Banda S unificada - Unified S-band

No confundir con Universal Serial Bus .
Módulo lunar y vehículo itinerante lunar del Apolo 15 , 1 de agosto de 1971. La antena parabólica de banda S del rover es visible.

El sistema de banda S unificada ( USB ) es un sistema de seguimiento y comunicación desarrollado para el programa Apollo por la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL). Operó en la parte de la banda S del espectro de microondas, unificando comunicaciones de voz, televisión , telemetría , comando , seguimiento y rango en un solo sistema para ahorrar tamaño y peso y simplificar las operaciones. La red terrestre USB fue administrada por el Goddard Space Flight Center (GSFC). Los contratistas comerciales incluyeron Collins Radio , Blaw-Knox , Motorola y Energy Systems .

Base

Los programas anteriores, Mercury y Gemini , tenían sistemas de radio separados para voz, telemetría y rastreo. Los datos de voz y comando de enlace ascendente y de voz y telemetría de enlace descendente se enviaron a través de sistemas de frecuencia ultra alta (UHF) y muy alta frecuencia (VHF). La capacidad de seguimiento era una baliza de banda C interrogada por un radar terrestre. Con la distancia mucho mayor de Apolo, el alcance pasivo no era factible, por lo que se requería un nuevo sistema de alcance activo. Apollo también planeó utilizar transmisiones de televisión, que no eran compatibles con los sistemas existentes. Finalmente, el uso de tres frecuencias diferentes complicó los sistemas de la nave espacial y el soporte terrestre. El sistema de banda S unificada (USB) se desarrolló para abordar estas preocupaciones.

El sistema USB no reemplazó completamente a todos los demás transmisores de radio en Apollo. Apollo todavía usaba VHF entre los astronautas y el Módulo Lunar (LM) y el Vehículo Lunar Roving durante la actividad extravehicular ; entre el módulo de aterrizaje y el módulo de mando, y entre la nave espacial y las estaciones terrestres en las fases orbital y de recuperación. Como respaldo, el CM podría medir el alcance del LM a través del enlace de voz VHF. Los sistemas de radar de la nave espacial operaban en frecuencias separadas de las del USB.

Desarrollo

El sistema de alcance y comunicaciones de banda S fue desarrollado por el Laboratorio Lincoln del MIT en Lexington, Massachusetts, bajo la tarea A del contrato Apollo del Laboratorio Lincoln. El enfoque de diseño fue el desarrollo de un sistema de comunicación integrado alternativo funcionalmente compatible con el diseño de la nave espacial.

El concepto fue presentado por el Laboratorio Lincoln en un informe inicial el 16 de julio de 1962 titulado Informe provisional sobre el desarrollo de un sistema interno de comunicaciones de RF a bordo para la nave espacial Apollo . En este informe, se demostró que muchas funciones electrónicas a bordo se podían realizar de manera muy eficaz con un solo sistema que era una adaptación adecuada del transpondedor desarrollado por Jet Propulsion Laboratory para su uso con las estaciones de seguimiento DSIF. Este fue el origen del sistema de objetivos para Apollo, más tarde llamado sistema de RF integrado (o integral), luego conocido como el sistema de transporte unificado. La idea detrás del sistema de comunicaciones unificado de banda S era reducir el número de sistemas utilizados anteriormente en el programa espacial Mercury, que proporcionaba una multiplicidad de equipos de transmisión y recepción electromagnéticos. En los primeros vuelos, estos operaban en siete frecuencias discretas dentro de cinco bandas de frecuencia ampliamente separadas. En gran parte debido a la conveniencia, se emplearon las siguientes unidades separadas:

  • Transmisor y receptor de voz HF
  • Transmisor y receptor de voz UHF
  • Receptor de mando
  • Transmisor de telemetría No. 1
  • Transmisor de telemetría No. 2
  • Baliza transpondedor de banda C
  • Baliza transpondedor de banda S

En muchas de las estaciones de la red Mercury se incluyeron instalaciones terrestres que coincidían con este equipo cápsula.

Cuando se inició el proyecto Apollo, la NASA estipuló que se debería utilizar la mayor cantidad posible de los equipos existentes de la red terrestre Mercury. Además, la nave espacial debía incluir un transpondedor compatible con las estaciones terrestres de la Instalación de Instrumentación del Espacio Profundo (DSIF) establecidas por el Laboratorio de Propulsión a Chorro. Este transpondedor se utilizaría para las comunicaciones y el seguimiento en el espacio cis-lunar entre la Tierra y la Luna.

