阿波罗登月电视直播是怎么实现的?

飞蠓 2020-01-0901:11:08 评论 1,772 views

阿波罗登月系列

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(Universal Serial Bus,通用串行总线)的意思,而是另外一个英语短语Unified S-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,1962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,1999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。

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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2200 - 2290MHz,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2287.5MHz,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2272.5MHz,分配给登月舱的下行频率是2282.5MHz,分配给月球漫游车的下行频率是2265.5MHz;上行链路的频率范围是2025-2120 MHz,其中分配给指令勤务舱的上行频率是2106.40625MHz,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2101.802083MHz。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1.024MHz,剩余的通信需求只分到了700KHz。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。1962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,320行扫描线,解析度为200行,信号带宽500KHz。1964年NASA又决定这种电视摄像机必要时能达到解析度500行,当然这时帧率可以降到0.625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384000千米,代入后计算可知为衰减量约为211dB。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+59-211=-89dBm,而64米天线的信号接收阈值为-157dBm,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500KHz,就算信道信噪比是30dB(即S/N=1000,一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5000kbps,约合625kB/s,如果是数字信道,理论上讲传输720*480的DVD画质的数字信号都可以,实际传输个200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(1962年拿到合同),另一家是西屋电气(Westinghouse Electric,1964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(200线@10 fps,500线@0.625 fps)。

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图2, RCA生产的指令舱舱内黑白电视摄像机

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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1964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关注……文明世界里的很大一部分人将在电视机前搞清楚这次尝试是成功还是失败。(One [objective] of the Apollo Program is to impress the world with our space supremacy. It may be assumed that the first attempt to land on the moon will have generated a high degree of interest around the world. . . . A large portion of the civilized world will be at their TV sets wondering whether the attempt will succeed or fail.)

在这些人士的积极建言和努力下,1968年5月,NASA改变了主意,决心要把登月宇航员在月面上的活动直播到全世界。然而当时美国标准电视信号是30帧/秒,隔行扫描,525行扫描线,此时阿波罗首次载人飞行已经箭在弦上,根本不可能停下来等着合适的摄像机开发出来(1967年1月阿波罗1号悲剧性的大火之后,NASA考虑修改II型指令勤务舱的设计方案,顺便给它增加了足以传输完整视频信号的通信带宽),所以NASA当时最可行的做法就是把原定不公开的慢扫描电视信号公开给大众传媒。然而原始的慢扫描电视信号不能直接拿来进行电视广播,必须进行格式转换。NASA采用了一个机(bèn)智(zhǔo)而有效的办法:地面收到的慢扫描电视信号分成两路,一路传输到一个磁带记录装置那里,保存在磁带上,另一路传输到扫描转换器,也就是一台10英寸的显示屏上,在那里,一台RCA公司的TK-22型电视摄像机的镜头对准了这个显示屏,用信号重复播放的办法补足慢扫描电视信号和NTSC标准信号之间每秒相差的20帧,最终形成标准的无闪烁的NTSC信号,这个可以用来广播的电视信号经过休斯顿传输到纽约,然后广播到全世界。用现在的眼光来看,经过这种复杂转换后的电视画质惨不忍睹,但在当时已经足够轰动全球了。

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图4 RCA生产的视频扫描转换设备

为了接收和发送无线电信号,阿波罗飞船上安装了很多天线。其中指令勤务舱尾部有一个吊臂顶端安装了由四面0.79米抛物面天线组成的天线阵,叫做高增益天线(High-Gain Antenna,HGA),它装在活动关节上,能够自由转动,并能够像可调光手电筒一样形成三种波束:宽波束,中波束和窄波束,依次收窄天线方向图,使其聚集成更窄的波束,以便汇聚能量从而在更遥远的距离上与地面保持通信,指令勤务舱内的电视信号主要通过这个天线发送到地球;在登月舱上升级上安装了一副0.66米抛物面天线,用于对地面的大带宽通信;阿波罗12号和阿波罗14号着陆后,宇航员在月面上架设了直径约3米的抛物面天线,用于对地面的电视直播;从阿波罗15号开始,由于携带了月球漫游车,抛物面天线改为架设在月球车上,这样就可以在远离登月舱的地方向地球传输电视信号了,不过由于天线只能手动调整方向,所以只能在月球车停下来之后才能把天线对准地球,这时才能开始直播。

