統合Sバンド

統合S バンド( USB ) システムは、NASAとジェット推進研究所(JPL)がアポロ計画のために開発した追跡および通信システムです。マイクロ波スペクトルのS バンド部分で動作し、音声通信、テレビ、テレメトリ、コマンド、追跡および測距を 1 つのシステムに統合して、サイズと重量を節約し、操作を簡素化しました。USB 地上ネットワークは、ゴダード宇宙飛行センター(GSFC) によって管理されていました。民間請負業者には、コリンズ ラジオ、ブロー ノックス、モトローラ、エナジー システムズなどがありました。

以前の計画であるマーキュリーとジェミニでは、音声、テレメトリ、追跡に別々の無線システムがあった。アップリンクの音声とコマンド、およびダウンリンクの音声とテレメトリのデータは、極超短波(UHF) と超短波(VHF) システムを介して送信された。^[1]追跡機能は、地上のレーダーによって調べられるC バンドビーコンであった。アポロの距離がはるかに長かったため、パッシブレンジングは実行不可能であったため、新しいアクティブ レンジング システムが必要であった。アポロでは、既存のシステムではサポートされていないテレビ送信も計画されていた。最後に、3 つの異なる周波数を使用することで、宇宙船のシステムと地上サポートが複雑になった。これらの懸念に対処するために、統合 S バンド (USB) システムが開発された。

USB システムは、アポロの他のすべての無線送信機を完全に置き換えたわけではありません。アポロでは、船外活動中の宇宙飛行士と月着陸船(LM) および月面車の間、着陸船と司令船の間、軌道上および回収段階で宇宙船と地球ステーションの間で、VHF が引き続き使用されました。バックアップとして、CM は VHF 音声リンクを介して月着陸船までの距離を測定できました。宇宙船のレーダー システムは、USB とは別の周波数で動作しました。

Sバンド通信および測距システムは、マサチューセッツ州レキシントンにあるMITリンカーン研究所で、リンカーン研究所アポロ契約のタスクAに基づいて開発された。設計アプローチは、宇宙船の設計と機能的に互換性のある代替統合通信システムの開発であった。^{[2] [3]}

このコンセプトは、1962 年 7 月 16 日のリンカーン研究所による最初の報告書「アポロ宇宙船用機内 RF 通信システムの開発に関する中間報告書」で発表されました。この報告書では、ジェット推進研究所が DSIF 追跡ステーションで使用するために開発したトランスポンダーを適切に改造した単一のシステムによって、多くの機内電子機能を非常に効率的に実行できることが示されました。これが、後に統合 (またはインテグラル) RF システムと呼ばれ、さらに後に統合キャリア システムとして知られるようになったアポロの目標システムの起源です。統合 S バンド通信システムの背後にあるアイデアは、マーキュリー宇宙計画で以前に使用されていたシステムの数を減らすことでした。このシステムでは、多数の電磁送信および受信装置が提供されていました。初期の飛行では、これらは 5 つの大きく離れた周波数帯内の 7 つの個別の周波数で動作していました。主に便宜上の理由で、次の個別のユニットが採用されました。

• HF音声送信機と受信機
• UHF音声送信機および受信機
• コマンド受信機
• テレメトリー送信機 No.1
• テレメトリー送信機 No.2
• Cバンドトランスポンダービーコン
• Sバンドトランスポンダービーコン

このカプセル機器に適合した地上設備は、マーキュリー ネットワーク ステーションの多くに含まれていました。

アポロ計画が開始されたとき、NASA は、既存のマーキュリー地上ネットワーク機器を可能な限り活用することを規定しました。さらに、宇宙船には、ジェット推進研究所によって設置された深宇宙計測施設 (DSIF) 地上局と互換性のあるトランスポンダーが搭載されることになりました。このトランスポンダーは、地球と月の間の地球近傍空間での通信と追跡に使用されます。

統合 S バンドの予備調査において、ノースアメリカン アビエーション社 (アポロのコマンド モジュールとサービス モジュールを開発した会社) は、地上から宇宙船までの使用のために次の 4 つの機器がアポロに搭載されることを示しました。

