Локальный генератор создавал несущую нисходящей линии, если восходящая линия была недоступна.
Эта «двусторонняя» техника позволяла измерять скорость с точностью порядка сантиметров в секунду, наблюдая за доплеровским смещением несущей нисходящей линии связи. Эта техника не требовала высокоточного осциллятора на космическом аппарате, хотя на Земле он все еще был нужен.
Эксперименты ALSEP на поверхности Луны имели общий восходящий канал и не имели когерентного транспондера. Пассивные лазерные ретрорефлекторы, оставленные миссиями Apollo 11, 14 и 15, обеспечивают гораздо большую точность и намного пережили активную электронику в других экспериментах ALSEP.
Как упоминалось выше, носители восходящей и нисходящей линий связи играли важную роль в отслеживании космических аппаратов. Боковые полосы, генерируемые информацией, также переносимой системой, должны были быть удалены от носителей, чтобы не нарушать работу фазовых автоподстроек, используемых для их отслеживания. Это было сделано с помощью различных поднесущих .
В восходящем канале было две поднесущие. Поднесущая 30 кГц передавала голос ( Capcom ), а несущая 70 кГц передавала командные данные для обновления бортовых компьютеров данными наземного слежения и для команды на сход с орбиты лунного модуля после его отсоединения.
Поднесущие можно было отключить, когда они не нужны. Это улучшило запасы сигнала для других информационных потоков, таких как данные телеметрии. Нисходящая линия имела поднесущие на 1,25 МГц (голос NBFM) и 1,024 МГц (данные телеметрии). Телеметрия могла быть установлена на 1,6 килобит/с или 51,2 килобит/с. Более низкая скорость использовалась только при плохих условиях связи или для экономии энергии. Режим «резервного голоса» отключал поднесущую NBFM 1,25 МГц и передавал голос на основном носителе 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 ухудшения связи, импульсный или «попкорновый» шум появляется внезапно и нарастает, пока не перекрывает голоса астронавтов. Во время посадки на Луну Apollo 11 это было проиллюстрировано, когда лунный модуль иногда блокировал линию видимости антенны на Землю. Резервный голосовой режим вел себя больше как AM. Голоса меняются по мере затухания сигнала, и постоянно присутствует фоновое шипение. Резервный режим использовался в аварийной ситуации Apollo 13 для экономии энергии, а также когда управляемая антенна S-диапазона Apollo 16 вышла из строя на лунном модуле.
Для внутриполосной передачи голоса использовались тоны Quindar .
В нисходящем канале Apollo USB также был режим «аварийного ключа» для генератора поднесущей на частоте 512 кГц. Это можно было использовать для отправки кода Морзе, если голосовой режим был невозможен. Хотя этот режим был протестирован во время Apollo 7 , он так и не потребовался.
Аналогичная возможность восходящей линии связи не была нужна, поскольку восходящая линия связи имела гораздо большую доступную мощность. Передатчики космического корабля Apollo S-диапазона выдавали 20 Вт; передатчик восходящей линии связи выдавал 10 кВт, отношение 27 дБ.
Система Apollo S-диапазона обеспечивала точные измерения дальности (расстояния). Наземная станция генерировала последовательность псевдослучайного шума (PN) со скоростью 994 килобит/с и добавляла ее к сигналу основной полосы, идущему на передатчик PM. Транспондер повторял последовательность. Сопоставляя полученные и переданные версии, можно было определить прошедшее время и, следовательно, 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 прохождения сигнала туда и обратно до Луны, поэтому не было никакой двусмысленности в ее полученном времени.
Современные приемники GPS работают примерно так же, поскольку они также коррелируют полученный поток битов PN (со скоростью 1,023 Мбит/с) с локальной точкой отсчета для измерения расстояния. Но GPS — это система только для приема, которая использует относительные измерения 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 из наблюдений дальности, скорости дальности (относительной скорости) и угла обзора антенны , сделанных одной или несколькими наземными станциями, предполагая чисто баллистическое движение космического корабля в течение интервала наблюдения.
После определения вектора состояния можно полностью предсказать будущую траекторию космического корабля до следующего толчкового движения.
Поворот дальности транспондера должен был вручную включаться астронавтом. Он использовал большую часть пропускной способности нисходящей линии связи и был нужен только изредка, например, во время передачи управления между наземными станциями. Когда станция восходящей линии связи захватывала транспондер, она измеряла дальность космического корабля. Измерения скорости Доплера обновляли дальность, и сигнал дальности отключался. Если наземная станция теряла захват во время прохода, она повторяла измерение дальности после повторного захвата.
Обычно передатчик нисходящей линии связи был PM, чтобы обеспечить когерентное доплеровское отслеживание. Он также поддерживал 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 обеспечивала улучшенное отношение сигнал/шум благодаря эффекту захвата . Это улучшает отношение сигнал/шум для радиочастотных сигналов с отношением сигнал/шум (SNR) более 8-10 дБ . Однако ниже этого порога широкополосный сигнал имеет худшее SNR. Прием осуществляется по принципу «все или ничего». Если приемная антенна слишком мала для захвата широкополосного видео, узкополосные сигналы, такие как голос, также не могут быть приняты.
CSM имел FM и PM передатчики, которые работали для одновременной передачи голоса, телеметрии и видео. LM передатчик мог передавать только FM или PM, но не одновременно в обоих режимах. Поскольку частотная модуляция делает доплеровское отслеживание неэффективным, посадочный модуль посылал только FM при передаче видео.
СССР отслеживал телеметрию миссий «Аполлон». [ 7] [8]
В США радиолюбители могли законно отслеживать телеметрию, но Федеральная комиссия по связи США (FCC) издала директиву, которая требовала, чтобы любое раскрытие информации о перехвате телеметрии Apollo было одобрено NASA. [ требуется ссылка ] В августе 1971 года радиолюбители Пол Уилсон (W4HHK) и Ричард Т. Кнадл-младший (K2RIW) услышали голосовые сигналы с Apollo 15, когда он облетал Луну. Они описали свою работу в статье для QST . [9] Они также сообщили, что получили сигналы с Apollo 16. [10] [11]
Международная космическая станция , Skylab, а также другие орбитальные космические станции имеют (или имели) некую унифицированную подсистему микроволновой связи. Длительное инженерное влияние USB заключается в том, что почти каждая миссия человека в космосе имела унифицированную систему микроволновой связи того или иного рода.