Jak přípravek TACAN působí?

Jak se TACAN liší od všesměrového VHF Systém Range (VOR)?

Velmi krátká otázka, ale odpověď vyžaduje popis několika technik, které samy o sobě je obtížné shrnout, aniž by bylo třeba brát svobodu s realitou , takže příspěvek je poměrně dlouhý a měl by být přečten spíše částmi zájmu, než úplně najednou. A pro ty, kteří se o designové techniky nezajímají, naštěstí existuje …

Krátká odpověď

Návrhový princip:

• A TACAN používá UHF ke zvýšení přesnost. Skládá se z jediného integrovaného systému provádějícího určení ložiska a vzdálenosti najednou. V tomto systému je pozemní stanice transpondér a vyšetřovatel je na palubě letadla (na rozdíl od transpondéru SSR). Frekvence je jako stupnice na stupnici, když se zvyšuje frekvence, stupnice na stupnici jsou hustší a hodnoty jsou přesnější.

• A VOR pracuje na VHF pro určení ložiska. Ke spuštění signálu pozemní stanice, který je trvalý, není nutná žádná akce letadla. K určení vzdálenosti se používá jiný nezávislý systém, DME . DME byl zapůjčen armádě a je to vlastně TACAN bez jeho nosných komponent (jedná se tedy o transpondér vyslýchaný letadlem).
  Při výběru frekvence VOR v civilním letadle avionika ve skutečnosti nastaví přijímač VOR na tuto frekvenci a samostatný DME dotazovač u některých " spárovaná " frekvence UHF získaná ze standardní párovací tabulky ICAO ( strana 6 ). Společnosti VOR a DME na palubě nesdílejí nic kromě tabulky párování kmitočtů.

Staniční antény:

• Originální anténa TACAN je vyrobena dvou malých rotujících bubnů s parazitními anténními prvky (viz podrobnosti níže). TACAN lze instalovat na lodě nebo mobilní stanice. Anténa TACAN je externě podobná konvenční VOR. TACAN na Aljašce během cvičení:

  

  ^{(Zdroj: Wikipedia )}
  Válec obsahuje rotující anténní systém. V modernějším systému TACAN byla mechanická rotace nahrazena elektronicky skenovanými poli , čímž se zmenšila velikost:

  

  ^{Přenosný TACAN, zdroj}

• Dopplerovy VOR (DVOR) jsou častější než konvenční VOR (CVOR), protože mohou být umístěny na letištích (CVOR: Podrobnosti níže) ). DVOR anténa je velké kruhové pole s centrální referenční anténou a velkým protějškem pod polem. VOR jsou někdy umístěny se stanicí DME, v takovém případě je vertikální anténa DME nad a koaxiální se systémem VOR.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, DME anténa v horní části centrální referenční antény VOR. (zdroj: Wikipedia )}
  Protože část DME je společná pro VOR / DME a TACAN, je technicky možné přiřadit VOR k TACAN k získání stanice VORTAC . Vojáci používají TACAN, civilní používají informace VOR a DME TACAN:

  

  ^{Plný TACAN namísto předchozí antény DME. Zdroj}

• Kromě toho VOR (CVOR / DVOR) používá Alfordské smyčkové antény , které jsou horizontálně polarizované a vyzařují nízko na obzoru. Jsou citliví na reflexi překážek. Ke skrytí země a zvýšení radiačního úhlu je potřeba elektrický protiváha .Tato umělá pozemní rovina může být velmi velká:

  

  ^{PFN Vortac (vyřazeno z provozu), zdroj}

Signály:

• VOR přenáší informace o ložiscích nepřetržitě.

• TACAN odesílá páry párů odpovědí pouze při dotazování (viz vysvětlení níže). Tyto páry kódují informace o ložisku i DME.

• TACAN je obvykle silnější než VOR a má větší rozsah použití.

Zaměřím se na vysvětlení systémů pro určování ložisek a vysvětlím DME jako nedílnou součást TACAN. Kromě toho existují dva typy VOR, konvenční a Doppler, které fungují velmi odlišně, i když poskytují kompatibilní signály do (nic netušícího) společného přijímače.

---

Princip stanovení ložiska

Společným principem určení ložiska je vyslání dvou signálů z pozemní stanice:

• Referenční signál informující libovolný přijímač o aktuální orientaci aktivního signálu.