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图5,阿波罗指令勤务舱,请注意其尾部的高增益天线阵

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图6, 在月面上展开的大直径可折叠抛物面天线,由阿波罗12号宇航员部署

由于地月距离太过遥远,所以处在月球轨道距离上的航天器发出的信号传播到地球上强度已经非常微弱,这就影响到了传输速度,根据信息学里著名的香农-哈特利定律,给定带宽的情况下,信噪比越高,信道传输速度也就越高,而要提高信噪比,最简单粗暴的办法就是加大接收天线直径。为此,NASA在原有三面26米直径抛物面天线组成的深空网的基础之上,又引入了两台64米直径的“大锅”,一面是澳大利亚1961年建成的帕克斯(Parkes)射电望远镜,一面是美国1966年建成的戈德斯通(Goldstone)射电望远镜,从而把接收下行信号的灵敏度提高了8到10倍。正因为如此,阿波罗11号登月后宇航员仅用登月舱上的抛物面天线就实现了月面直播,而不需要花费时间架设大口径可折叠抛物面天线。

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图7,60年代初期的澳大利亚帕克斯射电望远镜

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图8,位于澳大利亚堪培拉的金银花溪地面跟踪站,由NASA建设和管理

为了测试慢扫描电视的直播性能,1968年10月,阿波罗7号乘员组首次携带RCA生产的黑白电视摄像机进入近地轨道,但是由于宇航员们感冒后身体不适,情绪失控,与地面飞控人员发生了冲突,当地面飞控人员要求他们使用电视摄像机进行第一次直播时,指令长沃利·休拉(Wally Schirra)拒绝了,不过在后来和地面关系缓和之后,直播还是进行了,由于这次飞行是绕地飞行,与单个地面站通信的时间有限,所以每次直播的时间都不长。宇航员们通过固定机位的舱内电视摄像机向飞控中心和公众展示了他们在轨生活,引起了公众的极大兴趣。这次直播使NASA获得了艾美奖。

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图9,阿波罗7号指令长休拉在舱内向地面直播画面截屏

阿波罗8号乘员组获得了一个非常耀眼的荣誉:第一批绕月飞行的人。1968年12月21日,土星5号火箭托举着阿波罗8号飞船离开地面,并把他们送入地月转移轨道,69小时后即12月24日他们进入了绕月轨道,绕月飞行10圈后返回地球。整个飞行过程中NASA安排了6次直播,第一次直播是在他们起飞31小时后,广播了17分钟;第二次直播是在起飞55小时后,广播了23分钟。环月轨道上第一次直播是在他们绕月第2圈,第二次直播是在他们绕月第9圈。在月地转移轨道上他们进行了两次直播,第一次是12月25日下午,第二次是在他们从地面起飞124小时后,广播时间4分钟。这些直播节目的收视率创下了历史记录,无数人第一次近距离看到了月球,也第一次从几十万千米之外看到了地球。不过由于RCA的摄影机不带取景器,当使用长焦镜头拍摄时需要地面指挥他们移动摄像机的指向,导致他们很难对准要拍摄的目标,所以宇航员们抱怨连连。

阿波罗8号任务期间的电视直播在宣传上的巨大成功促使NASA决定继续直播活动,1969年3月3日,首个完整的、由登月舱和指令勤务舱组合而成的阿波罗9号飞船飞向太空,开始了一系列测试工作。期间宇航员们于3月6日对地面进行了两次电视直播,其中一次显示了登月舱内部的工作场景。直播设备由西屋电气提供,这是专门为在月面环境下设计的慢扫描电视摄像机,NASA对测试结果非常满意。

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图10,阿波罗9号的宇航员在登月舱内向地面直播的画面截屏

