AN/FPS-16 計装レーダー

AN /FPS-16は、 NASAの有人宇宙計画、米国空軍、米国陸軍で広く使用されている、高精度の地上設置型モノパルス単一物体追跡レーダー (SOTR) です。レーダー セット AN/FPS-16 の精度は、点光源ターゲットから取得した位置データの方位角および仰角誤差が 0.1ミリラジアン(約 0.006 度) 未満、距離誤差が 5 ヤード (5 m) 未満、信号対雑音比が 20 デシベル以上というレベルです。

統合電子型式指定システム（JETDS）に基づき、すべての米軍レーダーおよび追跡システムには、固有の識別英数字の指定が割り当てられています。「AN」（陸軍と海軍の略）の文字が3文字のコードの前に付けられます。^[1]

• 3 文字コードの最初の文字は、電子機器をホストするプラットフォームの種類を示します。A は航空機、F は固定式 (陸上ベース)、S は船舶搭載型、T は地上輸送可能型です。
• 2 番目の文字は機器の種類を示します。P はレーダー (パルス)、Q はソナー、R は無線です。
• 3 番目の文字はデバイスの機能または目的を示します。G は射撃管制、R は受信、S は捜索、T は送信です。

したがって、AN/FPS-16は陸海軍の「固定レーダー捜索」電子機器の16番目の設計を表しています。^{[1] [2]}

最初のモノパルス レーダーは、既存の設計の角度制限を克服するために、1943 年に海軍研究所(NRL)で開発されました。モノパルス技術は、受信した各パルスの角度を同時に判定します。このレーダー技術の向上により、長距離での角度精度が、以前の射撃およびミサイル制御レーダーの 10 倍に向上しました。モノパルス レーダーは現在、すべての最新の追跡およびミサイル制御レーダーの基礎となっています。モノパルス レーダーは複数の国で独自に秘密裏に開発されましたが、 NRL のRobert Morris Pageが発明者として一般に認められており、この技術に関する米国特許を保有しています。

モノパルス技術は、米国の初期の大陸防空兵器であるナイキ・アジャックスミサイルシステムに最初に適用されました。よりコンパクトで効率的なモノパルスアンテナ給電とローブ比較導波回路を提供するために多くの改良が加えられ、モノパルス追跡レーダーは、NASAやFAAなどの軍事機関や民間機関で一般的に受け入れられている追跡レーダーシステムになりました。

NRL のモノパルス レーダーに関する研究は、最終的に AN/FPS-16 へとつながりました。これは、NRL と RCA が共同で開発した、ミサイル射場専用に設計された最初のレーダーです。AN/FPS-16 は、 1958 年にケープ カナベラルで打ち上げられた最初の米国宇宙衛星であるエクスプローラー 1 号とヴァンガード 1 号の誘導に使用されました。

マーキュリー計画で使用されたCバンドモノパルス追跡レーダー（AN/FPS-16）は、Sバンド円錐スキャン対応の超長距離追跡（VERLORT）レーダーシステムよりも本質的に正確でした。AN/FPS-16レーダーシステムは、 1958年から1961年の間にケープカナベラル、グランドバハマ、サンサルバドル、アセンション、東グランドバハマ島などの施設とともに大西洋ミサイル試験場で導入されました。南オーストラリア州ウーメラのオーストラリア兵器研究施設の試験場に設置されたFPS-16も、マーキュリー計画およびそれ以降のミッションのためにNASAネットワークに接続されていました。NASAの捕捉支援およびテレメトリシステムは、オーストラリアのレーダーと同じ場所に設置されていました。

正確な軌道データを提供する信頼性を確保するために、マーキュリー宇宙船には C バンドと S バンドの協調ビーコンが装備されていました。地上レーダー システムは、宇宙船のレーダー ビーコンと互換性がある必要がありました。C バンドの要件を満たすために、ほとんどの国のミサイル発射場で使用されている FPS-16 レーダーが選択されました。元々、射程距離は 250 海里 (460 km) しかありませんでしたが、プロジェクト用に選択された FPS-16 レーダー ユニットのほとんどは、NASA の要件である 500 海里 (900 km) まで動作するように改造され、残りのシステム用に改造キットが入手されました。基本的なレーダー システムに加えて、すべてのサイトからコンピューターにデータを送信できるように、必要なデータ処理機器も提供する必要がありました。

