MISTRAM

MISTRAM ( MISsile TRAjectory Measurement ) fue un sistema de seguimiento de alta resolución utilizado por la Fuerza Aérea de los Estados Unidos (y posteriormente por la NASA ) para proporcionar un análisis de trayectoria muy detallado de los lanzamientos de cohetes .

Un sistema de localización "clásico", utilizado desde la década de 1960, emplea radar para cronometrar el tiempo que tarda una señal de radio en llegar a un objetivo (en este caso, el cohete) y regresar. Esta técnica tiene una precisión aproximada del 1%. Su precisión se ve limitada por la necesidad de generar un pulso de radio nítido para poder definir con exactitud el inicio de la señal. Existen límites tanto prácticos como teóricos para la nitidez del pulso. Además, la sincronización de las señales solía introducir imprecisiones hasta la introducción de relojes de alta precisión.

En MISTRAM, esto se evitó mediante la transmisión de una señal continua. El sistema básico utilizaba una estación terrestre ubicada a cierta distancia del sitio de lanzamiento (en Valkaria, Florida y la isla Eleuthera, Bahamas ) y un transpondedor en el vehículo. La estación de seguimiento transmitía una señal portadora en banda X, a la que el transpondedor respondía retransmitiéndola en otra frecuencia (desplazada) . Al cambiar lentamente la frecuencia de la portadora transmitida desde la estación y compararla con la fase de la señal recibida, el control terrestre podía medir la distancia al vehículo con gran precisión. Incluso con los circuitos analógicos utilizados, MISTRAM tenía una precisión inferior a 1  km a la distancia de la Luna.

Para cumplir con los requisitos más estrictos de las pruebas de misiles balísticos , se diseñaron, adquirieron e incorporaron varios sistemas a la instrumentación del Campo de Pruebas Oriental de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos durante las décadas de 1950 y 1960. El sistema de seguimiento de onda continua AZUSA se instaló en Cabo Cañaveral a mediados de la década de 1950 y en Gran Bahama a principios de la década de 1960. El sistema de radar AN/FPS-16 se introdujo en Cabo Cañaveral, Gran Bahama , San Salvador , Ascensión y la isla de Gran Bahama Oriental entre 1958 y 1961. A principios de la década de 1960, el sistema MISTRAM (Medición de Trayectoria de Misiles) se instaló en Valkaria, Florida , y en la isla de Eleuthera , en las Bahamas, para apoyar los vuelos de misiles Minuteman .

MISTRAM es un sofisticado sistema interferométrico que consta de un grupo de cinco estaciones receptoras dispuestas en forma de L. Las líneas base son de 10 000 pies (3 000 m) y 100 000 pies (30 000 m) . La estación central contiene 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 la trayectoria de un misil y reciben señales de su radiobaliza .      

En el sistema MISTRAM, la estación terrestre transmite una portadora a la nave espacial y esta la devuelve en otra frecuencia. La estación terrestre barre la portadora de enlace ascendente y se mide (cuenta) el desplazamiento de fase de la portadora de enlace descendente mientras se realiza el barrido. El tiempo de retardo de ida y vuelta se puede demostrar como T=(delta-phi)/(delta-f); donde delta-f es el desplazamiento de frecuencia (~4000  Hz por ejemplo) y delta-phi el desplazamiento de fase medido en radianes. Supongamos que T=2 s (~distancia lunar), entonces delta-phi=8000 radianes, es decir (8000*180)/Pi. Supongamos también que la fase se puede medir con una precisión de 1 grado, es decir, que el alcance se puede determinar con una precisión de (600000*1*Pi)/(2*8000*180)=0,33  km. Una portadora adicional muy cercana a la descrita anteriormente que permaneció fija en frecuencia y se utilizó como referencia de fase. Esa portadora y las dos frecuencias (entre las que cambiaba 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 hizo en MISTRAM. Una técnica similar se utilizó en la nave espacial soviética Luna 20 a 183,54 MHz para explorar la superficie lunar. ^{[ 1 ]} 

MISTRAM fue 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 los Estados Unidos. Los sistemas de radar multiestáticos presentan una mayor complejidad, con múltiples subsistemas transmisores y receptores empleados de forma coordinada en más de dos emplazamientos. Todas las unidades geográficamente dispersas contribuyen a la adquisición, detección, determinación de posición y resolución colectivas del objetivo, con recepción simultánea en los emplazamientos receptores. En términos más sencillos, los radares multiestáticos son sistemas que cuentan con dos o más emplazamientos receptores con un área de cobertura espacial común, y los datos de estas áreas se combinan y procesan en una ubicación central. Estos sistemas se consideran pares biestáticos múltiples. Los sistemas de radar multiestáticos tienen diversas aplicaciones, entre ellas la prevención de interferencias y la detección de 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 había logrado anteriormente en otros sistemas de medición de trayectorias de línea base larga. En gran medida, esto se consiguió mediante un método único de transferencia intacta de la información de fase de las señales desde las estaciones periféricas a la estación central. Se utilizó una ruta de transmisión bidireccional en cada línea base para cancelar las incertidumbres debidas a la variación en la geometría y la temperatura del terreno. ^{[ 2 ]}

