MISTRAM ( MISsile TRAjectory Measurement ) fue un sistema de seguimiento de alta resolución utilizado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (y más tarde por la NASA ) para proporcionar un análisis muy detallado de la trayectoria de los lanzamientos de cohetes .
Un sistema de medición de distancias "clásico" utilizado desde los años 1960 utiliza un radar para cronometrar el viaje de una señal de radio hasta un objetivo (en este caso, el cohete) y de regreso. Esta técnica tiene una precisión de aproximadamente el 1%. La precisión de esta técnica está limitada por la necesidad de crear un " pulso " de radio nítido para que se pueda definir con precisión el inicio de la señal. Existen límites prácticos y teóricos para la nitidez del pulso. Además, la sincronización de las señales a menudo introducía imprecisiones propias hasta la introducción de relojes de alta precisión.
En el MISTRAM, esto se evitó mediante la transmisión de una señal continua. El sistema básico utilizaba una estación terrestre ubicada a cierta distancia del lugar de lanzamiento (en Valkaria, Florida y la isla Eleuthera, Bahamas ) y un transpondedor en el vehículo. La estación de seguimiento transmitía una señal portadora de banda X a la que el transpondedor respondía retransmitiéndola en otra frecuencia (desplazada). Al cambiar lentamente la frecuencia de la transmisión portadora desde la estación y compararla con la fase de la señal que se devolvía, el control terrestre podía medir la distancia al vehículo con mucha precisión. Incluso con los circuitos analógicos utilizados, el MISTRAM tenía una precisión de menos de 1 km a la distancia de la Luna.
Para cumplir con los requisitos más estrictos de las pruebas de misiles balísticos , se diseñaron, adquirieron y agregaron varios sistemas a la instrumentación del Campo Este de la Fuerza Aérea de los EE. UU. en las décadas de 1950 y 1960. El sistema de seguimiento de onda continua AZUSA se agregó al Cabo a mediados de la década de 1950 y a Gran Bahama a principios de la década de 1960. El sistema de radar AN/FPS-16 se introdujo en el Cabo, Gran Bahama , San Salvador , Ascensión y la isla este de Gran Bahama entre 1958 y 1961. A principios de la década de 1960, el sistema MISTRAM (medición de la trayectoria de los misiles) se instaló en Valkaria, Florida y en la isla Eleuthera en las Bahamas para apoyar los vuelos de misiles Minuteman .
MISTRAM es un sofisticado sistema de interferómetro que consta de un grupo de cinco estaciones receptoras dispuestas en forma de L. Las líneas de base están a 10.000 pies (3.000 m) y 100.000 pies (30.000 m). La estación central contiene una antena de seguimiento sencilla. La distancia desde la estación central hasta la estación remota más alejada es de aproximadamente 100.000 pies (30.000 m). Las antenas de la estación central y de las cuatro estaciones remotas siguen el vuelo de un misil y reciben señales de su radiobaliza.
En el sistema MISTRAM, la estación terrestre transmite una portadora a la nave espacial y la nave espacial devuelve esta portadora en otra frecuencia. La estación terrestre barre la portadora de enlace ascendente y el desplazamiento de fase de la portadora de enlace descendente se mide (cuenta) mientras se barre. El tiempo de retardo de ida y vuelta se puede demostrar como T = (delta-phi) / (delta-f); donde delta-f es el desplazamiento de frecuencia (~4000 Hz por ejemplo) y delta-phi el desplazamiento de fase medido en radianes. Supongamos que T = 2 segundos (~distancia lunar), entonces delta-phi = 8000 radianes, es decir, (8000*180)/Pi. Supongamos también que la fase se puede medir con una precisión de 1 grado, es decir, significa que el rango se puede determinar con una precisión de (600000*1*Pi) / (2*8000*180) = 0,33 km. Una portadora adicional muy cercana a la descrita anteriormente que permaneció fija en frecuencia y se utilizó como referencia de fase. Esa portadora y las dos frecuencias (entre las que cambiaba el barrido) se generaron como múltiplos de la misma frecuencia básica del oscilador. De esta manera, todas las señales tendrían una relación de fase fija, como se hizo en MISTRAM. Una técnica similar se utilizó en la nave espacial soviética Luna 20 a 183,54 MHz para estudiar la superficie de la Luna. [1]
El MISTRAM era un interferómetro de radar multiestático de línea base larga desarrollado para mediciones precisas de trayectorias de misiles en el campo de pruebas oriental de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Los sistemas de radar multiestático tienen una mayor complejidad con múltiples subsistemas de transmisión y recepción empleados de manera coordinada en más de dos sitios. Todas las unidades geográficamente dispersas contribuyen a la adquisición, detección, determinación de posición y resolución colectivas del objetivo, con recepción simultánea en los sitios receptores. En un sentido más simple, los radares multiestáticos son sistemas que tienen dos o más sitios de recepción con un área de cobertura espacial común, y los datos de estas áreas de cobertura se combinan y procesan en una ubicación central. Estos sistemas se consideran pares biestáticos múltiples. Los sistemas de radar multiestático tienen varios usos, incluida la prevención de interferencias y municiones antirradar.
