阿波罗登月电视直播是怎么实现的

“东风程序转弯。酒泉光学跟踪正常,青山USB雷达跟踪正常,遥测信号正常。双城光学雷达跟踪正常。东风光学USB雷达跟踪正常,遥测信号正常,东风飞行正常。”这是我们经常从中国航天器发射直播现场听到的声音,您知道这里面的USB是什么意思吗?

它不是我们电脑上用的那个接口(UniversalSerialBus,通用串行总线)的意思,而是另外一个英语短语UnifiedS-Band(统一S波段)的缩写。在美国发展载人航天的早期,载人飞船和地面的语音与遥测信号是通过超高频(UHF)和甚高频(VHF)系统发送接收的,而对飞船的跟踪则由地面雷达使用C波段信标实现的。由于阿波罗飞船将飞向38万千米外的深空,如果船载通信设备还是各搞一套,势必要在飞船上叠床架屋安装很多仪器,这既提高了通信系统的复杂度,也与阿波罗飞船千方百计减重的大目标背道而驰,年,NASA的通信工程师们决定采纳麻省理工学院林肯实验室的建议,用单个集成通信和跟踪系统来实现地面与阿波罗飞船的通信遥测和测距功能。这个系统因为使用了无线电的S波段,后来被命名为“统一S波段”系统(我国航天测控网从90年代开始采用这一先进和标准的测控体制,年5月10日发射的实践五号卫星是我国第一个采用统一S波段测控体制的航天器)。

阿波罗计划中使用的这套通信系统的核心思想是双重调制,具体方法是:地面把语音和数据信号先调制在副载波上,然后再复合上测距用的伪码,用这个信号再对要发送的上行载波频率进行相位调制,进而发射出去;接收到信号后,航天器从载波中提取副载波,并恢复成语音和命令数据,然后提取出测距伪码,航天器要下发的语音和遥测数据同样先调制到副载波上,然后复合先前提取出的测距伪码,再对下行载波频率进行相位调制,然后发射回地球;航天器还可以对下行载波进行频率调制,以便传输电视信号或数据。

图1,登月舱下行调频信号频谱图

阿波罗计划中下行链路的频率范围是-MHz,其中分配给指令勤务舱下行调相信号(可以传输测距码)的频率是.5MHz,下行调频信号(可用于传输视频,II型阿波罗飞船设计时加入)的频率是.5MHz,分配给登月舱的下行频率是.5MHz,分配给月球漫游车的下行频率是.5MHz;上行链路的频率范围是-MHz,其中分配给指令勤务舱的上行频率是.MHz,分配给登月舱、月球车及S-IVB(土星5号第三级火箭或者土星1B的第二级火箭)的上行频率均为.MHz。发射功率方面,地面发射功率是10千瓦,而阿波罗飞船上的发射功率是20瓦。有报道称苏联监听了这些上、下行信号。

登月舱下行链路通信带宽初期设计是3MHz,其中1.25MHz分配给了语音通信,遥测信号分到了1.MHz,剩余的通信需求只分到了KHz。这种带宽分配方案证明在阿波罗计划的初期NASA并没有认真考虑向公众进行电视直播这件事,要知道当时美国标准制式电视广播信号所需带宽约为4.5MHz,与上述带宽分配方案中的剩余带宽相差甚远。很多工程师甚至反对在阿波罗飞船内配备摄像机,理由只有一个:为飞船减重。

最终NASA还是计划在阿波罗指令舱里安装电视摄像机,不过这种摄像机所占用通信带宽必须限制在几百KHz范围之内,当时唯有50年代末问世的慢扫描电视技术能够满足条件。年,NASA为还处在设计阶段的I型指令勤务舱内使用的电视摄像机发出了招标书,规定这种电视摄像机的主要技术规格为:黑白信号,帧率为10帧/秒,逐行扫描,行扫描线,解析度为行,信号带宽KHz。年NASA又决定这种电视摄像机必要时能达到解析度行,当然这时帧率可以降到0.帧/秒,目的是能够记录和传输月面上某些实时的有科学意义的高分辨率画面。虽然这时候已经有了在登月舱上携带电视摄像机的意图,但对大众进行电视直播依然不在NASA的考虑范围之内。

有阴谋论者质疑称,根据他们的所谓“热力学计算”,人类无法在地面上接收到从月面传回的视频信号。实际计算一下就能知道这种说法是荒谬的。首先我们先了解一点基本的通信原理。一个点状无线电信号源发出的无线电波在真空中传播的时候是球面波,随着通信距离的延长,接收到的信号强度会迅速衰减,这种信号强度的衰减叫做路径损耗,具体衰减的程度由下面的公式可以估算:

Ls=32.45+20lg(f)+20lg(d),其中f为信号频率,单位是MHz,d是传输距离,单位是千米。

阿波罗飞船用的是S波段,登月舱下行频率近似值取2.2GHz,地月距离近似值取千米,代入后计算可知为衰减量约为dB。阿波罗登月舱上的高增益天线是20dBi,地面接收站的64米天线的增益是59dBi(均为2GHz条件下),登月舱的发射功率是20瓦(即43dBm),可以计算出信号传到地面接收站后的功率为43+20+59-=-89dBm,而64米天线的信号接收阈值为-dBm,接收这样强度的信号是没有任何问题的,即使用26米天线(增益约50dBi)也能够收到。

阴谋论者或许会强辩,即便地面能收到信号,信道传输速度也不一定能达到传输视频的标准。我们还可以通过计算来回答。还是先来学一点基本的通信原理。通信学上计算信道最高传输速度的公式是:

C=W×log2(1+S/N),其中W是带宽,单位是Hz,S/N是信噪比,计算结果单位是bps。

阿波罗上的黑白摄像机占用带宽是KHz,就算信道信噪比是30dB(即S/N=,一般电话线的语音通话质量),计算下来最高通信传输速率约为0kbps,约合kB/s,如果是数字信道,理论上讲传输*的DVD画质的数字信号都可以,实际传输个线黑白模拟电视信号当然不在话下。

一共有两家美国公司拿到了NASA的合同,一家是RCA(年拿到合同),另一家是西屋电气(WestinghouseElectric,年拿到合同)。RCA生产的黑白SSTV用在了阿波罗7号和8号任务指令舱上,其感光元件为1英寸光导摄像管,功率为6.5瓦,质量为2千克;后者生产的黑白SSTV用在阿波罗9号指令舱和11号登月舱上(此外作为阿波罗13号、14号、15号及16号这四个登月舱的备用摄像机),感光元件为1/2英寸的二次电子导电摄像管,功率6.5瓦,质量为3.25千克,能提供两种解析度的信号(线

10fps,线

0.fps)。

图2,RCA生产的指令舱舱内黑白电视摄像机

图3,西屋电气生产的登月舱和月面用黑白电视摄像机

因为NASA一开始并没有计划让宇航员在月面上对大众进行电视直播,所以他们仅仅准备让登月宇航员带上一部16mm电影摄像机和一定数量的彩色胶片,把月面上一些关键活动拍下来带回地球冲洗并制作成记录片。但是很多人,特别是NASA内部负责公共信息发布的那些人就感觉对于这么一次伟大的行动,用这样的方式来记录是过于吝啬了。例如年4月,阿波罗办公室副主任威廉·A·李就在给管理层的信中指出:

阿波罗计划的一个目标是以我们的太空实力给世界留下深刻印象.可以设想首次登陆月球的尝试将引起全世界的高度


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