RCA AN/FPS-16 instrumentradar
AN /FPS-16 är en mycket exakt markbaserad monopulsradar för spårning av ett objekt (SOTR), som används flitigt av NASAs bemannade rymdprogram, det amerikanska flygvapnet och den amerikanska armén. Noggrannheten hos radaruppsättningen AN/FPS-16 är sådan att positionsdata som erhålls från punktkällasmål har azimut- och höjdvinkelfel på mindre än 0,1 milliradian (ungefär 0,006 grader) och avståndsfel på mindre än 5 yards (5 m) med ett signal-brusförhållande på 20 decibel eller mer.
FPS-16 Monopulse Tracking Radar
Den första monopulsradarn utvecklades vid Naval Research Laboratory (NRL) 1943 för att övervinna vinkelbegränsningarna hos befintliga konstruktioner. Monopulstekniken gör vinkelbestämningar samtidigt på varje individuell mottagen puls. Denna förbättring av radarteknik ger en tiofaldig ökning av vinkelnoggrannheten jämfört med tidigare brand- och missilkontrollradarer på längre avstånd. Monopulsradarn är nu basen för alla moderna spårnings- och missilkontrollradarer. Även om monopulsradar utvecklades oberoende och i hemlighet i flera länder, Robert Morris Page vid NRL i allmänhet krediterad för uppfinningen och har det amerikanska patentet på denna teknik.
Monopulstekniken tillämpades först på missilsystemet Nike-Ajax , ett tidigt amerikanskt kontinentalt luftförsvarsvapen. Många förbättringar gjordes för att tillhandahålla en mer kompakt och effektiv monopulsantennmatning och lobjämförelsevågledarkretsar, så att monopulsspårningsradar blev det allmänt accepterade spårningsradarsystemet för militära och civila organ, såsom NASA och FAA .
NRL:s arbete med monopulsradar ledde så småningom till AN/FPS-16, utvecklad gemensamt av NRL och RCA som den första radarn designad speciellt för missilavstånd. AN/FPS-16 användes för att styra de första amerikanska rymdsatellituppskjutningarna, Explorer 1 och Vanguard 1 , vid Cape Canaveral 1958.
FPS-16 och Project Mercury
C-bands monopulsspårningsradarn (AN/FPS-16) som användes i Project Mercury var i sig mer exakt än dess S-bands koniskt skannade motsvarighet, Very Long Range Tracking (VERLORT) radarsystem. AN/FPS-16 radarsystemet introducerades vid Atlantic Missile Test Range med installationer inklusive Cape Canaveral , Grand Bahama , San Salvador , Ascension och East Grand Bahama Island mellan 1958 och 1961. FPS-16 placerad på Australian Weapons Research Establishment Range vid Woomera i södra Australien var också kopplat till NASA-nätverket för Mercury och senare uppdrag. NASA Acq hjälp- och telemetrisystem var samlokaliserade med den australiensiska radarn.
För att erhålla tillförlitlighet när det gäller att tillhandahålla korrekt banadata, var Mercury-rymdfarkosten utrustad med C-band och S-band kooperativa beacons. Markradarsystemen måste vara kompatibla med rymdfarkostens radarfyrar. FPS-16-radarn som används vid de flesta nationella missilområdena valdes för att möta C-bandskravet. Även om den ursprungligen endast hade en räckviddskapacitet på 250 nautiska mil (460 km), hade de flesta av FPS-16-radarenheterna som valts ut för projektet modifierats för drift upp till 500 nautiska mil (900 km), ett NASA-krav och modifiering kit erhölls för de återstående systemen. Utöver det grundläggande radarsystemet var det också nödvändigt att tillhandahålla den datahanteringsutrustning som krävs för att data skulle kunna överföras från alla platser till datorerna.