• DSIFトランスポンダー（Sバンド）（地球周回距離用）テレビ、音声、テレメトリデータ、測距信号の送信用
• テレメトリデータの送信用VHF FM送信機（地球近傍距離用）
• 音声の送受信や救助機の誘導用VHF AMトランシーバー（近距離用）
• レーダー追跡用のCバンドトランスポンダー（地球近傍距離用）

DSIFトランスポンダは、地球近傍距離でVHF FM送信機、VHF AMトランシーバ、Cバンドトランスポンダの機能を実行する基本的な機能を備えていました。トランスポンダとその地上機器の重要な特徴は、全コヒーレント、位相ロック動作と、長距離での明確な距離測定のための疑似ランダム（ノイズのような）バイナリコードの使用でした。上りおよび下りのRFリンクに最適な変調方式と波形を選択することは、統合キャリアシステムをアポロの要件に適合させる上で重要な要素でした。^[3]

追加の電子機器は、ランデブー誘導、月（および地球）高度測定、月面着陸制御のために配備される予定だった。リンカーン研究所が研究を開始した時点では、この追加機器の要件は明確には定まっていなかった。マーキュリー宇宙計画の経験から、リンカーン研究所は、アポロで上記の4つのシステムの代わりに単一の統合通信追跡システムを使用すれば、機内が大幅に簡素化されることは明らかだった。^[3]

1962年初頭、リンカーン研究所のスタッフの小グループが、1962年12月31日までにNASAに統合キャリアコンセプトのデモンストレーションを提供するよう依頼された。デモンストレーションは、統合キャリアコンセプトが実現可能であるという実験的証拠を提供することを目的としていた。人員が限られていたため、システムの重要なリンクである宇宙船と地球のリンクに集中することが決定された。デモンストレーションは1962年12月17日までに利用可能になった。デモンストレーションは1963年1月17日にNASA（有人宇宙センターおよび本部）とノースアメリカン航空社のために開催された。^[3]

宇宙船と地球を結ぶ統合キャリア コンセプトのデモンストレーションは、ノイズが多く減衰する媒体を介して、47.5 mc のキャリアで測距コードと広帯域テレメトリ信号を送信することに限られていました。模擬地上受信機は位相同期ループを使用しました。キャリア位相同期ループのVCOによって生成されたキャリア リファレンスは、受信信号をビデオにヘテロダインするために使用され、同期復調のプロセスでした。相関法は、測距のために送信および受信コードを処理するために使用されました。デモンストレーションでは、アポロ ミッションで予想されるドップラー効果と信号対雑音比をシミュレートしました。受信機の位相同期ループは、最大アポロ距離で存在すると予測される信号対雑音比と、半径方向の宇宙船の速度 36,000 フィート/秒で、送信されたキャリア、テレメトリ サブキャリア、およびコード クロック コンポーネントをほぼ瞬時に取得しました。距離コードの相関には、通常、数秒しかかかりませんでした。^[3]

当初、DSIF トランスポンダは、月の高度測定やランデブー測距に使用できるように改良および拡張できると提案されました。しかし、月面着陸や月周回軌道ランデブー技術に重点が置かれるようになると、これらの用途には専用のレーダーや光学機器が望ましいことが明らかになりました。したがって、MIT リンカーン研究所の努力のほとんどは、アポロ宇宙船と地球間の通信および追跡リンクに向けられました。

NASAの技術概要より: ^[4]

USB システムの設計は、JPL が開発したコヒーレント ドップラーと疑似ランダム距離システムに基づいています。S バンド システムは既存のシステムと同じ技術を利用しています。主な変更点は、音声チャネルとデータ チャネルが追加されたことです。

