MISTRAM

MISTRAM Sistema de Medición de Trayectorias Misiles.

MISTRAM (Missile TRAjectory Measurement) era un sistema de seguimiento de alta resolución utilizado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (y más tarde por la NASA) para proporcionar un análisis de trayectoria muy detallado de cohetes lanzamientos

Un "clásico" El sistema de alcance utilizado desde la década de 1960 utiliza un radar para cronometrar el viaje de una señal de radio a un objetivo (en este caso, el cohete) y viceversa. Esta técnica tiene una precisión de aproximadamente el 1%. La precisión de esta técnica está limitada por la necesidad de crear un "pulso" agudo. de radio para poder definir con precisión el inicio de la señal. Existen límites prácticos y teóricos para la nitidez del pulso. Además, la temporización de las señales a menudo presentaba imprecisiones propias hasta la introducción de relojes de alta precisión.

En MISTRAM, esto se evitó emitiendo una señal continua. El sistema básico utilizaba una estación terrestre ubicada a poca distancia del sitio de lanzamiento (en Valkaria, Florida y Eleuthera Island, Bahamas) y un transpondedor en el vehículo. La estación de seguimiento transmitió una señal portadora de banda X a la que respondió el transpondedor retransmitiéndola en otra frecuencia (desplazada). Al cambiar lentamente la frecuencia de la transmisión de la portadora desde la estación y compararla con la fase de la señal que se devuelve, el control de tierra podría medir la distancia al vehículo con mucha precisión. Incluso con el circuito analógico utilizado, MISTRAM tenía una precisión de menos de 1 km a la distancia de la luna.

US Air Force Eastern Test Range (Mapa histórica).

Para cumplir con los requisitos de prueba de misiles balísticos más estrictos, se diseñaron, adquirieron y agregaron varios sistemas a la instrumentación de la Fuerza Aérea de EE. UU. en las décadas de 1950 y 1960. El sistema de seguimiento continuo de olas AZUSA se agregó al Cabo a mediados de la década de 1950 y a Gran Bahama a principios de la década de 1960. El sistema de radar AN/FPS-16 se introdujo en Cape, Grand Bahama, San Salvador, Ascension y East Grand Bahama Island entre 1958 y 1961. A principios de la década de 1960, se instaló el sistema MISTRAM (medición de trayectoria de misiles) en Valkaria, Florida. y la isla de Eleuthera en las Bahamas para apoyar los vuelos de misiles Minuteman.

Principios de funcionamiento

Cinco estaciones receptoras de 10.000 pies y 100.000 pies de base reciben señales de misiles, calculan la velocidad, posición y trayectoria.

MISTRAM es un sofisticado sistema de interferómetro que consta de un grupo de cinco estaciones receptoras dispuestas en forma de L. Las líneas de base son 10 000 pies (3000 m). y 100 000 pies (30 000 m). Las estaciones centrales contienen una antena de seguimiento simple. La distancia desde la estación central hasta la estación remota más lejana es de aproximadamente 100 000 pies (30 000 m). Las antenas de la estación central y de las cuatro estaciones remotas siguen el vuelo de un misil y reciben señales de su radiobaliza.

En el sistema MISTRAM, la estación terrestre transmite una portadora a la nave espacial y la nave espacial devuelve esta portadora en otra frecuencia. La estación terrestre barre la portadora de enlace ascendente y el cambio de fase de la portadora de enlace descendente se mide (cuenta) mientras se realiza el barrido. El tiempo de retardo de ida y vuelta puede mostrarse como T=(delta-phi)/(delta-f); donde delta-f es el cambio de frecuencia (~4000 Hz, por ejemplo) y delta-phi el cambio de fase medido en radianes. Supongamos que T=2 segundos (~distancia lunar) y luego delta-phi=8000 radianes, es decir, (8000*180)/Pi. Suponga también que la fase se puede medir con una precisión de 1 grado, es decir, significa que el rango se puede determinar con una precisión de (600000*1*Pi)/(2*8000*180)=0,33 km. Una portadora adicional bastante cercana a la descrita anteriormente que permaneció fija en frecuencia y se usó como referencia de fase. Esa portadora y las dos frecuencias (entre las que cambió el barrido) se generaron como múltiplos de la misma frecuencia básica del oscilador. De esta forma, todas las señales tendrían una relación de fase fija, como se hacía en MISTRAM. Se utilizó una técnica similar en la nave espacial soviética Luna 20 a 183,54 MHz para estudiar la superficie de la luna.

