Ракета траекториясын өлшеу жүйесі MISTRAM және оның даму тарихы
MISTRAM
MISTRAM жүйесі: АҚШ Әскери Әуе күштері мен NASA пайдаланған, ракета траекториясын жоғары дәлдікпен өлшеуге арналған радар технологиясы. Дәлдігі 1% дейін.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
MISTRAM (MISsile TRAjectory Measurement) – АҚШ Әуе күштері (кейін NASA) ракеталардың ұшу жолын егжей-тегжейлі талдау үшін қолданған жоғары дәлдікті бақылау жүйесі. 1960 жылдан бері қолданылып келе жатқан "классикалық" қашықтық өлшеу жүйесі радарды пайдаланып, радиосигналдың нысанаға (осы жағдайда, ракетаға) және кері қарай жүру уақытын анықтайды. Бұл әдіс шамамен 1% дәлдікке ие. Бұл техниканың дәлдігі радиосигналдың өткір "импульсін" жасау қажеттілігімен шектеледі, себебі сигналдың басталуын дәл анықтау керек. Импульстің өткірлігіне теориялық және практикалық шектеулер бар. Сонымен қатар, жоғары дәлдікті сағаттар пайда болғанға дейін сигналдардың уақытын анықтауда жиі қателіктер туындады. MISTRAM жүйесінде бұл үздіксіз сигнал беру арқылы болдырмалды. Негізгі жүйеде ұшыру алаңынан қашықта орналасқан (Флорида штатындағы Валькария және Багам аралдарындағы Элеутера аралы) жердегі станция және ракетадағы транспондер пайдаланылды. Байқау станциясы X-диапазонындағы тасымалдаушы сигналды жіберді, ал транспондер оған басқа (өзгертілген) жиілікте қайта тарату арқылы жауап берді. Станциядан таратылатын тасымалдаушы жиілігін баяу өзгерту және оны қайтарылатын сигналдың фазасымен салыстыру арқылы жердегі басқару орталығы ракетаға дейінгі қашықтықты өте дәл өлшеуге мүмкіндік алды. Аналогтық схемалар қолданылса да, MISTRAM Айдың қашықтығында 1 км-ден кем дәлдікке қол жеткізді. Балистикалық зымырандарды сынақтан өткізудің қатаң талаптарын орындау үшін 1950-1960 жылдары АҚШ Әуе күштерінің Шығыс полигонының құралдарына бірнеше жүйелер жобаланып, сатып алынып, қосылды. AZUSA үздіксіз толқынды бақылау жүйесі 1950 жылдардың ортасында Кейпке, ал 1960 жылдардың басында Гранд-Багамаға қосылды. AN/FPS 16 радар жүйесі 1958 және 1961 жылдар аралығында Кейп, Гранд-Багама, Сан-Сальвадор, Ассенсион және Шығыс Гранд-Багама аралдарында орнатылды. 1960 жылдардың басында MISTRAM (Ракета траекториясын өлшеу) жүйесі Minuteman зымырандарының ұшуын қолдау үшін Флоридадағы Валькария және Багам аралдарындағы Элеутера аралына орнатылды.
MISTRAM (MISsile TRAjectory Measurement) was a high resolution tracking system used by the United States Air Force (and later NASA) to provide highly detailed trajectory analysis of rocket launches. A "classic" ranging system used since the 1960s uses radar to time a radio signal's travel to a target (in this case, the rocket) and back. This technique is accurate to approximately 1%. The accuracy of this technique is limited by the need to create a sharp "pulse" of radio so that the start of the signal can be accurately defined. There are both practical and theoretical limits to the sharpness of the pulse. In addition, the timing of the signals often introduced inaccuracies of its own until the introduction of high precision clocks. In MISTRAM, this was avoided by broadcasting a continuous signal. The basic system used a ground station located down range from the launch site (at Valkaria, Florida and Eleuthera Island, Bahamas) and a transponder on the vehicle. The tracking station transmitted an X band carrier signal which the transponder responded to by re broadcasting it on another (shifted) frequency. By slowly changing the frequency of the carrier broadcast from the station and comparing this with the phase of the signal being returned, ground control could measure the distance to the vehicle very accurately. Even with the analog circuitry used, MISTRAM was accurate to less than 1 km at the distance of the Moon. To meet more stringent ballistic missile test requirements, several systems were designed, procured and added to the US Air Force Eastern Range's instrumentation in the 1950s and 1960s. The AZUSA continuous wave tracking system was added to the Cape in the mid 1950s and Grand Bahama in the early 1960s. The AN/FPS 16 radar system was introduced at the Cape, Grand Bahama, San Salvador, Ascension and East Grand Bahama Island between 1958 and 1961. In the early 1960s, the MISTRAM (Missile Trajectory Measurement) system was installed at Valkaria, Florida and Eleuthera island in the Bahamas to support Minuteman missile flights.
