TÉLÉCOMMUNICATIONS

Le sous-système de communications constitue le seul lien entre le vaisseau spatial et le réseau de vol spatial habité (MSFN). En tant que tel, il fournit aux contrôleurs de vol du MSFN des données via le système de télémétrie à modulation par impulsions et codage (MIC), notamment pour le contrôle des paramètres du vaisseau spatial, l'état des sous-systèmes, les données biomédicales de l'équipage, les événements et les données scientifiques.
En tant que canal vocal, le sous-système de communications permet également à l’équipage de comparer et d’évaluer ses données avec les calculs du MSFN. Par l'intermédiaire de cette liaison MSFN, il constitue également le principal moyen de déterminer la position du vaisseau spatial dans l’espace ainsi que son taux de changement de position.
Le rendez-vous entre le CM et le LM est facilité par un transpondeur de télémétrie et un système de télémétrie active.
Grâce à l’utilisation de la caméra de télévision, les observations de l’équipage et les informations destinées au public peuvent être transmises en temps réel au MSFN.
Le sous-système de communications, au moyen de l’équipement de stockage de données (DSE), offre une capacité d’enregistrement des données télémétriques et vocales du CM et du LM pour une lecture ultérieure, afin de prévenir toute perte en cas d’interruption de la liaison de communications.
Des aides à la recherche de direction sont également prévues pour faciliter la localisation et le sauvetage par les équipes au sol après l’amerrissage.

La liste suivante résume les fonctions générales de télécommunications :
Assurer la communication vocale entre :
• les astronautes via l'intercom ;
• le CSM et le réseau MSFN via l'équipement en bande S unifiée (USBE) en orbite, et via la VHF/AM lors des phases d’orbite basse et de récupération ;
• le CSM et les astronautes en activité extravéhiculaire (EVA) via la VHF/AM ;
• le CSM et le LM via la VHF/AM ;
• le CSM et le centre de contrôle de lancement (LCC) via le PAD COMM ;
• le CSM et les nageurs de la force de récupération via le câble ombilical des nageurs ;
• les astronautes et l’enregistreur vocal via l’intercom et l’équipement de stockage des données (DSE).

Fournir au MSFN les données suivantes :
• l'état des systèmes du CSM ;
• les données biomédicales des astronautes ;
• l'activité et les observations des astronautes transmises par la télévision ;
• l'état biomédical et les données du système de survie personnel (PLSS) de l'EVA ;
• l'état des systèmes du LM, enregistré sur l'équipement de stockage des données du CSM.

Assurer la réception et le traitement des mises à jour suivantes :
• données numériques destinées à l’ordinateur du module de commande (CMC) ;
• données numériques de synchronisation temporelle pour l’équipement de synchronisation des commandes (CTE – Control Timing Equipment) ;
• commandes en temps réel permettant d’exécuter à distance des fonctions de commutation dans trois sous-systèmes du CM.

Faciliter les échanges entre :
• le MSFN et le CSM via le transpondeur USBE ;
• le LM et le CSM via le transpondeur radar de rendez-vous (RRT) ;
• le CSM et le LM via le système de télémétrie VHF/AM.

Fournir une aide à la récupération :
• au moyen de la balise VHF pour la localisation.

Fournir une référence temporelle pour tous les sous-systèmes de l'engin spatial nécessitant une synchronisation temporelle, à l'exception du sous-système de guidage et de navigation.

Les astronautes utilisent des casques-émetteurs/récepteurs pour les communications internes et avec la Terre en VHF AM ou bande S. Par souci de simplicité, le système de télécommunication est divisé en quatre secteurs : les intercommunications vocales, les données, l'équipement de fréquence par radio, et les antennes. Le CM possède 4 antennes de communications "spatiales", et 2 antennes dédiées uniquement à la phase de récupération (ces antennes se déploient automatiquement dès l'ouverture des parachutes). La majorité des composants du sous-système de télécommunications sont fabriqués par la société Collins Radio Co. de Cedar Rapids, dans l'Iowa.

localisation des composants du système des télécommunications (baie d'équipements inférieure)

