미스트람

MISTRAM
MISTRAM 미사일 궤적 측정 시스템.

MISTERAM(MISSile TRAjectory Measurement, MISSile TRAjectory Measurement)은 미국 공군(이후 NASA)이 로켓 발사의 고도로 상세한 궤적 분석을 제공하기 위해 사용한 고해상도 추적 시스템이다.

1960년대 이후 사용된 "클래식" 범위 지정 시스템은 레이더로 무선 신호의 이동 시간을 표적(이 경우 로켓)과 후방(Rocket)에 맞춘다. 이 기법은 대략 1% 정도로 정확하다. 이 기법의 정확도는 신호의 시작을 정확하게 정의할 수 있도록 라디오의 날카로운 "펄스"를 만들어야 하는 필요성에 의해 제한된다. 맥박의 날카로움에는 실용적, 이론적 한계가 있다. 또한, 신호의 타이밍은 고정밀 시계가 도입되기 전까지 그 자체의 부정확성을 종종 도입하였다.

MISTERAM에서는 연속신호를 방송함으로써 이를 피했다. 기본 시스템은 발사장(플로리다 발카리아와 바하마 엘레우테라섬)에서 아래쪽 범위에 위치한 지상국과 차량에 장착된 트랜스폰더를 사용했다. 추적국은 X-밴드 반송파 신호를 전송했고, 트랜스폰더는 이를 다른 (시프트) 주파수로 재방송하여 응답했다. 방송국에서 통신사 방송 주파수를 천천히 변경하고 이를 신호 반환 단계와 비교함으로써 지상 제어가 차량까지의 거리를 매우 정확하게 측정할 수 있었다. 미스트램은 아날로그 회로를 사용해도 달 거리 1km 미만으로 정확했다.

미 공군 동부 시험장(역사지도)

보다 엄격한 탄도미사일 시험 요건을 충족하기 위해 1950년대와 1960년대에 미 공군 동부 레인지 계측기에 여러 시스템을 설계, 조달 및 추가했다. AZUSA 연속파도 추적 시스템은 1950년대 중반 케이프(Kape)와 1960년대 초 그랜드 바하마(Grand Bahama)에 추가됐다. AN/FPS-16 레이더 시스템은 1958년과 1961년 사이에 케이프, 그랜드 바하마, 산살바도르, 어센션, 동 그랜드 바하마 섬에서 도입되었다. 1960년대 초에는 미니트맨 미사일 비행을 지원하기 위해 플로리다 발카리아와 바하마 엘레우테라 섬에 미스트람(MISTRAM, Missile Argacity Measurement) 시스템이 설치되었다.

작동 원리

10,000 ft와 10만 ft 기준선에 있는 5개의 수신 스테이션은 미사일로부터 신호를 수신하고 속도, 위치 및 궤적을 계산한다.

MISTERAM은 L자 모양으로 배열된 5개의 수신국 그룹으로 구성된 정교한 인터페로미터 시스템이다. 기준선은 10,000피트(3,000m)이다. 그리고 10만 피트(3만 미터)를 초과했다. 중앙역에는 간단한 추적 안테나가 있다. 중앙역에서 가장 먼 원격역까지의 거리는 약 10만 피트(30,000 m)이다. 중앙역과 원격지 4개국의 안테나가 미사일의 비행을 따라다니며 무선 표지로부터 신호를 수신한다.

미스트램 시스템에서는 지상국이 우주선에 캐리어를 전송하고 우주선은 다른 주파수로 이 캐리어를 반송한다. 지상국은 업링크 캐리어를 스위프하고 다운링크 캐리어의 위상 편이 스위프하는 동안 측정(카운트)한다. 원형 트립 지연 시간은 T=(델타-phi)/(델타-f)로 나타낼 수 있다; 여기서 델타-f는 주파수 이동(예를 들어 약 4000Hz)이고 델타-phi는 라디안 단위로 측정된 위상 이동이다. T=2초(~루나 거리) 이후 델타-피=8000 라디안, 즉 (8000*180)/Pi를 가정해 보자. 또한 위상은 1도의 정확도로 측정할 수 있다고 가정한다. 즉, 범위가 (600000*1*Pi)/(2*8000*180)=0.33km의 정밀도로 결정될 수 있음을 의미한다. 위에서 설명한 것과 상당히 가까운 추가 반송파가 주파수로 고정되어 위상 기준으로 사용되는 경우. 이 반송파와 (스위프가 변경된) 두 주파수는 동일한 기본 오실레이터 주파수의 배수로 생성되었다. 이렇게 하면 모든 신호는 미스트람에서 그랬던 것처럼 고정된 위상 관계를 갖게 된다 183.54 MHz의 소련 루나 20 우주선에서 달 표면을 조사하기 위해 유사한 기술이 사용되었다.[1]

