El sistema Unified S-band ( USB ) es un sistema de seguimiento y comunicación desarrollado para el programa Apollo por la NASA y el Jet Propulsion Laboratory (JPL). Operaba en la porción de banda S del espectro de microondas, unificando comunicaciones de voz, televisión , telemetría , comando , seguimiento y alcance en un solo sistema para ahorrar tamaño y peso y simplificar las operaciones. La red terrestre USB estaba gestionada por el Centro de vuelos espaciales Goddard (GSFC). Los contratistas comerciales incluyeron Collins Radio , Blaw-Knox , Motorola y Energy Systems.
Los programas anteriores, Mercury y Gemini , tenían sistemas de radio separados para voz, telemetría y seguimiento. La voz y el comando de enlace ascendente, y los datos de telemetría y voz de enlace descendente se enviaron a través de sistemas de frecuencia ultra alta (UHF) y de muy alta frecuencia (VHF). [1] 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 requirió 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 apoyo terrestre. El sistema Unified S-band (USB) se desarrolló para abordar estas preocupaciones.
El sistema USB no reemplazó por completo a todos los demás transmisores de radio del Apollo. Apolo 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 hasta el LM a través del enlace de voz VHF. Los sistemas de radar de la nave espacial operaban en frecuencias separadas de las del USB.
El sistema de comunicaciones y medición de banda S fue desarrollado por el Laboratorio Lincoln del MIT en Lexington, Massachusetts, en el marco de 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. [2] [3]
El concepto fue presentado por el Laboratorio Lincoln en un informe inicial del 16 de julio de 1962 titulado Informe provisional sobre el desarrollo de un sistema interno de comunicaciones por RF a bordo para la nave espacial Apollo . En este informe, se demostró que muchas funciones electrónicas a bordo podrían realizarse de manera muy efectiva mediante un solo sistema que fuera 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 de Apollo, más tarde llamado Sistema de RF Integrado (o Integral), más tarde conocido como Sistema de Portador Unificado. La idea detrás del sistema de comunicaciones unificado de Banda S era reducir la cantidad de sistemas utilizados anteriormente en el programa espacial Mercurio, que proporcionaba una multiplicidad de equipos de transmisión y recepción electromagnética. En los primeros vuelos, estos operaban en siete frecuencias discretas dentro de cinco bandas de frecuencia ampliamente separadas. En gran parte por conveniencia, se emplearon las siguientes unidades separadas:
En muchas de las estaciones de la red Mercury se incluyeron instalaciones terrestres que coincidían con el equipo de esta cápsula.
Cuando se inició el proyecto Apolo, la NASA estipuló que se debería utilizar la mayor cantidad posible de equipos de la red terrestre Mercurio existente. Además, la nave espacial debía incluir un transpondedor compatible con las estaciones terrestres del Deep Space Instrumentation Facility (DSIF) establecidas por el Jet Propulsion Laboratory. 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 la Unified S-Band, North American Aviation, Inc. (la compañía que desarrolló los módulos de comando y servicio de Apollo) indicó que se instalarían los siguientes cuatro equipos en Apollo para uso tierra-nave espacial:
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 terrestre fueron el funcionamiento totalmente coherente y sincronizado en fase y el uso de un código binario pseudoaleatorio (parecido a ruido) para mediciones inequívocas de alcance a largas distancias. La elección de métodos de modulación y formas de onda 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. [3]
Se iban a desplegar aparatos electrónicos adicionales para la guía de encuentro, la altimetría lunar (y la de la Tierra) y 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 Mercurio, al Laboratorio Lincoln le resultó evidente que se produciría una considerable simplificación a bordo si en el Apolo se utilizara un único sistema integrado de comunicaciones y seguimiento en lugar de los cuatro sistemas enumerados anteriormente. [3]
A principios de 1962, se pidió a un pequeño grupo de miembros del personal del Laboratorio Lincoln que hicieran una demostración del concepto de portaaviones unificado a la NASA antes del 31 de diciembre de 1962. La demostración tenía como objetivo proporcionar evidencia experimental de que el concepto de portaaviones unificado era factible. Como la mano de obra era limitada, se decidió concentrarse en el enlace vehículo espacial-Tierra, el eslabón crítico 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 y sede espacial tripulados) y North American Aviation, Inc. [3]
La demostración del concepto de portadora unificada para el enlace vehículo espacial-Tierra se limitó a transmitir un código de medición de distancia y una señal de telemetría de banda ancha en una portadora de 47,5 mc por cable duro a través de un medio ruidoso y atenuante. El receptor terrestre simulado utilizó un bucle de bloqueo de fase . La referencia de portadora generada por el VCO del bucle de bloqueo de fase de la portadora se utilizó 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 determinar la distancia. La demostración simuló el efecto Doppler y la relación señal-ruido esperada para una misión Apolo. Los bucles de bloqueo de fase 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 existirán en el alcance máximo del Apolo y para una velocidad radial del vehículo espacial de 36.000 pies/seg. . La correlación de códigos de rango generalmente tomaba sólo unos segundos. [3]
Al principio, se sugirió que el transpondedor DSIF podría modificarse y aumentarse para usarlo en altimetría lunar y alcance de encuentro. Sin embargo, a medida que se hizo mayor hincapié en las técnicas de aterrizaje lunar y encuentro orbital lunar, se hizo evidente que serían preferibles equipos ópticos y de radar especializados 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.