• A Proměnná signál umožňující určitému přijímači určit, kdy aktivní signál " směřuje " na přijímač (směrování není přesné slovo, protože signály DVOR jsou všesměrové, viz více v této odpovědi ).

Přijímač určuje jeho relativní vztah porovnáním těchto dvou signálů. Oba signály jsou sinusové funkce, hodnotu orientace představuje aktuální fáze této funkce. VOR i TACAN používají tento základní princip, i když si to uvědomují odlišně.

Hlavní roli v tomto příběhu má signální fáze , takže ujistěte se, že souhlasíme s významem:

• Jakýkoli periodický (opakující se) signál lze považovat za výsledek otáčení vektoru určitou rychlostí $ \ small \ omega $ . Funkce sine pro úhel $ \ small x $ je $ \ small y = sin (x) $ . Aplikováno na sinusovou vlnu frekvence $ \ small f $ a maximální amplitudy $ \ small A $ , toto se stane $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ kde $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . Úhel $ \ small \ omega t + \ varphi $ byl rozdělen mezi fáze $ \ small \ omega t $ a fáze na počátku $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ má hodnotu null, pokud zahájíme cyklus v čase 0, obvykle je to tak. Jednoduše řečeno, množství $ \ small \ omega t $ představuje, o kolik se vektor otočil v čase $ t $ . Jedná se o úhel, vynulovaný po úplném otočení, proto na konci indikuje, která část celého cyklu již byla vyčerpána (která fáze jsme v cyklu). Vizuálně:

^{Fázový úhel sinusové vlny}

Z toho je zřejmé, že porovnání fází dvou signálů se stejnou frekvencí (jednoduché u elektroniky) je ekvivalentní porovnání toho, kolik času jeden zaostává za druhým (čas je skutečně obtížné měřit).

typy VOR

konvenční stanice VOR (CVOR) a Doppler VOR (DVOR) jsou vnímány shodně přijímač, i když vysílají velmi odlišné signály. DVOR pomocí triků napodobuje CVOR a klame přijímač CVOR. CVOR téměř zmizely z dohledu, protože kvůli své citlivosti na odrazy nemohou být umístěny na letištích nebo v blízkosti silnic. Nicméně na trati / ve vysoké nadmořské výšce lze CVOR nalézt na izolovaných místech, důvodem je, že jsou kompaktnější a mají menší kužel ticha než DVOR a odrazy lze minimalizovat, např. když se VOR nachází na vrcholu kopce.

Pochopení triků DVOR bez znalosti toho, jak funguje CVOR, je obtížné a neposkytuje vodítka o tom, jak je ložisko skutečně určeno. Takže já obáváme se, že musíme rozumět CVOR před DVOR.

Konvenční VOR: CVOR

Brzy CVOR anténa bývala pole čtyř Alfordových smyček v rozích imaginárního čtverce, známého jejich konvenčními názvy: NW, NE, SW a SE. Smyčky NW + SE tvoří první pár, smyčky NE + SW tvoří druhý pár.

^{CVOR se čtyřmi Alfordovými smyčkami}

Alfordovy smyčky jsou horizontálně polarizované a velmi citlivé na odrazy okolních překážek ( vícecestný ).

Poslední generace CVOR používají štěrbinovou anténu, což je pevný válec se svislými sloty (obvykle čtyři sloty):

^{CVOR se štěrbinovou anténou a DME anténou nahoře. Zdroj: AviaTecho .}

Pod pole se umístí protiváha, která skryje úkryt VOR a zemi a zvýší záření směru, má to dvojí účinek: minimalizace nežádoucího odrazu na úkrytu a zemi a snížení kuželu ticha nad VOR.

CVOR vytváří a používá referenční a proměnné signály tímto způsobem:

1. Nízkofrekvenční generátor vytváří tři 30 Hz signály, identické kromě jejich fází. Ze zvukového signálu referenční jsou odvozeny dva zvukové signály: Signál sin má fázi na počátku -90 ° a signál cos má fázi při počátku + 90 ° (bod je sin a cos signály jsou ve fázové opozici).
   Fáze reference koncepčně představuje směr a často se jí říká goniometr . Protože tato frekvence signálu je 30 Hz, imaginární směr, který představuje, zametá 360 ° 30krát za sekundu (1 800 otáček za minutu, to je čistá abstrakce, v CVOR nejsou žádné rotující části).