미스트램은 미 공군 동부시험장에서 미사일 궤적을 정밀하게 측정하기 위해 개발된 다극성 롱 베이스라인 레이더 간섭계였다. 다중 레이더 시스템은 세 개 이상의 사이트에서 조정된 방식으로 복수의 송신기 및 수신기 서브시스템을 채택하여 복잡성이 더 높다. 지리적으로 분산된 모든 단위는 수신 현장에서 동시 수신을 하면서 집합적인 목표 획득, 탐지, 위치 찾기 및 해결에 기여한다. 보다 간단한 의미에서 다중 레이더는 공통의 공간적 커버리지 면적을 가진 둘 이상의 수신 부지가 있는 시스템을 말하며, 이러한 커버리지 영역의 데이터를 결합하여 중앙 위치에서 처리한다. 이러한 시스템은 다중 이항 쌍으로 간주된다. 다종 레이더 시스템은 교란 방지 및 항레이더 탄약 등 다양한 용도를 가지고 있다.

비록 이 측정 방법이 이론상이나 실제적으로 새로운 것은 아니지만, MIRSTAM 시스템에서 기법이 구현된 독특한 방식은 다른 긴 기준선 궤적 측정 시스템에서는 이전에 얻을 수 없었던 정밀도와 정확도를 가진 차량 비행 매개변수의 측정을 허용한다. 이는 대체로 역외에서 중앙역으로 신호의 위상 정보를 온전하게 전송하는 독특한 방법에 의해 이루어졌다. 각 기준선의 양방향 전송 경로를 사용하여 지반 기하학 및 온도의 분산으로 인한 불확실성을 없앴다.[2]

MISTERAM 블록 다이어그램은 지상 기반 부품과 공중 트랜스폰더를 보여준다.

마스터 또는 중앙 스테이션의 송신기는 명목상 8148MHz와 7884~7892MHz의 두 개의 CW X-밴드 주파수를 생성한다. 더 높은 주파수(범위 신호)는 매우 안정적인 반면, 더 낮은 주파수(교정된 신호)는 표시된 범위 위로 주기적으로 스위프된다. 공중 트랜스폰더는 신호를 받아 증폭 & 주파수를 68 MHz로 이동시킨 후 지구로 재전송한다. 도플러 시프트는 속도를 결정하는 데 사용된다.[3]

플로리다 MIRSTAM 시스템은 다음과 같은 설계 성능을 가진 10만 ft(30,000m)의 기준선(~18.9 mi.)을 가지고 있었다.

작동 범위
0 ~ 50,000ft/s(0 ~ 15,240m/s)
0 ~ 750ft/s2(0 ~ 229m/s2)
360도
5~85도
20~1000mi(1600km)
측정 불확도(RMS)
0.4ft(0.12m)
0.3ft(91mm)
0.02ft/s(6.1mm/s)[n 1][2]
0.002 ft/s(0.61 mm/s)[n 1][2]
  1. ^ a b 반초 매끈매끈

미스트람 트랜스폰더

MISTRAM "A" 모델 트랜스폰더

트랜스폰더는 지상 장비에서 전송되는 2개의 위상 일관성 있는 X-밴드 cw 신호를 수신한다. 68 MHz 일관성 있는 주파수 오프셋을 가진 클라이스트론은 수신된 각 신호에 대해 위상 잠긴다. 이러한 클라이스트론은 위상 일관성 있는 리턴 전송을 제공한다. 연속 및 보정이라는 두 개의 별도의 위상 잠금 루프가 있다.