Қолданбалар
MISTRAM Minuteman баллистикалық зымырасының инерциялық бағыттау жүйесін әзірлеу мен сынақтан өткізуде қолданылды, содан кейін Gemini ғарыш кемесі мен Saturn V ұшыру жүйесін сынау үшін пайдаланылды. 1971 жылы Әуе күштерінің Шығыс сынақ полигонында MISTRAM X жолақты интерферометрін тоқтатумен байланысты, ұшу сынақтарын жүргізушілерде өнімділігі бағаланып жатқан инерциялық бағыттау жүйелерінен артық немесе тең дәрежедегі дәстүрлі, жерде орналасқан қашықтық өлшеу жүйесі болмады. Бұл жағдай GPS әзірленгенше және қолданысқа енгізілгенше сақталды.
MISTRAM was used in the development and testing of inertial guidance system for the Minuteman ballistic missile, and subsequently was used for testing the Gemini spacecraft and the Saturn V launch system. With the decommissioning of the MISTRAM X band interferometer at the Air Force Eastern Test Range in 1971, the flight test community did not have a conventional ground based range instrumentation system better than, or comparable to, the inertial guidance systems whose performance was being assessed. This was true in the intervening years preceding GPS development and deployment.
Minuteman инерциялық бағыттау жүйесін сынау
Алғашқы Минутмен зымырандары (MM I) 1960 жылдардың басында Әуе күштерінің Шығыс сынақ алаңынан (AFETR) ұшырылды және AZUSA CW жүйесімен қадағаланды. AZUSA қадағалау деректерінің салыстырмалы түрде төмен сапасы, бағалау техникасының бастапқы деңгейімен байланысты, жалпы қателікті бағалауға ғана мүмкіндік берді; жеке инерциялық өлшем бірлігінің (IMU) қателіктерінің көздерін анықтау мүмкін болмады. AFETR-де жақсартылған UDOP және MISTRAM қадағалау жүйелерін әзірлеу нәтижесінде жылдамдық қадағалау профильдерінің сапасы едәуір артты. Minuteman II ұшу сынақ бағдарламасы барысында IMU-дың ұшудан кейінгі бағалауында маңызды жақсартулар жасалды. Осы жақсартулардың ең маңыздысы – жылдамдық қателік профилін сүзгілеу үшін Калман алгоритмін пайдалана отырып, максималды ықтималдық қателік бағалауын енгізу болды. UDOP және MISTRAM қадағалау жүйелерін жақсарту және Minuteman III ұшу сынақ бағдарламасы кезінде бағалау техникасын жетілдіру NS 20A1 IMU қателіктерінің көздерін жан-жақты түсінуге мүмкіндік берді.
The first Minuteman missiles (MM I) were launched in the early 1960s from the Air Force Eastern Test Range (AFETR) and were tracked with the AZUSA CW tracking system. The comparatively low quality of the AZUSA tracking data, combined with the rudimentary stage of evaluation techniques, allowed only estimation of the total error; no isolation of individual inertial measurement unit (IMU) error sources was possible. Subsequent development of improved tracking systems, UDOP and MISTRAM, at AFETR yielded much higher quality velocity tracking profiles. During the Minuteman II flight test program, significant improvements were made in the post flight evaluation of the IMU accuracy. The most important of these improvement was the introduction of maximum likelihood error estimation using the Kalman algorithm to filter the velocity error profile. Continued improvement of the UDOP and MISTRAM tracking systems and refinement of the evaluation techniques during the Minuteman III flight test program made it possible to gain considerable insight into NS 20A1 IMU error sources.
