ミストラム

MISTRAM ( MISsile TRAjectory Measurement ) は、アメリカ空軍(後にNASA ) がロケット打ち上げの非常に詳細な軌道解析を行うために使用した高解像度の追跡システムでした。

1960 年代から使用されている「古典的な」測距システムでは、レーダーを使用して無線信号がターゲット (この場合はロケット) まで移動して戻ってくるまでの時間を計測します。この技術の精度は約 1% です。この技術の精度は、信号の開始を正確に定義できるように鋭い無線の「パルス」を作成する必要があるために制限されます。パルスの鋭さには、実際的および理論的な制限があります。さらに、高精度の時計が導入されるまでは、信号のタイミング自体に不正確さが生じることがよくありました。

MISTRAM では、連続信号を放送することでこれを回避しました。基本システムでは、発射場 (フロリダ州バルカリアとバハマのエルーセラ島) の下流にある地上局と、宇宙船のトランスポンダーを使用しました。追跡局は X バンドの搬送信号を送信し、トランスポンダーはそれに応答して別の (シフトした) 周波数で再放送しました。局から放送される搬送周波数をゆっくりと変更し、返される信号の位相と比較することで、地上管制は宇宙船までの距離を非常に正確に測定できました。アナログ回路を使用した場合でも、MISTRAM は月までの距離で 1 km 未満の精度でした。

より厳格な弾道ミサイル試験要件を満たすため、1950年代から1960年代にかけて、いくつかのシステムが設計、調達され、米空軍東部射撃場の計測機器に追加されました。AZUSA連続波追跡システムは、1950年代半ばにケープに、1960年代初期にグランドバハマに追加されました。AN /FPS-16レーダーシステムは、1958年から1961年の間にケープ、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に導入されました。1960年代初期には、ミニットマンミサイルの飛行を支援するために、MISTRAM（ミサイル軌道測定）システムがフロリダ州バルカリアとバハマのエルーセラ島に設置されました。

MISTRAM は、L 字型に配置された 5 つの受信局のグループで構成される高度な干渉計システムです。基線は 10,000 フィート (3,000 m) と 100,000 フィート (30,000 m) です。中央局には単純な追跡アンテナが内蔵されています。中央局から最も遠い遠隔局までの距離は約 100,000 フィート (30,000 m) です。中央局と 4 つの遠隔局のアンテナはミサイルの飛行を追跡し、その無線ビーコンから信号を受信します。

MISTRAM システムでは、地上局が宇宙船に搬送波を送信し、宇宙船はこの搬送波を別の周波数で返します。地上局はアップリンク搬送波をスイープし、スイープ中にダウンリンク搬送波の位相シフトが測定 (カウント) されます。往復遅延時間は、T = (デルタ-ファイ) / (デルタ-f) で示されます。ここで、デルタ-f は周波数シフト (たとえば、約 4000 Hz)、デルタ-ファイは測定された位相シフト (ラジアン) です。T = 2 秒 (約月の距離) とすると、デルタ-ファイ = 8000 ラジアン、つまり (8000*180)/Pi になります。また、位相は 1 度の精度で測定できると仮定します。つまり、範囲は (600000*1*Pi)/(2*8000*180) = 0.33 km の精度で決定できることを意味します。上で説明した搬送波に非常に近い追加の搬送波は周波数が固定されており、位相基準として使用されます。この搬送波と 2 つの周波数 (スイープが変化する周波数) は、同じ基本発振器周波数の倍数として生成されます。この方法では、MISTRAM で行われたように、すべての信号は固定位相関係を持ちます。同様の技術が、月の表面を調査するために 183.54 MHz でソ連の Luna 20 宇宙船で使用されました。^[1]

