MISTRAM ( MISsile TRAjectory Measurement ) は、米国空軍(後にNASA )がロケット打ち上げの非常に詳細な軌道解析を行うために使用した高解像度の追跡システムです。
1960年代から使用されている「古典的な」測距システムは、レーダーを用いて無線信号が目標（この場合はロケット）まで到達し、戻ってくるまでの時間を計測します。この技術の精度は約1%です。この技術の精度は、信号の開始点を正確に特定するために鋭い「パルス」を生成する必要があるという制約を受けます。パルスの鋭さには、実用的および理論的な限界があります。さらに、高精度クロックが導入されるまでは、信号のタイミング自体がしばしば不正確さをもたらしていました。
MISTRAMでは、連続信号を送信することでこれを回避しました。基本システムは、発射場（フロリダ州バルカリアとバハマ諸島エルーセラ島）から下流に位置する地上局と、探査機に搭載されたトランスポンダーで構成されていました。追跡局はXバンドの搬送信号を送信し、トランスポンダーはこれに応答して別の（シフトした）周波数で再送信しました。追跡局から送信される搬送信号の周波数をゆっくりと変化させ、返送された信号の位相と比較することで、地上管制は探査機までの距離を非常に正確に測定することができました。アナログ回路を使用した場合でも、MISTRAMは月までの距離で1km未満の精度を実現しました。
より厳格な弾道ミサイル試験要件を満たすため、1950年代から1960年代にかけて、複数のシステムが設計・調達され、米空軍東部試験場の計器に追加されました。AZUSA連続波追跡システムは、1950年代半ばにケープバハマ島に、1960年代初頭にグランドバハマ島に追加されました。AN /FPS-16レーダーシステムは、1958年から1961年にかけて、ケープバハマ島、グランドバハマ島、サンサルバドル島、アセンション島、東グランドバハマ島に導入されました。1960年代初頭には、ミニットマンミサイルの飛行を支援するため、MISTRAM（ミサイル軌道測定）システムがフロリダのバルカリア島とバハマのエルーセラ島に設置されました。
動作原理
MISTRAMは、L字型に配置された5つの受信局からなる高度な干渉計システムです。基線は10,000フィート（3,000メートル）と100,000フィート（30,000メートル）です。中央局には簡易な追跡アンテナが設置されています。中央局から最遠の遠隔局までの距離は約100,000フィート（30,000メートル）です。中央局と4つの遠隔局のアンテナはミサイルの飛行を追跡し、無線ビーコンからの信号を受信します。
MISTRAMシステムでは、地上局が宇宙船に搬送波を送信し、宇宙船はこの搬送波を別の周波数で返します。地上局はアップリンク搬送波をスイープし、スイープ中のダウンリンク搬送波の位相シフトを測定（カウント）します。往復遅延時間はT=(delta-phi)/(delta-f)で表されます。ここで、delta-fは周波数シフト（例えば約4000Hz）、delta-phiは測定された位相シフト（ラジアン）です。T=2秒（月までの距離）とすると、delta-phi=8000ラジアン、つまり(8000*180)/Piとなります。また、位相は1度の精度で測定できると仮定します。つまり、距離は(600000*1*Pi)/(2*8000*180)=0.33kmの精度で測定できることになります。前述の搬送波に非常に近い周波数で固定された追加の搬送波が位相基準として使用される。この搬送波と2つの周波数（掃引によって変化する周波数）は、同じ基本発振周波数の倍数として生成される。このようにして、MISTRAMで行われたように、すべての信号は固定された位相関係を持つ。同様の技術は、ソ連のルナ20号宇宙船で183.54MHzで 月面探査に使用された。[ 1 ]
MISTRAMは、米国空軍東部試験場におけるミサイル軌道の精密測定用に開発されたマルチスタティック長基線レーダー干渉計です。マルチスタティックレーダーシステムは、複数の送信機と受信機のサブシステムが2か所以上のサイトで協調的に使用されるため、より複雑です。地理的に分散したすべてのユニットが、受信サイトでの同時受信により、集合的なターゲットの捕捉、検出、位置測定、および解決に貢献します。簡単に言えば、マルチスタティックレーダーとは、共通の空間カバレッジエリアを持つ2か所以上の受信サイトを持ち、これらのカバレッジエリアからのデータが中央の場所で統合および処理されるシステムです。これらのシステムは、複数のバイスタティックペアであると考えられます。マルチスタティックレーダーシステムには、妨害電波や対レーダー兵器の防止など、さまざまな用途があります。
この測定方法は理論的にも実践的にも新しいものではないが、MISTRAMシステムに実装された独自の方法により、他の長基線軌道測定システムではこれまで得られなかった精度と正確さで機体の飛行パラメータを測定することが可能になった。これは主に、遠隔局から中央局へ信号の位相情報をそのまま伝送する独自の方法によって実現された。各基線には双方向伝送路が設けられ、地表形状や温度の変動による不確実性を打ち消している。[ 2 ]