El transmisor de la estación maestra o central genera dos frecuencias CW en banda X, nominalmente de 8148  MHz y de 7884 a 7892  MHz. La frecuencia más alta (la señal de alcance) es muy estable, mientras que la frecuencia más baja (la señal calibrada) se barre periódicamente en el rango indicado. El transpondedor aéreo recibe las señales, las amplifica y las desplaza en frecuencia 68  MHz, y las retransmite a la Tierra. El efecto Doppler se utiliza para determinar la velocidad. ^{[ 3 ]}

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

El transpondedor recibe las dos señales de onda continua (CW) de banda X con coherencia de fase transmitidas desde el equipo terrestre. Un klistrón con un  desfase de frecuencia coherente de 68 MHz se sincroniza en fase con cada una de las señales recibidas. Estos klistrones proporcionan la transmisión de retorno con coherencia de fase. Existen dos bucles de enganche de fase independientes : uno continuo y otro de calibración.

Especificaciones del transpondedor modelo "A" de MISTRAM

Frecuencias de funcionamiento (nominales)

Continuo - 8148 MHz recibido

Transmisión a 8216 MHz

Calibrar - 7884 a 8992 (barrido) recibido

7952 a 7960 (barrido) transmitido

Potencia de entrada: 5,25 amperios máximo de 25,2 a 32,2 V CC.

Potencia de salida: 500 mW min/canal

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

Tiempo de adquisición: máximo 0,1 segundos.

Coherencia de fase: 256 MHz, dentro de 45 grados (margen de error máximo de 0,25 pies).

8 MHz - dentro de 2 grados ( margen de error máximo de 0,36 pies (110 mm))  

Rango dinámico = -39 a -105 dBm

Características físicas

Dimensiones: 8,9 × 12,4 × 5,4 pulgadas (230 × 310 × 140 mm) (incluidas las proyecciones de montaje)  

Puertos de guía de ondas: Dos puertos de banda X de altura reducida (1 transmisor; 1 receptor)

Vida útil: 3 años. Horas de funcionamiento: 500.

MISTRAM se utilizó en varios proyectos, incluyendo el sistema de misiles ATLAS, otros grandes proyectos de radar militar en la década de 1960 y el Proyecto Apolo . La Fuerza Aérea requería que se instalara una computadora de recopilación de datos en una estación de seguimiento ubicada en la zona de influencia de Cabo Cañaveral . Los datos se compartirían posteriormente con la máquina IBM 7094 de 36 bits en Cabo Cañaveral, por lo que la computadora probablemente también tendría que ser de 36 bits (el motivo por el cual no utilizaron una IBM 7094 es un misterio). General Electric construyó una máquina llamada M236 para esta tarea. ^{[ 4 ]}

Según el Dr. Neelands, algunos militares involucrados en el proyecto insistieron en no depender de "computadoras", por lo que se desarrolló este "procesador de información". Esta minicomputadora de alta velocidad de 36 bits fue desarrollada por el Departamento de Electrónica Militar Pesada (HMED) de GE en Syracuse, Nueva York . 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 características de propósito general, como el procesamiento de instrucciones superpuestas, las operaciones de punto flotante necesarias para Fortran y características de soporte del sistema operativo, como registros base y de límites . ^{[ 5 ]} La computadora M-236 fue desarrollada para el Campo de Misiles de Cabo Cañaveral de la Fuerza Aérea de los EE. UU. e instalada en Eleuthera (Bahamas). La longitud de palabra de la computadora de 36 bits era necesaria para los cálculos de seguimiento de radar y para el intercambio de datos requerido con un IBM 7094 ubicado en Cabo. El arquitecto jefe del M236 fue John Couleur .

El M236, al ser un componente de un proyecto militar y no una computadora de propósito general, se ajustaba a los deseos de Ralph J. Cordiner, presidente y director ejecutivo de General Electric entre 1958 y 1963, de no competir con IBM mediante la venta de computadoras de propósito general. Además, los gastos de desarrollo serían sufragados por el gobierno estadounidense. Sin embargo, el GE-225 , desarrollado como una computadora de control de procesos, se había convertido en una computadora de propósito general rentable; el plan de negocios de GE de 1950 incluía el desarrollo de más sistemas informáticos. ^{[ 6 ]}

El debate a favor o en contra del desarrollo posterior de una computadora de propósito general derivada de la M236 duró más de un año y concluyó finalmente con la victoria de los defensores del proyecto M2360 en febrero de 1963. La alta dirección de GE quedó impresionada por la oportunidad de ahorrar los costos de alquiler de los equipos arrendados a IBM que GE utilizaba internamente (se estimó que el costo de desarrollo del nuevo proyecto se compensaría con solo un año de alquileres). Los demás departamentos de GE no quedaron muy impresionados y se mostraron reacios a deshacerse de sus máquinas IBM. ^{[ 7 ]} El proyecto M2360 se convirtió en la serie GE-600 , desarrollada por un equipo liderado por John Couleur.