MISTRAM era un interferómetro de radar multiestático de línea de base larga desarrollado para mediciones de precisión de trayectorias de misiles en el Campo de Pruebas del Este de la Fuerza Aérea de EE. UU. Los sistemas de radar multiestático tienen una mayor complejidad con múltiples subsistemas de transmisores y receptores empleados de manera coordinada en más de dos sitios. Todas las unidades dispersas geográficamente contribuyen a la adquisición, detección, búsqueda de posición y resolución de objetivos colectivos, con recepción simultánea en los sitios receptores. En un sentido más simple, los radares multiestáticos son sistemas que tienen dos o más sitios de recepción con un área de cobertura espacial común, y los datos de estas áreas de cobertura se combinan y procesan en una ubicación central. Estos sistemas se consideran múltiples pares biestáticos. Los sistemas de radar multiestático tienen varios usos, incluida la prevención de interferencias y municiones antirradar.

Aunque este método de medición no es nuevo, ni en teoría ni en la práctica, la forma única en que se implementaron las técnicas en el sistema MISTRAM permite medir los parámetros de vuelo del vehículo con un grado de precisión y exactitud que no se podía obtener previamente en otros sistemas de medición de trayectoria de línea de base larga. En gran medida, esto se logró mediante un método único de transferir intacta la información de fase en las señales de las estaciones periféricas a la estación central. Se utilizó una ruta de transmisión bidireccional en cada línea de base para cancelar las incertidumbres debidas a la variación en la geometría del suelo y la temperatura.

El diagrama de bloque MISTRAM muestra componentes terrestres y transpondedores aéreos.

El transmisor en la estación principal o central genera dos frecuencias de banda X CW, nominalmente 8148 MHz y 7884 a 7892 MHz. La frecuencia más alta (la señal de rango) es muy estable, mientras que la frecuencia más baja (la señal calibrada) se barre periódicamente sobre el rango indicado. El transpondedor aerotransportado recibe las señales, amplifica & la frecuencia los cambia en 68 MHz y los retransmite de regreso a la tierra. El desplazamiento Doppler se utiliza para determinar la velocidad.

El sistema Florida MISTRAM tenía líneas de base de 100 000 pies (30 000 m) (~18,9 millas) con el siguiente rendimiento de diseño:

Transpondedor MISTRAM

MISTRAM "A" Transponder Modelo

El transpondedor recibe las dos señales de onda continua de banda X coherentes en fase transmitidas desde el equipo de tierra. Un klystron con un desplazamiento de frecuencia coherente de 68 MHz está bloqueado en fase para cada una de las señales recibidas. Estos klistrones proporcionan la transmisión de retorno de fase coherente. Hay dos bucles bloqueados de fase separados, continuo y calibrado.

MISTRAM Especificaciones modelo "A"

Frecuencias operativas (nominal)

Continuo - 8148 MHz received

8216 MHz transmitted

Calibrado - 7884 a 8992 (swept) recibido

7952 a 7960 (swept)

Potencia de entrada - 5.25 amplificadores máximo de 25.2 a 32.2 V DC

Potencia de salida - 500 mW min/cannel

Tiempo de calentamiento - 1 minuto máximo a 0 grados Celsius o superior

Tiempo de adquisición - 0.1 segundo máximo

Coherencia de fase - 256 MHz - dentro de 45 grados (0.25 errores de rango max.)

8 MHz - dentro de 2 grados (0.36 ft (110 mm) rango error max.)

Rango dinámico = -39 a -105 dBm

Características físicas

Tamaño: 8.9×12.4×5.4 en (230×310×140 mm) (incluyendo las proyecciones de montaje)

Puertos de Waveguide: Dos bandas X de altura reducida (1 Xmit; 1 Rcv)

Vida: 3 años. Operando 500 horas.