Quatre antennes omnidirectionnelles encastrées sont disposées autour de la périphérie du module de commande. Lorsque le vaisseau spatial est en rotation, elles peuvent être utilisées si nécessaire pour maintenir des communications constantes avec la Terre. Ce système est employé pendant les opérations en orbite terrestre ainsi que lors des phases de voyage translunaire et transterrestre, lorsque l'attitude imposée à l'engin spatial place sa structure entre l'antenne à gain élevé et la Terre, obstruant ainsi la ligne de visée. Étant omnidirectionnelles, leur diagramme de réception et d'émission n'est pas focalisé ; leur capacité est donc limitée, car elles ne peuvent pas transmettre de grandes quantités de données. L'utilisation du système de communication pour les transmissions à large bande passante doit donc être soigneusement coordonnée avec l'attitude du vaisseau spatial en fonction des tâches à accomplir. Lorsque les contrôleurs de vol souhaitent obtenir un rapport détaillé des systèmes de l'engin spatial, la télémétrie doit transmettre un volume important de données numériques. À proximité de la Lune, seule l'antenne à gain élevé (HGA) peut assurer ce type de transmission. De même, les besoins de la télévision en matière de bande passante élevée nécessitent l'utilisation de cette antenne parabolique à faible distance de la Lune.Cependant, des essais ont parfois été menés pour transmettre des signaux télévisés ou des données à large bande passante en utilisant les antennes omnidirectionnelles combinées aux grandes paraboles terrestres.
Le système d'antennes omnidirectionnelles est également prévu pour être utilisé en cas de défaillance de l'antenne à gain élevé.
Pour les communications VHF, principalement destinées au LM, le CSM est équipé d'une paire d'antennes en cimeterre logées dans des moulures semi-circulaires de chaque côté du module de service (SM).

INTERCOMMUNICATIONS

Les casques des astronautes sont utilisés pour l'ensemble des communications vocales. Chaque casque est équipé de deux écouteurs fonctionnant indépendamment et de deux microphones dotés de préamplificateurs autonomes. Chaque astronaute dispose, sur la console principale d'affichage, d'un panneau de commande audio lui permettant de contrôler le son reçu dans son casque et de diriger sa voix vers la destination souhaitée. Les casques sont reliés aux panneaux audio par des ombilicaux séparés. Ces câbles contiennent également le câblage des capteurs biomédicaux du CWG. Les trois casques et les trois panneaux de commande audio sont connectés à trois modules centraux audio identiques.
Le centre audio assure l'assimilation et la distribution de tous les signaux vocaux du vaisseau spatial. Il permet de diriger ces signaux vers l'émetteur ou le récepteur approprié, vers le centre de contrôle de lancement (pour les vérifications avant le décollage), vers l'intercom des forces de récupération, ou vers les enregistreurs vocaux sur bande.
Deux modes de transmission et de réception vocales sont utilisés : l'émetteur-récepteur VHF/AM et l’émetteur-récepteur en bande S. La transmission est contrôlée soit par l'interrupteur "pousser/parler" (push to talk) situé dans le câble ombilical de l'astronaute, soit par un relais activé par la voix pendant les opérations de récupération. L'interrupteur "push-to-talk" peut également servir de clé télégraphique pour des transmissions d'urgence.

Schéma du casque émetteur récepteur (Snoopy cap)

L'équipement VHF/AM est employé pour les communications vocales avec le réseau des vols spatiaux habités durant le lancement, l'ascension et les phases en orbite terrestre basse. L'équipement en bande S est utilisé aussi bien en orbite terrestre qu’en phase de vol spatial profond. Lorsque les communications avec la Terre ne sont pas possibles, une quantité limitée de signaux audio peut être enregistrée sur bande magnétique. Lors des opérations de récupération, l'équipement VHF/AM et l'intercom de récupération assurent le maintien du contact avec les stations au sol et les plongeurs de récupération.

LES DONNÉES

La structure et les sous-systèmes du vaisseau spatial intègrent des capteurs chargés de recueillir des données sur leur état et leurs performances. Des données biomédicales, télévisuelles et temporelles sont également collectées. Toutes ces formes de données sont assimilées par le système de données, traitées, puis transmises au sol. Certaines données issuent des systèmes opérationnels, ainsi que certaines communications vocales, peuvent être stockées pour une transmission ultérieure ou pour être récupérées après l'atterrissage. Les données stockées peuvent être transmises au sol en même temps que les communications vocales ou les données en temps réel. Les signaux de certains capteurs d'instrumentation sont d'abord dirigés vers un équipement de conditionnement des signaux (conversion). Ces signaux, ainsi que ceux qui sont déjà conditionnés ou qui n'ont pas besoin de l'être, sont ensuite envoyés à un panneau de distribution de données, qui les achemine vers les afficheurs du CM et vers l'équipement de télémétrie à modulation par impulsions codées. Ce dernier regroupe les signaux en un seul flux et l’envoie au processeur de prémodulation. Le processeur de prémodulation constituet le centre d'assimilation, d'intégration et de distribution de presque toutes les formes de données du vaisseau spatial. Il accepte les signaux provenant des équipements de télémétrie, de stockage de données, de télévision, de synchronisation centrale et du centre audio. Il module, mélange et commute ces signaux vers l'émetteur approprié ou vers l'unité de stockage des données. Les signaux de commande vocale et de données, en provenance du sol et reçus par le récepteur en bande S, sont également dirigés vers le processeur, qui les achemine vers le centre audio ou vers le système de liaison ascendante (commande depuis le sol). Les données ascendantes sont de trois types : les données de guidage et de navigation pour la mise à jour de l'ordinateur du module de commande (AGC), les données temporelles pour la mise à jour de l’équipement central de synchronisation, et les commandes en temps réel. Ces dernières permettent au centre au sol d’exercer un contrôle limité sur certaines fonctions de télécommunications du vaisseau spatial.