En la investigación preliminar de Unified S-Band, North American Aviation, Inc. (la compañía que desarrolló los módulos de comando y servicio de Apollo) indicó que los siguientes cuatro equipos se instalarían en Apollo para uso de tierra a nave espacial:

  • Transpondedor DSIF (banda S) (para distancias cis-lunares) para transmisión de TV, voz, datos de telemetría y señales de rango
  • Transmisor VHF FM (para distancias cercanas a la Tierra) para transmisión de datos de telemetría
  • Transceptor VHF AM (para distancias cercanas a la Tierra) para transmisión y recepción de voz y guía de aeronaves de rescate
  • Transpondedor de banda C (para distancias cercanas a la Tierra) para seguimiento por radar

El transpondedor DSIF tenía una capacidad básica para realizar las funciones del transmisor VHF FM, el transceptor VHF AM y el transpondedor de banda C a distancias cercanas a la tierra. Las características importantes del transpondedor y su equipo de tierra fueron el funcionamiento totalmente coherente, de bloqueo de fase y el uso de un código binario pseudoaleatorio (similar al ruido) para mediciones de alcance inequívoco a largas distancias. La elección de formas de onda y métodos de modulación óptimos para los enlaces de RF ascendentes y descendentes fue un factor clave en la adaptación del sistema portador unificado a los requisitos de Apollo.

Se desplegarían aparatos electrónicos adicionales para la guía de encuentro, para la altimetría lunar (y terrestre) y para el control del aterrizaje lunar. Los requisitos para este equipo adicional no se habían establecido firmemente cuando el Laboratorio Lincoln comenzó su investigación. A partir de la experiencia con el programa espacial Mercury, fue evidente para el Laboratorio Lincoln que se produciría una considerable simplificación a bordo si se usara un único sistema integrado de comunicaciones y seguimiento en Apollo en lugar de los cuatro sistemas enumerados anteriormente.

Demostración de banda S unificada

A principios de 1962, se le pidió a un pequeño grupo de miembros del personal del Laboratorio Lincoln que proporcionara una demostración del concepto de Portador Unificado a la NASA antes del 31 de diciembre de 1962. La demostración tenía como objetivo proporcionar evidencia experimental de que el concepto de portador unificado era factible. Dado que la mano de obra era limitada, se decidió concentrarse en el enlace entre el vehículo espacial y la Tierra, el enlace fundamental del sistema. La demostración estuvo disponible el 17 de diciembre de 1962. La demostración se llevó a cabo el 17 de enero de 1963 para la NASA (Centro Espacial Tripulado y Sede) y North American Aviation, Inc.

La demostración del concepto de portadora unificada para el enlace entre el vehículo espacial y la Tierra se limitó a transmitir un código de distancia y una señal de telemetría de banda ancha en una portadora de 47,5 mc por cable a través de un medio ruidoso y atenuador. El receptor de tierra simulado utilizó un bucle de bloqueo de fase . La referencia de portadora generada por el VCO del bucle bloqueado en fase de portadora se usó para heterodinar la señal recibida a video, un proceso de demodulación síncrona . Se utilizó un método de correlación para procesar los códigos transmitidos y recibidos para la determinación de distancia. La demostración simuló el efecto Doppler y la relación señal-ruido esperada para una misión Apolo. Los bucles de fase bloqueada en el receptor adquirieron la portadora transmitida, la subportadora de telemetría y los componentes del reloj de código casi instantáneamente para las relaciones señal / ruido que se predice que existen en el rango máximo de Apolo y para una velocidad radial del vehículo espacial de 36,000 pies / seg. . La correlación del código de rango generalmente tomaba solo unos segundos.

Al principio, se sugirió que el transpondedor DSIF podría modificarse y aumentarse para ser utilizado para la altimetría lunar y el alcance de los encuentros. Sin embargo, dado que se hizo mayor hincapié en el aterrizaje lunar y las técnicas de encuentro orbital lunar, se hizo evidente que el radar especializado y el equipo óptico serían preferibles para esas aplicaciones. En consecuencia, la mayor parte del esfuerzo en el Laboratorio Lincoln del MIT se dirigió hacia el enlace de comunicación y seguimiento entre la nave espacial Apolo y la Tierra.

Resumen técnico

De un resumen técnico de la NASA:

El diseño del sistema USB se basa en un Doppler coherente y el sistema de rango pseudoaleatorio desarrollado por JPL. El sistema de banda S utiliza las mismas técnicas que los sistemas existentes, siendo los principales cambios la inclusión de los canales de voz y datos.