Ordenador M-236

La computadora General Electric M236 se desarrolló para respaldar MISTRAM y otros grandes proyectos de radares militares en la década de 1960. (Según el Dr. Neelands, ciertos militares involucrados en el proyecto insistieron en no depender de "computadoras", por lo que se desarrolló este "procesador de información".) Este procesador de 36 bits de alta velocidad La minicomputadora fue desarrollada por el Departamento de Electrónica Militar Pesada de GE (HMED) en Syracuse, Nueva York, lo que finalmente condujo a la serie GE-600 de computadoras centrales. El M236 fue diseñado para el procesamiento en tiempo real en un sistema de medición de vuelo de misiles basado en radar y carecía de algunas funciones de uso general, como el procesamiento de instrucciones superpuestas, las operaciones de coma flotante necesarias para Fortran y funciones de soporte del sistema operativo, como base y límites. registros El ordenador M-236 fue desarrollado para el Campo de Misiles de Cabo Cañaveral de la Fuerza Aérea de EE. UU. y se instaló en Eleuthera (Bahamas). Se necesitaba la longitud de palabra de la computadora de 36 bits para los cálculos de seguimiento de radar y para el intercambio de datos requerido con un IBM 7094 ubicado en el Cabo. El principal arquitecto del M-236 fue John Couleur, quien más tarde se convertirá en líder técnico de los grandes sistemas informáticos de GE.

El debate a favor o en contra del desarrollo posterior de una computadora de propósito general derivada de M236 tomó más de un año y finalmente concluyó con la victoria de los proponentes del proyecto M2360 en febrero de 1963. La alta gerencia de GE quedó impresionada por la oportunidad de ahorrar las tarifas de alquiler del equipo alquilado por IBM utilizado internamente por GE (se estimó que el costo de desarrollo del nuevo proyecto se compensaría con solo un año de alquiler). Los otros departamentos de GE no quedaron muy impresionados y se mostraron reacios a deshacerse de sus máquinas IBM.

La serie GE-600 fue desarrollada por un equipo dirigido por John Couleur basándose en el trabajo realizado para el proyecto MISTRAM en 1959. MISTRAM era un sistema de seguimiento de misiles que se utilizó en una serie de proyectos (incluido el Proyecto Apolo) y Air Force requería que se instalara una computadora de recopilación de datos en una estación de rastreo más abajo de Cabo Cañaveral. Los datos eventualmente se compartirían con la máquina IBM 7094 de 36 bits en el Cabo, por lo que la computadora probablemente también tendría que ser de 36 bits (por qué no usaron un IBM 7094 es un misterio). GE construyó una máquina llamada M236 para la tarea y, como resultado de las necesidades de 36 bits, terminó actuando de forma muy parecida a la 7094.

El Departamento de Electrónica Militar Pesada de GE en Syracuse diseñó y construyó un sistema de seguimiento para el sistema de misiles ATLAS denominado MISTRAM que, de hecho, era un sistema informático avanzado. Esto estaba bastante de acuerdo con las instrucciones de Cordiner, ya que no desarrollaría una línea de máquinas que se colocarían en el mercado abierto en competencia con IBM. (Ralph J. Cordiner fue presidente y director ejecutivo de General Electric de 1958 a 1963). Este proyecto también tenía la ventaja de que los gastos iniciales de desarrollo debían ser pagados por el gobierno de EE. UU. en lugar de GE, un acuerdo mucho más satisfactorio para GE& #39;s 570 "contadores de frijoles." Estas circunstancias generaron la posibilidad de duplicar la oportunidad de MISTRAM para el departamento de computación. Mucho más tarde, el resultado fue un pedido de 32 máquinas del departamento de informática. Sin embargo, la computadora MISTRAM fue la primera de una línea de desarrollos de John Couleur que condujo a lo que puede considerarse la máquina más exitosa y duradera: la línea GE 600.

Aplicaciones

MISTRAM se usó en el desarrollo y prueba del sistema de guía inercial para el misil balístico Minuteman y, posteriormente, se usó para probar la nave espacial Gemini y el sistema de lanzamiento Saturn V. Con el desmantelamiento del interferómetro de banda X MISTRAM en el Campo de Pruebas del Este de la Fuerza Aérea en 1971, la comunidad de pruebas de vuelo no tenía un sistema convencional de instrumentación de rango basado en tierra mejor que, o comparable a, los sistemas de guía inercial cuyo rendimiento estaba siendo evaluado. Esto fue cierto en los años intermedios que precedieron al desarrollo y despliegue del GPS.