マーキュリー計画の追跡ネットワーク用に当初計画されていた FPS-16 システムには、利用可能な捕捉時間内に宇宙船を確実に捕捉するための適切なディスプレイとコントロールがありませんでした。そのため、計器レーダー捕捉 (IRACQ、Increase RAnge Acquisition) の改造を行う契約がメーカーと交渉されました。関係する地球近傍宇宙船にとって、FPS-16 の主な制限は、その機械的な距離ギアボックスでした。これは素晴らしいエンジニアリングの成果です。しかし、信号捕捉時に通常 700 海里 (1,300 km、810 mi) の距離にあるターゲットの場合、[AOS] では、レーダーは 2 回目の追跡を行っていました。つまり、このパルス間期間に受信されたパルスは、以前に送信されたパルスによるものであり、700 nmi (1,300 km、810 mi) の距離を示しています。距離が縮まるにつれて、戻りパルスは、次の送信パルスが発生する時間にますます近づいてきました。送受信スイッチが受信 (Rx) を切断し、送信 (Tx) をその瞬間にアンテナに接続することを念頭に置いて、それらが一致すると、追跡が失われます。そのため、IRACQ は電子測距システムを提供しました。その機能は、システムが角度追跡を維持できるように、Az および El 受信機チャネルに必要なゲート パルスを提供することです。このシステムは、距離カウンタのクロック ジェネレータとして電圧制御水晶発振器 [VCXO] を使用しました。早期/後期ゲート システムは、クロック周波数を増加する [ターゲットが近づいている場合] または減少する [ターゲットが開いている場合] というエラー電圧を生成し、ターゲットを追跡するようにゲートを生成します。また、ターゲットが 16,000 ヤード (15 km) 未満の表示距離に達すると、送信機トリガー パルスの生成を引き継ぎ、これを 16,000 ヤード (15 km) 遅延させて、受信したパルスが、通常タイミングの Tx パルスのいわゆるビッグバンを通過できるようにしました。レーダー操作員は、IRACQ が角度追跡を維持しながら、距離システムを最小距離から最大距離まで旋回させ、ターゲットの実際の距離である 500 nmi (900 km) 未満でターゲットを追跡し直します。ターゲットが最接近点 (PCA) を通過して距離が増加すると、このプロセスが最大距離表示で繰り返されました。最も困難な通過は、ターゲットが PCA に、たとえば 470 nmi の距離で来るような軌道の場合でした。その通過では、レーダーがビッグバンによって距離を縮め、その後すぐに距離を広げるため、レーダー操作員は非常に懸命に作業する必要がありました。 IRACQ コンソールには C スコープが付属しており、これに関連付けられた小型ジョイスティックで C スコープのオペレーターはアンテナ角度サーボ システムを制御して、指向角度を調整し、信号を捕捉することができました。IRACQ にはスキャン ジェネレーターが付属しており、これはアンテナを公称指向位置の周りのいくつかの事前決定された検索パターンの 1 つで駆動し、IRACQ ができるだけ早くターゲットを捕捉することが望ましいとされています。この変更の重要な機能は、すべての着信ビデオ信号を調べ、角度のみのトラックを確立できることです。角度範囲内で宇宙船を捕捉すると、IRACQ システムの他の機能には、追加の角度スキャン モードとレーダー位相制御があり、宇宙船ビーコンの複数のレーダー調査が可能になりました。ビーコン ローカル オシレーター波計を追加することで、宇宙船と送信機の周波数ドリフトを判定できるようになりました。

設置プログラムの初期段階で、バミューダ FPS-16 の航続距離を 500 マイル (800 km) 以上に延長する必要があることが認識されました。500 マイル (800 km) の航続距離制限では、重要な挿入フェーズでロケットの持続エンジン停止 (SECO) 前の 30 秒間しか宇宙船を追跡できませんでした。航続距離を 1,000 マイル (2,000 km) に延長することで、宇宙船をより早く捕捉し、バミューダ コンピュータと飛行力学コンソートに追加のデータを提供できるようになりました。この変更により、SECO 後にゴー/ノーゴーの決定を行うために有効なデータを利用できる可能性も高まりました。