マスター局または中央局の送信機は、公称8148MHzと7884～7892MHzの2つのCW Xバンド周波数を生成します。高い方の周波数（測距信号）は非常に安定していますが、低い方の周波数（校正信号）は指定された測距範囲で周期的に掃引されます。航空機搭載のトランスポンダーは信号を受信し、増幅後、68MHzの周波数シフトを行って地球に再送信します。ドップラーシフトは速度の測定に用いられます。[ 3 ]
フロリダ MISTRAM システムは、100,000 フィート (30,000 メートル) のベースライン (約 18.9 マイル) を持ち、設計性能は次のとおりです。
| 0～50,000フィート/秒（0～15,240メートル/秒） |
| 0～750フィート/秒2（0～229メートル/秒2） |
| 360度 |
| 5～85度 |
| 20～1,000マイル（1,600 km） |
| 0.4フィート（0.12メートル） |
| 0.3フィート（91 mm） |
| 0.02フィート/秒（6.1 mm/秒）[ n 1 ] [ 2 ] |
| 0.002 フィート/秒 (0.61 mm/秒) [ n 1 ] [ 2 ] |
MISTRAMトランスポンダー
トランスポンダーは、地上装置から送信される2つの位相コヒーレントなXバンドCW信号を受信します。68MHzのコヒーレント周波数オフセットを持つクライストロンが、受信信号それぞれに位相同期します。これらのクライストロンは、位相コヒーレントな返信信号を送信します。連続用と校正用の 2つの独立した位相同期ループがあります。
- MISTRAM「A」モデルトランスポンダー仕様
- 動作周波数（公称）
- 連続 - 8148 MHz 受信
- 8216 MHz送信
- キャリブレーション - 7884～8992（スイープ）を受信
- 7952から7960（スイープ）送信
- 入力電力 - 25.2～32.2 V DCで最大5.25アンペア
- 出力 - 500 mW以上/チャンネル
- ウォームアップ時間 - 0℃以上で最大1分
- 取得時間 - 最大0.1秒
- 位相コヒーレンス - 256 MHz - 45 度以内 (最大 0.25 フィートの範囲誤差)
- 8 MHz - 2 度以内（最大 0.36 フィート (110 mm) の範囲誤差）
- ダイナミックレンジ = -39～-105 dBm
- 身体的特徴
- サイズ: 230×310×140 mm (取り付け突起部を含む)
- 導波管ポート: 高さの低いXバンド2つ (送信1つ、受信1つ)
- 寿命: 3年。動作時間500時間。
M-236コンピュータ
MISTRAMは、ATLASミサイルシステム、1960年代の他の大型軍事レーダープロジェクト、そしてアポロ計画など、数多くのプロジェクトで使用されました。また、空軍はケープカナベラルの追跡基地にデータ収集コンピュータを設置することを要求しました。データは最終的にケープカナベラルの36ビットIBM 7094マシンと共有されるため、コンピュータも36ビットである必要があったと考えられます（なぜIBM 7094が使用されなかったのかは謎です）。ゼネラル・エレクトリック社は、この用途のためにM236と呼ばれるマシンを開発しました。[ 4 ]
ニーランズ博士によると、プロジェクトに関わった一部の軍人は「コンピュータ」に頼らないことを固く主張していたため、この「情報プロセッサ」が開発されたという。この高速36ビットミニコンピュータは、ニューヨーク州シラキュースのGE重軍事電子工学部門（HMED）で開発された。M236は、レーダーベースのミサイル飛行測定システムにおけるリアルタイム処理用に設計されたもので、オーバーラップ命令処理、Fortranに必要な浮動小数点演算、ベースレジスタや境界レジスタなどのオペレーティングシステムサポート機能など、いくつかの汎用機能が欠けていた。[ 5 ] M-236コンピュータは、米空軍ケープカナベラルミサイル実験場向けに開発され、エルーセラ島（バハマ）に設置された。36ビットのコンピュータワード長は、レーダー追跡計算と、ケープカナベラルにあるIBM 7094とのデータ交換に必要だった。M236の主任設計者はジョン・クルールであった。
M236は汎用コンピュータではなく軍事プロジェクトの構成部品であったため、1958年から1963年までゼネラル・エレクトリックの会長兼CEOを務めたラルフ・J・コーディナーの意向に沿うものであった。コーディナーは、汎用コンピュータの販売によってIBMと競合することを避けたかったのである。また、開発費は米国政府が負担することになっていた。しかし、プロセス制御コンピュータとして開発されたGE-225は、既に収益性の高い汎用コンピュータとなっており、GEの1950年の事業計画には、より多くのコンピュータシステムの開発が含まれていた。[ 6 ]
M236をベースとした汎用コンピュータの開発をめぐる賛否の議論は1年以上を要し、最終的には1963年2月にM2360プロジェクト推進派の勝利で幕を閉じた。GEの上層部は、GE社内で使用しているIBMリース機器のレンタル料を節約できるという好機に感銘を受けた（新プロジェクトの開発費は1年分のレンタル料で相殺されると見積もられていた）。しかし、GEの他の部門はそれほど感銘を受けず、IBMマシンを手放すことに消極的だった。[ 7 ] M2360プロジェクトはGE-600シリーズとなり、ジョン・クルール率いるチームによって開発された。