Prueba del sistema de guía inercial Minuteman

Los primeros misiles Minuteman (MM I) se lanzaron a principios de la década de 1960 desde el Air Force Eastern Test Range (AFETR) y se rastrearon con el sistema de seguimiento AZUSA CW. La calidad comparativamente baja de los datos de seguimiento de AZUSA, combinada con la etapa rudimentaria de las técnicas de evaluación, solo permitió la estimación del error total; no fue posible aislar las fuentes de error de la unidad de medida inercial (IMU) individual.

El desarrollo posterior de sistemas de seguimiento mejorados, UDOP y MISTRAM, en AFETR produjo perfiles de seguimiento de velocidad de mucha mayor calidad. Durante el programa de prueba de vuelo Minuteman II, se realizaron mejoras significativas en la evaluación posterior al vuelo de la precisión de la IMU. La más importante de estas mejoras fue la introducción de la estimación del error de máxima verosimilitud utilizando el algoritmo de Kalman para filtrar el perfil de error de velocidad. La mejora continua de los sistemas de seguimiento UDOP y MISTRAM y el refinamiento de las técnicas de evaluación durante el programa de prueba de vuelo Minuteman III hicieron posible obtener una visión considerable de las fuentes de error de la IMU NS-20A1.

Evaluación de precisión

Uno de los principales problemas en la estimación de trayectorias y órbitas es obtener una estimación realista de la precisión de la trayectoria y otros parámetros importantes. En el caso orbital, algunos de los parámetros que pueden no resolverse son las constantes geopotenciales, el levantamiento, etc. Estos factores afectarán la incertidumbre total en la órbita y, por supuesto, las predicciones de efemérides. Se desarrolló una técnica estadística que realiza una propagación de varianza-covarianza para obtener estimaciones de precisión basadas en errores aleatorios y no modelados. Se dio un ejemplo de la propagación de errores sin modelar en el sistema MISTRAM para el satélite Geos B.

Personal clave

Dra. Lewis J. Neelands ha sido llamado un ingeniero's' ingeniero por las personas que trabajaron con él cuando estaba en el Laboratorio de Electrónica de General Electric Corporation y el Departamento de Electrónica Militar Pesada (HMED) en la década de 1950 y principios de la de 1960. Sus contribuciones a la guía de misiles y la telemetría lo convirtieron en una figura clave en los programas Altas Guidance y MISTRAM, dos de los esfuerzos más desafiantes y exitosos de HMED.

En retrospectiva, Neelands dijo que no obtuvo su mayor satisfacción con su trabajo en la guía de Atlas (sobre lo cual dijo, "fue exitoso gracias a un grupo de otras personas que lo armaron y lo hicieron funcionar& #34;). Es MISTRAM, sistema de seguimiento y medición de misiles, que recuerda con mayor orgullo. "Nada podía igualarlo en ese momento por la complejidad y precisión que requería," recuerda el sistema de medición en tiempo real para rastrear con precisión el vuelo de un misil. Uno de sus colegas recuerda: "En 1960 resolvió el elusivo problema de la medición de la trayectoria: reunir en un lugar para su procesamiento las señales recibidas de estaciones receptoras muy separadas mientras superaba las imprecisiones debidas a las anomalías de propagación en el medio". conectando las estaciones. Un problema relacionado que resolvió Lew fue cómo hacer esto usando frecuencias suficientemente altas para desarrollar la precisión de medición angular requerida sin ambigüedades de medición y sin requerir una gran cantidad de estaciones receptoras para resolver estas ambigüedades." Concibió un sistema de precisión sin precedentes. El trabajo técnico en la guía del cohete Hermes A-3 estuvo a cargo del Dr. Lewis J. Neelands y dio como resultado un sistema exitoso con el conocimiento que luego se transfirió a otro sistema de guía ICBM conocido como el proyecto 8014 y también al Mistram de alta precisión. equipos de instrumentación, todos se basaron en el uso de un interferómetro de microondas. El Dr. Neelands murió en su casa en Gainesville, Florida, el 17 de julio de 2007, a la edad de 91 años.