El sistema de banda S unificada ( USB ) es un sistema de seguimiento y comunicación desarrollado para el programa Apolo por la NASA y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL). Operaba en la porción de banda S del espectro de microondas, unificando las comunicaciones de voz, televisión , telemetría , comando , seguimiento y medición de distancia en un solo sistema para ahorrar tamaño y peso y simplificar las operaciones. La red terrestre USB era administrada por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard (GSFC). Entre los contratistas comerciales se encontraban 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 los comandos de enlace ascendente y los datos de voz y telemetría de enlace descendente se enviaban a través de sistemas de frecuencia ultraalta (UHF) y frecuencia muy alta (VHF). [1] La capacidad de seguimiento era una baliza de banda C interrogada por un radar terrestre. Con la distancia mucho mayor de Apollo, la medición pasiva no era factible, por lo que se requirió un nuevo sistema de medición activa. Apollo también planeó usar 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 sustituyó por completo a todos los demás transmisores de radio del Apolo. El Apolo siguió utilizando VHF entre los astronautas y el módulo lunar (LM) y el vehículo lunar 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 podía medir la distancia al LM a través del enlace de voz VHF. Los sistemas de radar de la nave espacial funcionaban en frecuencias distintas de las del USB.
El sistema de comunicaciones y medición de distancia en banda S fue desarrollado por el Laboratorio Lincoln del MIT en Lexington, Massachusetts, en el marco de la tarea A del contrato Apolo 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 el 16 de julio de 1962 titulado Informe provisional sobre el desarrollo de un sistema interno de comunicaciones por radiofrecuencia a bordo para la nave espacial Apolo . En este informe, se demostró que muchas funciones electrónicas a bordo podían realizarse de manera muy eficaz mediante un único sistema que era una adaptación adecuada del transpondedor desarrollado por el Laboratorio de Propulsión a Chorro para su uso con las estaciones de seguimiento DSIF. Éste fue el origen del Sistema de Meta para Apolo, más tarde llamado sistema de radiofrecuencia integrado (o integral), conocido más tarde como Sistema de portadora unificado. La idea detrás del sistema de comunicaciones de banda S unificado 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:
En muchas de las estaciones de la red Mercury se incluyeron instalaciones terrestres compatibles con este equipo de cápsula.
Cuando se inició el proyecto Apolo, la NASA estipuló que se debía utilizar la mayor cantidad posible de equipos de la red terrestre existente en 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 cislunar entre la Tierra y la Luna.
En la investigación preliminar de la Banda S Unificada, North American Aviation, Inc. (la compañía que desarrolló los módulos de comando y servicio del Apolo) indicó que los siguientes cuatro equipos se instalarían en el Apolo para uso tierra-nave espacial:
El transpondedor DSIF tenía una capacidad básica para realizar las funciones del transmisor FM VHF, el transceptor AM VHF y el transpondedor de banda C a distancias cercanas a la Tierra. Las características significativas del transpondedor y su equipo terrestre eran el funcionamiento totalmente coherente y bloqueado en fase y el uso de un código binario pseudoaleatorio (similar al ruido) para mediciones de alcance inequívocas 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 de portadora unificada a los requisitos de Apollo. [3]
Se instalarían aparatos electrónicos adicionales para la orientación de la misión, la altimetría lunar (y terrestre) y el control del aterrizaje lunar. Los requisitos para este equipo adicional no se habían establecido firmemente cuando el Laboratorio Lincoln comenzó sus investigaciones. A partir de la experiencia con el programa espacial Mercury, era evidente para el Laboratorio Lincoln que se obtendría una considerable simplificación a bordo si se utilizaba en el Apolo un único sistema integrado de comunicaciones y seguimiento en lugar de los cuatro sistemas enumerados anteriormente. [3]
A principios de 1962, se solicitó a un pequeño grupo de miembros del personal del Laboratorio Lincoln que proporcionaran 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. Dado que la mano de obra era limitada, se decidió concentrarse en el enlace entre el vehículo espacial y la Tierra, el enlace 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 espacial tripulado y sede) y North American Aviation, Inc. [3]
La demostración del concepto de portadora unificada para el enlace entre el vehículo espacial y la 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 rígido a través de un medio ruidoso y atenuante. El receptor terrestre simulado utilizó un bucle de enganche de fase . La referencia de portadora generada por el VCO del bucle de enganche de fase de la portadora se utilizó para heterodinar la señal recibida a vídeo, un proceso de demodulación sincrónica. Se utilizó un método de correlación para procesar los códigos transmitidos y recibidos para la medición de distancia. La demostración simuló el efecto Doppler y la relación señal/ruido esperados para una misión Apolo. Los bucles de enganche 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 previstas para el alcance máximo de Apolo y para una velocidad radial del vehículo espacial de 36.000 pies/seg. La correlación del código de alcance generalmente tomó sólo unos segundos. [3]
