Q&A: Comunicazioni con l’Apollo

By articolidiastronomia on 29/05/2022

Ecco alcune risposte riguardo le domande che mi sono arrivate riguardo le comunicazioni tra la capsula Apollo e il centro controllo missione di Houston (MCC): cercherò di spiegarlo con parole adeguate.

Domanda: anche l’Olivetti partecipò allo sbarco sulla Luna?

Un riferimento affidabile si può trovare in questo articolo dell’IEEE. Effettivamente sono state utilizzate Olivetti P101 per la fase di allunaggio nella missione Apollo 11 ma non ho trovato in che ruolo ed in che parte del progetto (tipo di calcoli e in che fase di volo) . L’Olivetti fornì “nel pacchetto” anche una libreria dei programmi più usati. La P101 poteva essere affittata per 3200$ (degli anni ’60), mentre i mainframe IBM System/360 avevano un affitto variabile da 2700$ a 115000$.

Essendo i mainframe IBM multiutente e multiprogrammazione posso pensare (mia ipotesi) che mentre la P101 era un “computer desktop” che veniva usata dai tecnici per eseguire calcoli in maniera “ad personam” senza aspettare i tempi di allocazione delle risorse dei mainframe così da avere già dei risultati validi da cui partire per magari fare analisi più approfondite (l’occupazione dell’uso di un mainframe viene gestito da code di allocazione a seconda della priorità del task, dell’urgenza, tipo di accesso … un po’ come per i telescopi virtuali o come veniva fatto all’inizio per Hubble)

Domanda: Era possibile ascoltare le comunicazioni Apollo?

Achille e Giovanni Judica Cordiglia: avevo già sentito parlare dei fratelli in occasione del volo di Yuri Gagarin e altro legato all’astronautica sovietica ma non ho mai trovato in giro una documentazione che parlasse del loro lavoro o di qualche pubblicazione. Ho trovato però questo, link che si riferisce al tracking da Terra della missione Apollo 17. Quindi era possibile ascoltare gli astronauti dell’Apollo ma se i fratelli fossero in grado o l’abbiano fatto non ho trovato documentazione.

Per gli amanti della fotografia sappiate che il CSM + S-IVB (terzo stadio del Saturn V) è stato fotografato da Terra durante l’accensione motori che lo ha immesso nella TLI (https://airandspace.si.edu/stories/editorial/photographing-apollo-8s-orbit-toward-moon) così come nella fase di rientro in atmosfera (https://www.space.com/19250-apollo-8-reentry.html).

Domanda: In che modo avvenivano le comunicazioni Terra-Apollo?a

In generale le comunicazioni viaggiavano in due bande:

Banda S su cui viaggiavano i dati di telemetria, comandi da inviare all’AGC, radar (per il calcolo distanza & velocità), TV Per questo motivo l’hanno chiamata banda USB (Unified-S-Band)
Banda VHF

Visto la precisione richiesta per la determinazione di posizione e velocità gli orologi erano complessi (stabilità in frequenza, indipendenza dalle variazioni termiche …) e pesanti, quindi non potevano essere presenti sul CSM. Il calcolo distanza e velocità veniva usato il radar e veniva sfruttato l’effetto Doppler. Il segnale trasmesso e ricevuto viaggiava su 2 frequenze (portanti) diverse in rapporto fisso fra loro e noto (chiamiamole $f_{up}$ e $f_{down}$ ). La variazione di frequenza era continua, ovvero se la frequenza di ricezione aumenta, il CSM si avvicina; viceversa se diminuisce il CSM si allontana.

I valori delle portanti sono:

CSM : 2106,4 MHz
LM : 2101,8 MHz

Rapporto di ricezione:

f_{down} = \frac{240}{221} * f_{up}

In questo link ci sono altri dettagli. I valori decimali sono leggermente diversi, invece coincidono con quanto riportato qui https://www.honeysucklecreek.net/images/pdfs/HSK_Apollo_Simulation_System.pdf paragrafo 2 (Mission Configuration).