MISTERAM "A" 모델 트랜스폰더 사양
작동 주파수(공칭)
연속 - 8148MHz 수신
8216MHz 전송
보정 - 7884 - 8992(스위트) 수신
7952 ~ 7960 (1998년) 전송됨
입력 전력 - 최대 5.25A ~ 32.2V DC
출력 전력 - 500mW 최소/채널
예열 시간 - 섭씨 0도 이상에서 최대 1분
획득 시간 - 최대 0.1초
위상 일관성 - 256MHz - 45도 이내(최대 0.25피트 범위 오류)
8MHz - 2도 이내(0.36ft(110mm) 범위 오류 최대값)
동적 범위 = -39 ~ -105 dBm
물리적 특성
크기: 8.9×12.4×5.4인치(230×310×140 mm) (장착 돌출부 포함)
도파관 포트: 높이 X-밴드 2개(1 Xmit, Rcv 1개)
인생: 3년. 500시간 운영.

M-236 컴퓨터

제너럴 일렉트릭 M236 컴퓨터는 1960년대 미스트람과 기타 대형 군사용 레이더 프로젝트를 지원하기 위해 개발되었다. (닥터에 의하면) 네일랜드스, 프로젝트에 관련된 특정 군인들은 "컴퓨터"에 의존하지 않는 것에 대해 완강히 반대했고, 따라서 이 "정보 프로세서"가 개발되었다.) 이 고속 36비트 미니콤퍼터는 뉴욕 시러큐스의 GE 중전자기술부(HMED)에 의해 개발되었고, 결국 메인프레임 컴퓨터의 GE-600 시리즈로 이어졌다. M236은 레이더 기반의 미사일 비행 측정 시스템에서 실시간 처리를 위해 설계되었으며, 중복된 명령 처리, 포트란에 필요한 부동소 운영, 베이스 및 경계 레지스터와 같은 운영체제 지원 기능 등 일부 범용적 특징이 결여되어 있었다.[4] M-236 컴퓨터는 미 공군 케이프 커내버럴 미사일 사거리용으로 개발돼 엘레우테라(바하마)에 설치했다. 36비트 컴퓨터 워드 길이는 레이더 추적 연산 및 케이프에 위치한 IBM 7094와의 필수 데이터 교환에 필요했다. M-236의 수석 설계자는 나중에 GE 대형 컴퓨터 시스템의 기술 리더가 될 존 쿨루어였다.

M236에서 파생된 범용 컴퓨터의 후속 개발에 찬성하거나 반대하는 논쟁은 1년 이상이 걸렸고 마침내 1963년 2월 M2360 프로젝트 지지자들의 승리로 끝났다. GE 고위 경영진은 GE가 내부적으로 사용하는 IBM 임대 장비의 임대료(신규 프로젝트의 개발비는 임대료 1년만 상쇄되는 것으로 추정됨)를 절약할 수 있는 기회에 깊은 인상을 받았다. 다른 GE 부서들은 그다지 인상적이지 않았고 IBM 기계를 폐기하는 것을 꺼렸다.[5]

GE-600 시리즈는 1959년 미스트람 프로젝트를 위해 수행된 작업을 바탕으로 존 쿨루르(John Couleur)가 이끄는 팀에 의해 개발되었다. 미스트램은 다수의 프로젝트(프로젝트 아폴로 포함)에 사용된 미사일 추적 시스템으로, 공군은 케이프 캐너벌(Cape Canaveral)에서 하행선 추적소에 데이터 수집 컴퓨터를 설치해야 했다. 그 데이터는 결국 케이프에서 36비트 IBM 7094 기계와 공유될 것이기 때문에 컴퓨터 역시 36비트여야 할 것 같다(IBM 7094를 사용하지 않은 이유는 불가사의한 것이다). GE는 그 임무를 위해 M236이라는 기계를 만들었고, 36비트 니즈의 결과 7094와 같은 행동을 하게 되었다.[6]

시러큐스의 GE 중전자기술부는 사실 첨단 컴퓨터 시스템이었던 ATLAS 미사일 시스템 MISTRAM의 추적 시스템을 설계하고 구축했다. 이는 IBM과 경쟁해 오픈마켓에 놓여 있는 기계 라인을 개발하지 않을 것이기 때문에 코디너의 지시에 상당히 부합하는 것이었다.(Rolph J. Codeiner는 1958년부터 1963년까지 General Electric의 회장 겸 CEO였다.) 이 프로젝트는 또한 GE의 570 "빈 카운터"에 훨씬 만족스러운 합의인 GE가 아닌 미국 정부가 개발 비용을 지불해야 한다는 이점이 있었다. 이러한 상황은 컴퓨터 부서에 미스트램 기회를 복제할 가능성을 가져왔다. 훨씬 후에, 결과는 32대의 컴퓨터 부서 기계에 대한 주문이었다. 그러나, MISTRAM 컴퓨터는 존 쿨루르에 의해 가장 성공적이고 오래 지속되는 기계인 GE 600 라인으로 간주될 수 있는 것을 이끈 첫 번째 개발 라인이었다.[7]