尽管西屋电气提供的彩色摄像机在2个月后阿波罗10号的“彩排”飞行中表现出色(下文将讲述彩色摄像机的研制过程),但它没有经过登月舱内测试。由于NASA的目标是确保接下来的首次登月活动万无一失,所以他们决定首次登月时只使用经过测试的黑白电视摄像机,而把彩色电视摄影机留在指令勤务舱内。

激动人心的时刻终于来到,1969年7月21日02:51(UTC),在“鹰”号登月舱成功着陆6个半小时之后,阿姆斯特朗准备离开登月舱,他拉动一个拉环,在他将要踩踏的舷梯旁边,登月舱下降级上一个折叠式云台被展开了,云台上安装着一架西屋电气生产的SSTV摄像机,镜头正对着舷梯。奥尔德林按下登月舱内的一个按钮,摄像机开始工作,把镜头视野中的场景转换成电信号,再经由电缆传输到登月舱内,然后通过登月舱顶部的高增益天线发向地球,1.3秒后,地面上的两架64米抛物面天线以及NASA设在澳大利亚堪培拉附近的“金银花溪”地面跟踪站(Honeysuckle Creek Tracking Station)的26米抛物面天线几乎同时收到了信号,不过由于戈德斯通望远镜那边视频转换器的参数设置失误,导致画质严重受损,而帕克斯望远镜这边则由于海拔和经度的关系,暂时无法提供信号,所以NASA只好先使用金银花溪的转换信号,并且告诉阿姆斯特朗,电视信号能够收到,不需要花费宝贵的时间在月面上展开那面3米直径的可折叠抛物面天线。9分钟后,帕克斯的信号传到,它转换后的画面更为清晰,所以NASA决定用来自帕克斯望远镜采集的电视信号向全世界广播余下的月面活动(这些信号先通过微波送到悉尼进行转换,再通过同步通信卫星Intelsat III跨过太平洋传送到休斯顿)。

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图11,阿姆斯特朗准备踏上月面,电视直播截屏

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图12,宇航员在月面上的活动,电视直播画面截屏

阿姆斯特朗小心爬下舷梯,先是在下降级支架的末端停留了一下,然后迈出了人类在月面上的第一步。15分钟后,奥尔德林也小心翼翼爬下舷梯,在月面踩下脚印。全世界约6.5亿人同时端坐在电视机前,盯着两个模糊的幽灵般的身影在遥远的月面来回走动,亲眼见证了人类历史上最激动人心的一刻。

NASA和西屋电气并不满足这样的播出效果,他们早在1967年就开始研究能够用在月面上的彩色摄影机。西屋电气借鉴了美国哥伦比亚广播公司在40年代开发的一种彩色电视摄影机技术,只用一个摄像管就能拍出彩色电视信号,其诀窍就在于在摄像管前放置一个可旋转的彩色转盘,转盘上安装了六个滤光镜,红、绿、蓝各两组,转盘的转速是每秒10圈,这样摄像管每秒就会顺序输出60场,每2场组成一帧,恰好形成30帧/秒的帧率。由于扫描速率上升,信号占用带宽也上升到2-3MHz,为此需要牺牲下行载波中其他信号占用的带宽,或者使用单独的下行频率和额外的大口径抛物面天线传输。

地面接收到这种顺序彩色信号后,需要进行复杂的加工才能将其变成同时彩色信号。由于地球和月球之间的相对运动而导致的多普勒效应,使信号的频率不断发生漂移,导致画面色彩失真,所以地面上处理的第一步需要先补偿信号的频率,为此采用了两台录像机来修正。修正后的信号送入一个有6个磁道(分别对应摄像机里6个滤光镜产生的信号)的磁盘记录器中,再利用多个磁头同时读取磁道内的信号组合成标准彩色电视信号。由于不再需要扫描转换,所以虽然彩色电视摄像机的解析度依然是200线,但画质要比最开始的黑白慢扫描电视好很多倍。