L'ÉQUIPEMENT TÉLÉVISUEL

L'équipement télévisuel se compose d'une petite caméra portable qui peut être tenu à la main ou fixée sur différents supports à l'intérieur de la cabine. L'une des fonctions de cette caméra est de capter des images vidéo en temps réel pour les transmettre au MSFN. Elle est connectéé à un câble de 3,65 m (12 ft), permettant son utilisation dans l'ensemble du CM. Ce câble est raccordé au connecteur d'alimentation J395 et au connecteur coaxial J112 situés sur la face arrière de la baie d'équipements avant droite. La caméra est commandée par un interrupteur ON/OFF installé sur sa poignée et un sélecteur de réglage automatique de la lumière placé à l'arrière. L'interrupteur ON/OFF est alimenté par le disjoncteur CB13 situé sur la baie d'équipements droite (RHEB-225) lorsque l'interrupteur S-BAND AUX TAPE/VOICE B4 (MDC 3) est positionné sur OFF et que l'interrupteur S-BAND AUX TV/SCI (MDC 3) est en position TV. La caméra consomme 6,5 watts sous 28 volts continu. Le signal vidéo composite issu de la caméra est envoyé au processeur de prémodulation, qui le dirige ensuite vers l'émetteur FM en bande S et son amplificateur de puissance associé pour transmission au MSFN ainsi qu'à l'ombilical du SM pour les communications directes (hardline) avant le lancement.

Emplacements de fixation de la caméra N/B

Caméra TV N/B

L'équipement de télévision couleur comprend une petite caméra TV couleur portable, également conçue pour être tenue à la main ou fixée sur différents supports dans la cabine. L'une des fonctions de la caméra est d'acquérir des informations vidéo couleur en temps réel pour les transmettre au MSFN. Sa fonction principale est de capturer des images vidéo couleur en temps réel destinées à être transmises au MSFN, notamment durant les opérations de rendez-vous et d'amarrage. Pendant ces phases, la caméra est montée sur la fenêtre de rendez-vous de droite. Un moniteur TV est associé à la caméra couleur pour permettre aux astronautes de visualiser les images. La caméra TV couleur est compatible avec le système TV noir et blanc existant pour ce qui concerne les connexions électriques et les dispositifs de commande.

Caméra TV couleur et son moniteur

LA COLLECTE DES TRANSCRIPTIONS

A quoi cela sert-il ??
D'un point de vue technique, cette collecte permet d’éviter toute perte de données et de pointer des événements précis dans la chronologie du vol. Cependant, ces bandes et leurs transcriptions révèlent également une autre dimension du programme spatial américain : celle où les astronautes, bien que professionnels, restent aussi des êtres humains. Ils sont à la fois calmes et excités, confiants et nerveux, en bonne santé et parfois malades. En un mot : humains.

Le DSE, qu'est ce que c'est ??
L'enregistrement des conversations vocales et des données télémétriques à bord du CM est assuré par un équipement de stockage de données très sophistiqué, appelé le Data Storage Equipment (DSE). Ces enregistrements sont réalisés lors de chaque phase critique du vol, comme le décollage ou la rentrée atmosphérique, moments où la préservation de l’ensemble des données est primordiale. Par exemple, pendant le décollage, il enregistre les informations télémétriques et les données biomédicales. Le DSE est également utilisé durant la combustion critique d'insertion en orbite lunaire (LOI), effectuée par le CSM alors qu'il se trouve sur la face cachée de la Lune, hors de portée de communication avec la Terre. Pendant cette période, le DSE enregistre les données vocales de l'équipage, ainsi que des paramètres importants relatifs aux moteurs et aux systèmes. Ces données seront ensuite transmises au sol dès que le CSM sera à nouveau en communication avec une station du MSFN via une station en bande S unifiée.

