Hvordan fungerer TACAN?

Hvordan adskiller TACAN sig fra VHFs retningsbestemte retning Range (VOR) system?

Et meget kort spørgsmål, men svaret kræver beskrivelse af flere teknikker, som i sig selv er vanskelige at opsummere uden at tage friheder med virkeligheden , så indlægget er ret langt og skal læses af sektioner af interesse snarere end helt på én gang. Og for dem der ikke er interesserede i designteknikkerne, er der heldigvis et …

Kort svar

Designprincip:

• A TACAN bruger UHF til at øge pejling præcision. Den består af et enkelt integreret system, der udfører pejling og afstandsbestemmelse på én gang. I dette system er jordstationen en transponder, og forhør er ombord på flyet (i modsætning til SSR-transponderen). Frekvens er som graderinger på en skala, når frekvensen øges, er graderingen på skalaen mere tæt, og aflæsningerne er mere nøjagtige.

• A VOR fungerer på VHF til bestemmelse af pejling. Ingen flyhandling kræves for at udløse jordstationssignalet, som er permanent. For at bestemme afstanden anvendes et andet uafhængigt system, DME . DME er blevet lånt til militæret og er faktisk en TACAN uden dens bærende komponenter (så det er en transponder, der forhøres af flyet).
  Når man vælger en VOR-frekvens i et civilt fly, sætter flyelektronikken faktisk VOR-modtageren på denne frekvens, og den enkeltstående DME forhør på nogle ” parret ” UHF-frekvens opnået fra ICAO-standardparringstabellen ( side 6 ). VOR og DME deler intet om bord ud over frekvensparringstabellen.

Stationsantenner:

• Den originale TACAN-antenne er lavet af to små roterende tromler med parasitære antenneelementer (se detaljer nedenfor). En TACAN kan installeres på skibe eller mobile stationer. TACAN-antennen ligner eksternt en konventionel VOR. EN TACAN i Alaska under en øvelse:

  

  ^{(Kilde: Wikipedia )}
  Cylinderen indeholder det roterende antennesystem. I mere moderne TACAN er den mekaniske rotation blevet erstattet af elektronisk scannede arrays , hvilket reducerer størrelsen:

  

  ^{Transportable TACAN, kilde}

• Doppler VOR (DVOR) er mere almindelige end konventionelle VOR (CVOR), fordi de kan placeres på flyvepladser (CVOR: Se nedenfor for detaljer ). DVOR-antennen er et stort cirkulært array med en central referenceantenne og en stor kontrapunkt under arrayet. VOR er undertiden samlokaliseret med en DME-station, i så fald er den lodrette DME-antenne over og koaksial med VOR-systemet.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, DME-antenne oven på den centrale VOR-referenceantenne. (kilde: Wikipedia )}
  Da DME-delen er fælles for VOR / DME og TACAN, er det teknisk muligt at knytte en VOR til en TACAN for at få en VORTAC station. Militær bruger TACAN, civile bruger VOR og DME-oplysningerne fra TACAN:

  

  ^{En fuld TACAN i stedet for den tidligere DME-antenne. Kilde}

• Derudover bruger VOR (CVOR / DVOR) Alford-loopantenner , som er vandret polariseret og udstråler lavt i horisonten. De er følsomme over for refleksion over forhindringer. En elektrisk modstillelse kræves for at skjule jorden og hæve strålingsvinklen.Dette kunstige jordplan kan være meget stort:

  

  ^{PFN Vortac (nedlagt), kilde}

Signaler:

• En VOR transmitterer bærende information kontinuerligt.

• En TACAN sender kun svarpulspar, når de bliver forhørt (se forklaringen nedenfor). Disse par koder både for pejling og DME-information.

• En TACAN er normalt mere kraftfuld end en VOR og har et større anvendelsesområde.

Jeg vil fokusere på at forklare lejebestemmelsessystemer og forklare DME som en integreret komponent i TACAN. Derudover er der to typer VOR, konventionel og doppler, som fungerer meget forskelligt, selvom de leverer kompatible signaler til den (intetanende) fælles modtager.

