¿Cómo actúa TACAN?

¿En qué se diferencia TACAN del VHF Omnidireccional? ¿Sistema de rango (VOR)?

Una pregunta muy corta, pero la respuesta requiere describir varias técnicas que son difíciles de resumir por sí mismas sin tomarse libertades con la realidad. , por lo que la publicación es bastante larga y debe leerse por secciones de interés en lugar de totalmente a la vez. Y para aquellos que no estén interesados en las técnicas de diseño, afortunadamente hay una …

Respuesta corta

Principio de diseño:

• A TACAN usa UHF para aumentar el rumbo precisión. Consiste en un único sistema integrado que realiza la determinación del rumbo y la distancia a la vez. En este sistema, la estación terrestre es un transpondedor y el interrogador está a bordo de la aeronave (al contrario que el transpondedor SSR). La frecuencia es como las graduaciones en una escala, cuando la frecuencia aumenta, las graduaciones en la escala son más densas y las lecturas son más precisas.

• A VOR funciona en VHF para determinar el rumbo. No se requiere ninguna acción de la aeronave para activar la señal de la estación terrestre que es permanente. Para determinar la distancia, se utiliza otro sistema independiente, el DME . El DME ha sido prestado a militares y en realidad es un TACAN sin sus componentes de rodamiento (por lo que es un transpondedor interrogado por la aeronave).
  Al seleccionar una frecuencia VOR en una aeronave civil, la aviónica realmente establece el receptor VOR en esta frecuencia y el interrogador DME independiente en algunos " emparejado " frecuencia UHF obtenida de la tabla de emparejamiento estándar de la OACI ( página 6 ). VOR y DME no comparten nada a bordo más allá de la tabla de emparejamiento de frecuencias.

Antenas de estación:

• Se fabrica la antena TACAN original de dos pequeños tambores giratorios con elementos de antena parásitos (ver detalles a continuación). Un TACAN se puede instalar en barcos o estaciones móviles. La antena TACAN es externamente similar a un VOR convencional. Un TACAN en Alaska durante un ejercicio:

  

  ^{(Fuente: Wikipedia )}
  El cilindro contiene el sistema de antena giratoria. En un TACAN más moderno, la rotación mecánica ha sido reemplazada por matrices escaneadas electrónicamente , reduciendo el tamaño:

  

  ^{TACAN transportable, fuente}

• Los VOR Doppler (DVOR) son más comunes que los VOR convencionales (CVOR), porque pueden ubicarse en aeródromos (CVOR: consulte a continuación para obtener más detalles ). La antena DVOR es una gran matriz circular con una antena de referencia central y un gran contrapeso debajo de la matriz. Los VOR a veces se colocan con una estación DME; en ese caso, la antena vertical DME está por encima y es coaxial al sistema VOR.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, antena DME en la parte superior de la antena de referencia VOR central. (fuente: Wikipedia )}
  Dado que la parte DME es común a VOR / DME y TACAN, es técnicamente posible asociar un VOR a un TACAN para obtener una estación VORTAC . Los militares usan el TACAN, los civiles usan el VOR y la información DME del TACAN:

  

  ^{Un TACAN completo en lugar de la antena DME anterior. Fuente}

• Además, VOR (CVOR / DVOR) usa Antenas de bucle Alford que están polarizadas horizontalmente e irradian a baja altura en el horizonte. Son sensibles a la reflexión sobre los obstáculos. Se requiere un contrapeso eléctrico para ocultar el suelo y elevar el ángulo de radiación.Este plano de tierra artificial puede ser muy grande:

  

  ^{PFN Vortac (fuera de servicio), fuente}

Señales:

• Un VOR transmite información de rumbo de forma continua.

• Un TACAN solo envía pares de pulsos de respuesta cuando se le interroga (consulte la explicación a continuación). Estos pares codifican tanto la información del rumbo como del DME.

• Un TACAN suele ser más poderoso que un VOR y tiene un rango de uso más amplio.

Me centraré en explicar los sistemas de determinación de rumbo y explicar el DME como un componente integral del TACAN. Además, hay dos tipos de VOR, convencional y Doppler, que funcionan de manera muy diferente incluso si ofrecen señales al receptor común (desprevenido).

---

Principio de determinación de rumbo

El principio común de determinación de rumbo es enviar dos señales desde la estación terrestre:

• Una señal de referencia que le indica a cualquier receptor la orientación actual de la señal activa.