宇宙船と地上間のすべての追跡および通信データの送信には、各方向に単一の搬送周波数が使用されます。音声および更新データはサブキャリアに変調され、測距データと結合されます [...]。この複合情報は、送信搬送周波数の位相変調に使用されます。受信搬送周波数と送信搬送周波数はコヒーレントな関係にあります。これにより、地上局で搬送波ドップラー周波数を測定し、宇宙船の視線速度を判定できます。

トランスポンダでは、サブキャリアが RF キャリアから抽出され、検出されて音声とコマンド情報が生成されます。キャリアに直接変調されたバイナリ測距信号は、広帯域位相検出器によって検出され、ビデオ信号に変換されます。

宇宙船から送信される音声およびテレメトリ データは、サブキャリアに変調され、ビデオ測距信号と組み合わされて、ダウンリンク キャリア周波数の位相変調に使用されます。トランスポンダ送信機は、測距信号の代わりにテレビ情報や記録されたデータを送信するために周波数変調することもできます。

基本的な USB システムには、単一のアンテナのビーム幅内に 2 機の宇宙船がある場合、同時に 2 機の追跡および通信データを提供する機能があります。追跡および通信の主なモードは、PM動作モードの使用です。この目的には、約 5 メガサイクル離れた 2 セットの周波数が使用されます [...]。主な通信モードに加えて、USB システムには他の 2 つの周波数でデータを受信する機能があります。これらは主に、宇宙船からの FM データの送信に使用されます。

統合Sバンドシステムでは、宇宙船への送信（アップリンク）に2025～2120MHz帯を使用し、宇宙船からの送信（ダウンリンク）に2200～2290MHz帯を使用していました。これらの帯域は宇宙研究および運用のために国際的に割り当てられていますが、2014年の基準では、ALSEPアップリンクは帯域の間違った部分（地球近傍ではなく深宇宙）に配置されていました。

月面車(アポロ 15、16、17)の月面通信中継装置 (LCRU) は、独自のダウンリンク周波数 (LM との干渉を避けるため) を持っていましたが、コヒーレント トランスポンダを実装していなかったため、LM のアップリンク周波数を共有していました。共通の S バンド アップリンクでは、LM には 30 kHz、LCRU には 124 kHz の別々の音声サブキャリアが使用されました。これにより、LM と LCRU の両方がアップリンク音声を中継して互いに干渉することがなくなりました。

S -IVBにはCSM分離後に使用するためのUSB追跡トランスポンダーが搭載されていた。追跡データにより、以前のアポロの乗組員が残した地震計によって記録された衝撃の分析が改善された。S-IVBはLMと同じ周波数ペアを使用していた。通常、LMは飛行中は非アクティブであるが、アポロ13号の飛行中はLMを救命ボートとして使用するために早めに電源を入れる必要があったため、これが問題となった。^[5]

LM周波数は、後のJミッションの一環として、LMが月を離れた後に月軌道に配置されたサブ衛星によっても使用されました。

2 つの分離された周波数帯域を使用することで、全二重通信が可能になりました。地上と宇宙船は連続的に送信しました。マイクの音声は手動またはVOXで入力されましたが、通常の半二重双方向無線とは異なり、相互干渉なしに両側が同時に会話することができました。

S バンド システムでは通常、位相変調(PM) が使用されます。PM は FM と同様に、変調に関係なく一定の振幅(エンベロープ) を持ちます。これにより、線形性を維持する必要がある RF アンプよりも効率的な非線形 RF アンプを使用できます。

PM変調指数は小さいため、信号は搬送波位相を除いて両側波 帯振幅変調(AM) に似ています。AM では、側波帯が変調によって変化するため搬送波成分の振幅は一定ですが、PM では信号電力の合計は一定です。PM は変調によって電力を搬送波から側波帯にシフトし、変調指数によっては搬送波が完全に消えることがあります。これが、Apollo が低い変調指数を使用する理由です。これは、ドップラーシフトの測定による高精度の速度追跡に使用できる強力な搬送波を残すためです。