MISTRAM は、米国空軍東部試験場でミサイルの軌道を精密に測定するために開発されたマルチスタティック長基線レーダー干渉計です。マルチスタティック レーダー システムは、2 か所以上のサイトで複数の送信機と受信機のサブシステムが協調して使用されるため、より複雑です。地理的に分散したすべてのユニットが、受信サイトでの同時受信により、集合的なターゲットの捕捉、検出、位置の特定、解決に貢献します。簡単に言えば、マルチスタティック レーダーとは、共通の空間カバレッジ エリアを持つ 2 か所以上の受信サイトがあり、これらのカバレッジ エリアからのデータが中央の場所で結合および処理されるシステムです。これらのシステムは、複数のバイスタティック ペアであると考えられます。マルチスタティック レーダー システムには、妨害や対レーダー兵器の防止など、さまざまな用途があります。

この測定方法は理論的にも実際的にも新しいものではないが、MISTRAM システムに実装された独自の方法により、他の長いベースライン軌道測定システムではこれまで得られなかった精度と正確さで機体の飛行パラメータを測定できるようになった。これは主に、遠隔局から中央局に信号の位相情報をそのまま転送するという独自の方法によって実現された。各ベースラインの双方向伝送経路は、地面の形状と温度の変動による不確実性を相殺するために使用された。^[2]

マスターステーションまたは中央ステーションの送信機は、公称 8148 MHz と 7884 ～ 7892 MHz の 2 つの CW X バンド周波数を生成します。高い方の周波数 (レンジ信号) は非常に安定していますが、低い方の周波数 (較正信号) は指定された範囲で定期的にスイープされます。航空機搭載トランスポンダーは信号を受信し、増幅して 68 MHz で周波数シフトし、地球に再送信します。ドップラーシフトは速度を決定するために使用されます。^[3]

フロリダ MISTRAM システムは、100,000 フィート (30,000 メートル) のベースライン (約 18.9 マイル) を持ち、設計性能は次のとおりです。

トランスポンダーは、地上装置から送信された 2 つの位相コヒーレント X バンド CW 信号を受信します。68 MHz のコヒーレント周波数オフセットを持つクライストロンは、受信された各信号に位相ロックされます。これらのクライストロンは、位相コヒーレントな返信送信を提供します。連続および較正 の 2 つの独立した位相ロック ループがあります。

MISTRAM「A」モデルトランスポンダー仕様

動作周波数（公称）

連続 - 8148 MHz 受信

8216 MHz送信

キャリブレーション - 7884～8992（スイープ）受信

7952から7960（スイープ）送信

入力電力 - 25.2～32.2 V DC で最大 5.25 アンペア

出力 - 500 mW以上/チャンネル

ウォームアップ時間 - 0℃以上で最大1分

取得時間 - 最大0.1秒

位相コヒーレンス - 256 MHz - 45 度以内 (最大 0.25 フィートの範囲誤差)

8 MHz - 2 度以内 (範囲誤差最大 0.36 フィート (110 mm))

ダイナミックレンジ = -39～-105 dBm

身体的特徴

サイズ: 230×310×140 mm (取り付け突起部を含む)

導波管ポート: 高さを低くした 2 つの X バンド (送信 1 つ、受信 1 つ)

寿命: 3 年。動作時間 500 時間。

ゼネラル・エレクトリック社のM236コンピュータは、1960年代にMISTRAMやその他の大型軍用レーダープロジェクトを支援するために開発された。（ニーランズ博士によると、プロジェクトに関わった一部の軍人は「コンピュータ」に頼らないことに固執していたため、この「情報プロセッサ」が開発された。）この高速36ビットミニコンピュータは、ニューヨーク州シラキュースのGE重軍事電子工学部門（HMED）で開発され、最終的にはメインフレームコンピュータのGE-600シリーズにつながった。M236は、レーダーベースのミサイル飛行測定システムでのリアルタイム処理用に設計されたもので、オーバーラップ命令処理、Fortranに必要な浮動小数点演算、ベースレジスタや境界レジスタなどのオペレーティングシステムサポート機能など、いくつかの汎用機能が欠けていた。^{[4] M-236コンピュータは、米国空軍ケープカナベラルミサイル実験場向けに開発され、}エルーセラ島（バハマ）に設置された。 36 ビットのコンピュータワード長は、レーダー追跡計算と、ケープにあるIBM 7094との必要なデータ交換に必要でした。M-236 の主任設計者は、後に GE の大型コンピュータ システムの技術リーダーとなるジョン クルールでした。