• Una variable señal que permite a un receptor en particular determinar cuándo la señal activa " apunta " al receptor (apuntar no es lo correcto palabra ya que las señales DVOR son omnidireccionales, ver más en esta respuesta ).

El receptor determina su rumbo relativo comparando estas dos señales. Ambas señales son funciones sinusoidales, el valor de orientación está representado por la fase actual de esta función. Tanto VOR como TACAN utilizan este principio básico, aunque se dan cuenta de manera diferente.

La fase de la señal tiene el papel principal en esta historia, por lo que asegurémonos de que estamos de acuerdo con el significado:

• Cualquier señal periódica (repetitiva) puede verse como el resultado de un vector que gira a cierta velocidad $ \ small \ omega $ . La función seno para el ángulo $ \ small x $ es $ \ small y = sin (x) $ . Aplicado a una onda sinusoidal de frecuencia $ \ small f $ y amplitud máxima $ \ small A $ , esto se convierte en $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ donde $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . El ángulo $ \ small \ omega t + \ varphi $ , se ha dividido entre fase $ \ small \ omega t $ y la fase en el origen $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ es nulo si comenzamos un ciclo en el tiempo 0, este suele ser el caso. Más simplemente, la cantidad $ \ small \ omega t $ representa cuánto ha cambiado el vector en el momento $ t $ . Es un ángulo, que se reinicia después de una vuelta completa, por lo que indica al final qué parte de un ciclo completo ya se ha gastado (en qué fase estamos en el ciclo). Visualmente:

^{Ángulo de fase de una onda sinusoidal}

A partir de eso, está claro que comparar fases de dos señales con la misma frecuencia (simple de hacer con la electrónica) es equivalente a comparando cuánto tiempo se retrasa una con respecto a la otra (el tiempo es realmente difícil de medir).

Tipos de VOR

Las estaciones de VOR convencional (CVOR) y Doppler VOR (DVOR) son percibidas de manera idéntica por receptor, aunque transmiten señales muy diferentes. El DVOR usa trucos para imitar un CVOR y engañar al receptor CVOR. Los CVOR casi han desaparecido de la vista porque, debido a su sensibilidad a los reflejos, no pueden ubicarse en aeródromos o cerca de carreteras. Sin embargo, los CVOR en ruta / de gran altitud se pueden encontrar en lugares aislados, la razón es que son más compactos y tienen un cono de silencio más pequeño que el DVOR y los reflejos se pueden minimizar, p. cuando el VOR está ubicado en la cima de una colina.

Comprender los trucos del DVOR sin saber cómo funciona un CVOR es difícil y no da pistas sobre cómo se determina realmente el rumbo. Tememos que tengamos que entender el CVOR antes que el DVOR.

VOR convencional: CVOR

Las primeras antenas CVOR solían ser un conjunto de cuatro bucles Alford en las esquinas de un cuadrado imaginario, conocido por sus nombres convencionales: NW, NE, SW y SE. Los bucles NW + SE forman el primer par, los bucles NE + SW forman el segundo par.

^{CVOR con cuatro bucles Alford}

Los bucles Alford están polarizados horizontalmente y son muy sensibles a los reflejos de los obstáculos circundantes ( multipath ).

Las generaciones recientes de CVOR utilizan una antena ranurada, que es un cilindro fijo con ranuras verticales (generalmente cuatro ranuras):

^{CVOR con antena ranurada y la antena DME en la parte superior. Fuente: AviaTecho .}

Se coloca un contrapeso debajo de la matriz para ocultar el refugio VOR y el suelo y elevar la radiación. dirección, tiene el doble efecto de minimizar los reflejos no deseados en el refugio y el suelo y reducir el cono de silencio sobre el VOR.

CVOR crea y usa señales de referencia y variables de esta manera:

1. Un generador de baja frecuencia crea tres señales de 30 Hz, idénticas excepto en sus fases. Dos señales de audio se derivan de una señal de referencia : la señal sin tiene una fase en el origen de -90 ° y la señal cos tiene una fase en el origen de + 90 ° (el punto es sin y las señales de cos están en oposición de fase).
   La fase de la referencia representa conceptualmente una dirección y, a menudo, se denomina goniómetro . Como esta frecuencia de señal es 30 Hz, la dirección imaginaria que representa barre 360 ° 30 veces por segundo (1.800 rpm, esto es pura abstracción, no hay partes giratorias en un CVOR).

2. Un generador de baja frecuencia crea una señal de 9960 Hz que es modulada en FM por la referencia. Esta señal se conoce como la referencia subportadora .