Se utiliza una sola frecuencia portadora en cada dirección para la transmisión de todos los datos de seguimiento y comunicaciones entre la nave espacial y la tierra. La voz y los datos de actualización se modulan en subportadoras y luego se combinan con los datos de distancia [...]. Esta información compuesta se utiliza para modular en fase la frecuencia portadora transmitida. Las frecuencias portadoras recibidas y transmitidas están relacionadas coherentemente. Esto permite que la estación terrestre realice mediciones de la frecuencia Doppler portadora para determinar la velocidad radial de la nave espacial.

En el transpondedor, las subportadoras se extraen de la portadora de RF y se detectan para producir la información de voz y comando. Las señales de rango binario, moduladas directamente en la portadora, son detectadas por el detector de fase de banda ancha y traducidas a una señal de video.

Los datos de voz y telemetría que se transmitirán desde la nave espacial se modulan en subportadoras, se combinan con las señales de distancia de vídeo y se utilizan para modular en fase la frecuencia de la portadora del enlace descendente. El transmisor transpondedor también se puede modular en frecuencia para la transmisión de información de televisión o datos grabados en lugar de señales de distancia.

El sistema USB básico tiene la capacidad de proporcionar datos de seguimiento y comunicaciones para dos naves espaciales simultáneamente, siempre que estén dentro del ancho del haz de una sola antena. El modo principal de seguimiento y comunicaciones es mediante el uso del modo de operación PM . Para este fin se utilizan dos conjuntos de frecuencias separados por aproximadamente 5 megaciclos [...]. Además del modo principal de comunicaciones, el sistema USB tiene la capacidad de recibir datos en otras dos frecuencias. Se utilizan principalmente para la transmisión de datos FM desde la nave espacial.

Frecuencias

El Sistema Unificado de Banda S utilizó la banda de 2025 a 2120 MHz para la transmisión a la nave espacial (enlaces ascendentes) y utilizó la banda de 2200 a 2290 MHz para las transmisiones desde la nave espacial (enlaces descendentes). Estas bandas se asignan internacionalmente para la investigación y las operaciones espaciales , aunque según los estándares de 2014 el enlace ascendente ALSEP estaba en la parte incorrecta de la banda (espacio lejano en lugar de cerca de la Tierra).

Asignaciones de frecuencia de Apolo
Astronave A la Tierra (MHz) Al espacio (MHz) Relación coherente
Módulo de mando PM 2287,5 2106.40625 221/240
Módulo de mando FM 2272.5
Modulo lunar 2282,5 2101.802083 221/240
S-IVB PM 2282,5 2101.802083 221/240
S-IVB FM 2277,5
Rover lunar 2265.5 2101.802083
Apollo 11 Early ALSEP 2276,5 2119
Apolo 12 ALSEP 2278,5 2119
Apolo 14 ALSEP 2279,5 2119
Apolo 15 ALSEP 2278.0 2119
Subsatélite del Apolo 15 2282,5 2101.802083 221/240
Apolo 16 ALSEP 2276.0 2119
Apolo 17 ALSEP 2275,5 2119

La Unidad de Relevo de Comunicaciones Lunar (LCRU) en el Lunar Rover (Apollo 15, 16, 17) tenía su propia frecuencia de enlace descendente (para evitar interferencias con el LM) pero compartía la frecuencia de enlace ascendente del LM ya que no implementaba un transpondedor coherente. Se utilizaron subportadoras de voz separadas en el enlace ascendente de banda S común, 30 kHz para el LM y 124 kHz para el LCRU, de modo que el LM y el LCRU no retransmitirían la voz del enlace ascendente ni interferirían entre sí.

El S-IVB tenía un transpondedor de rastreo USB para usar después de la separación del CSM. Los datos de seguimiento mejoraron el análisis del impacto registrado por los sismómetros dejados por las tripulaciones anteriores de Apolo. El S-IVB utilizó el mismo par de frecuencias que el LM. Normalmente, el LM estaba inactivo durante el vuelo, sin embargo, esto fue un problema cuando durante el vuelo del Apolo 13 , ya que el LM tuvo que encenderse temprano para ser utilizado como bote salvavidas.

Las frecuencias LM también fueron utilizadas por subsatélites desplegados en órbita lunar después de que el LM partió de la Luna, como parte de las misiones J posteriores .

El uso de dos bandas de frecuencia separadas hizo posible el funcionamiento full duplex . La tierra y la nave espacial transmitieron continuamente. El audio del micrófono se codificó manualmente o por VOX , pero a diferencia de la radio bidireccional semidúplex ordinaria, ambos lados podían hablar al mismo tiempo sin interferencias mutuas.

