Categoria: PGNS

L’IMU dell’Apollo

Il computer dell’Apollo non era in grado di comprendere ed interagire con il mondo esterno senza una serie di sensori/trasduttori di interfacciamento tramite i quali leggeva le grandezze fisiche. Il sistema primario di navigazione (PGNS) era uno dei sistemi di interfacciamento principali del CSM/LM in grado di gestire la navigazione cislunare. Esso venne progettato da Charles S. Draper, direttore dell’IL (Instrumentation Laboratory) del MIT: egli aveva già lavorato ad un proprio sistema di guida inerziale per il progetto di una sonda da mandare su Marte, dalla quale derivò il progetto della piattaforma inerziale dell’Apollo.

Esso era costituito da un sistema a giroscopi con un diametro di 2,5 pollici (6,35 cm), pressurizzati in atmosfera di elio e stabilizzati su una piattaforma stabile (realizzata in un unico blocco di berillio). Era montato su tre anelli concentrici che permettevano la rotazione della piattaforma sui tre gradi di libertà (x, y, z). Dato che i giunti cardanici erano liberi di ruotare in ogni direzione (3 assi), la piattaforma era in grado di mantenere l’orientazione rispetto ad un insieme di stelle di riferimento indipendentemente dall’assetto della navicella.

Ogni anello gestiva un asse di rotazione della capsula; in particolare la rotazione lungo l’asse Y era rappresentata dal giunto più interno, la rotazione secondo l’asse X dal giunto più esterno e l’asse Z  dall’anello centrale.

Spaccato dei giroscopi Apollo (IRIG)
Fonte: https://wehackthemoon.com/

A quest’ultimo era attaccato ad un elemento sferico di 42,5 libbre (19 Kg) di peso pressurizzato con aria secca e montato solidale con lo scafo della capsula: ad ogni rotazione un sensore rilevava l’angolo fra il giunto e la piattaforma e inviava un segnale alla CDU (Coupling Data Unit) ovvero un blocco ADC a cinque canali che generavano un interrupt. Ogni interrupt descriveva una variazione di movimento di rotazione. La CDU possedeva dimensioni 20×11,3×5,5 pollici (50x28x14 cm) e pesava 36,5 libbre (16,5 Kg).

Vi erano due IMU nella capsula Apollo: uno nel CM e un secondo nel LM ma con due diversi riferimenti spaziali: nel CSM l’asse X era diretto nel senso di spinta del SPS (Service Propulsion System), mentre nel LM l’asse X era diretto lungo la spinta del motore di discesa/ascesa del veicolo.

Anche se i tre giunti erano liberi di ruotare, l’anello centrale (asse Z) era soggetto ad un fenomeno giroscopico noto come blocco cardanico (gimbal lock) dovuto all’allineamento di due anelli rotanti su uno stesso asse di rotazione che comportava la perdita di un grado di libertà. In tale situazione gli astronauti avrebbero dovuto riallineare l’IMU con il sistema ottico e gestire temporaneamente l’assetto con il sistema di backup SCS (nel CSM) o AGS (nel LM). Per prevenire una tale situazione, un programma dedicato (T4RUPT_PROGRAM.agc) era in grado di informare preventivamente gli astronauti  sul display dell’avvicinarsi di una tale situazione (NO ATT). Il PGNS era montato nella parte bassa del CM e aveva una dimensione 4x2x3 ft. Per risparmiare energia veniva acceso solo per brevi intervalli di tempo durante il volo (circa 20% del tempo): consumava 217 W ed era alimentata a 28 V.