FPS-16-systemet som ursprungligen planerades för Project Mercury- spårningsnätverket hade inte tillräckliga skärmar och kontroller för att tillförlitligt skaffa rymdfarkosten under den tillgängliga tiden. Följaktligen förhandlades ett kontrakt med en tillverkare för att tillhandahålla modifieringar av instrumenterad radarupptagning (IRACQ, Increased Range Acquisition). För rymdfarkosten nära jorden var en stor begränsning av FPS-16 dess mekaniska växellåda, en underbar teknik. Men för ett mål på en räckvidd som vanligtvis, säg, 700 nautiska mil (1 300 km; 810 mi) vid insamling av signal [AOS], spårade radarn andra gången, det vill säga pulsen som togs emot under denna interpulsperiod var att på grund av den tidigare utsända pulsen, och den skulle indikera en räckvidd på 700 nmi (1 300 km; 810 mi). När räckvidden stängdes blev returpulsen närmare och närmare den tidpunkt då nästa sändarpuls skulle inträffa. Om de tilläts sammanfalla, med tanke på att sändnings-mottagningsomkopplaren kopplade bort mottagningen (Rx) och kopplade sändningen (Tx) till antennen i det ögonblicket, skulle spåret gå förlorat. Så, IRACQ tillhandahöll ett elektroniskt avståndssystem, vars funktion var att tillhandahålla de nödvändiga grindpulserna till Az- och El-mottagarkanalerna så att systemet skulle bibehålla vinkelspår. Systemet använde en spänningsstyrd kristalloscillator [VCXO] som klockgenerator för avståndsräknarna. Ett tidigt/sent grindsystem härledde en felspänning som antingen ökade [för ett stängningsmål] eller minskade [för ett öppningsmål] klockfrekvensen, vilket gjorde att grindarna genererades för att spåra målet. Det tog också, när målet nådde en indikerad räckvidd på mindre än 16 000 yd (15 km), genereringen av sändartriggerpulser och fördröjde dessa med 16 000 yd (15 km), vilket gjorde det möjligt för de mottagna pulserna att passera genom Big Bang , som det kallades, av normalt tidsstyrda Tx-pulser. Radaroperatören skulle, medan IRACQ bibehöll vinkelspår, svänga avståndssystemet från minsta räckvidd till maximum för att återta spåret efter målet vid dess verkliga räckvidd på <500 nmi (900 km). När målet passerade genom den närmaste inflygningspunkten (PCA) och ökade i avstånd, upprepades processen vid maximal avståndsindikation. De svåraste passen var de där omloppsbanan var sådan att målet kom till PCA vid ett avstånd av, säg 470 nmi. Det passet krävde radaroperatören att arbeta mycket hårt när radarn stängdes och sedan öppnade sig inom räckhåll genom Big Bang på kort tid. IRACQ-konsolen innehöll ett C-scope associerat till vilket var en liten joystick som gav C-scope-operatören kontroll över antennvinkelservosystemen så att han kunde justera pekvinkeln för att ta emot signalen. IRACQ inkluderade en avsökningsgenerator som drev antennen i ett av flera förutbestämda sökmönster runt den nominella pekpositionen, det är önskvärt att IRACQ skaffar målet så tidigt som möjligt. En väsentlig egenskap hos denna modifiering är att den tillåter granskning av alla inkommande videosignaler och tillåter upprättande av enbart vinkelspår. När rymdfarkosten har förvärvats, inom vinkelområdet. Andra funktioner i IRACQ-systemet inkluderade ytterligare vinkelavsökningslägen och radarfaskontroller för att tillåta flera radarförfrågningar av rymdfarkostens fyr. Tillägget av en vågmätare för en lokal oscillator för beacon möjliggjorde bestämning av rymdfarkost-sändarens frekvensdrift.
Tidigt i installationsprogrammet insåg man att räckvidden för Bermuda FPS-16 borde ökas till över 800 km. Med räckviddsbegränsningen på 500 mil (800 km) var det möjligt att spåra rymdfarkosten i endast 30 sekunder innan start-fordonets upprätthållande motoravstängning (SECO) under den kritiska insättningsfasen. Genom att utöka räckviddsförmågan till 1 000 miles (2 000 km) kunde rymdfarkosten förvärvas tidigare, och ytterligare data skulle kunna tillhandahållas Bermuda-datorn och flygdynamikkonsort. no-go-beslut efter SECO.
VERLORT-radarn uppfyllde S-bandskravet med endast ett fåtal modifieringar. Viktiga var tillägget av specifik vinkelspårkapacitet och ytterligare vinkelavsökningslägen. Vid Eglin Air Force Base i Florida användes MPQ-31-radarn för S-bandsspårning genom att utöka dess räckviddskapacitet för att möta Project Mercury- kraven. Datahanteringsutrustningen var i stort sett densamma som för FPS-16. Koordinatkonverterings- och sändningsutrustning installerades vid Eglin för att tillåta både MPQ-31 och FPS-16 att leverera trekoordinatdata till Atlantic Missile Range (AMR) radar via central analog datadistribution och beräkning (CADDAC).