En un principio, se sugirió que el transpondedor DSIF podría modificarse y ampliarse para que se pudiera utilizar en altimetría lunar y medición de distancias de encuentro. Sin embargo, a medida que se hizo mayor hincapié en las técnicas de aterrizaje lunar y de encuentro orbital lunar, se hizo evidente que sería preferible un equipo óptico y de radar especializado para esas aplicaciones. En consecuencia, la mayor parte de los esfuerzos en el Laboratorio Lincoln del MIT se dirigieron al 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 en 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 los 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. Los datos de voz y de actualización se modulan en subportadoras y luego se combinan con los datos de medición de distancia [...]. 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 que la estación terrestre mida la frecuencia portadora Doppler 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 de comando. Las señales binarias de medición de distancia, moduladas directamente sobre 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 transmiten desde la nave espacial se modulan en subportadoras, se combinan con las señales de medición de distancia por vídeo y se utilizan para modular en fase la frecuencia de la portadora de enlace descendente. El transmisor del transpondedor también puede modularse en frecuencia para la transmisión de información de televisión o datos grabados en lugar de señales de medición de distancia.
El sistema USB básico tiene la capacidad de proporcionar datos de seguimiento y comunicaciones para dos naves espaciales simultáneamente, siempre que se encuentren dentro del ancho de haz de la antena única. El modo principal de seguimiento y comunicaciones es mediante el uso del modo de operación PM . Para este propósito se utilizan dos conjuntos de frecuencias separadas por aproximadamente 5 megaciclos [...]. Además del modo principal de comunicaciones, el sistema USB tiene la capacidad de recibir datos en otras dos frecuencias. Estas se utilizan principalmente para la transmisión de datos FM desde la nave espacial.
El sistema unificado de banda S utilizaba la banda de 2025 a 2120 MHz para la transmisión a la nave espacial (enlaces ascendentes) y la banda de 2200 a 2290 MHz para las transmisiones desde la nave espacial (enlaces descendentes). Estas bandas están asignadas 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 profundo en lugar de cerca de la Tierra).
La Unidad de Retransmisión de Comunicaciones Lunares (LCRU) del Rover Lunar (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 implementaba un transpondedor coherente. Se utilizaron subportadoras de voz independientes 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 retransmitieran simultáneamente la voz ascendente e interfirieran entre sí.
El S-IVB tenía un transpondedor de seguimiento USB para su uso 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 ser encendido antes de tiempo para ser utilizado como bote salvavidas. [5]
Las frecuencias del LM también fueron utilizadas por subsatélites desplegados en órbita lunar después de que el LM abandonara la Luna, como parte de las misiones J posteriores .
El uso de dos bandas de frecuencia separadas hizo posible el funcionamiento en dúplex completo . La Tierra y la nave espacial transmitían de forma continua. El audio del micrófono se modulaba manualmente o por VOX , pero a diferencia de la radio bidireccional semidúplex común , ambos lados podían hablar al mismo tiempo sin interferencias mutuas.
El sistema de banda S suele utilizar modulación de fase (PM). La PM, al igual que la 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 de banda lateral doble (AM) excepto por la fase de la portadora. En AM, el componente de la portadora tiene una amplitud constante a medida 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 la modulación y, en algunos índices de modulación, la portadora puede desaparecer por completo. Por eso Apollo utiliza un índice de modulación bajo: para dejar una portadora fuerte que se pueda utilizar para un seguimiento de velocidad de alta precisión mediante la medición de su desplazamiento Doppler .
Para ciertos enlaces descendentes con modulación de fase (PM), la relación de frecuencia entre el enlace ascendente y el descendente era exactamente 221/240, y se utilizaban transpondedores coherentes . Un bucle de sincronización de fase en la nave espacial multiplicaba 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 realizar mediciones de velocidad con una precisión del orden de centímetros por segundo, observando el efecto Doppler de la portadora descendente. La técnica no requirió un oscilador de alta precisión en la nave espacial, aunque sí fue necesario uno en tierra.