Schema disposizione elementi all’interno
Fonte: https://wehackthemoon.com/

PIPA (Pulse Integrating Pendulous Accelerometers)
Fonte: CSM Apollo Guidance and Navigation

Gli accelerometri, dal diametro di 1,6 pollici (4 cm), che erano montati in parallelo ad ogni giroscopio erano noti come PIPA (Pulse Integrating Pendulous Accelerometers): erano costituiti da un piccolo pendolo di massa nota con grande precisione immerso in un fluido viscoso. Il pendolo era progettato per muoversi in una sola direzione: quando veniva applicata una forza al pendolo esso si muoveva e poi ritornava nella posizione iniziale ed una serie di sensori rilevava lo spazio e la forza necessaria per riportalo nella posizione di riposo. Anche in questo caso l’output era inviato alla CDU per la conversione A/D e l’attivazione di un’interruzione per l’AGC (un compito gestito dal Servicer).

Durante il viaggio nello spazio cislunare le direzioni di riferimento usate dall’orientazione dell’IMU si basavano su un catalogo di stelle di riferimento con posizioni in cielo precaricate nell’AGC2: il catalogo conteneva 37 stelle di riferimento distribuite su entrambi gli emisferi.

Le misure stellari avvenivano con l’uso di un telescopio ed un sestante ottico montati su un unico supporto assieme all’IMU in modo da ridurre errori di misura dovuti a disallineamenti (precisione di un arco secondo).

  • Il telescopio: simile ad un teodolite  era un rifrattore con un ingrandimento di 1x, un campo visivo di 60° e aveva la stessa funzione di un cercatore di un moderno telescopio.
  • Il sestante ottico (della Kollsman Instruments): aveva un ingrandimento di 28x, un campo visivo di 1,8° ed una precisione di 10 secondi d’arco. È l’equivalente 3D del moderno sestante di navigazione: possedeva un set di ghiere per misurare la differenza angolare tra le due linee di vista (SLOS e LLOS, Star/Landmark Line of Sight). Uno specchietto mobile per la misura angolare consentiva una corsa massima teorica di 57°, difficilmente raggiungibili a causa delle ostruzioni.
Il sistema ottico del CM
Fonte: The Apollo Guidance Computer: Architecture & Operation

Il sistema ottico era alimentato a 28V e consumava 94,5 W. Per effettuare una misura la coppia sestante-telescopio veniva anzitutto portata in una posizione di azzeramento degli strumenti1; quindi, una volta puntato l’oggetto con il telescopio, si  agiva sul sestante in modo da collimare l’oggetto puntato con il riferimento di base. Quando l’oggetto era all’interno del campo visuale, l’astronauta usava un joystick (OHC, Optics Hand Controller) per allineare le due linee di vista. L’oggetto puntato poteva essere una stella per il riallineamento inerziale oppure un punto di una superficie o l’orizzonte della Terra/Luna per il calcolo della posizione nello spazio cislunare. La pressione del tasto MARK confermava la misura che veniva inviata all’AGC insieme all’orario in cui era stata effettuata.

La registrazione consisteva in due angoli:

  • l’angolo rispetto all’albero principale del sestante (shaft angle)
  • l’angolo di rotazione (trunnion angle).

Durante la fase di rendezvous il sestante del CSM era impiegato anche con lo scopo di individuare ed inseguire la fase di salita del LM. I dati di posizione angolare assieme alla distanza fra il LM e CSM ricavato dalle informazioni del radar (VHF) consentivano all’AGC di effettuare i calcoli necessari per il rendezvous.

Dato che il LM non era progettato per navigare nello spazio cislunare, l’uso del suo sistema ottico era diverso. Il sistema di allineamento (AOT) possedeva un campo visivo di 45° dall’asse X: possedeva sei posizioni selezionabili tramite un selettore ad intervalli di 60° su tutto il piano rimanendo pero’ fisso in elevazione. All’interno dell’AOT vi era un reticolo con due pattern sovraimpressi: una linea verticale (cursore Y, indicante 0° quando parallelo all’asse X del LM) e una orizzontale (cursore X) che si incrociavano al centro dell’oculare come un mirino. Il reticolo era riscaldato, per evitare effetto nebbia ed illuminato di rosso, in modo tale da riconoscerne gli artefatti fra le stelle del cielo.