   

   ^{VOR convencional diagrama de bloques}

3. Un generador de HF crea una portadora de frecuencia f (f siendo la frecuencia VOR), esta portadora se divide en tres partes:

   • una parte es modulada AM por la subportadora de referencia .
   • otra es AM modulada por sin .
   • la última parte es AM modulada por cos .

4. La señal HF con la subportadora de referencia se envía a todas las antenas. De esta manera, la referencia se puede recibir de manera idéntica independientemente de la posición del receptor alrededor del CVOR.

5. Las otras dos señales de HF tienen primero su portadora eliminada, de modo que solo bandas laterales subsisten. Esto es para evitar que los portadores interfieran en el espacio, las interferencias deben ocurrir solo entre las bandas laterales.
   Luego, una señal se envía al par de antenas NW + SE, la otra señal se envía al otro par (recuerde que los dos pares son perpendiculares).

6. El modulación espacial la magia hace el resto. Las bandas laterales sin y cos se suman como valores de vector de campo, a veces se suman las amplitudes individuales, a veces se restan, en proporción variable. Esto da como resultado un patrón cardioide desequilibrado (más precisamente, un Limaçon de Pascal ) que gira alrededor de las antenas VOR a 1.800 rpm, la dirección está vinculada a la fase de la referencia (o sin o cos , ya que todos están vinculados por valores fijos).

7. La señal resultante de la modulación espacial aparece como una portadora AM modulada según la dirección del antena giratoria ". La modulación AM también es una señal de 30 Hz, y se conoce como la señal variable .

8. La señal resultante también contiene la amplitud constante y sin modificar ) portadora con su subportadora de referencia.
   

   ^{espectro CVOR}

9. Para determinar el rumbo (el radial) del receptor en relación con el CVOR, solo es necesario comparar la fase de la señal variable con la fase de la señal de referencia . Ambos están contenidos en la señal resultante. La fase de la señal de referencia y la fase de la señal variable son iguales cuando la referencia " apunta " al norte (según el principio en este tiempo ambas fases tienen un valor de 135 °, la suma de 45 ° y 90 °, pero el valor real no tiene influencia, solo la diferencia de fase es significativa):
   

   ^{VOR: Determinación del rodamiento comparando fases}
   Ahora que conocemos el principio del CVOR, es más fácil comprender el principio del DVOR. El DVOR fue creado para compensar algunas debilidades del CVOR: El CVOR no es muy preciso a menos que el sitio de instalación se seleccione con mucho cuidado (sin obstáculos). Eso significa puntos aislados, no aeródromos.Esa no es la opción preferida para el mantenimiento y esto a menudo impide tener el CVOR alineado con la pista para una aproximación VOR.

Desde CVOR hasta Doppler VOR, asegurando retrocompatibilidad

La falta de precisión del VOR tiene su origen en dos opciones de diseño:

• Las antenas están cerca una de la otra, cualquier defecto en su ubicación tiene grandes consecuencias en la precisión.

• La señal variable está modulada por AM, la modulación por AM está sujeta mortalmente a errores creados por el ruido electromagnético y la trayectoria múltiple.

En el VOR Doppler (una vez más … hay dos tipos de DVOR, la banda lateral simple y la banda lateral doble, describiré el DSB aquí):

• Las dos antenas activas están a una gran distancia entre sí (diametralmente opuestas).

• La señal variable está modulada por FM.

Para ser compatible con el receptor CVOR, se tuvieron que hacer otros cambios:

• Como el receptor todavía Si compara dos señales, una es AM y la otra FM, la señal de referencia debe estar modulada en AM.

• Debido a que el resultado de la comparación de fase ahora está invertido (la variable menos la referencia se convierte en referencia menos variable), la dirección de rotación del patrón también debe invertirse (en sentido antihorario en lugar de en el sentido de las agujas del reloj).

• Debido a que el par de antenas utilizadas para la señal variable crea deliberadamente un efecto Doppler, la referencia debe enviarse a una antena central específica preservada del efecto Doppler.

Doppler VOR: DVOR

El principio de un VOR Doppler es crear la modulación de frecuencia por efecto Doppler en lugar de por modulación electrónica. El efecto Doppler ocurre con una fuente de onda en movimiento: a pesar de que la fuente tiene una frecuencia constante, cuando se acerca al receptor, la frecuencia aparente es más alta que la frecuencia real. Cuánto más alto depende solo de la tasa de cierre.