特定の位相変調(PM) ダウンリンクでは、コヒーレントトランスポンダーを使用した場合、アップリンクとダウンリンクの周波数比は正確に 221/240 でした。宇宙船の位相ロック ループは、アップリンク キャリア周波数を 240/221 倍にして、ダウンリンク キャリア周波数を生成しました。アップリンクが利用できない場合は、ローカル オシレーターがダウンリンク キャリアを生成しました。

この「双方向」技術により、ダウンリンク キャリアのドップラー シフトを観測することで、センチメートル/秒単位の精度で速度を測定できるようになりました。この技術では、宇宙船に高精度の発振器は必要ありませんでしたが、地上では 1 つ必要でした。

ALSEP月面実験は共通のアップリンクを共有し、コヒーレントトランスポンダを備えていませんでした。アポロ 11、14、15 ミッションで残された受動型レーザー反射 鏡は、はるかに高い精度を提供し、他の ALSEP 実験の能動型電子機器よりもはるかに長く使われています。

前述のように、アップリンクとダウンリンクの搬送波は宇宙船の追跡において重要な役割を果たしました。システムによって運ばれる情報によって生成されるサイドバンドは、搬送波の追跡に使用される位相ロック ループを乱さないように、搬送波から遠ざける必要がありました。これは、さまざまなサブキャリアを使用することで実現しました。

アップリンクには 2 つのサブキャリアがありました。30 kHz のサブキャリアには ( Capcom ) 音声があり、70 kHz のキャリアには地上追跡データでフライト コンピューターを更新するためのコマンド データと、月着陸船が切り離された後に軌道から外すコマンドがありました。

サブキャリアは、必要のないときにはオフにできます。これにより、テレメトリ データなどの他の情報ストリームの信号マージンが向上しました。ダウンリンクには、1.25 MHz (NBFM 音声) と 1.024 MHz (テレメトリ データ) のサブキャリアがありました。テレメトリは、1.6 キロビット/秒または 51.2 キロビット/秒に設定できます。低いレートは、リンク状態が悪いとき、または電力を節約するときにのみ使用されました。「バックアップ音声」モードでは、1.25 MHz NBFM サブキャリアがオフになり、メインの S バンド キャリアで音声が送信されました。これにより、良好な状態で使用されるモードよりもマージンが増えましたが、音声品質は低下しました。

モードは、信号が弱まるときの音で識別できます。推奨される NBFM サブキャリア モードでは、リンクが劣化すると、インパルスまたは「ポップコーン」ノイズが突然現れ、宇宙飛行士の音声を覆い隠すまで大きくなります。アポロ 11 号の月面着陸の際、月着陸船がアンテナの地球への視線を時折遮ったときに、この現象が明らかになりました。バックアップ音声モードの動作は AM に似ています。信号が弱まると音声が変わり、バックグラウンドで一定のヒスノイズが発生します。バックアップ モードは、アポロ 13 号の緊急時に電力を節約するために使用されました。また、月着陸船でアポロ 16 号の操縦可能な S バンド アンテナが故障したときにも使用されました。

音声伝送では、インバンド信号に クインダートーンが使用されました。

アポロ USB ダウンリンクには、512 kHz のサブキャリア発振器用の「緊急キー」モードもありました。音声モードが利用できない場合は、これを使用してモールス信号を送信できました。このモードはアポロ 7でテストされましたが、必須ではありませんでした。

アップリンクでははるかに大きな電力が利用可能であったため、同様のアップリンク機能は必要ありませんでした。アポロの S バンド宇宙船の送信機は 20 ワットを生成し、アップリンクの送信機は 10 kW を生成しました。比率は 27 dB です。

アポロのSバンドシステムは、正確な距離測定を可能にしました。地上局は994キロビット/秒の擬似ランダムノイズ（PN）シーケンスを生成し、PM送信機に送られるベースバンド信号に追加しました。トランスポンダーはシーケンスをエコーし​​ました。受信バージョンと送信バージョンを相関させることで、経過時間と宇宙船までの距離を15メートル以内で決定することができました。^[6]