Cet équipement, conçu par la société Leach Corporation, est installé dans la baie d'équipement inférieure. Il pèse un maximum de 18,14 kg (40 lb) avec sa bande, et ses dimensions sont de 55,90 cm (22 in) de long, 24,10 cm (9,5 in) de large et 15,20 cm (6 in) de haut. Il fonctionne avec une alimentation en 115 volts ca (courant alternatif) triphasée à 400 hertz et 28 volts cc (courant continu), avec une puissance d'entrée nominale de 40 watts, et 70 watts maximum pendant 3 secondes. L’équipement est contenu dans un boîtier scellé par un joint. Une soupape d’aération permet à ce boîtier de devenir une unité semi-scellée. Les connecteurs du vaisseau spatial sont de type hermétique et à déconnexion rapide. Les circuits électroniques de l’équipement, de type fagot (cordwood), comprennent l’électronique d’enregistrement et de reproduction, l’électronique de conversion des signaux, ainsi que l’électronique de détection et de commutation de la vitesse. Les capteurs de mouvement de la bande et de fin de bande génèrent des signaux de commande pendant le défilement de la bande. Le capteur de fin de bande empêche la perte de la bande en arrêtant son défilement lorsqu’elle atteint la fin. Le support d’enregistrement est une bande magnétique Mylar d'environ 686 m (2 250 ft) de long et 2,5 cm (1 in) de large, comportant 14 pistes. Elle s’enroule sur deux bobines de 20 cm (8 in) de diamètre, qui la font passer à travers des têtes de lecture/écriture. La bande peut défiler à trois vitesses : 9,5 cm/s (3,75 in/s), 38,10 cm/s (15 in/s) ou 304,80 cm/s (120 in/s).
Les données ou voix enregistrées à 9,5 cm/s sont ensuite reproduites à 304,80 cm/s. La vitesse de 38,10 cm/s est utilisée pour la lecture des deux enregistrements. La vitesse la plus rapide, 304,80 cm/s, sert à la lecture rapide des données, permettant une transmission accélérée des données analogiques ou numériques à faible débit binaire, enregistrées à 9,5 cm/s, et stockées lorsque le vaisseau spatial est hors de portée de communication. La sélection de la vitesse est automatique et s’ajuste en fonction du débit de données. La bande magnétique comporte quatorze pistes parallèles : cinq sont utilisées pour les données numériques et neuf pour les données analogiques. Quatre de ces pistes sont allouées aux données numériques modulées par impulsions et codées (PCM) du module de commande (CM), une piste pour l’horloge numérique, une autre pour les données PCM du module lunaire (LM), une pour les voix CM-LM, trois pour les données scientifiques et quatre pour les pistes de rechange.
Le DSE peut enregistrer la télémétrie à 51,2 ou 1,6 kb/s et stocker environ 4 heures d’informations vocales. Il possède plusieurs modes de fonctionnement, dont un mode de lecture unidirectionnelle, un mode de rembobinage, un mode de sélection automatique (dans lequel la vitesse de la bande est déterminée par le débit de données), et un contrôle à distance (le contrôle de mission peut piloter le DSE à distance via la liaison montante des données en bande S).

Les besoins en stockage de données pour les missions Apollo 15 à 17 dépassaient la capacité de l'enregistreur utilisé lors des missions précédentes. Par conséquent, l'enregistreur a été amélioré : sa vitesse de bande a été réduite de moitié et la densité des données augmentée. Cet enregistreur mis à niveau était appelé l’enregistreur-reproducteur de données. L'augmentation de la densité des données a introduit un problème de gigue, car les variations mineures de la vitesse de la bande avaient un impact proportionnellement plus important à cette densité accrue. Il a été nécessaire de conditionner les données lues par le magnétophone à l’aide d’un dispositif de "désamorçage" avant leur transmission au sous-système de communication pour leur envoi.

LA BANDE S UNIFIÉE (USB pour Unified S Band)

Le lancement, les opérations en orbite et la rentrée atmosphérique d’un vaisseau spatial nécessitent une coordination rigoureuse entre les équipes au sol et le véhicule spatial. Pour cela, des informations doivent être échangées dans les deux sens via des liaisons radio.
Les communications vocales relient les équipages et les contrôleurs de mission, permettant de transmettre l’état du vol en temps réel, de partager les expériences et d’appuyer la prise de décision inhérente aux missions habitées.
Les communications de données acheminent vers la Terre les informations provenant des systèmes électriques, de navigation, de support de vie et d’autres sous-systèmes du vaisseau, tandis que les commandes et données de contrôle sont transmises au vaisseau pour mettre à jour ses systèmes, configurer son fonctionnement selon la phase de mission et accomplir certaines tâches dangereuses ou impraticables pour les astronautes.
L’infrastructure de communication a évolué à partir des dispositifs utilisés pour les essais en vol aéronautiques vers un ensemble entièrement nouveau, beaucoup plus complexe, capable de soutenir aussi bien les missions en orbite basse que les missions lunaires.