Lejebestemmelsesprincip

Det fælles princip for lejebestemmelse er at sende to signaler fra jordstationen:

• Et referencesignal der fortæller enhver modtager omkring det aktive signals aktuelle retning.

• En variabel signal tillader en bestemt modtager at bestemme, hvornår det aktive signal ” peger ” til modtageren (pegning er ikke den nøjagtige ord, da DVOR-signalerne er retningsstrålende, se mere i dette svar ).

Modtageren bestemmer dens relative pejling ved at sammenligne disse to signaler. Begge signaler er sinusfunktioner, orienteringsværdien er repræsenteret af nuværende fase for denne funktion. Både VOR og TACAN bruger dette grundlæggende princip, omend de indser det forskelligt.

Signalet fase har den største rolle i denne historie, så lad “s være sikker på, at vi er enige i betydningen:

• Ethvert periodisk (gentaget) signal kan ses som et resultat af, at en vektor drejer med en eller anden hastighed $ \ small \ omega $ . Sinusfunktionen for vinkel $ \ small x $ er $ \ small y = sin (x) $ . Anvendes til en sinusformet bølge af frekvens $ \ small f $ og peak amplitude $ \ small A $ , dette bliver $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ hvor $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . Vinklen $ \ small \ omega t + \ varphi $ er opdelt mellem fase $ \ small \ omega t $ og fase ved oprindelse $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ er nul, hvis vi starter en cyklus på tidspunktet 0, dette er normalt tilfældet. Mere simpelt repræsenterer mængden $ \ small \ omega t $ hvor meget vektoren har vendt på det tidspunkt $ t $ . Det er en vinkel, nulstillet efter en fuld drejning, og derfor indikerer det i sidste ende, hvilken del af en fuld cyklus der allerede er brugt (hvilken fase vi er i cyklussen). Visuelt:

^{En sinusbølges fasevinkel}

Herfra er det klart, at sammenligning af faser af to signaler med samme frekvens (simpelt at gøre med elektronik) svarer til sammenligne hvor meget tid den ene halter efter den anden (tiden er faktisk vanskelig at måle).

VOR-typer

Konventionelle VOR (CVOR) og Doppler VOR (DVOR) stationer opfattes identisk af modtageren, selvom de sender meget forskellige signaler. DVOR bruger tricks til at efterligne en CVOR og bedrage CVOR-modtageren. CVOR er næsten forsvundet fra syne, fordi de på grund af deres følsomhed over for refleksioner ikke kan placeres på flyvepladser eller tæt på veje. Imidlertid kan CVOR undervejs / højt findes på isolerede steder, årsagen er, at de er mere kompakte og har en mindre kegle af stilhed end DVOR, og refleksioner kan minimeres, f.eks. når VOR er placeret øverst på en bakke.

Det er svært at forstå DVOR-tricks uden at vide, hvordan en CVOR fungerer, og det giver ikke spor om, hvordan lejet virkelig er bestemt. Så jeg er bange for, at vi har brug for at forstå CVOR før DVOR.

Konventionel VOR: CVOR

Tidlig CVOR-antenne var tidligere en række fire Alford-sløjfer i hjørnerne af en imaginær firkant, kendt ved deres konventionelle navne: NW, NE, SW og SE. NW + SE-sløjfer danner det første par, NE + SW-sløjfer danner det andet par.

^{CVOR med fire Alford-sløjfer}

Alford-sløjfer er vandret polariserede og meget følsomme over for refleksioner omkring omgivende forhindringer ( flervej ).

Nylige generationer af CVOR bruger en slids antenne, som er en fast cylinder med lodrette slots (generelt fire slots):

^{CVOR med slids antenne og DME antennen på toppen. Kilde: AviaTecho .}

En kontrapunkt placeres under arrayet for at skjule VOR-ly og jorden og hæve strålingen retning, det har den dobbelte virkning af at minimere uønsket refleksion på ly og jorden og reducere stilhedskeglen over VOR.