De un resumen técnico de la NASA: [4]
El diseño del sistema USB se basa en un Doppler coherente y el sistema de rango pseudoaleatorio desarrollado por el JPL. El sistema de banda S utiliza las mismas técnicas que los sistemas existentes, siendo los principales cambios la inclusión de canales de voz y datos.
Se utiliza una única 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 alcance [...]. Esta información compuesta se utiliza para modular en fase la frecuencia portadora transmitida. Las frecuencias portadoras recibidas y transmitidas están relacionadas de forma coherente. Esto permite mediciones de la frecuencia Doppler portadora por parte de la estación terrestre 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 binarias de alcance, moduladas directamente sobre la portadora, son detectadas por el detector de fase de banda ancha y traducidas a una señal de vídeo.
Los datos de voz y telemetría que se transmitirán desde la nave espacial se modulan en subportadoras, se combinan con las señales de alcance de video y se utilizan para modular en fase la frecuencia portadora del enlace descendente. El transmisor transpondedor también puede estar modulado en frecuencia para la transmisión de información de televisión o datos grabados en lugar de señales de alcance.
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 única antena. El modo principal de seguimiento y comunicaciones es mediante el uso del modo de operación PM . Para ello se utilizan dos conjuntos de frecuencias separadas por aproximadamente 5 megaciclos [...]. Además del modo principal de comunicación, 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.
El Sistema Unificado de Banda S utilizó la banda 2025-2120 MHz para transmisiones a la nave espacial (enlaces ascendentes) y utilizó la banda 2200-2290 MHz para transmisiones desde la nave espacial (enlaces descendentes). Estas bandas están asignadas internacionalmente para investigación y operaciones espaciales , aunque según los estándares de 2014 el enlace ascendente ALSEP estaba en la parte equivocada de la banda (espacio profundo en lugar de cerca de la Tierra).
La Unidad de Retransmisión de Comunicaciones Lunares (LCRU) en el Lunar Rover (Apolo 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 implementó 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 la LCRU, de modo que el LM y la LCRU no transmitieran voz del enlace ascendente ni interfirieran entre sí.
El S-IVB tenía un transpondedor de seguimiento 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 del 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 durante el vuelo del Apolo 13 , ya que el LM tuvo que encenderse temprano para usarlo como bote salvavidas. [5]
Las frecuencias del LM también fueron utilizadas por subsatélites desplegados en la órbita lunar después de que el LM abandonó la Luna, como parte de las posteriores misiones J.
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 controlaba manualmente o mediante VOX , pero a diferencia de la radio bidireccional semidúplex ordinaria, ambas partes podían hablar al mismo tiempo sin interferencias mutuas.
El sistema de banda S suele utilizar modulación de fase (PM). PM, al igual que FM, tiene una amplitud ( sobre ) constante 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 PM es pequeño, por lo que la señal se parecía a una modulación de amplitud (AM) de doble banda lateral , excepto por la fase de la 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 desplaza 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 Apolo utiliza 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 .
Para ciertos enlaces descendentes de modulación de fase (PM), la relación de frecuencia de enlace ascendente a enlace descendente fue exactamente 221/240, con transpondedores coherentes utilizados. Un bucle de fase bloqueada 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 producía la portadora del enlace descendente si el enlace ascendente no estaba disponible.
Esta técnica "bidireccional" permitió mediciones de velocidad con una precisión del orden de centímetros/segundo, observando el desplazamiento Doppler de la portadora del enlace descendente. La técnica no requería un oscilador de alta precisión en la nave espacial, aunque todavía era necesario uno en tierra.
Los experimentos de la superficie lunar de ALSEP compartían un enlace ascendente común y no tenían un transpondedor coherente. Los retrorreflectores láser pasivos que dejaron 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 del ALSEP.