적용들

MISTRAM은 미니트맨 탄도 미사일의 관성 유도 시스템 개발 및 시험에 사용되었고, 이후 제미니 우주선과 새턴 V 발사 시스템 시험에도 사용되었다. 1971년 미스트람 X-밴드 간섭계가 공군 동부 시험 범위에서 해체되면서, 비행 시험 공동체에는 성능이 평가되고 있는 관성 유도 시스템보다 우수하거나 그에 비견되는 기존의 지상 기반 범위 계기 시스템이 없었다.[8] 이것은 GPS 개발 및 배치 이전 몇 년 동안 사실이었다.

미니트맨 관성 유도 시스템 테스트

최초의 미니트맨 미사일(MM I)은 1960년대 초 공군 동부시험장(AFETR)에서 발사되어 AZUSA CW 추적 시스템으로 추적되었다. AZUSA 추적 데이터의 상대적으로 낮은 품질은 평가 기법의 초보 단계와 결합되어 총 오차의 추정만 가능했고, 개별 관성 측정 단위(IMU) 오류 발생원의 격리는 불가능했다.[9]

이후 AFETR에서 개선된 추적 시스템 UDOP와 MISTRAM의 개발은 훨씬 더 높은 품질의 속도 추적 프로파일을 산출했다. Minuteman II 비행 시험 프로그램 동안 IMU 정확도에 대한 비행 후 평가에서 상당한 개선이 이루어졌다. 이러한 개선 중 가장 중요한 것은 속도 오류 프로파일을 필터링하기 위해 Kalman 알고리즘을 사용한 최대우도 오류 추정의 도입이었다. Minuteman III 비행 시험 프로그램 동안 UDOP 및 MISTRAM 추적 시스템의 지속적인 개선과 평가 기법의 정교화로 NS-20A1 IMU 오류 소스에 대한 상당한 통찰력을 얻을 수 있었다.[9]

정확도 평가

궤적과 궤도 추정에 있어 주요한 문제들 중 하나는 궤적과 다른 중요한 매개변수의 정확성에 대한 현실적인 추정치를 얻는 것이다. 궤도 케이스에서, 해결할 수 없는 매개변수 중 일부는 지오포텐셜 상수, 조사 등이다. 이러한 요소들은 궤도의 총 불확실성 그리고 물론 인식론적 예측에 영향을 미칠 것이다. 랜덤 및 모델링되지 않은 오차에 기초한 정확도 추정치를 얻기 위해 분산-공분산 전파를 수행하는 통계적 기법이 개발되었다. Geos B 위성에 대해서는 MIRSTAM 시스템의 모델링되지 않은 오류 전파의 예가 제시되었다.[10]

주요인원

루이스 J. 네일즈 박사는 1950년대와 60년대 초반 제너럴 일렉트릭(General Electric) 전자 연구소 및 중전자기술부(HMED)에 근무할 때 함께 일했던 사람들에 의해 엔지니어라고 불렸다. 미사일 유도 및 원격 계측에 기여한 공로로 그는 알타스 유도 및 미스트램 프로그램의 핵심 인물이 되었으며, 이는 HMED의 가장 도전적이고 성공적인 노력 중 두 가지였다.[11]