^{Efecto Doppler sobre el ruido del tren: el sonido tiene un tono más agudo en la parte delantera que en la parte trasera}

En el DVOR, pares de antenas opuestas (aún Alford bucles) se encienden / apagan constantemente, escaneando la matriz completa en sentido antihorario, la exploración completa se realiza 30 veces por segundo. En realidad, hay dos grupos de antenas en lugar de dos antenas involucradas para permitir la fusión (transición suave de un par al siguiente), pero simplifiquemos por un segundo. Desde el punto de vista del receptor, la señal parece provenir de una fuente en movimiento y, por lo tanto, se producirá un desplazamiento Doppler en una proporción que depende de la dirección aparente del movimiento.

^{Efecto DVOR Doppler}

Para permitir compatibilidad con el receptor CVOR, este cambio debe ser como máximo de 480 Hz, siendo 480 Hz el cambio de FM de la subportadora en el CVOR. Un cálculo simple muestra que el diámetro del arreglo debe ser de aproximadamente 14 m (46 pies).

Para generar la señal modulada de FM, la subportadora no modulada de 9960 Hz se envía en el par de antenas " rotativas ". El desplazamiento Doppler es máximo cuando la dirección del receptor es tangencial a la trayectoria del par a nd mínimo cuando el par es perpendicular a la dirección del receptor. Este cambio es exactamente representativo del rumbo de la aeronave y es la modulación de señal variable que necesitamos.

Desde la perspectiva de la señal de radio, solo se utilizan las frecuencias de banda lateral para transmitir la subportadora de 9960 Hz (frecuencia VOR f +/- 9960 Hz). La propia portadora se envía a la antena central, AM modulada por la señal de referencia. De esta manera, la portadora no está sujeta al desplazamiento Doppler.

En pocas palabras … Como en el CVOR, el receptor ve la señal compuesta: una portadora AM modulada con 30 Hz (que es la referencia en cambio de la señal variable), con una subportadora FM " modulada " como resultado del efecto Doppler, a 30 Hz (la frecuencia de el escaneo, ahora representa la señal variable en lugar de la referencia) y con una oscilación no muy lejos de los 480 Hz esperados.

Mezcla: si un par de antenas se usaran una a la vez, el número de Los cojinetes medibles serían iguales al número de antenas en la matriz (alrededor de 50). Para crear una exploración más continua (y por lo tanto un mayor número de marcaciones medibles), las antenas que preceden y siguen a la antena principal también son alimentadas por la señal de la subportadora, pero con una potencia menor. Este " combina " la transición de una posición de escaneo a la siguiente.

Consulte también ¿Qué causa que la fase cambie en un VOR? para una mejor explicación del DVOR.

Rodamiento TACAN

Un TACAN se basa en una antena estacionaria más un sistema parásito giratorio. La antena base es vertical y común a los instrumentos de medición de distancia y rumbo.

Los elementos parásitos en el campo aéreo se refieren a elementos de antena pasiva añadidos al radiador activo real. Un reflector disminuye la ganancia de su lado, un director aumenta la ganancia de su lado ( más ). La conocida antena direccional Yagi (aquí en polarización horizontal) tiene dos tipos de elementos parásitos:

^{( Fuente , modificada)}

Estos elementos se utilizan en el TACAN, pero están rotando alrededor del elemento activo:

^{( Fuente , modificada)}

• El elemento central, que es el que también se usa para la porción DME, transmite una señal de amplitud constante.

• Un tambor giratorio con un El reflector ajusta eléctricamente el patrón de radiación, agregando una caída de señal (ganancia baja) que gira a 900 RPM, lo que equivale a una modulación de amplitud de 15 Hz. El patrón de radiación en el plano horizontal toma la forma de un cardioide:
  

  ^{(Fuente: Avances en electrónica y física electrónica, Volumen 68 , modificado)}

• Otro tambor con un conjunto de 9 directores, vinculado mecánicamente al primero, crea una ondulación de amplitud adicional de 135 Hz (9×15) sobre la modulación de 15 Hz:

  

  ^{(Fuente: Avances en Electrónica y Física Electrónica, Volumen 68 , modificado)}

Ahora tenemos que empezar de nuevo el razonamiento teniendo en cuenta que la señal TACAN no se transmite de forma permanente, sino que solo se activa (enciende y apaga) mediante ráfagas de información. Las ráfagas son de dos tipos:

• Ráfagas de referencia
• Respuestas DME .