PN シーケンスは決定論的であるものの、ランダム ビット ストリームの特性を持っていました。PN シーケンスは周期的でしたが、その周期は約 5 秒で、月への最大往復時間を超えているため、受信タイミングに曖昧さはありません。

現代のGPS受信機も、受信した PN ビット ストリーム (1.023 Mbit/s) をローカル リファレンスと相関させて距離を測定するという点で、GPS 受信機と似たような働きをします。ただし、GPS は、一連の衛星からの相対的なタイミング測定を使用して受信機の位置を決定する受信専用のシステムであるのに対し、アポロ USB は双方向システムであり、瞬間的な距離と相対速度しか決定できません。ただし、軌道決定プログラムは、観測間隔中の宇宙船の純粋な弾道運動を前提として、1 つ以上の地上局によって行われた距離、距離レート (相対速度)、およびアンテナのルック アングルの観測から、宇宙船の固有の状態ベクトルを見つけることができます。

状態ベクトルが決定されると、次の推進イベントまで宇宙船の将来の軌道を完全に予測できるようになります。

トランスポンダーの測距ターンアラウンドは、宇宙飛行士が手動で有効にする必要がありました。これはダウンリンク帯域幅の容量の多くを使用し、地上局間のハンドオーバー時など、たまにしか必要ありませんでした。アップリンク局がトランスポンダーにロックすると、宇宙船の測距が行われます。ドップラー速度測定によって距離が更新され、測距信号は遮断されます。地上局が通過中にロックを失った場合、ロックを再度取得してから測距測定を繰り返します。

通常、ダウンリンク送信機は PM であり、コヒーレント ドップラー トラッキングを可能にします。これにより、コマンド、テレメトリ、双方向音声もサポートされます。ビデオ信号には、このシステムで利用できる帯域幅よりも広い帯域幅が必要です。科学データやエンジニアリング データなどの他の広帯域信号も、広い帯域幅を必要とします。広帯域周波数変調システムは、キャプチャ効果により、信号対雑音比が向上します。これにより、信号対雑音比(SNR)が 8 ～ 10 dB を超える RF 信号の信号対雑音比が向上します。ただし、このしきい値を下回ると、広帯域信号の SNR は低下します。受信は「すべてかゼロか」です。受信アンテナが小さすぎて広帯域ビデオをキャプチャできない場合は、音声などの狭帯域信号も受信できません。

CSM には、音声、テレメトリ、ビデオを同時に送信する FM および PM 送信機が搭載されていました。LM 送信機は FM または PM のみを送信できましたが、両方のモードを同時に送信することはできませんでした。周波数変調によりドップラー追跡が無効になるため、着陸機はビデオを送信するときにのみ FM を送信しました。

ソ連はアポロ計画のテレメトリを監視した。^{[7] [8]}

米国ではアマチュア無線家がテレメトリをモニターすることは合法であったが、FCCはアポロのテレメトリ傍受に関するすべての開示はNASAの承認を得ることを要求する指令を出した。^[要出典] 1971年8月、アマチュア無線家のポール・ウィルソン（W4HHK）とリチャード・T・ナドル・ジュニア（K2RIW）は、月を周回中のアポロ15号からの音声信号を聞いた。彼らはその作業をQSTの記事で説明した。^[9]彼らはまた、アポロ16号からの信号を受信したと報告した。^{[10] [11]}

国際宇宙ステーション、スカイラブ、その他の軌道上の宇宙ステーションには、何らかの統合マイクロ波通信サブシステムが搭載されています (または搭載されていました)。USB の永続的な技術的影響により、宇宙でのほぼすべての有人ミッションで、何らかの統合マイクロ波通信システムが搭載されています。

• 「アポロの追跡システム」。
• 「統合 S バンド技術会議の議事録」(PDF)。、NASA SP-87。
• 「アポロ統合Sバンドシステム」
• 新しいテレメータ システムのチェックアウト仕様の開発(PDF) (技術レポート)。ボーイング。1968 年 3 月 5 日。D5-13402-1。統合 S バンドの詳細な説明と技術仕様が含まれています。