Modulación

El sistema de banda S usualmente usaba modulación de fase (PM). PM, como FM, tiene una amplitud constante ( envolvente ) independientemente de la modulación. Esto permite utilizar amplificadores de RF no lineales, que son más eficientes que los amplificadores de RF que deben mantener la linealidad.

El índice de modulación de PM es pequeño, por lo que la señal se asemeja a la modulación de amplitud (AM) de doble banda lateral excepto por la fase portadora. En AM, el componente portador tiene una amplitud constante ya que las bandas laterales varían con la modulación, pero en PM la potencia total de la señal es de amplitud constante. PM cambia la potencia de la portadora a las bandas laterales con modulación y, en algunos índices de modulación, la portadora puede desaparecer por completo. Esta es la razón por la que Apollo usa un índice de modulación bajo: para dejar una portadora fuerte que pueda usarse para un seguimiento de velocidad altamente preciso mediante la medición de su desplazamiento Doppler .

Transpondedores coherentes y seguimiento Doppler

Para ciertos enlaces descendentes de modulación de fase (PM), la relación de frecuencia de enlace ascendente a enlace descendente fue exactamente 221/240, con un transpondedor coherente utilizado. Un bucle de bloqueo de fase en la nave espacial multiplicó la frecuencia portadora del enlace ascendente por 240/221 para producir la frecuencia portadora del enlace descendente. Un oscilador local produjo la portadora de enlace descendente si el enlace ascendente no estaba disponible.

Esta técnica "bidireccional" permitió mediciones de velocidad con una precisión del orden de centímetros / segundo, mediante la observación del desplazamiento Doppler de la portadora del enlace descendente. La técnica no requería un oscilador de alta precisión en la nave espacial, aunque todavía se necesitaba uno en tierra.

Los experimentos de la superficie lunar ALSEP compartían un enlace ascendente común y no tenían un transpondedor coherente. Los retrorreflectores láser pasivos dejados por las misiones Apolo 11, 14 y 15 proporcionan una precisión mucho mayor y han sobrevivido con creces a la electrónica activa en los otros experimentos de ALSEP.

Subportadoras

Como se mencionó anteriormente, los portadores de enlace ascendente y descendente desempeñaron un papel fundamental en el seguimiento de las naves espaciales. Las bandas laterales generadas por la información que también transportaba el sistema tenían que mantenerse alejadas de los portadores para evitar perturbar los bucles de bloqueo de fase utilizados para rastrearlos. Esto se hizo mediante el uso de varias subportadoras .

El enlace ascendente tenía dos subportadoras. La subportadora de 30 kHz tenía voz ( Capcom ) y la portadora de 70 kHz tenía datos de comando para actualizar las computadoras de vuelo con datos de seguimiento en tierra, y para el comando de desorbitar el módulo lunar una vez que se había desechado.

Las subportadoras se pueden apagar cuando no se necesitan. Esto mejoró los márgenes de señal para los otros flujos de información, como los datos de telemetría. El enlace descendente tenía subportadoras a 1,25 MHz (voz NBFM) y 1,024 MHz (datos de telemetría). La telemetría se puede establecer en 1,6 kilobits / seg o 51,2 kilobits / seg. La tasa más baja solo se usó en condiciones de enlace deficientes o para ahorrar energía. Un modo de "voz de respaldo" apaga la subportadora NBFM de 1.25 MHz y transmite la voz en la portadora principal de banda S. Esto proporcionó más margen pero peor calidad de voz que el modo utilizado en buenas condiciones.

Los modos se pueden identificar por cómo suenan durante los desvanecimientos de la señal. En el modo de subportadora NBFM preferido, a medida que el enlace se degrada, el ruido de impulso o "palomitas de maíz" aparece repentinamente y crece hasta cubrir las voces de los astronautas. Durante el aterrizaje lunar del Apolo 11, esto se ilustró cuando el módulo lunar ocasionalmente bloqueó la línea de visión de la antena hacia la Tierra. El modo de voz de respaldo se comportó más como AM. Las voces cambian a medida que la señal se desvanece y hay un silbido de fondo constante. El modo de respaldo se utilizó en la emergencia del Apolo 13 para ahorrar energía, y también cuando la antena de banda S orientable del Apolo 16 falló en el módulo lunar.

Las transmisiones de voz utilizaron tonos Quindar para la señalización dentro de banda.

Llave de emergencia

El enlace descendente Apollo USB también tenía un modo de "llave de emergencia" para un oscilador de subportadora a 512 kHz. Esto podría haberse usado para enviar código Morse si el modo de voz no fuera posible. Aunque este modo se probó durante el Apolo 7 , nunca fue necesario.