Негізгі қызметкерлер
Доктор Льюис Дж. Ниландс 1950 және 60-жылдардың басында General Electric Corporation Electronics Laboratory және Heavy Military Electronics Department (HMED) -де жұмыс істеген кезде оның әріптестері оны «инженерлердің инженеры» деп атаған. Оның зымыранды басқару және телеметрия саласына қосқан үлесі оны HMED-тің ең қиын және сәтті жобаларының екеуі – Altas Guidance және MISTRAM бағдарламаларының негізгі тұлғасына айналдырды. Кейіннен Нейландс «Атлас» бағыттау жүйесі бойынша жұмысынан ең үлкен қанағат алғанын айтқан жоқ («ол сәттілікке басқа адамдардың жинақтауы мен іске қосуы себеп болды»), ал MISTRAM, яғни зымыранды бақылау және өлшеу жүйесін зор мақтанышпен еске алады. «Ол кезде оған тең келген жүйе болған жоқ, себебі ол өте күрделі және дәл болды», – деп еске алады ол зымыранның ұшуын нақты уақыт режимінде қадағалайтын өлшеу жүйесі туралы. Оның әріптестерінің бірі: «1960 жылы ол траекторияны өлшеудегі шешілмейтін мәселені шешті – кеңістікте орналасқан қабылдау станцияларынан алынған сигналдарды өңдеу үшін бір орталыққа жинақтады және станцияларды байланыстыратын ортадағы таралудың бұрмалауынан туындаған қателерді жолдады. Лью шешкен тағы бір мәселе – бұл өлшеудің түсініксіздігін болдырмай, қажетті бұрыштық өлшеу дәлдігін қамтамасыз ету үшін жеткілікті жоғары жиілікті қалай пайдалану керектігі болды, сонымен қатар осы түсініксіздіктерді шешу үшін көптеген қабылдау станцияларын қажет етпеді». Ол бұрын-соңды болмаған дәлдікке ие жүйені жасады. Гермес А 3 зымыран бағыттау жүйесінің техникалық жұмысын доктор Льюис Дж. Ниландс басқарды, нәтижесінде сәтті жүйе құрылды. Оның білімі кейіннен 8014 жобасы деп аталған тағы бір ICBM бағыттау жүйесіне және жоғары дәлдігімен ерекшеленетін Mistram аспаптық жабдығына ауыстырылды. Барлығы микротолқындық интерферометрді пайдалануға негізделген. Доктор Ниландс 2007 жылдың 17 шілдесінде Флорида штатының Гейнсвилл қаласындағы үйінде 91 жасында дүние салды.
Dr. Lewis J. Neelands has been called an engineers' engineer by the people who worked with him when he was with the General Electric Corporation Electronics Laboratory and Heavy Military Electronics Department (HMED) in the 1950s and early 60's. His contributions to missile guidance and telemetry made him a key figure in the Altas Guidance and MISTRAM programs, two of HMED's most challenging and successful efforts. In retrospect, Neelands said he did not get his greatest satisfaction from his work on the Atlas guidance (about which he said,"it was successful because of a bunch of other people who put it together and made it work"). It is MISTRAM, missile tracking and measuring system, that he remembers with greater pride. "Nothing could match it at the time for the complexity and precision it required," he recalls of the real time measuring system for precisely tracking a missile's flight. One of his colleagues remembers, "In 1960 he solved the elusive problem of trajectory measurement of bringing together at one place for processing, the signals received from widely spaced receiving stations while overcoming inaccuracies due to the propagation anomalies in the medium connecting the stations. A related problem that Lew solved was how to do this using frequencies sufficiently high to develop the required angular measurement accuracy without measurement ambiguities and without requiring a large number of receiving stations to resolve these ambiguities." He conceived a system of unprecedented accuracy. The technical work on the Hermes A 3 rocket guidance was headed by Dr. Lewis J. Neelands and resulted in a successful system with the know how later transferred to another ICBM guidance system known as the 8014 project and also to the highly accurate Mistram instrumentation equipment, all were based on use of a microwave interferometer. Dr. Neelands died at his home in Gainesville Florida on July 17, 2007, at the age of 91.