Los experimentos de superficie lunar de 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 durado mucho más que la electrónica activa de los otros experimentos de ALSEP.
Como se mencionó anteriormente, las portadoras 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 debían mantenerse alejadas de las portadoras para evitar perturbar los bucles de enganche de fase utilizados para rastrearlas. Esto se hizo mediante el uso de varias subportadoras .
El enlace ascendente tenía dos subportadoras: la de 30 kHz tenía voz ( Capcom ) y la de 70 kHz tenía datos de comando para actualizar las computadoras de vuelo con datos de seguimiento terrestre y para el comando de desorbitar el módulo lunar una vez que hubiera sido arrojado.
Las subportadoras se podían desactivar cuando no se necesitaban, lo que mejoraba los márgenes de señal para los demás 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 podía configurar a 1,6 kilobits/seg o 51,2 kilobits/seg. La velocidad más baja solo se utilizaba en condiciones de enlace deficientes o para ahorrar energía. Un modo de "voz de respaldo" apagaba la subportadora NBFM de 1,25 MHz y transmitía voz en la portadora principal de banda S. Esto proporcionaba más margen, pero una calidad de voz peor 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 de repente un ruido impulsivo o "palomitas de maíz" que aumenta hasta cubrir las voces de los astronautas. Durante el aterrizaje lunar del Apolo 11, esto se ilustró 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 de banda S orientable del Apolo 16 falló en el módulo lunar.
Las transmisiones de voz utilizan tonos Quindar para la señalización dentro de banda.
El enlace descendente USB del Apollo también tenía un modo de "tecla de emergencia" para un oscilador de subportadora a 512 kHz. Esto podría haberse utilizado para enviar código Morse si el modo de voz no era posible. Aunque este modo se probó durante el Apollo 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 banda S de la nave espacial Apollo producían 20 vatios; un transmisor de enlace ascendente producía 10 kW, una relación de 27 dB.
El sistema de banda S del Apolo permitió realizar mediciones precisas de alcance (distancia). La estación terrestre generó una secuencia de ruido pseudoaleatorio (PN) a 994 kilobit/s y la agregó a la señal de banda base que iba al transmisor 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 se pudieron determinar con una precisión de 15 metros. [6]
La secuencia PN, aunque determinista, tenía las propiedades de un flujo de bits aleatorio. Aunque la secuencia PN era periódica, su período de unos 5 segundos excedía el mayor tiempo posible de ida y vuelta a la Luna, por lo que no habría ambigüedad en su sincronización recibida.
Los receptores GPS modernos funcionan de manera similar, ya 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 relativas 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 órbita puede encontrar el vector de estado único de la nave espacial a partir de observaciones 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 determinado el vector de estado, se puede predecir completamente la trayectoria futura de la nave espacial hasta el próximo evento propulsivo.
El cambio de rumbo del transpondedor tenía que ser activado manualmente por un astronauta. Utilizaba gran parte de la capacidad de ancho de banda del enlace descendente y solo era necesario ocasionalmente, como durante el traspaso entre estaciones terrestres. Cuando la estación de enlace ascendente se conectaba con el transpondedor, este determinaba el alcance de la nave espacial. Las mediciones de velocidad Doppler actualizaban el alcance y la señal de medición se apagaba. Si una estación terrestre perdía el enlace durante un pase, repetía la medición de alcance después de recuperar el enlace.
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 datos científicos o de ingeniería, también requerían más ancho de banda. Un sistema de modulación de frecuencia de banda ancha proporcionó una mejor relación señal-ruido 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 vídeo de banda ancha, las señales de banda estrecha, como la voz, tampoco se pueden recibir.
El CSM tenía transmisores FM y PM que funcionaban para la transmisión simultánea de voz, telemetría y video. El transmisor LM podía transmitir solo FM o PM, pero no simultáneamente en ambos modos. Como la modulación de frecuencia hace que el seguimiento Doppler sea ineficaz, el módulo de aterrizaje solo transmitía FM cuando transmitía video.
La URSS monitoreó 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 requería que toda divulgación de la interceptación de telemetría del Apolo fuera aprobada por la NASA. [ cita requerida ] 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 y otras estaciones espaciales orbitales tienen (o han tenido) algún tipo de subsistema unificado de comunicaciones por microondas. La influencia ingenieril duradera del USB es que casi todas las misiones humanas en el espacio han tenido algún tipo de sistema unificado de comunicaciones por microondas.