MISTRAM se utilizó en el desarrollo y las pruebas del sistema de guiado inercial para el misil balístico Minuteman, y posteriormente se empleó para probar la nave espacial Gemini y el sistema de lanzamiento Saturno V. Con la desactivación del interferómetro de banda X MISTRAM en el Campo de Pruebas Oriental de la Fuerza Aérea en 1971, la comunidad de pruebas de vuelo no disponía de un sistema convencional de instrumentación de alcance terrestre mejor o comparable a los sistemas de guiado inercial cuyo rendimiento se estaba evaluando. ^{[ 8 ]} Esto fue así durante los años previos al desarrollo y despliegue del GPS .

Los primeros misiles Minuteman (MM I) se lanzaron a principios de la década de 1960 desde el Campo de Pruebas Oriental de la Fuerza Aérea (AFETR) y se rastrearon con el sistema de seguimiento AZUSA CW. La calidad relativamente baja de los datos de seguimiento de AZUSA, junto con la etapa rudimentaria de las técnicas de evaluación, solo permitió estimar el error total; no fue posible aislar las fuentes de error de las unidades de medición inercial (IMU) individuales. ^{[ 9 ]}

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 pruebas de vuelo Minuteman II , se realizaron mejoras significativas en la evaluación posterior al vuelo de la precisión de la IMU. La mejora más importante fue la introducción de la estimación de 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 pruebas de vuelo Minuteman III permitieron obtener información considerable sobre las fuentes de error de la IMU NS-20A1. ^{[ 9 ]}

El Dr. Lewis J. Neelands ha sido descrito como un ingeniero ejemplar por quienes trabajaron con él en el Laboratorio de Electrónica de General Electric Corporation y el Departamento de Electrónica Militar Pesada (HMED) durante las décadas de 1950 y principios de 1960. Sus contribuciones a la guía y telemetría de misiles lo convirtieron en una figura clave en los programas Altas Guidance y MISTRAM, dos de los proyectos más desafiantes y exitosos del HMED. ^{[ 11 ]}

En retrospectiva, Neelands afirmó que su trabajo en el sistema de guiado Atlas no le produjo la mayor satisfacción (sobre el cual comentó: "Tuvo éxito gracias a un grupo de personas que lo ensamblaron y lo hicieron funcionar"). Es el sistema MISTRAM, de seguimiento y medición de misiles, el que recuerda con mayor orgullo. "En aquel momento, nada podía igualarlo por la complejidad y precisión que requería", recuerda sobre el sistema de medición en tiempo real para el seguimiento preciso del vuelo de un misil. Uno de sus colegas recuerda: "En 1960 resolvió el complejo problema de la medición de trayectorias: reunir en un solo lugar, para su procesamiento, las señales recibidas de estaciones receptoras muy distantes entre sí, superando las imprecisiones debidas a las anomalías de propagación en el medio que conectaba las estaciones. Un problema relacionado que Lew resolvió fue cómo lograrlo utilizando frecuencias suficientemente altas para obtener la precisión angular requerida sin ambigüedades de medición y sin necesidad de un gran número de estaciones receptoras para resolver dichas ambigüedades". Concibió un sistema de precisión sin precedentes. ^{[ 10 ]} El trabajo técnico sobre el sistema de guiado del cohete Hermes A-3 fue dirigido por el Dr. Lewis J. Neelands y dio como resultado un sistema exitoso cuyos conocimientos se transfirieron posteriormente a otro sistema de guiado de misiles balísticos intercontinentales conocido como el proyecto 8014 y también al equipo de instrumentación de alta precisión Mistram, todos basados ​​en el uso de un interferómetro de microondas. ^{[ 11 ]} El Dr. Neelands falleció en su casa en Gainesville, Florida, el 17 de julio de 2007, a la edad de 91 años.

El misil MISTRAM fue diseñado y desarrollado por la División de Electrónica Militar Pesada del Departamento de Sistemas de Defensa de General Electric Company, en Syracuse, Nueva York, bajo el patrocinio del Centro de Pruebas de Misiles de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, en la Base Aérea Patrick , Florida (Contrato AF08 (6060) 4891). El MISTRAM I, ubicado en Valkaria, Florida, entró en funcionamiento en 1962, y el MISTRAM II, en Eleuthera , Bahamas, en 1963. El contrato original, por un valor de 15,5 millones de dólares, se anunció el 12 de julio de 1960.

Disertaciones

MISTRAM ha sido objeto de varias tesis de maestría en ingeniería.

• Henry F. Kerr (1966). Un estudio de caso  : Desarrollo del transpondedor Mistram tipo B (tesis de maestría). Universidad Estatal de Florida. OCLC 44949051 . 
• William R. Threlkeld (1965). Una aplicación de mediciones de refracción para mejorar la precisión de seguimiento de MISTRAM (tesis de maestría). Universidad Estatal de Florida. OCLC 10939666 . 
• Thomas Irvin Osborn (1964). Mistram: un sistema de medición de trayectorias de misiles (tesis de maestría). Universidad de Syracuse. OCLC 79314654 .