2. Nízkofrekvenční generátor vytváří signál 9960 Hz, který je FM modulován referencí. Tento signál se označuje jako referenční pomocná nosná vlna .

   

   ^{Konvenční VOR blokové schéma}

3. HF generátor vytvoří nosnou frekvence f (f je frekvence VOR), je tento nosič rozdělen na tři části:

   • jedna část je AM modulována referenčním nosným nosičem .
   • další je AM modulováno sin .
   • poslední část je AM modulováno cos .

4. Vysokofrekvenční signál s referenční pomocnou nosnou je odeslán do všech antén. Tímto způsobem lze referenci přijímat identicky bez ohledu na polohu přijímače kolem CVOR.

5. Dva další vysokofrekvenční signály mají nejprve odstraněnou nosnou, takže pouze postranní pásma existují. To zabrání dopravcům zasahovat do prostoru, interference se musí vyskytovat pouze mezi postranními pásmy.
   Poté je jeden signál odeslán do dvojice antén NW + SE, druhý signál je odeslán do druhého páru (pamatujte, že dva páry jsou kolmé).

6. O zbytek se postará kouzlo modulace prostoru . Postranní pásma sin a cos jsou přidána jako hodnoty vektoru pole, někdy jsou přidány jednotlivé amplitudy, někdy jsou odečteny, v proměnlivém poměru. Výsledkem je nevyvážený kardioidní vzor (přesněji Limaçon de Pascal ), který se otáčí kolem VOR antén při 1 800 otáčkách za minutu, přičemž směr je spojen s fází reference (nebo sin nebo cos , protože jsou všechny spojeny pevnými hodnotami).

7. Signál vyplývající z prostorové modulace se jeví jako nosná AM modulovaná podle směru virtuálního " rotující anténa ". Modulace AM je také signálem 30 Hz a je známá jako proměnný signál .

8. Výsledný signál také obsahuje nemodifikovanou (a konstantní amplitudu) ) dopravce s referenčním nosným nosičem.
   

   ^{CVOR spektrum}

9. K určení ložiska (radiálu) přijímače vzhledem k CVOR stačí porovnat fázi proměnného signálu s fází referenčního signálu . Oba jsou obsaženy ve výsledném signálu. Fáze referenčního signálu a fáze variabilního signálu jsou stejné, když referenční " směřuje " na sever (v tomto případě čas, kdy obě fáze mají hodnotu 135 °, součet 45 ° a 90 °, ale skutečná hodnota nemá žádný vliv, smysl má pouze fázový rozdíl):
   

   ^{VOR: Určení ložiska porovnáním fází}
   Nyní známe princip CVOR, je snadnější pochopit princip DVOR. DVOR byl vytvořen, aby vyrovnal některé slabosti v CVOR: CVOR není příliš přesný, pokud není velmi pečlivě vybráno místo instalace (žádná překážka). To znamená izolované body, ne letiště.To není upřednostňovaná možnost údržby a to často vylučuje, aby byl CVOR zarovnán s přistávací dráhou pro přístup VOR.

Od CVOR k Dopplerovu VOR, zajišťující retro kompatibilitu

Nepřesnost VOR má kořeny ve dvou možnostech návrhu:

• Antény jsou blízko u sebe, jakékoli výchozí umístění má velké důsledky v přesnosti.

• Variabilní signál je modulován AM, modulace AM je smrtelně vystavena chybám způsobeným elektromagnetickým šumem a vícecestným.

V Dopplerově VOR (ještě jednou … existují dva typy DVOR, jedno postranní pásmo a dvojité postranní pásmo, zde popíšu DSB):

• Dvě aktivní antény jsou ve velké vzdálenosti od sebe (diametrálně odlišné).

• Variabilní signál je modulován FM.

Aby byla kompatibilní s přijímačem CVOR, musely být provedeny další změny:

• Protože přijímač stále Porovnávám dva signály, jeden je AM, druhý FM, referenční signál musí být modulován AM.

• Protože výsledek fázového srovnání je nyní invertován (proměnná mínus reference se stává referenční mínus proměnná), musí být také směr otáčení vzoru obrácen (proti směru hodinových ručiček místo ve směru hodinových ručiček).

• Protože dvojice antén použitých pro proměnný signál vytváří záměrně Dopplerův efekt, musí být reference zaslána na konkrétní centrální anténu chráněnou před Dopplerovým efektem.