Aunque este método de medición no es nuevo, ni en teoría ni en la práctica, la forma única en que se implementaron las técnicas en el sistema MISTRAM permite la medición de los parámetros de vuelo del vehículo con un grado de precisión y exactitud que no se había obtenido anteriormente en otros sistemas de medición de trayectorias de línea base largas. En gran medida, esto se logró mediante un método único de transferencia intacta de la información de fase en las señales desde las estaciones periféricas a la estación central. Se utilizó una ruta de transmisión bidireccional en cada línea base para cancelar las incertidumbres debidas a la variación en la geometría y la temperatura del terreno. [2]
El transmisor de la estación maestra o central genera dos frecuencias de banda X de onda continua, nominalmente 8148 MHz y 7884 a 7892 MHz. La frecuencia más alta (la señal de rango) es muy estable, mientras que la frecuencia más baja (la señal calibrada) se barre periódicamente a lo largo del rango indicado. El transpondedor aéreo recibe las señales, las amplifica y las desplaza en frecuencia en 68 MHz, y las retransmite de vuelta a la Tierra. El efecto Doppler se utiliza para determinar la velocidad. [3]
El sistema MISTRAM de Florida tenía líneas de base de 100.000 pies (30.000 m) (~18,9 millas) con un rendimiento de diseño como el siguiente:
El transpondedor recibe las dos señales de onda continua de banda X coherentes en fase transmitidas desde el equipo de tierra. Un klistrón con un desplazamiento de frecuencia coherente de 68 MHz está sincronizado en fase con cada una de las señales recibidas. Estos klistrones proporcionan la transmisión de retorno coherente en fase. Hay dos bucles de sincronización en fase separados , continuo y calibrado.
El ordenador General Electric M236 fue desarrollado para dar soporte a MISTRAM y otros grandes proyectos de radar militar en los años 1960. (Según el Dr. Neelands, ciertas personas militares involucradas en el proyecto se mostraron inflexibles en cuanto a no confiar en "ordenadores", por lo que se desarrolló este "procesador de información"). Este miniordenador de 36 bits de alta velocidad fue desarrollado por el Departamento de Electrónica Militar Pesada de GE (HMED) en Syracuse, Nueva York , lo que finalmente dio lugar a la serie de ordenadores mainframe GE-600 . El M236 fue diseñado para el procesamiento en tiempo real en un sistema de medición de vuelo de misiles basado en radar y carecía de algunas características de propósito general, como el procesamiento de instrucciones superpuestas, las operaciones de punto flotante necesarias para Fortran y las características de soporte del sistema operativo, como los registros de base y límites . [4] El ordenador M-236 fue desarrollado para el Campo de Misiles de Cabo Cañaveral de la Fuerza Aérea de los EE. UU. y se instaló en Eleuthera (Bahamas). La longitud de palabra de 36 bits era necesaria para los cálculos de seguimiento por radar y para el intercambio de datos requerido con un IBM 7094 ubicado en el Cabo. El arquitecto principal del M-236 fue John Couleur , quien más tarde se convertiría en el líder técnico de los grandes sistemas informáticos de GE.