VERLORT レーダーは、わずかな変更のみで S バンドの要件を満たしました。重要な変更は、特定の角度追跡機能の追加と追加の角度スキャン モードです。フロリダ州のエグリン空軍基地では、MPQ-31 レーダーが S バンド追跡に使用され、マーキュリー計画の要件を満たすように範囲が拡張されました。データ処理機器は、基本的に FPS-16 と同じでした。座標変換および送信機器がエグリンに設置され、MPQ-31 と FPS-16 の両方が、中央アナログ データ配信および計算 (CADDAC) を介して大西洋ミサイル実験場 (AMR) レーダーに 3 座標指定データを供給できるようになりました。

C バンド レーダー トランスポンダー (モデル SST-135C) は、AN/FPS-16 および AN/FPQ-6 レーダー システムを備えたレーダー地上局の範囲と精度を向上させることを目的としています。ケネディ宇宙センター、大西洋ミサイル実験場、および世界中の他の多くの場所にある C バンド レーダー局は、グローバルな追跡機能を提供します。車両 204 および 501 から、2 つの C バンド レーダー トランスポンダーが計器ユニット (IU) に搭載され、車両の姿勢に関係なくレーダー追跡機能を提供します。この配置は、1 つのトランスポンダーのみを使用する場合に必要なアンテナ スイッチング回路よりも信頼性が高くなります。

トランスポンダは、地上局からコード化されたまたは単一パルスの質問を受信し、同じ周波数帯域で単一パルスの応答を送信します。受信と送信には共通のアンテナが使用されます。トランスポンダは、スーパーヘテロダイン受信機、デコーダ、変調器、送信機、および電源の 5 つの機能システムで構成されています。デュプレクサ (4 ポートの強磁性サーキュレータ) は、受信機と送信機の間を分離します。質問パルスはアンテナから受信機に向けられ、応答パルスは送信機からアンテナに向けられます。3 つの同軸キャビティで構成されるプリセレクタは、受信帯域外のすべての RF 信号を減衰します。受信信号は、ミキサーで 50 MHz の中間周波数にヘテロダインされ、検出器も含まれる IF アンプで増幅されます。コード化された送信の場合、デコーダ モジュールは、受信したパルス ペア間に正しい間隔がある場合にのみパルス出力を提供します。デコーダーの整形パルス出力は変調器に送られ、変調器はそれを高出力で正確に整形され、正確に遅延されたパルスに変換し、マグネトロンに適用して応答パルスを生成します。入力信号レベル、入力パルス繰り返し周波数 (PRF)、温度、入射電力、反射電力、応答 PRF の 6 つのテレメトリ出力が提供されます。

局部発振器とマグネトロンを除くすべての回路に半導体が使用されています。

レーダー地上局は、距離、方位角、仰角を測定して、車両の C バンド トランスポンダーの位置を特定します。距離はパルスの移動時間から算出され、角度の追跡は振幅比較モノパルス技術によって行われます。最大 4 つのレーダー局が同時にビーコンを追跡できます。

NASA有人宇宙飛行ネットワーク(MSFN) の地上ベースの C バンド パルス レーダーの種類は、AN/FPS-16、AN/MPS-39、AN/FPQ-6、AN/TPQ-18 です。MPS-39 は、宇宙給電フェーズド アレイ技術を使用した可搬型機器です。TPQ-18 は、FPQ-6 の可搬型バージョンです。インジケーター AN (元々は「陸軍 - 海軍」) は、必ずしも陸軍、海軍、または空軍が機器を使用していることを意味するわけではなく、単にそのタイプの命名法が軍事命名法システムに従って割り当てられたことを意味します。3 文字のプレフィックス、FPS、MPS、FPQ、および TPQ の意味は次のとおりです。

• FPS - 固定; レーダー; 検出および/または範囲と方位
• MPS - 地上、移動式、レーダー、検出および/または距離と方位
• FPQ - 固定、レーダー、特殊、または目的の組み合わせ
• TPQ - 地上、輸送可能、レーダー、特殊、または目的の組み合わせ。

AN/FPS-16 レーダーセット
代表的な技術仕様
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表示形式: デュアルトレースCRT、
   A/R および R タイプを表示します。