Doppler VOR: DVOR

Princip Dopplerův VOR je vytvořit kmitočtovou modulaci spíše Dopplerovým efektem než elektronickou modulací. Dopplerův efekt nastává u zdroje pohybujících se vln: Přestože má zdroj konstantní frekvenci, když se přiblíží k přijímači, je zdánlivá frekvence vyšší než skutečná frekvence. O kolik vyšší záleží pouze na rychlosti výluky.

^{Dopplerův efekt na hluk vlaku: Zvuk je vyšší vpředu než vzadu}

V DVOR jsou páry protilehlých antén (stále Alford smyčky) se neustále zapínají a vypínají a skenují celé pole proti směru hodinových ručiček, úplné skenování se provádí 30krát za sekundu. Ve skutečnosti existují spíše dvě skupiny antén než dvě antény, které umožňují míchání (plynulý přechod z jednoho páru na druhý), ale na chvíli to zjednodušíme. Z hlediska přijímače se zdá, že signál pochází z pohybujícího se zdroje, a proto dojde k Dopplerovu posunu v poměru, který závisí na zdánlivém směru pohybu.

^{DVOR Dopplerův efekt}

Povolit kompatibilita s přijímačem CVOR, tento posun musí být maximálně 480 Hz, přičemž 480 Hz je kmitočet FM subnosné v CVOR. Jednoduchý výpočet ukazuje, že průměr pole musí být přibližně 14 m (46 stop).

Pro generování modulovaného signálu FM je nemodulovaný subnosný kmitočet 9960 Hz odeslán na " rotující " dvojici antén. Dopplerův posun je maximální, když je směr přijímače tangenciální k trajektorii páru a minimální, když je pár kolmý na směr přijímače. Tento posun je přesně reprezentativní pro ložisko letadla a je to proměnná modulace signálu, kterou potřebujeme.

Z pohledu rádiového signálu se k přenosu dílčí nosné frekvence 9960 Hz (frekvence VOR f +/- 9960 Hz). Nosič je sám vysílán na centrální anténu, AM modulovaný referenčním signálem. Tímto způsobem nosná nepodléhá Dopplerovu posunu.

Sečteno a podtrženo … Podobně jako v CVOR přijímač vidí kompozitní signál: Nosná AM modulovaná s 30 Hz (což je místo toho reference) proměnného signálu), s pomocnou nosnou FM " modulovanou " v důsledku Dopplerova jevu při frekvenci 30 Hz (frekvence skenování, nyní představuje proměnný signál namísto reference) a s výkyvem nedaleko očekávaných 480 Hz.

Blending: Pokud byla použita dvojice antén najednou, počet měřitelná ložiska by se rovnala počtu antén v poli (asi 50). Pro vytvoření kontinuálnějšího skenování (a tedy většího počtu měřitelných ložisek) jsou antény, které předcházejí a následují hlavní anténu, napájeny také signálem pomocné nosné, ale s menším výkonem. Tento " spojuje " přechod z polohy skenování do další.

Viz také Co způsobí změnu fáze ve VOR? pro lepší vysvětlení DVOR.

Ložisko TACAN

TACAN je založen na stacionární anténě a rotujícím parazitním systému. Základní anténa je svislá a společná s přístroji pro měření vzdálenosti a ložisek. Reflektor snižuje zesílení na své straně, ředitel zvyšuje zesílení na své straně ( další ). Známá směrová anténa Yagi (zde v horizontální polarizaci) má dva typy parazitických prvků:

^{( Zdroj , upraven)}

Tyto prvky se používají v TACANu, ale otáčejí se kolem aktivního prvku:

^{( Zdroj , upraveno)}

• Centrální prvek, který se také používá pro část DME, přenáší signál s konstantní amplitudou.

• Rotující buben s reflektor elektricky upravuje vyzařovací diagram a přidává pokles signálu (nízký zisk), který se otáčí při 900 ot / min, což odpovídá 15 Hz amplitudové modulaci. Radiační vzor v horizontálním plánu má tvar kardioidu:
  

  ^{(Zdroj: Pokroky v elektronice a elektronové fyzice, svazek 68 , upravené)}

• Jiný buben se sadou 9 ředitelů, mechanicky propojený s prvním, vytváří další amplitudové zvlnění 135 Hz (9×15) v průběhu 15 Hz modulace:

  

  ^{(Zdroj: Advances in Electronics and Electron Physics, Volume 68 , modified)}

Nyní musíme znovu začít uvažovat s přihlédnutím k tomu, že signál TACAN se nepřenáší trvale, ale pouze se klíčí (zapíná / vypíná) dávkami informací. Dávku lze rozdělit na dva druhy:

• Referenční dávky
• odpovědi DME .