No se necesitaba una capacidad de enlace ascendente similar porque el enlace ascendente tenía mucha más potencia disponible. Los transmisores de la nave espacial Apollo de banda S produjeron 20 vatios; un transmisor de enlace ascendente produjo 10 kW, una relación de 27 dB.

Rango

El sistema de banda S de Apollo proporcionó mediciones de rango (distancia) precisas. La estación terrestre generó una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PN) a 994 kilobit / sy la agregó a la señal de banda base que va al transmisor de PM. El transpondedor hizo eco de la secuencia. Al correlacionar las versiones recibidas y transmitidas, el tiempo transcurrido y, por lo tanto, la distancia a la nave espacial podría determinarse dentro de los 15 metros.

La secuencia PN, aunque determinista, tenía las propiedades de un flujo de bits aleatorio. Aunque la secuencia de PN era periódica, su período de aproximadamente 5 segundos excedía el mayor tiempo posible de ida y vuelta a la Luna, por lo que no habría ambigüedad en la sincronización recibida.

Los receptores de GPS modernos funcionan de manera algo similar en el sentido de que también correlacionan un flujo de bits PN recibido (a 1.023 Mbit / s) con una referencia local para medir la distancia. Pero el GPS es un sistema de solo recepción que utiliza mediciones de tiempo relativo de un conjunto de satélites para determinar la posición del receptor, mientras que el Apollo USB es un sistema bidireccional que solo puede determinar la distancia instantánea y la velocidad relativa. Sin embargo, un programa de determinación de la órbita puede encontrar el vector de estado único de la nave espacial a partir de las observaciones de rango, rango-velocidad (velocidad relativa) y ángulo de visión de la antena realizadas por una o más estaciones terrestres asumiendo el movimiento de la nave espacial puramente balística durante el intervalo de observación.

Una vez que se ha determinado el vector de estado, la trayectoria futura de la nave espacial se puede predecir completamente hasta el próximo evento de propulsión.

Un astronauta tuvo que habilitar manualmente el cambio de alcance del transpondedor. Utilizaba gran parte de la capacidad de ancho de banda del enlace descendente y solo se necesitaba ocasionalmente, como durante el traspaso entre estaciones terrestres. Cuando la estación de enlace ascendente se bloqueara en el transpondedor, alcanzaría la nave espacial. Las mediciones de velocidad Doppler actualizaron el rango y la señal de rango se apagó. Si una estación terrestre pierde el bloqueo durante una pasada, repetirá la medición de distancia después de volver a adquirir el bloqueo.

FM y video

Normalmente, el transmisor de enlace descendente era PM, para permitir un seguimiento Doppler coherente. Esto también admitió comandos, telemetría y voz bidireccional. Las señales de video requerían más ancho de banda que el disponible en este sistema. Otras señales de banda ancha, como datos científicos o datos de ingeniería, también requerían más ancho de banda. Un sistema de modulación de frecuencia de banda ancha proporcionó una relación señal / ruido mejorada debido al efecto de captura . Esto mejora la relación señal / ruido para señales de RF con más de 8-10 dB de relación señal / ruido (SNR). Sin embargo, por debajo de este umbral, la señal de banda ancha tiene una SNR peor. La recepción es "todo o nada". Si la antena receptora es demasiado pequeña para capturar el video de banda ancha, tampoco se pueden recibir las señales de banda estrecha, como la voz.

El CSM tenía transmisores de FM y PM que operaban para la transmisión simultánea de voz, telemetría y video. El transmisor LM solo podía transmitir FM o PM, pero no simultáneamente en ambos modos. Dado que la modulación de frecuencia hace que el seguimiento Doppler sea ineficaz, el módulo de aterrizaje solo envía FM cuando transmite video.

Interceptación

La URSS monitoreó la telemetría de las misiones Apolo.

En los EE. UU. Era legal que los operadores de radioaficionados monitorearan la telemetría, pero la FCC emitió una directiva que requería que la NASA aprobara toda la divulgación de la intercepción de telemetría de Apolo. En agosto de 1971, los radioaficionados Paul Wilson (W4HHK) y Richard T. Knadle, Jr. (K2RIW) escucharon señales de voz del Apolo 15 mientras giraba alrededor de la Luna. Describieron su trabajo en un artículo para QST . También informaron que habían recibido señales del Apolo 16.

Influencias del diseño

La Estación Espacial Internacional , Skylab y otras estaciones espaciales orbitales tienen (o han tenido) algún tipo de subsistema unificado de comunicaciones por microondas. La influencia de ingeniería duradera del USB es que casi todas las misiones humanas en el espacio han tenido algún tipo de sistema unificado de comunicaciones por microondas.

Referencias

enlaces externos