送信機データ -
   公称電力: 1 MW ピーク (固定周波数マグネトロン)
                  250kWピーク（調整可能マグネトロン）。
   頻度
      固定: 5480 プラスマイナス 30 MHz
      調整可能: 5450～5825 MHz

パルス繰り返し周波数（内部）:
   341、366、394、467、569、682、732、853、
   1024、1280、1364、または1707パルス/秒

パルス幅: 0.25、0.50、1.0 μs

コード グループ: 送信機の 0.001 デューティ サイクル制限内で最大 5 パルス。

レーダー受信機データ -
   ノイズ指数: 11 dB
   中間周波数: 30 MHz
   帯域幅: 8 MHz
   狭帯域幅: 2 MHz
   ゲインコントロールのダイナミックレンジ: 93 dB

ゲート幅
   トラッキング: 0.5 μs、0.75 μs、1.25 μs
   取得: 1.0 μs、1.25 μs、1.75 μs

カバレッジ
   範囲: 500 から {{convert|400000|yd|m|-5|abbr=on}}
   方位角: 360°連続
   仰角: マイナス10度からプラス190度

サーボ帯域幅
   範囲: 1～10 Hz (var)
   角度: 0.25～5 Hz (var)

動作電源要件: 115 V AC、
   60 Hz、50 kV·A、3相

AN/FPS-16 は、角度追跡情報を作成するために導波管ハイブリッド ラビリンス コンパレータを使用する C バンド モノパルス レーダーです。コンパレータは、12 フィート (4 m) の放物面反射鏡の焦点にある 4 つのフィード ホーン アレイから RF 信号を受信します。コンパレータは、各ホーンが受信したエネルギーのベクトル加算と減算を実行します。仰角追跡データは、コンパレータで、上部の 2 つのホーンの合計の差として生成されます。方位角追跡エラーは、2 つの垂直ホーン ペアの合計の差です。4 つのホーンすべてのベクトル合計は、3 番目のチャネルで結合されます。共通のローカル オシレータを備えた 3 つのミキサーと、方位角、仰角、合計信号にそれぞれ 1 つずつ、30 MHz IF ストリップ 3 つが使用されます。

同じ 4 つのホーン クラスターが RF 送信に使用されます。送信機の出力はコンパレータ ラビリンスに送られ、コンパレータ ラビリンスは出力電力を 4 つのホーンすべてに均等に分割する役割を果たします。受信機は送信時間中、TR チューブによって保護されます。

ホーン クラスターは、12 フィート (4 m) のパラボラ反射鏡の焦点付近にあります。送信サイクル中、エネルギーは 4 つのホーンに均等に分配されます。受信サイクル中、仰角および方位角コンパレータ アームの出力は、ターゲットの位置と電気軸の間の角度変位量を表します。軸外ターゲットについて考えてみましょう。イメージは焦点からずれており、ホーンの表面での信号強度の差が角度変位を示しています。ターゲットがオンの状態では、4 つのホーンそれぞれで等しく同位相の信号が発生し、仰角および方位角アームからの出力はゼロになります。

合計、方位角、仰角信号は 30 MHz IF信号に変換され、増幅されます。次に、仰角信号と方位角信号の位相が合計信号と比較され、誤差極性が判定されます。これらの誤差は検出され、整流され、増幅され、アンテナ位置決めサーボの制御に使用されます。基準信号の一部が検出され、ビデオ距離追跡信号およびビデオ スコープ表示として使用されます。角度システムの精度を維持するには、高精度のアンテナ マウントが必要です。

FPS-16 アンテナ台座は精密機械加工された製品で、許容誤差が小さいように設計されており、機械組み立て中に反りが生じないように、ほこりのない空調設備の整った部屋で組み立てられています。台座は、機械的な剛性を確保するために鉄筋コンクリートの塔に取り付けられています。電子機器は、太陽放射による塔の反りを減らすために塔を取り囲む 2 階建てのコンクリートの建物に取り付けられています。

レーダーは、半電力点で 1.2 度のビーム幅を提供する 12 フィート (4 m)のパラボラ アンテナを使用します。レンジ システムでは、1.0、0.5、または 0.25 マイクロ秒幅のパルスを使用します。パルス幅と PRF は、プッシュボタンで設定できます。1 秒あたり 341 ～ 1707 パルスの 12 種類の繰り返し周波数を選択できます。ジャックが用意されており、これを介して外部ソースから変調器にパルスを送出できます。外部変調により、1 ～ 5 パルスのコードを使用できます。