El debate a favor o en contra del desarrollo posterior de un ordenador de propósito general derivado del M236 duró más de un año y concluyó finalmente con la victoria de los defensores del proyecto M2360 en febrero de 1963. La alta dirección de GE estaba impresionada por la oportunidad de ahorrarse los gastos de alquiler de los equipos alquilados por IBM que GE utilizaba internamente (se estimaba que el coste del desarrollo del nuevo proyecto se compensaría con sólo un año de alquiler). Los demás departamentos de GE no estaban muy impresionados y se mostraban reacios a deshacerse de sus máquinas IBM. [5]
La serie GE-600 fue desarrollada por un equipo dirigido por John Couleur basándose en el trabajo realizado para el proyecto MISTRAM en 1959. MISTRAM era un sistema de seguimiento de misiles que se utilizó en varios proyectos (incluido el Proyecto Apolo) y la Fuerza Aérea requería que se instalara una computadora de recolección de datos en una estación de seguimiento en el área de Cabo Cañaveral. Los datos eventualmente se compartirían con la máquina IBM 7094 de 36 bits en Cabo, por lo que la computadora probablemente también tendría que ser de 36 bits (por qué no usaron una IBM 7094 es un misterio). GE construyó una máquina llamada M236 para la tarea y, como resultado de las necesidades de 36 bits, terminó actuando de manera muy similar a la 7094. [6]
El Departamento de Electrónica Militar Pesada de GE en Syracuse diseñó y construyó un sistema de seguimiento para el sistema de misiles ATLAS llamado MISTRAM, que en realidad era un sistema informático avanzado. Esto estaba en plena consonancia con las instrucciones de Cordiner, ya que no desarrollaría una línea de máquinas que se colocaran en el mercado abierto en competencia con IBM. (Ralph J. Cordiner fue presidente y director ejecutivo de General Electric de 1958 a 1963). Este proyecto también tenía la ventaja de que los gastos iniciales de desarrollo los pagaría el gobierno de los EE. UU. en lugar de GE, un acuerdo mucho más satisfactorio para los 570 "contadores" de GE. Estas circunstancias generaron la posibilidad de duplicar la oportunidad de MISTRAM para el departamento de informática. Mucho más tarde, el resultado fue un pedido de 32 máquinas del departamento de informática. Sin embargo, la computadora MISTRAM fue la primera de una serie de desarrollos de John Couleur que condujeron a lo que puede considerarse la familia de computadoras más exitosa y duradera de GE: la línea GE 600. [7]
El MISTRAM se utilizó en el desarrollo y prueba del sistema de guía inercial para el misil balístico Minuteman, y posteriormente se utilizó para probar la nave espacial Gemini y el sistema de lanzamiento Saturno V. Con el desmantelamiento del interferómetro de banda X MISTRAM en el Campo de Pruebas del Este de la Fuerza Aérea en 1971, la comunidad de pruebas de vuelo no tenía un sistema convencional de instrumentación de alcance basado en tierra mejor que, o comparable a, los sistemas de guía inercial cuyo rendimiento se estaba evaluando. [8] Esto fue así en los años intermedios previos al desarrollo y despliegue del GPS.