M236 をベースとした汎用コンピュータの開発をめぐる賛否の議論は 1 年以上を要し、最終的には 1963 年 2 月に M2360 プロジェクト推進派の勝利で幕を閉じました。GE の上層部は、GE 社内で使用している IBM リース機器のレンタル料を節約できるチャンスに感銘を受けました (新しいプロジェクトの開発費用は、わずか 1 年間のレンタル料で相殺されると見積もられていました)。GE の他の部門はそれほど感銘を受けず、IBM マシンを捨てることに消極的でした。^[5]

GE-600 シリーズは、1959 年の MISTRAM プロジェクトで行われた作業に基づいて、ジョン・クーラー率いるチームによって開発されました。MISTRAM は、多数のプロジェクト (アポロ計画を含む) で使用されたミサイル追跡システムであり、空軍はケープ カナベラルの追跡ステーションにデータ収集コンピュータを設置することを要求しました。データは最終的にケープにある 36 ビットの IBM 7094 マシンと共有されるため、コンピュータも 36 ビットである必要があったと考えられます (IBM 7094 を使用しなかった理由は謎です)。GE は、このタスクのために M236 と呼ばれるマシンを構築しましたが、36 ビットの必要性の結果として、7094 と非常によく似た動作をするようになりました。^[6]

シラキュースの GE 重軍事電子部門は、ATLAS ミサイル システム用の追跡システム MISTRAM を設計、構築しました。これは実際には高度なコンピュータ システムでした。これは、IBM と競合するオープン マーケットに投入されるマシンのラインを開発しないという点で、コーディナーの指示に完全に一致していました (ラルフ J. コーディナーは、1958 年から 1963 年までゼネラル エレクトリックの会長兼 CEO でした)。このプロジェクトには、先行開発費を GE ではなく米国政府が支払うという利点もあり、これは GE の 570 人の「会計担当者」にとってはるかに満足のいく取り決めでした。これらの状況により、コンピュータ部門が MISTRAM の機会を再現する可能性が生まれました。ずっと後になって、その結果、コンピュータ部門のマシン 32 台が注文されました。しかし、MISTRAM コンピュータは、GE の最も成功し、長きにわたって存続したコンピュータ ファミリーである GE 600 ラインにつながるジョン クルールによる一連の開発の最初のものでした。^[7]

MISTRAMはミニットマン弾道ミサイルの慣性誘導システムの開発と試験に使用され、その後ジェミニ宇宙船とサターンV発射システムの試験にも使用されました。1971年に空軍東部試験場のMISTRAM Xバンド干渉計が廃止されたため、飛行試験コミュニティには、その性能が評価されていた慣性誘導システムよりも優れている、またはそれに匹敵する従来の地上距離計測システムがありませんでした。^[8]これは、GPSの開発と展開に先立つ数年間に当てはまりました。

最初のミニットマンミサイル（MM I）は1960年代初頭に空軍東部試験場（AFETR）から発射され、AZUSA CW追跡システムで追跡されました。AZUSA追跡データの比較的低い品質と評価技術が初歩的な段階であったため、全体的な誤差を推定することしかできず、個々の慣性測定装置（IMU）の誤差源を切り分けることは不可能でした。^[9]

その後、AFETR で改良された追跡システム UDOP と MISTRAM が開発され、はるかに高品質の速度追跡プロファイルが実現しました。ミニットマン II 飛行試験プログラムでは、飛行後の IMU 精度評価に大幅な改善が行われました。これらの改善の中で最も重要なのは、速度誤差プロファイルをフィルタリングするためにカルマン アルゴリズムを使用した最大尤度誤差推定の導入でした。ミニットマン III 飛行試験プログラム中の UDOP および MISTRAM 追跡システムの継続的な改善と評価手法の改良により、NS-20A1 IMU の誤差源についてかなりの洞察を得ることができました。^[9]

