Dove si trova l’Apollo?

Una vista notturna dell’antenna
principale di Honeysuckle

Nel corso della breve serie di post che ho dedicato alle stazioni della DSN (Deep Space Network) non mi sono addentrato nei dettagli della tecnologia utilizzata. Con questo post vorrei descrivere una di queste tecnologie, che risponde ad una semplice domanda: come era possibile determinare la posizione dell’Apollo nel suo viaggio verso la Luna? La risposta a questa domanda (e a quella più generica sul come determinare la posizione di un oggetto artificiale nel suo viaggio nello spazio) passa attraverso la descrizione di un fenomeno che tutti noi sperimentiamo ogni giorno e che è noto come Effetto Doppler. Il nome deriva da quello del matematico austriaco Christian Doppler, che per primo analizzò questo fenomeno.

Come recita Wikipedia:

“L’effetto Doppler è un cambiamento apparente della frequenza o della lunghezza d’onda di un’onda percepita da un osservatore che si trova in movimento rispetto alla sorgente delle onde.”

L’esempio classico è quello della sirena dell’ambulanza: quando un’ambulanza si avvicina il suono della sua sirena verrà inizialmente percepita con un tono più alto di quello effettivo; il tono andrà poi abbassandosi mentre il veicolo passa accanto all’osservatore, e continuerà ad abbassarsi durante la fase di allontamento.

Nella corso del secolo scorso, sfruttando l’effetto Doppler venne sviluppato il Radar Doppler; un radar che, misurando il cambiamento di frequenza di un segnale radio inviato in direzione di un oggetto e da esso riflesso, è in grado di determinare la velocità di spostamento di un oggetto.

Christian Doppler

Ed e’ proprio un radar Doppler quello che venne utilizzato per il Progetto Apollo. Ovviamente un radar appositamente ideato per le esigenze specifiche del progetto.

Erano tre gli elementi fondamentali della soluzione:

  • le antenne della DSN, in particolare per l’Apollo quelle di Honeysuckle, Goldstone e Fresnedillas

  • un’accuratissimo Transponder, un ricevitore-trasmettitore che genera un segnale in risposta ad uno specifico segnale ricevuto. Il segnale ricevuto può essere amplificato e/o ritrasmesso su una frequenza differente. Ne venivano utilizzati due: uno a bordo del CSM e uno sul LM

  • l’utilizzo della Unified S-band (USB): una banda intorno ai 2.2GHz utilizzata per la trasmissione combinata (da qui il termine ‘Unified’) della voce, del segnale televisivo, della telemetria e dei comandi remoti

Utilizzando questi tre elementi fu possibile tracciare distanza e velocità radiale – ovvero la distanza dell’Apollo e quanto velocemente si avvicinava o allontanava da un’antenna posta sulla Terra (ovvero quelle citate sopra).

La trasmissione sulla USB da terra verso l’Apollo di dati e voce era chiamato l’Uplink. La frequenza della portante del segnale veniva generata utilizzando la strumentazione più precisa disponibile al quel tempo. Per l’uplink verso il CSM questa frequenza era pari a 2.105,40625 MHz, mentre quella verso il LM era di 2,101.802 MHz. Un transponder a bordo della capsula riceveva il segnale, moltiplicava la frequenza di un valore pari al rapporto 240/221 (circa 1,086) e utilizzava questo segnale come portante per la comunicazione verso terra, il Downlink. Quando il segnale era ricevuto a terra, le due frequenze venivano confrontate: se il rapporto 240/221 era stato mantenuto significava che l’Apollo era in posizione stazionaria rispetto alla stazione ricevente, non si stava muovendo. Una frequenza più alta indicava l’avvicinarsi dell’Apollo, mentre una frequenza più bassa indicava l’allontanamento.

Questo procedimento di misurazione della velocità aveva due grandi vantaggi:

  • prendendo in considerazione entrambi i sensi della trasmissione nella misurazione dell’effetto Doppler, si otteneva un raddoppio della precisione. Era possibile rilevare variazioni di velocità di pochi cm/s: era talmente sensibile che poteva registrare la minuscola variazione dovuta allo scarico dell’urina nello spazio da parte degli astronauti

  • il generatore di frequenza della portante doveva essere il più preciso possibile per utilizzare questo sistema ma i generatori precisi erano anche relativamente grandi, pesanti e consumavano parecchia energia. Con questo sistema, a bordo delle capsule servivano solo dei transponder mentre i generatori erano a terra, senza essere sottoposti a vincoli stringenti di ingombro, peso e consumi

Per quanto riguarda la determinazione della posizione il procedimento, detto di Ranging (distanza), era diverso e più dispendioso in termini di utilizzo della banda del segnale di downlink. Per questo motivo veniva utilizzato solo per pochi minuti e solitamente durante il cambio di stazione ricevente a terra (es. passando da Honeysuckle a Goldstone).

La stazione a terra generava una sequenza di rumore pseudo-casuale costituita da 5.456.682 bit per un periodo di 5.4 secondi, che veniva aggiunto al segnale di uplink. Il transponder sull’Apollo si limitava a rispedirla indietro nel flusso di downlink. A terra la sequenza veniva sottoposta ad un processo di correlazione: veniva determinato il tempo necessario alla sequenza per compiere il viaggio di andata e ritorno e, sulla base di questo valore, la distanza. Dopo aver verificato che la stazione aveva stabilito una buona comunicazione nei due sensi con l’Apollo, il segnale di ranging veniva spento e la misura della distanza veniva aggiornata tramite la costante misurazione della velocità col metodo descritto in precedenza. Questo sistema era in grado di fornire la posizione dell’Apollo con una precisione al di sotto di +/- 15.2 m su distanze pari al doppio di quelle in gioco nel viaggio Terra – Luna (fino a 804.000 Km).

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2 Risposte to “Dove si trova l’Apollo?”

  1. Ottimo. Bravo.

  2. Grazie :)

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