Los primeros misiles Minuteman (MM I) se lanzaron a principios de los años 1960 desde el campo de pruebas oriental de la Fuerza Aérea (AFETR) y se rastrearon con el sistema de seguimiento de CW AZUSA. La calidad comparativamente baja de los datos de seguimiento de AZUSA, combinada con la etapa rudimentaria de las técnicas de evaluación, solo permitió la estimación del error total; no fue posible aislar las fuentes de error individuales de la unidad de medición inercial (IMU). [9]
El desarrollo posterior de sistemas de seguimiento mejorados, UDOP y MISTRAM, en AFETR produjo perfiles de seguimiento de velocidad de mucha mayor calidad. Durante el programa de pruebas de vuelo Minuteman II, se realizaron mejoras significativas en la evaluación posterior al vuelo de la precisión de la IMU. La más importante de estas mejoras fue la introducción de la estimación de error de máxima verosimilitud utilizando el algoritmo Kalman para filtrar el perfil de error de velocidad. La mejora continua de los sistemas de seguimiento UDOP y MISTRAM y el refinamiento de las técnicas de evaluación durante el programa de pruebas de vuelo Minuteman III hicieron posible obtener una comprensión considerable de las fuentes de error de la IMU NS-20A1. [9]
Uno de los principales problemas en la estimación de trayectorias y órbitas es obtener una estimación realista de la precisión de la trayectoria y otros parámetros importantes. En el caso orbital, algunos de los parámetros que no se pueden resolver son las constantes geopotenciales, el estudio, etc. Estos factores afectarán la incertidumbre total en la órbita y, por supuesto, las predicciones de efemérides. Se desarrolló una técnica estadística que realiza una propagación de varianza-covarianza para obtener estimaciones de precisión basadas en errores aleatorios y no modelados. Se presentó un ejemplo de la propagación de errores no modelados en el sistema MISTRAM para el satélite Geos B. [10]
El Dr. Lewis J. Neelands ha sido llamado un ingeniero de ingenieros por las personas que trabajaron con él cuando estaba en el Laboratorio de Electrónica de General Electric Corporation y el Departamento de Electrónica Militar Pesada (HMED) en la década de 1950 y principios de la de 1960. Sus contribuciones a la guía y telemetría de misiles lo convirtieron en una figura clave en los programas Altas Guidance y MISTRAM, dos de los esfuerzos más desafiantes y exitosos de HMED. [11]
En retrospectiva, Neelands dijo que no obtuvo su mayor satisfacción de su trabajo en el sistema de guía Atlas (sobre el cual dijo que "tuvo éxito gracias a un grupo de otras personas que lo armaron y lo hicieron funcionar"). Es el MISTRAM, el sistema de seguimiento y medición de misiles, el que recuerda con mayor orgullo. "Nada podía igualarlo en ese momento en cuanto a la complejidad y precisión que requería", recuerda sobre el sistema de medición en tiempo real para rastrear con precisión el vuelo de un misil. Uno de sus colegas recuerda: "En 1960 resolvió el escurridizo problema de la medición de la trayectoria: reunir en un lugar para su procesamiento las señales recibidas de estaciones receptoras muy espaciadas y superar las imprecisiones debidas a las anomalías de propagación en el medio que conecta las estaciones. Un problema relacionado que Lew resolvió fue cómo hacer esto utilizando frecuencias suficientemente altas para desarrollar la precisión de medición angular requerida sin ambigüedades de medición y sin requerir un gran número de estaciones receptoras para resolver estas ambigüedades". Concibió un sistema de precisión sin precedentes. [10] El trabajo técnico sobre la guía del cohete Hermes A-3 estuvo a cargo del Dr. Lewis J. Neelands y dio como resultado un sistema exitoso con conocimientos técnicos que luego se transfirieron a otro sistema de guía de ICBM conocido como el proyecto 8014 y también al equipo de instrumentación de alta precisión Mistram, todos ellos basados en el uso de un interferómetro de microondas. [11] El Dr. Neelands murió en su casa en Gainesville, Florida, el 17 de julio de 2007, a la edad de 91 años.
El MISTRAM fue diseñado y desarrollado por la División de Electrónica Militar Pesada, Departamento de Sistemas de Defensa de la General Electric Company, Syracuse, Nueva York, bajo el patrocinio del Centro de Pruebas de Misiles de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, Base Aérea Patrick, Florida (Contrato AF08 (6060) 4891). El Mistram I en Valkaria, Florida, se puso en funcionamiento en 1962 y el Mistram II en Eleuthera, Bahamas, en 1963. El contrato original por 15,5 millones de dólares se anunció el 12 de julio de 1960.
MISTRAM ha sido tema de varias disertaciones para maestrías en ciencias en ingeniería.