Las ráfagas de referencia son g generado de acuerdo con la orientación del patrón de modulación:

• Cuando el pico de 15 Hz mira hacia el norte, se envía una ráfaga de referencia principal. La ráfaga consta de 24 pulsos

con un ciclo de trabajo asimétrico.

• Cuando cualquiera de los picos de 135 Hz mira hacia el Este, se envía una ráfaga de referencia auxiliar. La ráfaga consta de 24 pulsos con un ciclo de trabajo simétrico.

^{(Fuente: Avances en electrónica y física electrónica, volumen 68 . Modificado)}

La duración de estas ráfagas es solo una parte del ciclo de 15 Hz, lo que significa que si hay pocas interrogaciones DME de aeronaves, la mayoría de las veces la señal TACAN no se codifica y, por lo tanto, no se transmite. Esta falta de transmisión crearía una dificultad para el receptor de la aeronave:

• Para ajustar la ganancia de su receptor (AGC) para contrarrestar el desvanecimiento.
• Para identificar los 15 Hz y 135 Hz modulaciones.

Para mantener la capacidad de recepción, la señal TACAN se codifica a una velocidad constante de 2700 pares de pulsos por segundo, agregando pulsos espontáneos si es necesario para llenar los espacios en blanco. Cuantas más interrogaciones DME recibe el TACAN, más ráfagas de respuesta DME se envían, menos pulsos espontáneos son necesarios (más en MIL-STD-291 ) .

^{La señal de 135 Hz se ha eliminado para simplificar ( Fuente )}

La modulación de 135 Hz se utiliza para la determinación del rumbo. Comparando el tiempo entre una ráfaga auxiliar y la subsiguiente recepción de uno de los 9 picos de señal, es posible determinar el rumbo de la aeronave con respecto a la estación terrestre. La ráfaga principal (15 Hz) se usa para eliminar la ambigüedad de cuál de los 9 lóbulos se usó y, por lo tanto, cuál del sector de 40 ° (360/9) es realmente relevante para el rodamiento.

En teoría, el uso del extremo superior de la banda UHF y la ondulación de 135 Hz aumentan la precisión del rumbo en un orden de magnitud en comparación con el VOR. En la práctica, esto es menos, pero aún mejor que el VOR.

El principio DME es medir el tiempo que una señal de radio tarda en ida y vuelta a la estación de tierra. Como las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, conocer la hora es conocer la distancia." La aeronave interroga al transpondedor terrestre con una serie de pares de pulsos (interrogaciones) y, después de un retraso de tiempo preciso (típicamente 50 microsegundos), la estación terrestre responde con un secuencia idéntica de pares de pulsos. " (Wikipedia).

Comentarios

• Buena respuesta. +1 Me he estado preguntando sobre esto yo mismo. ¿Sabe si la mayoría de los aviones militares también están equipados para leer VOR?
• @TomMcW: ¡Gracias! TACAN tiene mayores poderes de transmisión para un mayor alcance, no ' sé si ' s realmente necesitaba recibir VOR, pero si es, entonces ' una cuestión de agregar una antena, un receptor y un CDI, no es gran cosa. Podría ser útil para vuelos civiles que no sean de precisión.
• C-130 ' s tienen receptores VOR y TACAN, y I ' d sospecha que la mayoría de los aviones de transporte también lo hacen, ya que los campos extranjeros pueden ser atendidos por VOR / DME ' s en lugar de VORTAC ' s.
• ¡Excelente respuesta! Con mayor alcance & tamaño más pequeño, el TACAN parece ser la mejor tecnología, pero fuera del ejército, el VOR parece predominante. ¿Qué ventajas tiene el sistema VOR?
• Gracias @RalphJ: Creo que el VOR fue diseñado con antenas estacionarias en mente para un mantenimiento simple. Hoy en día es fácil sintetizar / emitir desde la novena ondulación armónica del TACAN utilizando arreglos en fase de alta resolución y chips DSP, pero en ese momento no eran ' t disponible.

Bueno, la respuesta corta es que opera de la misma manera que VOR, excepto que usa UHF en lugar de VHF, y por lo tanto, está menos sujeto a distorsión, y siempre incorpora DME, por lo que se dan tanto un rango como un rumbo. VOR / DME es el equivalente civil.

Comentarios

• VOR / DME sería el equivalente civil. VORTAC es una combinación de civiles y militares.
• @TomMcW Cough, cough, er yeh.