Les programmes Mercury et Gemini s’appuyaient sur une accumulation progressive de systèmes radios VHF et UHF pour les communications vocales et la télémesure. Le suivi des véhicules utilisait un transpondeur en bande C, similaire à un transpondeur aéronautique de type Mode A, interrogé par des radars terrestres.
Cependant, la multiplication des radios, des câbles, des antennes, des alimentations et d'autres équipements rendait le système inadapté pour les missions lunaires. Il devenait impératif d’améliorer la fiabilité, d’accroître la portée et la bande passante, tout en réduisant la masse, la consommation d’énergie et l’encombrement. De plus, Apollo introduisait une nouveauté dans l’histoire du vol spatial : la diffusion en direct d’images télévisées depuis l’espace.
Ainsi, le programme Apollo exigeait un système de télécommunications radicalement innovant pour répondre à ses objectifs ambitieux.

Il fut décidé que le nouveau système unifié en bande S, conçu par la Collins Radio Company, intégrerait plusieurs types de signaux sur une liaison montante unique depuis le sol et sur une liaison descendante unique vers chaque vaisseau spatial.
La technologie exploitait les travaux en cours au Jet Propulsion Laboratory, portant sur le suivi Doppler cohérent et le système de mesure de distance à séquence pseudo-aléatoire.
Des sous-porteuses dédiées à la voix et à la télémesure furent ajoutées au signal de poursuite, selon un agencement permettant à chaque service de fonctionner de manière indépendante, sans interférence mutuelle.
Cette solution élégante répondait avec efficacité aux défis complexes de communication associés aux vols habités jusqu'à la Lune.
Ainsi, à tout moment durant une mission, une seule station de poursuite en visibilité du vaisseau, équipée d'une antenne à grand gain, pouvait assurer l’ensemble des services de poursuite, de commande et de communication.
Grâce aux vastes antennes paraboliques du Deep Space Network, ainsi qu'aux antennes plus modestes du réseau Apollo/Manned Space Flight Network, un contact constant et de haute qualité était maintenu avec les vaisseaux Apollo.

CARACTÉRISTIQUES DU SIGNAL

Le système Apollo Unified S-Band exploitait la bande de fréquences 2025–2110 MHz pour les transmissions Terre-espace (liaison montante) et 2200–2290 MHz pour les transmissions espace-Terre (liaison descendante). Le troisième étage S-IVB était équipé de son propre transpondeur, permettant un suivi indépendant après séparation du module de commande et de service, jusqu'à son impact ou son passage au-delà de la Lune.
Ces données de poursuite étaient précieuses pour analyser les ondes de choc générées par l'impact, enregistrées par les sismomètres déposés à la surface lunaire par les équipages Apollo. Le S-IVB partageait sa paire de fréquences en bande S avec le module lunaire.
Dans une mission standard, cela ne posait aucun problème puisque le module lunaire demeurait inactif jusqu'à l'insertion en orbite lunaire, alors que le S-IVB avait déjà terminé sa trajectoire.
Néanmoins, cette configuration entraîna une interférence au cours de la mission Apollo 13, lorsque le module lunaire Aquarius dut être activé prématurément pour servir de module de survie.
La paire de fréquences attribuée au module lunaire fut également utilisée par les sous-satellites largués en orbite lunaire lors des missions de type J ; ceux-ci étaient libérés peu avant la sortie d'orbite lunaire du module de commande et de service, à un moment où le module lunaire n'était plus utilisé.

MODES DE FONCTIONNEMENT NORMAUX DU SYSTÈME UNIFIED S-BAND

Les liaisons en bande S, tant montantes que descendantes, utilisaient principalement la modulation de phase (PM), qui incluait des sous-porteuses pour la voix et les données.
Cette modulation, tout comme la modulation de fréquence, présente une amplitude constante, quel que soit le type de signal (voix ou données) qu'elle transporte, ce qui permet d'utiliser des amplificateurs RF de classe C, plus efficaces en termes d'énergie.
L'indice de modulation étant faible (environ 1 radian), le signal modulé occupe une largeur de bande légèrement plus grande que celle d'un signal AM à double bande latérale.
Toutefois, contrairement aux signaux AM dont les bandes latérales sont en phase et ressemblent à des images miroir du signal modulant, les bandes latérales en modulation de phase sont différentes.
En effet, les bandes latérales supérieures et inférieures sont déphasées de 90 degrés et, en théorie, s'étendent à l'infini, sans ressembler spectaculairement au signal modulant.
La majeure partie de l'énergie est concentrée près de la fréquence porteuse lorsque l'indice de modulation reste faible, ce qui permet à cette liaison d'être analysée comme un signal à bande étroite.

Concernant la liaison montante, il y avait des sous-porteuses à 30 kHz et 70 kHz.
La sous-porteuse à 30 kHz, modulée en fréquence (FM) avec une largeur de bande de 15 kHz, était utilisée pour la transmission de la voix, tandis que la sous-porteuse à 70 kHz, modulée par déplacement de phase (PSK) et ayant une largeur de bande de 10 kHz, transportait les données de commande destinées aux ordinateurs embarqués.
Ce dernier flux de données, bien que pouvant être bloqué par les astronautes, était principalement utilisé pour mettre à jour les données de navigation et de propulsion avec des vecteurs d'état précis fournis par le suivi au sol.
Les données de commande montantes étaient aussi employées pour exécuter des manœuvres, comme la désorbitation du module lunaire après son largage en orbite lunaire.