C’è anche questo NASA Technical Note https://www.hq.nasa.gov/alsj/tnD6739VoiceCommTechnqs.pdf che presenta una descrizione dei parametri di trasmissione utilizzati per il progetto Apollo. Distingue diversi casi:

comunicazioni fra astronauti-Houston quando CSM in orbita LEO intorno alla Terra
comunicazioni fra astronauti-Houston quando CSM in orbita intorno alla Luna
comunicazioni fra astronauti-Houston quando CSM in viaggio da/per la Luna
comunicazioni fra astronauti-Houston quando sono sono sulla Luna

Le caratteristiche delle antenne sono diverse.

Fonte: Apollo experience report voice communications techniques and performance, 1972 NASA (link)

Alcune abbreviazioni usate:

TLI (Trans Lunar Injection) è la manovra (accensione motori) eseguita sotto controllo dell’AGC che porta il CSM + terzo stadio S-IVB lungo l’autostrada gravitazionale che porta verso la Luna. A seconda della missione è stata usata una traiettoria ibrida o di ritorno libero (FRT, Free Return Trajectory)
TEI (Trans Earth Injection). Uguale alla precedente ma dalla Luna alla Terra.

Correzioni di orbita del CSM sono possibili per:

corretto punto di ammaraggio e recupero
corretta sincronizzazione con la rotazione terrestre.

Altri termini:

MSFN: è l’acronimo di Manned Space Flight Network (o misfin). Un sistema di stazioni di Terra per seguire l’Apollo intorno alla Terra. Simile al DSN ma quest’ultimo usato per comunicare con gli astronauti quando sono molto distanti (sulla Luna). Come si vede dalle figure si utilizzano strumentazioni diverse (ad esempio diverse antenne)
VOX: è un circuito che attiva il trasmettitore. Appena l’astronauta inizia a parlare inizia anche la trasmissione. Proprio per questo poteva succedere che le prime sillabe del parlato non venissero trasmesse.
PTT (Push-to-talk): significa che chi trasmette deve premere un pulsante per parlare. In ogni caso, anche quando gli astronauti non parlavano la comunicazione non veniva interrotta in quanto i dati di telemetria continuavano a venire trasmessi.

Domanda: Che protocollo veniva usato up/down link?

In ogni fase di volo solo un insieme di programmi è in esecuzione sull’AGC (quelli previsti con la priorità più alta, come dicevamo nella conferenza), quindi i dati trasmessi a terra sono relativi ai programmi che sono attivi in quel momento ottenuti con un “memory dump” (una fotografia istantanea del contenuto della memoria) parziale in modo da trasmettere con maggior frequenza (nel senso più spesso) sul canale di telemetria.

downlink: vengono trasmesse info (200 Word) divise in info sul vettore di stato (ovvero: “dove mi trovo?”), status dei flag e il valori del DSKY (100 Word) e altre 100 Word a seconda del Major Mode. Queste 200 Word vengono trasmesse in pacchetti di 40 bit a Terra dove si include un ID (immagino ID del pacchetto), una stringa di sincronizzazione, un Word Order Code ed il contenuto dei canali/registri interessati. Il processo di downlink viene gestito dall’AGC con un interrupt ogni 20 ms. La formattazione ed invio di tutti pacchetti (200 Word) impiega 2 secondi, poi si ricomincia con un altro set di 200 Word. Esistono casi in cui a seguito di un comando particolare sul DSKY viene fatto il dump dell’intera memoria (2048 Word)
uplink: serve per inviare e impostare (modificare) comandi nell’AGC. Usa lo stesso formato VERB/NOUN usato dagli astronauti. Prima di inviare qualsiasi dato gli astronauti devo però impostare il computer in modalità “Accetta comandi remoti”, questo anche per motivi di sicurezza senno riceverebbe dati da chiunque compreso i sovietici …. Come se fosse un comando “manuale” i dati sono formattati con 3 pacchetti da 5 bit, più altri 7 bit come parte del comando di update. In totale un update da Terra occupa 22 bit per “tasto”. Alla ricezione del pacchetto, l’AGC del CM/LM invia un pacchetto ACK di 8 bit. Alla fine della trasmissione (cioè quando è inviato l’ultima sequenza dell’ultimo tasto del DSKY) su DSKY lampeggia un codice. Se tutto OK, l’astronauta accetta e i dati sono caricati in AGC.

VERB/NOUN era la sintassi usata da tastiera (DSKY) per dialogare con AGC.

Bibliografia