3 つの座標すべてにおいて、ポテンショメータ、シンクロ、およびデジタル情報のデータ レーキオフが提供されます。方位角と仰角のデジタル データは、光学式アナログ/デジタル エンコーダから取得されます。各パラメータには、あいまいさを解決できる 2 つのギア コーダが使用されます。各角度のデータは、シリアル形式のグレー コード17 ビット ワードです。重複するあいまいさビットは削除され、データは、コンピュータへの転送用に記録される前に、巡回グレー コードからストレート バイナリに変換されます。レンジ サーボは、あいまいさを解決してコード変換した後、シリアル形式の 20 ビット ストレート バイナリ ワードを提供します。同じタイプの光学式エンコーダが使用されます。

AN/FPS-16 アンテナ台座は、地上から 27 フィート (8 m) 上に伸びる 12 x 12 フィート (4 x 4 m) のコンクリート タワーに取り付けられています。設置されたアンテナの中心は、地上から約 36 フィート (11 m) 上にあります。電子機器、補助システム、保守セクションなどは、66 x 30 x 24 フィート (20 x 9 x 7 m) の 2 階建てのコンクリート ブロック ビルディングに収容されています。ビルディングは台座タワーを取り囲んでいますが、台座タワーには接続されていません。この建設方法により、タワーは機器ビルディングの空調環境内に配置され、太陽放射や、システム本来の精度を低下させるその他の気象の影響から保護されます。各ステーションの電力要件は、120/208 ボルト、±10 ボルト、4 線、60 Hz、175 kV·A です。

AN/FPS-16 と AN/FPQ-6 は C バンド追跡レーダー システムです。次の表では、それらの主な特性を比較しています。

レーダー地上局の特徴
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                           AN/FPS-16 AN/FPQ-6
                           --------- ---------
周波数帯域（MHz）. . 5400-5900 5400-5900
ピーク出力（MW）......1.3 3.0
アンテナサイズ（メートル）... 3.9 9.2
アンテナ利得（dB）......47 52
受信機雑音指数（dB）6.5 8
角度精度（単位） . . . 0.15 0.1
距離精度（メートル）.. 4.5 3.0

最初の実験モデルは、X バンド RF システムとレンズ型アンテナを使用して作成されました。その後、反射アンテナを備えた C バンドに変更されました。このレーダーは、ヴァンガードで使用するためにさらに改良され、現在はフロリダ州パトリック空軍基地の大西洋ミサイル実験場に設置されています。

このモデルは 2 台製造されました。1 台は BWI のグランド バハマ島に設置され、もう 1 台はニュージャージー州ムーアズタウンの RCA (現在のロッキード マーティン) に残されました。これらのレーダーは、後に生産されたモデルとほぼ同じです。

これは AN/FPS-16 (XN-2) の実験バージョンで、3 メガワットの改造キット、円偏波キット、データ修正キット、照準テレビキットが含まれています。このレーダーは、ニュージャージー州ムーアズタウンの RCA に設置されました。

これは (XN-3) に従って改造された量産型 AN/FPS-16 です。ホワイトサンズ ミサイル実験場にある 3 台のレーダーと、ニュージャージー州ムーアズタウンにある 1 台のレーダーが改造されています。AN/MPS-25 は、トレーラー搭載型量産型 AN/FPS-16 の名称です。

これは、陸上の Talos システムのターゲット追跡装置として使用するために作られた AN/FPS-16 の改良版です。2 つのモデルが WSMR に設置されました。さらに 2 つのモデルが改造され、DAMP プロジェクトで大西洋ミサイル実験場で使用するために船に設置されました。5 番目のレーダーは、 DAMP プロジェクト研究施設の一部として、ニュージャージー州ムーアズタウンの RCA に設置されました。

AN/FPS-16 レーダーセット
主要コンポーネントと物理データ
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コンポーネント 数量 全体寸法 単位 重量
                                            (インチ) (ポンド)
---------- --- ------------------ --------