En ce qui concerne la liaison descendante, la voix était transportée par une sous-porteuse à 1,25 MHz, tandis que les données de télémétrie étaient envoyées à 1,024 MHz.
La télémétrie pouvait être transmise à l'une de ces deux vitesses : 1,6 kilobits/sec pour le débit bas (1/640 de la fréquence de la sous-porteuse) et 51,2 kilobits/sec pour le débit haut (1/20 de la fréquence de la sous-porteuse).
Le débit élevé était privilégié, sauf dans des conditions de liaison défavorables, telles que l'utilisation d'une petite antenne de réception terrestre, d'une antenne omnidirectionnelle sur le vaisseau spatial, ou en raison de la nécessité de réduire la consommation d'énergie du vaisseau spatial en désactivant son amplificateur RF.
Il convient de noter qu'il n'y avait pas de sous-porteuse vocale sur le S-IVB.

MODES DE SECOURS ET D'URGENCE DU SYSTÈME UNIFIED S-BAND

Un mode de secours vocal était disponible, dans lequel la sous-porteuse vocale à 1,25 MHz était supprimée, et la voix était transmise par modulation de phase sur la porteuse S-band. Cela offrait quelques dB supplémentaires de marge lorsque la liaison était fortement dégradée, mais avec une qualité vocale inférieure au mode vocal standard.
Les deux modes peuvent être facilement distingués par leur réaction aux pertes de signal.
Dans le mode vocal normal, le rapport signal/bruit est généralement très élevé.
À mesure que la liaison se dégrade, un bruit supplémentaire apparaît soudainement et augmente rapidement, jusqu'à ce qu'il couvre complètement les voix des astronautes.
Un exemple significatif de cette situation s'est produit lors de l'atterrissage lunaire d'Apollo 11, lorsque la structure du module lunaire masquait temporairement l'antenne à certains moments.
Le mode de secours vocal, par contre, perd la plupart des avantages de la FM et de la PM par rapport à un signal AM ; il présente un bruit de fond constant et les voix des astronautes varient en fonction de la puissance du signal.
Ce mode a été largement utilisé pendant l'urgence d'Apollo 13 pour économiser la batterie du LM Aquarius, ainsi qu'en Apollo 16, après la défaillance de l'antenne S-band orientable du module lunaire Orion.
Une grande partie de la dégradation du mode de secours vocal, observée sur les enregistrements audio d'Apollo, peut être attribuée à des problèmes de récepteurs.
Une limitation supplémentaire du signal dans le récepteur aurait pu réduire ou éliminer ce bruit, mais cela n'était pas rentable avant l'ère des détecteurs FM et PM à semi-conducteurs à haute performance.

Le système de liaison descendante du système Unified S-Band d'Apollo offrait également une fonction de clé d'urgence, avec une sous-porteuse d'onde continue (CW) à 512 kHz, activée manuellement.
Si la liaison descendante était trop dégradée pour supporter même le mode de secours vocal, l'équipage pouvait envoyer des messages en code Morse.
Bien que ce mode ait été testé (sur Apollo 7) et que la plupart des astronautes aient été formés à son utilisation, il n'a jamais été utilisé lors d'une mission Apollo.
Il n'était pas nécessaire de prévoir une clé d'urgence pour la liaison montante, en raison de la puissance excédentaire disponible dans les stations terrestres.
Un émetteur typique en bande S d'Apollo produisait 300 mW, l'amplificateur de la liaison descendante délivrait 20 watts, tandis qu'un émetteur de liaison montante générait 10 000 watts, soit un rapport de puissance de 26,9 dB.
Ce calcul ne prend pas en compte le gain d'antenne. La capacité du budget de liaison n'était que rarement utilisée à son plein potentiel pendant le programme Apollo.

MESURES DE PORTÉE DU SYSTÈME UNIFIED S-BAND

L'attribution des paires de fréquences montantes et descendantes dans un rapport fixe de 221/240 permettait l'utilisation de transpondeurs cohérents à bord du vaisseau spatial.
Cohérent, dans ce contexte, signifie qu'il existe une relation temporelle spécifique entre les phases des signaux de liaison montante et descendante.
Cela permet d'analyser facilement les différences de phase ou de temps pour déterminer la vitesse et la distance entre la station de suivi et le vaisseau spatial.
Le vaisseau spatial Apollo reçoit la porteuse de liaison montante et, grâce à un système de boucle à phase verrouillée, génère une porteuse descendante dont la fréquence est liée par un rapport de 240/221.
Lorsqu'aucune liaison montante n'est reçue, la porteuse descendante du transpondeur est générée par un oscillateur local à la fréquence nominale.
Les signaux montants sont dérivés de standards de temps et de fréquence extrêmement précis, et les liaisons descendantes reçues sont analysées en phase et en fréquence en fonction de ces mêmes standards.
Un décalage précis de Doppler bidirectionnel est mesuré, et la vitesse résultante entre la station de suivi et le vaisseau spatial peut être déterminée avec une précision de quelques centimètres par seconde.