Como se mencionó anteriormente, las portadoras de enlace ascendente y descendente desempeñaron un papel fundamental en el seguimiento de naves espaciales. Las bandas laterales generadas por la información también transportada por el sistema debían mantenerse alejadas de las portadoras para evitar perturbar los bucles de bloqueo de fase utilizados para rastrearlas. 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 había sido desechado.
Las subportadoras podrían desactivarse cuando no sean necesarias. Esto mejoró los márgenes de señal para 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 podría establecerse en 1,6 kilobits/seg o 51,2 kilobits/seg. La velocidad más baja solo se usó durante condiciones de enlace deficientes o para conservar energía. Un modo de "voz de respaldo" apagó la subportadora NBFM de 1,25 MHz y transmitió 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, aparece repentinamente un ruido impulsivo o de "palomitas de maíz" que crece hasta cubrir las voces de los astronautas. Durante el alunizaje del Apolo 11, esto quedó ilustrado cuando el módulo lunar bloqueó ocasionalmente 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 orientable de banda S del Apolo 16 falló en el módulo lunar.
Las transmisiones de voz utilizaron tonos Quindar para la señalización dentro de banda.
El enlace descendente USB Apollo también tenía un modo de "llave de emergencia" para un oscilador de subportadora a 512 kHz. Esto podría haberse utilizado 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.
El sistema Apollo de banda S proporcionó mediciones precisas de alcance (distancia). La estación terrestre generó una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PN) a 994 kilobit/s y la añadió a la señal de banda base que iba al transmisor PM. El transpondedor repitió la secuencia. Al correlacionar las versiones recibidas y transmitidas, se pudo determinar el tiempo transcurrido y, por tanto, la distancia a la nave espacial en un margen de 15 metros. [6]
La secuencia PN, aunque determinista, tenía las propiedades de un flujo de bits aleatorio. Aunque la secuencia PN fue periódica, su período de aproximadamente 5 segundos excedió el mayor tiempo posible de ida y vuelta a la Luna, por lo que no habría ambigüedad en el tiempo recibido.
Los receptores 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 sólo 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 sólo puede determinar la distancia instantánea y la velocidad relativa. Sin embargo, un programa de determinación de órbita puede encontrar el vector de estado único de la nave espacial a partir de observaciones de alcance, velocidad de alcance (velocidad relativa) y ángulo de visión de la antena realizadas por una o más estaciones terrestres, suponiendo un movimiento puramente balístico de la nave espacial durante el intervalo de observación.
Una vez que se ha determinado el vector de estado, se puede predecir completamente la trayectoria futura de la nave espacial hasta el próximo evento propulsor.
Un astronauta tuvo que habilitar manualmente el giro del transpondedor. Utilizaba gran parte de la capacidad del ancho de banda del enlace descendente y sólo era necesario ocasionalmente, como durante el traspaso entre estaciones terrestres. Cuando la estación de enlace ascendente se fijara 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 perdiera el bloqueo durante un paso, repetiría la medición de alcance después de volver a adquirir el bloqueo.
Normalmente, el transmisor de enlace descendente era PM, para permitir un seguimiento Doppler coherente. Esto también admitía comandos, telemetría y voz bidireccional. Las señales de vídeo requerían más ancho de banda del que estaba disponible en este sistema. Otras señales de banda ancha, como los datos científicos o 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 vídeo de banda ancha, tampoco se podrán recibir señales de banda estrecha, como la voz.
El CSM contaba con 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 envió FM cuando transmitía video.
La URSS controló la telemetría de las misiones Apolo. [7] [8]
En los EE. UU. era legal que los radioaficionados monitorearan la telemetría, pero la FCC emitió una directiva que exigía que la NASA autorizara toda divulgación de la interceptación de la telemetría del Apollo. [ cita necesaria ] En agosto de 1971, los radioaficionados Paul Wilson (W4HHK) y Richard T. Knadle, Jr. (K2RIW) escucharon señales de voz del Apolo 15 mientras orbitaba la Luna. Describieron su trabajo en un artículo para QST . [9] También informaron que habían recibido señales del Apolo 16. [10] [11]
La Estación Espacial Internacional , Skylab así como otras estaciones espaciales orbitales tienen (o han tenido) algún tipo de subsistema unificado de comunicaciones por microondas. La influencia duradera de la ingeniería del USB es que casi todas las misiones humanas en el espacio han tenido algún tipo de sistema unificado de comunicaciones por microondas.