C-Band Radar Transponder
C-bandsradartranspondern (modell SST-135C) är avsedd att öka räckvidden och noggrannheten för radarmarkstationerna utrustade med AN/FPS-16 och AN/FPQ-6 radarsystem. C-bandsradarstationer vid Kennedy Space Center, längs Atlantic Missile Range, och på många andra platser runt om i världen, tillhandahåller globala spårningsmöjligheter. Från och med fordon 204 och 501 kommer två C-bandsradartranspondrar att bäras i instrumenteringsenheten (IU) för att tillhandahålla radarspårningsmöjligheter oberoende av fordonets inställning. Detta arrangemang är mer tillförlitligt än de nödvändiga antennomkopplingskretsarna om endast en transponder skulle användas.
Transponderdrift
Transpondern tar emot kodad eller enkelpulsförfrågning från markstationer och sänder ett enkelpulssvar i samma frekvensband. En gemensam antenn används för att ta emot och sända. Transpondern består av fem funktionella system: superheterodynmottagare, dekoder, modulator, sändare och strömförsörjning. Duplexern (en ferromagnetisk cirkulator med 4 portar) ger isolering mellan mottagare och sändare. Förfrågningspulser riktas från antennen till mottagaren och svarspulser riktas från sändaren till antennen. Förväljaren, som består av tre koaxiella kaviteter, dämpar alla RF-signaler utanför mottagningsbandet. Den mottagna signalen heterodynas till en 50 MHz mellanfrekvens i mixern och förstärks i IF-förstärkaren som även innehåller detektorn. Vid kodad sändning ger avkodarmodulen en pulsutgång endast om korrekt avstånd finns mellan mottagna pulspar. Den formade pulsutgången från dekodern riktas till modulatorn som omvandlar den till en högeffekts, exakt formad och exakt fördröjd puls som appliceras på magnetronen för att producera svarspulsen. Sex telemetriutgångar tillhandahålls: insignalnivå, ingångspulsrepetitionsfrekvens (PRF), temperatur, infallseffekt, reflekterad effekt och svars-PRF.
Halvledare används i alla kretsar, med undantag för lokaloscillatorn och magnetronen.
Radar markstationsdrift
Radarmarkstationerna bestämmer positionen för fordonets C-bandstransponder genom att mäta avstånd, azimutvinkel och höjdvinkel. Räckvidden härleds från pulsens gångtid, och vinkelspårning åstadkommes genom monopulstekniker med amplitudjämförelse. Så många som fyra radarstationer kan spåra fyren samtidigt.
NASAs C-bandsradar för bemannad rymdflygning (MSFN).
NASAs landbaserade C- bandspulsradartyper (MSFN) består av AN/FPS-16, AN/MPS-39, AN/FPQ-6 och AN/TPQ-18. MPS-39 är ett transportabelt instrument som använder space-fed-phased-array-teknik; TPQ-18, en transportabel version av FPQ-6. Indikatorn AN (ursprungligen "Army–Navy") betyder inte nödvändigtvis att armén, marinen eller flygvapnet använder utrustningen, utan helt enkelt att typnomenklaturen tilldelades enligt det militära nomenklatursystemet. Betydelsen av de tre bokstavsprefixen; FPS, MPS, FPQ och TPQ är:
- FPS - fast; radar; detektering och/eller avstånd och bäring
- MPS - mark, mobil; radar; detektering och/eller avstånd och bäring
- FPQ - fast; radar; speciella eller kombinationer av syften
- TPQ - mark, transportabel; radar; speciella eller kombinationer av syften.