アプリケーション
MISTRAMは、ミニットマン弾道ミサイルの慣性誘導システムの開発と試験に使用され、その後、ジェミニ宇宙船とサターンVロケットの試験にも使用されました。1971年に空軍東部試験場にあったMISTRAM Xバンド干渉計が廃止されたため、飛行試験機関は、性能評価の対象となっていた慣性誘導システムよりも優れた、あるいは同等の性能を持つ従来の地上設置型測距計システムを有していませんでした。[ 8 ]これは、 GPSの開発と展開に先立つ数年間にも同様でした。
ミニットマン慣性誘導システムのテスト
最初のミニットマンミサイル（MM I）は1960年代初頭に空軍東部試験場（AFETR）から発射され、AZUSA CW追跡システムによって追跡されました。AZUSA追跡データの比較的低い品質と評価技術が未熟であったため、誤差の総量を推定することしかできず、個々の慣性計測装置（IMU）の誤差源を特定することは不可能でした。[ 9 ]
その後、AFETRで改良型追跡システムUDOPとMISTRAMが開発され、より高品質な速度追跡プロファイルが得られました。ミニットマンII飛行試験プログラムでは、IMU精度の飛行後評価において大幅な改善が行われました。これらの改善の中で最も重要なのは、速度誤差プロファイルをフィルタリングするためにカルマンアルゴリズムを用いた最大尤度誤差推定を導入したことです。ミニットマンIII飛行試験プログラムにおけるUDOPおよびMISTRAM追跡システムの継続的な改良と評価技術の改良により、NS-20A1 IMUの誤差源に関する深い洞察を得ることができました。[ 9 ]
精度評価
軌道推定における主要な課題の一つは、軌道やその他の重要なパラメータの精度を現実的に推定することです。軌道推定において、解くことができないパラメータとしては、ジオポテンシャル定数や測量などが挙げられます。これらの要因は、軌道の全体的な不確実性、そして当然のことながら、エフェメリス予測にも影響を与えます。ランダム誤差とモデル化されていない誤差に基づいて精度推定値を得るために、分散共分散伝播を実行する統計手法が開発されました。MISTRAMシステムにおけるモデル化されていない誤差伝播の例は、GEOS-B（Explorer 36）衛星で示されています。[ 10 ]
主要人物
ルイス・J・ニーランズ博士は、1950年代から60年代初頭にかけてゼネラル・エレクトリック社電子工学研究所および重軍事電子工学部門（HMED）に在籍していた当時、共に働いていた人々から「エンジニアのエンジニア」と呼ばれてきました。ミサイル誘導とテレメトリへの貢献により、彼はHMEDで最も困難かつ成功を収めた2つのプロジェクトであるアルタス誘導プログラムとMISTRAMプログラムにおいて中心人物となりました。[ 11 ]
ニーランズ氏は振り返って、アトラス誘導装置の開発に最も大きな満足感を得たわけではないと述べている（アトラス誘導装置の開発については、「多くの人々が協力して開発し、機能させたおかげで成功した」と述べている）。彼がより誇りを持って記憶しているのは、ミサイル追跡・測定システムであるMISTRAMである。「当時、要求される複雑さと精度において、これに匹敵するものは他にありませんでした」と、ミサイルの飛行を正確に追跡するリアルタイム測定システムについて彼は回想する。同僚の一人は次のように回想する。「1960年、彼は軌道測定という難題を解決しました。それは、遠く離れた受信局から受信した信号を一箇所に集めて処理し、局間を接続する媒体の伝播異常による不正確さを克服するというものでした。リュー氏が解決した関連する問題は、測定の曖昧さを生じさせることなく、また、これらの曖昧さを解決するために多数の受信局を必要とすることなく、必要な角度測定精度を実現できるほど十分に高い周波数を用いて、この問題を解決する方法でした。」彼は前例のない精度を誇るシステムを考案した。[ 10 ]ヘルメスA-3ロケット誘導に関する技術研究はルイス・J・ニーランズ博士が主導し、成功したシステムを生み出しました。このノウハウは後に8014プロジェクトとして知られる別のICBM誘導システムや、高精度のミストラム計測機器にも応用され、すべてマイクロ波干渉計に基づいていました。[ 11 ] ニーランズ博士は2007年7月17日にフロリダ州ゲインズビルの自宅で91歳で亡くなりました。
年表
ミストラムは、ニューヨーク州シラキュースのゼネラル・エレクトリック社防衛システム部門重軍事電子工学部によって、フロリダ州パトリック空軍基地のアメリカ空軍ミサイル試験センター（契約番号AF08 (6060) 4891）の支援を受けて設計・開発されました。ミストラムIはフロリダ州バルカリアで1962年に運用開始され、ミストラムIIは1963年にバハマのエルーセラ島で運用開始されました。当初の契約金額は1550万ドルで、1960年7月12日に発表されました。
参考文献
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- 論文
MISTRAM は、工学分野の理学修士号取得のためのいくつかの論文のテーマとなっています。