Le système Unified S-Band d'Apollo permet également des mesures de distance précises à 30 mètres près. La station de suivi génère une séquence pseudo-aléatoire à 994 kilobits/s et la module en phase sur la porteuse de liaison montante.
Le transpondeur du vaisseau spatial renvoie ce signal de pseudo-bruit vers la Terre sur la liaison descendante.
Le signal pseudo-aléatoire reçu est alors soumis à un processus de corrélation, où il est décalé temporellement pour correspondre au code transmis, ce qui permet de déterminer avec précision le temps aller-retour de la lumière entre le vaisseau spatial et la station de suivi.
Cette séquence se répète toutes les 5 secondes, ce qui permet de mesurer la distance jusqu'à 540 000 miles.
Ces mesures de portée consommaient une part importante de la capacité de la liaison descendante et étaient utilisées uniquement pendant de courtes périodes, généralement lors des transitions entre stations au sol.
Une fois qu'une nouvelle station de liaison montante avait établi un verrouillage du transpondeur à deux voies cohérentes avec le vaisseau spatial, le signal de portée était désactivé, et la mesure de la distance était mise à jour en continu grâce aux mesures de vitesse Doppler.

L'expérience de transpondeur S-Band a été menée lors des missions Apollo 14, 15, 16 et 17.
Dans le cadre de cette expérience, la fréquence descendante a été mesurée avec une grande précision par les stations de suivi et comparée à la fréquence mesurée par un compteur de fréquence à bord du vaisseau spatial.
Des variations extrêmement petites et irrégulières dans la vitesse du vaisseau spatial ont été détectées, permettant aux scientifiques de dresser des cartes des concentrations de masse lunaire.
Ces "mascons", preuve que la Lune n'est pas une sphère homogène mais une masse complexe composée de matériaux de différentes densités, ont un impact sur les orbites des satellites lunaires.
Les mascons doivent être pris en compte dans la planification de la navigation autour de la Lune.
L'expérience a étudié des formations telles que les bassins d'impact Crisium, Imbrium, Nectaris et Serenitatis, ainsi que les cratères Copernicus, Ptolemaeus et Theophilus, les montagnes des Apennins, et les collines de Marius.

Pour les mesures d'azimut et d'élévation prises par chaque station au sol, une méthode avancée a été employée, offrant une précision bien supérieure à la simple maximisation de la force du signal.
Des antennes plus petites ont été utilisées pour capter la liaison descendante et détecter les différences de phase sur les axes x et y de l'antenne principale.
Les erreurs de phase surviennent lorsque l'antenne n'est pas parfaitement orientée vers le vaisseau spatial ; les ondes arrivantes ne parviennent pas simultanément à toutes les parties du réflecteur parabolique.
Lorsque les erreurs de phase sont annulées, l'antenne est correctement orientée vers le vaisseau spatial. Tant que l'antenne est bien entretenue et alignée, les données de visée peuvent être utilisées pour la solution de suivi.

Les données concernant la distance radiale, la vitesse, l'azimut et l'élévation sont envoyées à un programme de détermination de l'orbite, qui permet d'estimer le vecteur d'état ou les éléments orbitaux du vaisseau spatial.
L'utilisation des données de suivi provenant de plusieurs stations au sol permet des raffinements précis au fil du temps.
Ces informations sont utilisées pour déterminer les paramètres du prochain tir de moteur, et après chaque combustion, de nouvelles données de suivi sont collectées pour analyser le changement de trajectoire et recalculer le vecteur d'état.

SYSTÈME S-BAND UNIFIÉ : Signaux FM et vidéo

Le mode de fonctionnement normal du transmetteur S-band d'Apollo utilisait la modulation de phase (PM). Ce mode permettait le suivi Doppler cohérent, les commandes en liaison montante, la télémétrie en liaison descendante et la communication bidirectionnelle, mais ne permettait pas la transmission vidéo. Les signaux vidéo, tels que ceux enregistrés par la caméra à balayage lent lors de l'EVA d'Apollo 11, nécessitaient une bande passante beaucoup plus large que celle des autres signaux S-band. La marge du lien PM était insuffisante pour obtenir une image acceptable, même avec les antennes les plus grandes.