AN/FPS-16 RADAR SET TYPISKA TEKNISKA SPECIFIKATIONER ------------------------ Typ av presentation: Dual-trace CRT, A/R och R typ displayer . Sändardata - Nominell effekt: 1 MW topp (magnetron med fast frekvens); 250 kW topp (avstämbar magnetron). Frekvens fast: 5480 plus eller minus 30 MHz Ställbar: 5450 till 5825 MHz Pulsrepetitionsfrekvens (intern): 341, 366, 394, 467, 569, 682, 732, 853, 1024, 1700 pulser per sekund eller 1700 pulser. : 0,25, 0,50, 1,0 µs Kodgrupper: 5 pulser max, inom 0,001 arbetscykelbegränsning för sändaren. Radarmottagardata - Brus Figur: 11 dB Mellanfrekvens: 30 MHz Bandbredd: 8 MHz Smal bandbredd: 2 MHz Dynamiskt omfång för förstärkning: 93 dB Gatebredd Spårning: 0,5 µs, 0,75 µs, 1.25 µs 1.µs, 0,5 µs, 0,5 µs , 1,75 µs Täckningsområde: 500 till {{convert|400000|yd|m|-5|abbr=on}} Azimut: 360° kontinuerlig Höjd: minus 10 till plus 190 grader Servobandbredd Område: 1 till 10 Hz (var) Vinkel: 0,25 till 5 Hz (var) Krav på driftström: 115 V AC, 60 Hz, 50 kV·A, 3-fas
Funktionsprinciper
AN/FPS-16 är en C-bands monopulsradar som använder en vågledarhybrid-labyrint-komparator för att utveckla vinkelspårinformation. Komparatorn tar emot RF-signaler från en uppsättning av fyra matningshorn som är placerade vid brännpunkten för en 12 fot (4 m) parabolisk reflektor. Komparatorn utför vektoraddition och subtraktion av energin som tas emot av varje horn. Höjdspårningsdata genereras i komparatorn som skillnaden mellan summan av de två översta hornen. Azimutspårningsfelet är skillnaden mellan summan av de två vertikala hornparen. Vektorsummorna för alla fyra hornen kombineras i en tredje kanal. Tre blandare med en gemensam lokaloscillator och tre 30 MHz IF-remsor används; en vardera för azimut-, höjd- och summasignalerna.
Samma fyrhornskluster används för RF-överföring. Sändarens utsignal levereras till komparatorlabyrinten, som nu fungerar för att fördela den utgående effekten lika mellan alla fyra hornen. Mottagarna skyddas av TR-rör under sändningstiden.
Hornklustret är placerat ungefär vid brännpunkten för en 12-fots (4 m) parabolisk reflektor . Under överföringscykeln fördelas energin lika mellan de fyra hornen. Under mottagningscykeln representerar utsignalerna från höjd- och azimutkomparatorarmarna mängden vinkelförskjutning mellan målpositionen och den elektriska axeln. Tänk på ett mål utanför axeln - bilden är förskjuten från brännpunkten och skillnaden i signalintensitet vid hornens framsida är en indikation på vinkelförskjutning. Ett tillstånd på målet kommer att orsaka lika och i-fassignaler vid vart och ett av de fyra hornen och noll utsignal från höjd- och azimutarmarna.
Summa-, azimut- och höjdsignalerna omvandlas till 30 MHz IF- signaler och förstärks. Faserna för höjd- och azimutsignalerna jämförs sedan med summasignalen för att bestämma felpolariteten. Dessa fel detekteras, kommuteras, förstärks och används för att styra antennpositioneringsservona. En del av referenssignalen detekteras och används som en videoavståndsspårningssignal och som videoskopdisplay. Ett mycket exakt antennfäste krävs för att bibehålla vinkelsystemets noggrannhet.
FPS-16-antennsockeln är en precisionsbearbetad artikel, konstruerad för att ha nära toleranser, monterad i dammfria, luftkonditionerade rum för att förhindra skevhet under mekanisk montering. Sockeln är monterad på ett armerad betongtorn för att ge mekanisk styvhet. Den elektroniska utrustningen är monterad i en tvåvånings betongbyggnad som omger tornet för att minska tornets vridning på grund av solstrålning.
Radarn använder en 12-fots (4 m) parabolantenn som ger en strålbredd på 1,2 grader vid halvkraftspunkterna. Avståndssystemet använder 1,0, 0,5 eller 0,25 mikrosekunder breda pulser. Pulsbredd och prf kan ställas in med tryckknappar. Tolv repetitionsfrekvenser mellan 341 och 1707 pulser per sekund kan väljas. Ett uttag är anordnat genom vilket modulatorn kan pulsas av en extern källa. Med hjälp av extern modulering kan en kod på 1 till 5 pulser användas.