アンプ電子制御 1 3.1 x 3.7 x 10.4 6
AM-1751/FPS-16

チューニングドライブ 1 3.1 x 3.ix 10 3
TG-55/FPS-16

制御電気周波数 1 3.7 x 4.7 x 19.2 6
C-2278/FPS-16

コントロールアンプ 1 3.7 x 1.7 x 17.2 5
C-2276/FPS-16

エアコン1 32 x 56 x 73 1500

エアコン 1 18 x 72 x 76 1500

アンプフィラメント供給 13 3.7 x 3.7 x 5 1

角度補正アンプ2 8.2 x 15.5 x 19.5 24
（方位角と仰角）

角度制御ユニット 1 8.2 x 15.5 x 19.5 20
AM-1760/FPS-16

角度誤差増幅器2 8.2 x 13.7 x 19.5 21
（方位角と仰角）

アングルサーボプリアンプ 2 2.5 x 6 x 19.5 10
（方位サーボ、仰角サーボ）

角度加算アンプ2 12.2 x 15.5 x 19.5 24
（方位角と仰角）

アジマスドライバーアンプ 1 8.2 x 13.7 x 19.5 21
AM-1759/FPS-16

1960 年代以降、多数の AN/FPS-16 および TPQ-18 システムに大幅な改良と更新が取り入れられました。

デジタル測距マシン (DIRAM、ADRAN) 電気機械式距離サーボ追跡マシンは、ハードワイヤード デジタル ロジック距離追跡サブシステム (数世代) に置き換えられました。アーリー レイト ゲート距離エラー信号のアナログ レシーバー入力が統合され、距離カウンターのカウントアップ/ダウン増分が生成され、これがデコードされて追跡ゲートが生成され、約 ~5.25MHz (~190nSec) の解像度でトリガーが表示されます。同様のカウントとデコードを使用して、送信タイミング (T0、PRF、...) が生成されました。タップ遅延線技術を使用して、より高解像度のタイミングが生成されました。

ドップラー速度抽出システム (DVES) この変更には、デジタル測距の変更が含まれ、汎用デジタル コンピュータと、AN/FPQ-6 CSP (コヒーレント信号プロセッサ) ドップラー速度追跡サブシステムのサブセットが追加されました (AN/FPQ-6 を参照)。FPS-16 (および MPS-36) で省略された CSP 機能は、非常に狭い水晶フィルタでの受信信号 I&Q IF 統合でした。コヒーレント送信、LO 受信、およびドップラー速度追跡サーボ ループは、クリーンで曖昧さのない速度データのために含まれていました。汎用デジタル コンピュータは、パルス ドップラー曖昧さ解決フィルタリングを提供し、Az-El 追跡用の角度サーボ ループ クロージャ、およびその他の機能を実装しました。

 この記事には空軍歴史研究局の パブリックドメイン資料が組み込まれています。

• レーダー セット - タイプ: AN/FPS-16。米国空軍 TM-11-487C-1、第 1 巻、MIL-HDBK-162A。1965 年 12 月 15 日。
• RM ページ。レーダーによる正確な角度追跡。NRL レポート RA-3A-222A、1944 年 12 月 28 日。
• RM Page の米国特許第 2,929,056 号、「同時ロービング追跡レーダー」、1960 年 3 月。
• LA ゲブハード。海軍無線電子工学の発展と海軍研究所の貢献。NRL レポート 8300、1979 年。
• NASA 出版物 SP-45、「1963 年 5 月 15 日と 16 日の第 4 回有人軌道飛行の結果を含むマーキュリー計画の概要」、1963 年 10 月。
• Danielsen, EF; Duquet, RT FPS-16 と GMD-1 の測定と風データの処理方法の比較。応用気象学ジャーナル、第 6 巻、第 5 号、pp. 824–836、1967 年 10 月。
• Scoggins, JR FPS-16 レーダー/球状気球技術によって測定された詳細な風データの評価。NASA 技術ノート TN D-1572、30 ページ、1963 年。
• Hoihjelle, Donald L. AN/FPS-16(AX) レーダーモデリングとコンピュータシミュレーション。国防技術情報センター受入番号: AD0738167、ホワイトサンズミサイルレンジ N Mex 計装局、25 ページ。1972 年 2 月。

• 米国の軍事電子機器のリスト