La solution pour répondre à ces besoins était la modulation de fréquence large bande (WBFM), qui permet d'améliorer considérablement le rapport signal sur bruit (SNR). Avec un indice de modulation élevé, la WBFM permet une réduction notable du bruit de fond lorsque la force du signal augmente légèrement. Toutefois, en dessous d'un certain seuil, la réception devient "tout ou rien", rendant impossible la capture des signaux vidéo ou des sous-porteuses avec une antenne trop petite.

Les difficultés potentielles liées à la réception des liaisons WBFM des vaisseaux Apollo étaient suffisamment préoccupantes pour la NASA que des ingénieurs ont créé l'antenne S-Band déployable. Cette antenne a été utilisée pour la première fois lors de la mission Apollo 11, dans le but de fournir un signal vidéo plus puissant pour la première marche lunaire. En raison du temps précieux lors de la brève EVA d’Apollo 11, le déploiement de l’antenne, qui devait durer 19 minutes, aurait eu un impact majeur sur la productivité. Par conséquent, une évaluation a été réalisée des premières minutes du signal TV noir et blanc transmis par l’antenne orientable du module lunaire. Le signal étant jugé suffisant, l'antenne déployable S-Band n’a pas été utilisée. Elle a toutefois été utilisée lors des missions Apollo 12 et 14. Le déploiement de l’antenne S-Band déployable devait être suffisamment simple pour qu’une seule personne puisse l’effectuer en environ 15 minutes. Cependant, les entraînements ont convaincu l'équipage d'Apollo 12 qu'il leur faudrait probablement collaborer pour viser l’antenne vers la Terre. Lors des déploiements d’Apollo 12 et 14, les astronautes ont travaillé en équipe, effectuant des alignements approximatifs, puis, l'un observant le verre de visée et ajustant l'élévation à l’aide du cric à câble flexible, l'autre maintenant l’antenne pour la stabiliser et éviter son effondrement.

Le CSM transportait des émetteurs FM et PM séparés qui pouvaient fonctionner simultanément, permettant ainsi la transmission de la voix et des données télémétriques par PM, tandis que la vidéo était transmise par FM. Le LM ne disposait que d’un seul émetteur pouvant fonctionner en FM ou PM, mais pas les deux simultanément. Le FM ne pouvant être utilisé pour le suivi Doppler, le module lunaire émettait toujours en PM pendant le vol, réservant le FM pour la transmission vidéo lors des marches lunaires et des déplacements à la surface.

Le saviez-vous ?? Les fréquences de la bande S sont très peu atténuées par l'atmosphère terrestre et conviennent aussi bien à l'orbite terrestre qu'à l'utilisation lunaire.

AUTRES SIGNAUX QUE CEUX DE LA BANDE S UNIFIÉE

Le programme Apollo utilisait plusieurs radars fonctionnant sur des fréquences distinctes du système S-Band unifié, tels que les radars de débarquement et de rendez-vous du module lunaire, ainsi qu'un transpondeur radar en bande C monté sur le module de commande et de service. La VHF était utilisée pour les communications vocales à courte portée et pour transmettre des télémesures à faible débit entre les astronautes et le module lunaire, le rover durant les EVA, ainsi qu'entre les différents modules et les stations au sol pendant les phases orbitales et de récupération. Le module de commande et de service possédait une fonction de secours permettant de mesurer la distance avec le module lunaire via ses liaisons vocales VHF.

Interception des Signaux des Vaisseaux Spatiaux Apollo

Il est bien établi que l'Union soviétique a intercepté des signaux de télémétrie des vaisseaux Apollo, bien qu'aucune preuve concrète n'ait été fournie. La question de l'interception de ces signaux n'a pas été pleinement élucidée. Aux États-Unis, la FCC a reconnu que des opérateurs radio amateurs pouvaient capter ces signaux, mais la divulgation de ces informations était soumise à l'approbation de la NASA. Plusieurs amateurs radio, dont Paul Wilson, Richard T. Knadle Jr., et Larry Baysinger, ont réussi à recevoir des signaux d'Apollo 15 et Apollo 16. Des équipements maison et des grandes antennes réflectrices ont permis de capter ces signaux faibles mais clairs.

Pour ce qui est des missions Apollo 8 à 16, des antennes de radioastronomie ont été utilisées pour capter les signaux des modules lunaires. Les détails des transmissions vocales en VHF lors de la mission Apollo 11 sont également bien documentés, indiquant l'utilisation de différentes fréquences pour la communication entre les astronautes et les stations au sol.

Sources : PDF "Apollo Spacecraft News Reference" ; "Apollo Unified S-Band Technical Conference" ; "Apollo Experience Report S-Band System Signal Design and Analysis" ; Article (PDF) du CQ "Radio Amateur's Journal" daté du 03/1969 ; Article (PDF) du CQ "Radio Amateur's Journal" daté du 06/1969. Textes de Paul Cultrera, tous droits réservés.