돌이켜보면, 네일랜드는 아틀라스 지도에 대한 그의 연구로부터 최대의 만족을 얻지 못했다고 말했다. (그것에 대해 그는 "그것은 그것을 조립하고 그것을 작동시킨 많은 다른 사람들 때문에 성공적이었다"고 말했다. 그가 더 큰 자부심을 갖고 기억하는 것은 미스트램, 미사일 추적 및 측정 시스템이다. 그는 미사일의 비행을 정밀하게 추적하기 위한 실시간 측정 시스템을 떠올리며 "당시에는 어떤 것도 그것에 필적할 수 없었다"고 말했다. 그의 동료 중 한 명은 "1960년 그는 궤적 측정이란 이해하기 어려운 문제를 해결했는데, 이는 방송국을 연결하는 매체의 전파 이상으로 인한 부정확함을 극복하면서 넓은 간격으로 수신국에서 수신되는 신호였다"고 기억한다. 르우가 해결한 관련 문제는 이러한 모호성을 해소하기 위해 다수의 수신국이 필요 없이 필요한 각도 측정 정확도를 개발할 수 있도록 주파수를 충분히 높게 사용하는 방법이었다." 그는 전례 없이 정확한 시스템을 구상했다.[10] 헤르메스 A-3 로켓 유도기술은 루이스 J. 네일즈 박사가 지휘했으며, 8014 프로젝트로 알려진 또 다른 ICBM 유도시스템과 고도로 정확한 미스트람 계측 장비에 노하우가 전수돼 성공적인 시스템을 구축했다.[11] 네일랜드 박사는 2007년 7월 17일 플로리다 게인즈빌에 있는 자신의 집에서 91세의 나이로 사망했다.

참조

  1. ^ Sven Grahn. "Reception of signals on 183.54 MHz from the Luna 20 return spacecraft in Stockholm". Sollentuna, Sweden.
  2. ^ a b c R.A. Heartz & T.H. Jones (July 1962). "Mistram and rendezvous". Astronautics. 7: 47–50.
  3. ^ Jerome Hoffman (Jan–Feb 1965). "Relativistic and classical Doppler electronic tracking accuracies". Journal of Spacecraft. 2 (1): 55–61. Bibcode:1965JSpRo...2...55H. doi:10.2514/3.28121.
  4. ^ Jane King & William A. Shelly (1997). "A family history of Honeywell's large-scale computer systems". IEEE Annals of the History of Computing. 19 (4): 42–46. doi:10.1109/85.627898.
  5. ^ Jean Bellec (FEB). "From GECOS to GCOS8 - A History of Large Systems in GE, Honeywell, NEC and Bull". Archived from the original on 2010-07-09.
  6. ^ John Couleur (Winter 1995). "The Core of the Black Canyon Computer Corporation". IEEE Annals of the History of Computing. 17 (4): 56–60. doi:10.1109/85.477436.
  7. ^ J.A.N. Lee (Winter 1995). "The Rise and Fall of the General Electric Corporation Computer Department". IEEE Annals of the History of Computing. 17 (4): 24–45. doi:10.1109/85.477434.
  8. ^ Thomas P. Nosek (1982). "Space Shuttle as a Dynamic Test Tool for Missile Guidance Systems". J. Guidance. 6 (6): 530–531. doi:10.2514/3.8534.
  9. ^ a b R. Fuessel; J. McGhee; R. Powers & D. Sifter. "A method for determining the performance of a precision inertial guidance system". AIAA Guidance and Control Conference, August 6–8, 1979, Boulder, Colorado. AIAA Paper No. 1979-1891. pp. 637–644.
  10. ^ a b Norman Bush (May 1971). "Unmodeled Error Analysis on Trajectory and Orbital Estimation". Technometrics. 13 (2): 303–314. doi:10.2307/1266792. JSTOR 1266792.
  11. ^ a b Kevin Neelands. "Dr. Lewis J. Neelands biography on 100th anniversary of General Electric Co".
연대기

미스트램은 미국 플로리다주 패트릭 공군기지(Contract AF08 (6060) 4891)의 후원으로 뉴욕 시러큐스 제너럴일렉트릭사의 국방시스템부 중무전자과가 설계·개발했다. 미스트람 1세는 1962년, 미스트람 2세는 1963년, 미스트람 2세는 1963년 바하마 엘레우테라에서 운영되었다. 1,550만 달러의 원래 계약은 1960년 7월 12일에 발표되었다.

논문

MISTERAM은 공학 석사 학위 논문 몇 권의 주제였다.

  • 헨리 F 커. 사례연구 : 미스트람 B형 트랜스폰더 개발 논문 (M.S.)--플로리다 주립대학, 1966. 33 페이지. OCLC: 44949051
  • 윌리엄 R 스렐켈드 MISTRAM 추적 정확도를 개선하기 위한 굴절 측정 적용. 논문: 논문 (M.S.)--플로리다 주립대학. 1965. 97 페이지. OCLC: 10939666
  • 토마스 어빈 오스본 미스트람—미사일 궤적 측정 시스템. 논문: 논문 (M.S.)--시러큐스 대학, 1964. 56 페이지 OCLC: 79314654