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图13 西屋电气在地面上测试其指令舱舱内彩色摄像机

最早测试这种彩色电视摄像机的是阿波罗10号任务,1969年5月18日由“查理·布朗”号指令勤务舱和“史努比”号登月舱组成的阿波罗10号飞船开始执行最终登月前的“彩排”任务,他们在指令舱内携带了西屋电气提供的摄像机,这款彩色摄像机有一个6倍变焦镜头(25mm-150mm),质量5千克,功率17.5瓦,使用II型指令勤务舱单独的下行频率向地面发送电视信号。在进行太空直播的时候,登月舱出现了故障,舱内两名宇航员急火攻心,骂了两句国骂,被全世界观众听到,成为这次任务给人印象最深刻的一幕。

由于阿波罗11号飞船在1969年4月即已组装完毕进入测试阶段,种种顾虑促使NASA决定使用黑白摄像机进行月面活动直播,这导致后来直播的人类首次登月画面的画质与这次任务的重要性完全不相称,但塞翁失马焉知非福。阿波罗12号任务中指令舱和登月舱都安装了彩色摄像机,然而登月舱里的彩色摄像机在月面上工作了43分钟就完蛋了,原因是登月宇航员埃兰·比恩打算把它取下来安装在支架上,在这个过程中不慎将其指向了太阳,强烈的阳光烧毁了摄像机的摄像管,月面上的电视直播就此中断。事后的讨论表明,阿波罗12号乘员组直到起飞前3天才看到摄像机长什么样,而且基本上没有训练过如何使用它。

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图14 由阿波罗12号宇航员带上月面的彩色摄像机,因不慎被阳光照射而烧毁了摄像管

NASA对此很不满意,于是一方面要求西屋电气改进(阿波罗13号,14号都携带了改进后的彩色摄像机,同时在登月舱内增加一部黑白摄像机做备份,15号到17号只在指令舱内装备改进后的西屋电气彩色摄像机),另一方面也给RCA下了新的订单,要求后者设计一台新的月面用彩色电视摄像机,同时计划把这部新款摄像机安装在日后要运上月面的月球漫游车(LRV)上。RCA生产的新电视摄像机采用硅增强靶面(Silicon intensifier target,SIT)摄像管,彩色摄像原理和西屋电气的原理一致,它使用了6倍变焦镜头,带光溢出检测功能,可以安装在电视控制单元(Television Control Unit,TCU)上,而TCU由地面控制人员通过指令遥控,这样摄像机就可以旋转、平移和变焦。阿波罗15号、16号和17号都在月球漫游车上安装了这种摄像机,同时NASA也设法在地面接收设备中加入副载波消除设备(Subcarrier Cancellation Unit,SCU)以排除月球漫游车下行信号中其他副载波信号对电视信号的干扰,最终其精良的画质令人惊叹,特别是通过它拍到了登月舱上升级在月面上起飞的珍贵画面,让地面上的电视观众大饱眼福,犹如亲临起飞现场的VIP座位。

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图15, 月球漫游车,上面安装了月面电视摄像机和配套的抛物面天线

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图16,RCA生产的彩色摄像机所拍摄的阿波罗17号登月舱上升级从月面起飞的画面截屏

随着阿波罗17号登月舱“挑战者”上升级从月面上起飞,美国人的登月活动宣告结束。接下来的时间,NASA把注意力转移到航天飞机的开发和运营上,硕大无朋的土星5号和阿波罗飞船都暂时被遗忘了,静静地停放在博物馆的一角;能继续发挥作用的,只有为执行阿波罗计划而建设的深空通信网。那些在阿波罗登月活动中大出风头的电视摄像机也失去了昔日的地位,只有西屋电气设计生产的改良型摄像机被运用在“天空实验室”项目中和“阿波罗-联盟测试计划”中,还苟延残喘了几年。

进入21世纪,西屋电气已经不复存在,RCA也早已停止运营,只留下一个商标供人回忆其往日的荣光。然而从本世纪初十年代开始,新一轮月球探测热潮悄然形成,美国誓言在2025年实现载人重新登月,俄国和欧洲都制定了雄心勃勃的在未来十年内载人登月的计划,印度也准备在月面南极地区软着陆,而中国已经实现了月面软着陆并直播落月过程,寂静的月面将再次恢复喧闹的景象,新一代的电视摄像机将在未来的登月活动中承担重任,让我们期待人类再次直播登月活动的那一天吧。

(完)​​​​

飞蠓

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