Referenční dávky jsou g enerated podle orientace modulačního vzoru:

• Když je vrchol 15 Hz obrácen k severu, odešle se hlavní referenční shluk. Burst se skládá z 24 pulzů

s asymetrickým pracovním cyklem.

• Když některý z vrcholů 135 Hz směřuje na východ, odešle se pomocný referenční burst. Série sestává z 24 pulzů se symetrickým pracovním cyklem.

^{(Zdroj: Pokroky v elektronice a elektronové fyzice, svazek 68 . Upraveno)}

Doba trvání těchto dávek je pouze částí 15 Hz cyklu, což znamená, že pokud je málo dotazů DME letadel, většinou není signál TACAN klíčován, a proto není vysílán. Tento nedostatek přenosu by pro přijímač letadel způsobil potíže:

• Upravit zisk přijímače (AGC) proti vyblednutí.
• Identifikovat 15 Hz a 135 Hz modulace.

Aby byla zachována schopnost příjmu, je signál TACAN místo toho zadáván konstantní rychlostí 2700 párů pulzů za sekundu, v případě potřeby se přidává pulzující signál vyplnit mezery. Čím více TACAN přijímá DME výslechy, tím více DME odpovědí je odesíláno, tím méně pulzů je zapotřebí (více v MIL-STD-291 ) .

^{Signál 135 Hz byl pro zjednodušení odstraněn ( Zdroj )}

Pro určení ložiska se používá 135 Hz modulace. Porovnáním času mezi pomocným výbuchem a následným příjmem jednoho z 9 signálních špiček je možné určit ložisko letadla vzhledem k pozemní stanici. Hlavní záblesk (15 Hz) se používá k disambiguate, který z 9 laloků byl použit, a proto který ze sektoru 40 ° (360/9) je pro ložisko skutečně relevantní.

Teoreticky použití horního konce pásma UHF a zvlnění 135 Hz zvyšuje přesnost ložiska o jeden řád ve srovnání s VOR. V praxi je to méně, ale stále lepší než VOR.

Princip DME spočívá v měření času, který rádiovému signálu trvá zpáteční cesta k pozemní stanici. Vzhledem k tomu, že rádiové vlny cestují rychlostí světla, znalost času značí vzdálenost." Letadlo vyslýchá pozemní transpondér řadou párů impulzů (dotazů) a po přesné časové prodlevě (obvykle 50 mikrosekund) pozemní stanice odpoví identická sekvence párů pulzů. " (Wikipedia).

Komentáře

• Pěkná odpověď. +1 Přemýšlel jsem o tom sám. Víte, zda je většina vojenských letadel vybavena také pro čtení VOR?
• @TomMcW: Díky! TACAN má větší vysílací výkony pro větší rozsah, já ' nevím, jestli je to ' opravdu potřeba pro příjem VOR, ale pokud ano tedy je ' přidání antény, přijímače a CDI, to není problém. Mohlo by to být užitečné pro nepřesné civilní přístupy.
• C-130 ' s mají přijímače VOR i TACAN a já ' mám podezření, že většina dopravních letadel také funguje, protože cizí pole mohou obsluhovat spíše VOR / DME ' s než VORTAC ' s.
• Skvělá odpověď! S větším & menší velikostí se TACAN jeví jako lepší technologie, ale mimo armádu se zdá být převládající VOR. Jaké výhody má systém VOR?
• Díky @RalphJ: Věřím, že VOR byl navržen s ohledem na stacionární antény pro snadnou údržbu. Dnes je snadné syntetizovat / paprsek z 9. harmonického zvlnění TACANu pomocí fázovaných polí a čipů DSP s vysokým rozlišením, ale v té době nebyly ' není k dispozici.

Krátká odpověď je že funguje stejným způsobem jako VOR, kromě toho, že používá UHF místo VHF – a proto je méně předmětem zkreslení – a vždy obsahuje DME, takže jsou uvedeny rozsah i směr. VOR / DME je civilní ekvivalent.

Komentáře

• VOR / DME by byl civilní ekvivalent. VORTAC je kombinovaný civilní a vojenský.
• @TomMcW Kašel, kašel, jo.