軌道と軌道の推定における主要な問題の 1 つは、軌道とその他の重要なパラメータの精度を現実的に推定することです。軌道の場合、解決できないパラメータには、ジオポテンシャル定数、サーベイなどがあります。これらの要因は、軌道の全体的な不確実性、そしてもちろんエフェメリス予測に影響します。ランダムなモデル化されていないエラーに基づいて精度の推定値を取得するために、分散共分散伝播を実行する統計手法が開発されました。MISTRAM システムにおけるモデル化されていないエラー伝播の例は、Geos B 衛星で示されました。^[10]

ルイス・J・ニーランズ博士は、1950年代から60年代初頭にかけてゼネラル・エレクトリック社の電子研究所および重軍事電子工学部門（HMED）に在籍していたときに一緒に働いた人々から、エンジニアの中のエンジニアと呼ばれてきました。ミサイル誘導とテレメトリへの貢献により、彼はHMEDの最も困難で成功した2つの取り組みであるアルタス誘導プログラムとMISTRAMプログラムの重要人物となりました。^[11]

振り返ってみると、ニーランズはアトラス誘導装置の開発で最大の満足感は得られなかったと述べている (ニーランズ氏は「アトラス誘導装置は、それを組み立てて機能させた他の大勢の人たちのおかげで成功した」と述べている)。ニーランズ氏がもっと誇りを持って思い出すのは、ミサイル追跡・測定システムである MISTRAM である。「当時、要求される複雑さと精度においてこれに匹敵するものはなかった」と、ニーランズ氏はミサイルの飛行を正確に追跡するリアルタイム測定システムについて回想する。ニーランズ氏の同僚の 1 人は次のように回想している。「1960 年にニーランズ氏は、軌道測定という難問を解決した。つまり、離れた受信局から受信した信号を 1 か所に集めて処理し、局間を接続する媒体の伝播異常による不正確さを克服するという問題である。ニーランズ氏が解決した関連する問題は、測定の曖昧さを生じさせずに、また、これらの曖昧さを解決するために多数の受信局を必要としない、必要な角度測定精度を実現するのに十分な周波数を使用してこれを実現する方法である」。ニーランズ氏は前例のない精度のシステムを考案した。^[10]ヘルメスA-3ロケット誘導に関する技術研究はルイス・J・ニーランズ博士が主導し、成功したシステムを生み出した。そのノウハウは後に8014プロジェクトとして知られる別のICBM誘導システムや、高精度のミストラム計測機器にも応用され、すべてマイクロ波干渉計の使用に基づいていた。^[11] ニーランズ博士は2007年7月17日にフロリダ州ゲインズビルの自宅で91歳で亡くなった。

年表

MISTRAM は、フロリダ州パトリック空軍基地の米国空軍ミサイル試験センターの支援を受けて、ニューヨーク州シラキュースのゼネラル・エレクトリック社の防衛システム部門重軍事電子工学部で設計・開発されました (契約番号 AF08 (6060) 4891)。フロリダ州バルカリアの Mistram I は 1962 年に運用が開始され、バハマのエルーセラ島では 1963 年に Mistram II が運用されました。当初の契約金額は 1,550 万ドルで、1960 年 7 月 12 日に発表されました。

論文

MISTRAM は、工学の理学修士号取得のためのいくつかの論文のテーマとなっています。

• ヘンリー F カー。ケース スタディ: ミストラム タイプ B トランスポンダーの開発。論文 (MS) - フロリダ州立大学、1966 年。33 ページ。OCLC: 44949051
• ウィリアム R スレルケルド。屈折測定の応用による MISTRAM 追跡精度の向上。学位論文: 論文 (MS) - フロリダ州立大学。1965 年。97 ページ。OCLC: 10939666
• トーマス・アーヴィン・オズボーン。ミストラム - ミサイル軌道測定システム。学位論文：修士論文 - シラキュース大学、1964 年。56 ページ。OCLC: 79314654