Data rake-offs tillhandahålls för potentiometer, synkro och digital information i alla tre koordinaterna. De digitala azimut- och elevationsdata härleds från analog-till-digital kodare av optisk typ. Två växlade kodare med tvetydighetsupplösning används för varje parameter. Data för varje vinkel är ett gråkodsord i seriell form. De överlappande tvetydighetsbitarna tas bort och data omvandlas från cyklisk grå kod till rak binär innan inspelning för överföring till datorn. Områdesservot presenterar ett 20-bitars rakt binärt ord i seriell form efter tvetydighetsupplösning och kodkonvertering. Samma typ av optiska kodare används.
Antennsockeln AN/FPS-16 är monterad på ett 12 x 12 fot (4 x 4 m) betongtorn som sträcker sig 27 fot (8 m) över nivån. Mitten av den placerade antennen är cirka 36 fot (11 m) över lutningsnivån. Den elektroniska utrustningen, hjälpsystemet, underhållssektionen, etc., är inrymd i en 66 x 30 x 24 fot (20×9×7 m) tvåvåningsbyggnad i betongblock. Byggnaden omger, men är inte fäst vid, piedestaltornet. Denna konstruktionsmetod placerar tornet i den luftkonditionerade miljön i utrustningsbyggnaden och ger skydd mot solstrålning och andra väderpåverkan som skulle späda ut systemets inneboende noggrannhet. Effektkrav för varje station är: 120/208 volt, ±10 volt, 4-tråds, 60 Hz; 175 kV·A.
Modeller av AN/FPS-16
AN/FPS-16 och AN/FPQ-6 är C-bands spårningsradarsystem. Deras nyckelegenskaper jämförs i följande tabell.
Radar markstationsegenskaper ------------------------------------ AN/FPS-16 AN/FPQ-6 ---------- ---------- Frekvensband (MHz) . . 5400-5900 5400-5900 Toppeffekt (MW) ...... 1,3 3,0 Antennstorlek (meter) .... 3,9 9,2 Antennförstärkning (dB) ...... 47 52 Mottagarens brustal (dB) 6,5 8 Vinkelprecision (enheter) . . . 0,15 0,1 Räckviddsprecision (meter).. 4,5 3,0
AN/FPS-16 (XN-I)
Den första experimentmodellen gjordes med ett X-band RF-system och en antenn av linstyp. Det byttes senare till C-band med en reflektorantenn. Denna radar modifierades ytterligare för användning på Vanguard och är nu installerad vid Atlantic Missile Range, Patrick AFB, Florida.
AN/FPS-16 (XN-
Två av denna modell gjordes. En installerades på Grand Bahama Island, BWI, och en fanns kvar på RCA (nu Lockheed Martin), Moorestown, NJ. Dessa radarer är nästan identiska med senare produktionsmodeller.
AN/FPS-16 (XN-3)
Detta var en experimentell version av AN/FPS-16 (XN-2) som inkluderar ett 3-megawatt modifieringskit, ett cirkulärt polarisationssats, ett datakorrigeringssats och ett TV-kit med sikt. Denna radar installerades vid RCA, Moorestown, NJ
AN/FPS-16AX
Detta är en produktions-AN/FPS-16 modifierad enligt (XN-3). Tre radarer belägna vid White Sands Missile Range, och en belägen i Moorestown, New Jersey, har modifierats på detta sätt. AN/MPS-25 är nomenklaturen för en trailermonterad produktionsmodell AN/FPS-16.
AN/FPQ-4
Detta är en anpassning av AN/FPS-16 som gjordes för att användas som målspårare i det landbaserade Talos-systemet. Två modeller installerades på WSMR. Ytterligare två modeller, med modifieringar, installerades på ett fartyg för användning i Atlantic Missile Range på Project DAMP . En femte sådan radar installerades vid RCA, Moorestewn, NJ som en del av Project DAMP- forskningsanläggningen.