Un filtro forniva sicurezza agli astronauti in caso di una diretta visione  del Sole (fortuita o voluta per le misurazioni).

(continua)

Note

1Entrambi i sistemi indicano zero sulla strumentazione quando puntano in direzione perpendicolare allo scafo del CSM.

2Le stelle sono fisse in quanto la parallasse è inferiore alla risoluzione degli strumenti di misura.

Bibliografia

Inertial Measurement Unit

Lo sviluppo delle piattaforme inerziali per i sistemi di navigazione risalgono prima degli anni ’20, poco dopo l’inizio dell’era dell’aviazione (con l’uso di girobussole), e conobbe ulteriori sviluppi durante la Seconda Guerra Mondiale. Le informazioni di navigazione sono fondamentali perchè la gestione delle informazioni di assetto (orientazione), posizione ed accelerazione rappresentano la base di un sistema di guida e controllo (PGNS), generalmente costituito da:

  • un IMU (Inertial Measurement Unit) per l’analisi  delle informazioni di assetto e accelerazione di un vettore (aeroplano, nave o razzo). Tramite misure di direzione ed accelerazione su tre assi cardinali, si può determinare posizione ,velocità e direzione del moto di un corpo nello spazio.
  • un sistema ottico con sensori per l’inizializzazione dell’IMU e le registrazioni delle osservazioni stellari per le correzioni di rotta.

L’IMU è una tecnica autonoma di navigazione ove si impiega un sistema di tre giroscopi/accelerometri ortogonali fra loro con un’elettronica di controllo per tracciare la posizione e orientazione di un oggetto rispetto ad un sistema di riferimento.

La piattaforma inerziale con la piattaforma stabile. Fonte: vedi bibliografia

I sensori sono montati su una piattaforma isolata da ogni movimento rotazionale esterno su sospensioni cardaniche in modo che possa ruotare su tre assi cardinali. I giroscopi montati sulla base della piattaforma (stable member) rilevano ogni rotazione spaziale mentre tre diversi segnali di ritorno (feedback) sono mandati ad un sistema di rotori che contro-ruotano i giunti in modo da annullare la loro rotazione e mantengono la piattaforma allineata con il frame globale di riferimento. Per trovare l‘orientazione i sensori leggono gli angoli adiacenti di deviazione (pick-off) fra i giunti cardanici.

Schema a blocchi del processo di rilevazione della posizione e orientazione a partire dai sensori. Fonte: vedi bibliografia

Gli accelerometri invece sono costituiti da un corpo di massa nota immerso in un fluido. Ogni volta che viene sottoposto ad una forza la massa subisce uno spostamento dalla sua posizione iniziale. Nota la massa e la forza subita è possibile calcolare l’accelerazione; quindi, con un’integrazione si ricava la velocità e con una seconda integrazione si rileva la posizione. Dato che c’è un accelerometro per ogni asse è possibile ricavare posizione e velocità nello spazio.

Esempio di un sistema inerziale che consente di giocare a biliardo su una nave in balia delle onde

Ogni IMU è soggetto a deriva; infatti esso è in grado di misurare sempre cambiamenti di stato rispetto a sé stesso, non da variazioni assolute rispetto ad un riferimento. L’imprecisione tende ad accumularsi col tempo e se non viene periodicamente corretta porta ad errori significativi di rilevazione, soprattutto in campo avionico perchè a causa delle velocità elevate in gioco si possono nel frattempo compiere lunghe distanze e commettere errori notevoli.

Bibliografia

  • An introduction to inertial navigation, Oliver J. Woodman – University of Cambridge

Q&A: Comunicazioni con l’Apollo

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 (serve account) 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

  • How Apollo flew to the Moon” David Woods, Springer
  • The Apollo Guidance Computer: Architecture and Operation” Frank O’Brien
%d blogger hanno fatto clic su Mi Piace per questo: