好多同学对阿波罗计划持有怀疑态度，其中一个很受关注的点就是50多年前NASA是怎么做到对阿波罗飞船的测控和进行地月直播的，我收集整理了一些关于测控体系的资料，在这里跟大家做一个分享，其中也会解答一些常见的质疑点，主要围绕着下面两个问题进行
1. NASA是如何测控追踪飞船的,他们的地面测控站情况
2. NASA有类似于我们远望测量船的远洋测控船吗？
3. NASA技术上是如何在50年前做到登月直播的
[啤酒]第1个问题
NASA是如何做到测控追踪飞船的，这个问题就要从NASA的全球测控网讲起。
NASA测控网络包括 STDN （Space Tracking & Data Network）与 DSN （Deep Space Network）两大类。
STDN是来测控近地轨道飞行器的，这个由于轨道低，无非就是多部署一些天线，天线尺寸规格都不需要太苛刻，我们这里就不详细说了。
美帝STDN站点部署情况
DSN就是用来进行深空探测任务的，由 喷气推进实验室 (JPL)管理的深空网是一个很先进的测控网，其主要作用是为NASA的行星探测飞行器提供跟踪、数据获取和通信服务，也包括了月球任务。距离远了，信号就要弱，这个天线尺寸规格要更大，所以不方便各处建基地。采用了建设大型深空站的方式进行建设组网
我们主要来看下这个深空网
美帝DSN主要深空站部署情况
NASA深空网是目前世界上能力最强、规模最大的深空测控通信系统。 系统始建于1958年， 1961年建成了包括加利福尼亚Goldstone、澳大利亚伍默拉（Woomera）和南非约翰内斯堡（Johannesburg）3个深空测控站， 1963年命名为深空网。
1965年新建了西班牙马德里和澳大利亚堪培拉两个深空站。1974年，堪培拉和马德里站取代了伍默拉和约翰内斯堡两处站点（NASA关闭了两处站点），形成了目前三站的格局。
这三个地方的经度差基本都是120°，能保证在任何时间都能接收到信号。
阿波罗计划地面站点分布
参与阿波罗计划的重要深空站
在阿波罗计划中，美国宇航局的四个跟踪站和位于巴夏礼的联邦科学与工业研究组织（CSIRO）的射电望远镜发挥了关键的通信作用。我们来看下一些比较重要的深空站点
NASA DSS-14加利福尼亚Goldstone深空站
NASA DSS-14加利福尼亚Goldstone深空站天线阵列
NASA DSS-14加利福尼亚Goldstone深空站天线阵列
NASA马德里DSS-63深空站
NASA马德里DSS-63深空站
NASA马德里DSS-63深空站70m天线
NASA DSS-43堪培拉深空站
NASA DSS-43堪培拉深空站天线阵列
伍默拉 DSS-41深空站
伍默拉这里成为了澳大利亚的“51区”
NASA Honeysuckle Creek DSS-44深空站
位于澳大利亚Honeysuckle Creek的这个26米天线建于1967年，是载人航天飞行网络( Manned Space Flight Network, MSFN)的一部分，该网络用于支持阿波罗登月任务的月球阶段。
DSS-42深空42号基站位于澳大利亚Tidbinbilla的一个26m天线
Honeysuckle Creek 负责了美国宇航局与阿姆斯特朗和奥尔德林在舱外活动期间的大部分通信。这些通信中最关键的信息来自宇航员便携式生命支持系统背包的生物医学数据。哥伦比亚号指挥舱(搭载宇航员迈克尔·柯林斯)的大部分数据则传输到位于Tidbinbilla的26米天线上。
位于约翰内斯堡的DSS-51 深空站
DSS-11先锋深空站
先锋站是NASA喷气动力实验室建设的第一个配备卡塞格伦天线的大型深空站
马德里 DSS-66 Fresnedillas Madrid深空站
比较奇怪的是谷歌地球居然给他打码了，不知道隐藏着什么秘密
马德里 DSS-66 Fresnedillas Madrid深空站26m天线
DSS-66深空站1968年在平安夜进行了阿波罗8号在月球轨道上的电视直播，以及1969年7月21日(马德里时间)跟踪阿波罗11号宇航员从月球表面起飞。
总结下NASA深空网可以实现以下功能：
1.获取航天器遥测数据;
2.向航天器发送遥控指令；
3.跟踪测量航天器的位置和速度；
4.进行甚长基线干涉测量观测（直接测量航天器或射电源的角位置）；
5.为无线电科学实验测量无线电波的变化；
6.接收科学探测数据；
7.监控深空网的整体性能。
美国新墨西哥州的VLA
天线组阵技术就是伴随着人类探索外层空间的历程发展而逐步发展起来的一项深空测控通信技术。
美国是最早将天线阵应用于深空测控的国家。为了提高对远距离微弱信号的接收能力，NASA深空网（DSN）从20世纪60年代就开始研究和使用天线组阵技术。
NASA（美国国家航空航天局）的旅行者2号探测器在上世纪80年代抵达天王星、海王星时，就是利用其70m、64m、34m和25m口径天线通过异地或本地天线组阵技术，实现了遥远距离探测器数据的接收。
以上这些深空站不仅支持了阿波罗登月计划，还包括水手系列、海盗系列、以及后来的旅行者系列等各种深空探测任务。
比如1965年就接收到了由“水手4号”从火星发回来的21张照片
[啤酒]第2个问题
NASA是否有类似于我们远望测量船的远洋测控船
美国是最早发展航天测控船的国家，也是拥有测控船数量最多的国家 ，早在1957年美国就拥有了航天测控船，最早是利用二战期间建造的自由轮改装，主要执行弹道导弹试验这类单一任务的遥测船。后续则采用旧船改造成大型综合测量船，用于载人飞船和卫星发射试验等任务。
美国先后改装过23艘，建立了太平洋及大西洋靶场两个测控船队。
美国测控船发展的四个阶段
1.1957-1963年，期间服役的船舶设备比较简单，排水量约万吨左右，主要是进行导弹和卫星的追踪任务
2.1964-1966年，期间服役了2艘综合性测控船“范登堡将军号”和“阿诺德将军号”，其主要设计任务是高精度追踪和收集弹道导弹数据和进行再入段测量。
3.1967年以后，主要设计发展了5艘用于阿波罗登月计划的测控船，3艘“红石”级 用于测控飞船发射段、入轨段和奔月段，而“瓦特镇”级2艘船主要用于飞船回收段。
4.1971年以后，改装了2艘测控船“靶场哨兵号”和“观察岛号”，主要用于弹道导弹试验，“观察岛号”装备了舰用相控阵雷达，具备较强的跟踪和测量能力。
下面我就就来看一些美帝测量船的照片
T-AGM-3测量船
T-AGM-6测量船
T-AGM-10测量船
T-AGM-19 先锋号测量船-属于“红石级”
“红石级”带有雷达罩的版本
T-AGM-22测量船
T-AGM-25霍华德-洛伦岑号导弹测量船
参加阿波罗计划的5艘船，“红石级”3艘，“瓦特镇级”2艘
所以美帝是有远洋测控船队的，这些测控船不仅支持了他的空间探测任务，还大量参与了各种导弹*器武**的试验。
[啤酒]第3个问题
NASA技术上是如何在50年前做到登月直播的
上面提到的这些深空站和测控船队为阿波罗计划的飞船测控和资料传输提供了必要且有力的硬件条件，那在“软件”方面，阿波罗计划是如何实现大家最为关心的电视直播呢？
我们先来回顾下我们长征火箭酒泉发射时的场景
“东风程序转弯，东风光学USB雷达跟踪正常，遥测信号正常，东风飞行正常；青山USB雷达跟踪正常，遥测信号正常..”大家是不是感觉耳畔有声音了呢？有一个问题，USB我们大家都知道，是一个标准接口，可以用来接外设设备或者U盘等存储设施，这个USB雷达是什么呢？
青岛站USB雷达
其实USB雷达是“S波段统一测控系统”（Unified S Band System）的缩写
在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*开代**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。
视频加载中...
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。
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。
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。
直播画面规格转换
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。
登月直播画面，画面质量很差，看到的清晰的为带回胶片修复版
视频直播面临三个问题需要解决
1.信号衰减损耗问题是否满足要求
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。
2.视频信号传输速率是否满足要求
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。
3.慢扫描摄像机是否满足要求
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），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；
RCA生产的指令舱舱内黑白电视摄像机
另一家是西屋电气（Westinghouse Electric，1964年拿到合同）。其生产的黑白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，功率仅为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）。
西屋电气生产的登月舱和月面用黑白电视摄像机
通过以上文字、公式、图片、视频等资料，可以看到从“硬件”到“软件”为登月直播做好了准备。
当时NASA决定对大众直播也是为了向世人证明是真的载人登月了，没想到的是，这个举动反倒是成了最受质疑的点...[偷笑]
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