AN/FPS-16 RADAR SET HUVUDKOMPONENTER OCH FYSIKALISKA DATA -------------------------------------------- KOMPONENTER ANTAL TOTALA DIMENSIONER ENHET WT. (tum) (pund) ---------- --- ------------------ -------- Elektronisk kontroll för förstärkare 1 3.1 x 3,7 x 10,4 6 AM-1751/FPS-16 Tuning Drive 1 3,1 x 3,ix 10 3 TG-55/FPS-16 Kontroll Elektrisk frekvens 1 3,7 x 4,7 x 19,2 6 C-2278/FPS-16 Kontrollförstärkare 3.7 x 1,7 x 17,2 5 C-2276/FPS-16 Luftkonditionering 1 32 x 56 x 73 1500 Luftkonditionering 1 18 x 72 x 76 1500 Förstärkare Glödtrådsförsörjning 13 3,7 x 3,7 x 5 8 Ampl. 1 x 2 x 2 komp. 4 (Azimut & Elevation) Angle Control Unit 1 8,2 x 15,5 x 19,5 20 AM-1760/FPS-16 Angle Error Amplifier 2 8,2 x 13,7 x 19,5 21 (Azimut & Elevation) Angle Servo Preamplifier 5 x 1059 (Azimut & Elevation) ; Elevation Servo) Vinkelsummeringsförstärkare 2 12,2 x 15,5 x 19,5 24 (Azimuth & Elevation) Azimuth Driver Amplifier 1 8,2 x 13,7 x 19,5 21 AM-1759/FPS-16
Uppgraderingsändringar
Betydande förbättringar och uppdateringar införlivades i många AN/FPS-16- och TPQ-18-system under och efter 1960-talet.
Digital Ranging Machine (DIRAM, ADRAN) Den elektromekaniska räckviddsservospårningsmaskinen ersattes med ett fast anslutet digitalt logiskt undersystem för avståndsspårning (ett par generationer). Analoga mottagaringångar för Early-Late gate range felsignaler integrerade för att producera uppräknings-/nedåtsteg till Range Counter som avkodades för att producera spårningsgrindar och displaytriggers till ungefär ~5,25MHz (~190nSec) upplösning. Liknande räkning och avkodning användes för att generera sändningstid (TO, PRF, ...). Viss timing med högre upplösning genererades med en avtappad fördröjningslinjeteknik.
Doppler Velocity Extraction System (DVES) Denna modifiering inkluderade Digital Ranging-modifieringen och lade till en digital dator för allmänt bruk, och en underuppsättning av AN/FPQ-6 CSP (koherent signalprocessor) Doppler Velocity Tracking-undersystemet (se AN /FPQ-6). FPS-16 (och MPS-36) utelämnade CSP-funktion var den mottagna signalen I&Q IF-integrering i mycket smala kristallfilter. De koherenta sändnings- och LO-mottagnings- och Dopplerhastighetsspårningsservoslingorna inkluderades för rena otvetydiga hastighetsdata. Den allmänna digitala datorn gav Pulse Doppler tvetydighetsupplösningsfiltrering, implementerade vinkelservoslinga för Az-El-spårning och andra funktioner.
- Radaruppsättning - Typ: AN/FPS-16. US Air Force TM-11-487C-1, volym 1, MIL-HDBK-162A. 15 december 1965.
- RM sida. Exakt vinkelspårning med radar. NRL-rapport RA-3A-222A, 28 december 1944.
- US-patent nr 2 929 056 till RM Page, "Simultaneous Lobing Tracking Radar", mars 1960.
- LA Gebhard. Utveckling av sjöfartsradioelektronik och bidrag från sjöforskningslaboratoriet. NRL-rapport 8300, 1979.
- NASA-publikation SP-45, "Mercury Project Summary, Inclusive Results of the Fourth Manned Orbital Flight, 15 och 16 maj 1963. Oktober 1963.
- Danielsen, EF; Duquet, RT En jämförelse av FPS-16 och GMD-1 mätningar och metoder för bearbetning av vinddata. Journal of Applied Meteorology, vol. 6, nummer 5, s. 824–836, 1967/10.
- Scoggins, JR En utvärdering av detaljerade vinddata som mäts med FPS-16 radar/sfärisk ballongteknik. NASA Tech. Notera TN D-1572, 30 s. 1963.
- Hoihjelle, Donald L. AN/FPS-16(AX) Radarmodellering och datorsimulering. Defense Technology Information Center Accessionsnummer: AD0738167, White Sands Missile Range N Mex Instrumentation Directorate, 25 s. februari 1972.