CVOR opretter og bruger reference- og variable signaler på denne måde:

1. En lavfrekvent generator skaber tre 30 Hz signaler, identiske bortset fra deres faser. To lydsignaler stammer fra et reference signal: sin signalet har en fase ved oprindelsen -90 ° og cos signalet har en fase ved oprindelsen + 90 ° (punktet er sin og cos signaler er i fase modsætning).
   Referencens fase repræsenterer konceptuelt en retning og kaldes ofte goniometer . Da denne signalfrekvens er 30 Hz, fejer den imaginære retning, den repræsenterer, 360 ° 30 gange pr. Sekund (1.800 omdr./min., Dette er ren abstraktion, der er ingen roterende dele i en CVOR).

2. En lavfrekvent generator skaber et 9960 Hz signal, som FM moduleres af referencen. Dette signal er kendt som reference subcarrier .

   

   ^{Konventionelt VOR blokdiagram}

3. En HF-generator opretter en bærer af frekvensen f (f er VOR-frekvensen), er dette luftfartsselskab opdelt i tre dele:

   • en del er AM-moduleret af referenceunderbæreren .
   • en anden er AM-moduleret af sin .
   • den sidste del er AM-moduleret af cos .

4. HF-signalet med referenceunderbæreren sendes til alle antenner. På denne måde kan referencen modtages identisk uanset placeringen af modtageren omkring CVOR.

5. De to andre HF-signaler har først deres bærer fjernet, så kun sidebånd findes. Dette er for at forhindre, at bærere blander sig i rummet, interferenser må kun forekomme mellem sidebånd.
   Derefter sendes det ene signal til NW + SE-parret af antenner, det andet signal sendes til det andet par (husk at de to par er vinkelrette).

6. rummodulation magi gør resten. Sidebåndene sin og cos tilføjes som feltvektorværdier, nogle gange tilføjes de enkelte amplituder, undertiden trækkes de i variabel proportion. Dette resulterer i et ubalanceret cardioid mønster (mere præcist et Limaçon de Pascal ), der roterer omkring VOR-antennerne ved 1.800 omdr./min., idet retningen er knyttet til fasen af reference (eller sin eller cos , da de alle er forbundet med faste værdier).

7. Signalet som følge af rummodulation ser ud som at være en carrier AM-moduleret i henhold til retningen af den virtuelle ” roterende antenne “. AM-moduleringen er også et 30 Hz-signal og er kendt som variabelt signal .

8. Det resulterende signal indeholder også den umodificerede (og konstante amplitude ) transportør med sin referencestyring.
   

   ^{CVOR-spektrum}

9. For at bestemme modtagerens leje (radial) i forhold til CVOR behøver man kun sammenligne fasen i det variable signal med fasen i referencesignalet . Begge er indeholdt i det resulterende signal. Fasen for referencesignalet og fasen for det variable signal er ens, når referencen ” peger ” mod nord (pr. Princip på dette tid begge faser har en værdi på 135 °, summen af 45 ° og 90 °, men den faktiske værdi har ingen indflydelse, kun faseforskellen er meningsfuld):
   

   ^{VOR: Bestemmelse af lejet ved at sammenligne faser}
   Nu kender vi CVOR-princippet, det er lettere at forstå DVOR-princippet. DVOR blev oprettet for at kompensere for nogle svagheder i CVOR: CVOR er ikke meget nøjagtig, medmindre installationsstedet er meget omhyggeligt valgt (ingen hindring). Det betyder isolerede punkter, ikke flyvepladser.Det er ikke den foretrukne mulighed for vedligeholdelse, og dette udelukker ofte, at CVOR er justeret med landingsbanen for en VOR-tilgang.

Fra CVOR til Doppler VOR, hvilket sikrer retro-kompatibilitet

Manglen på VORs præcision er forankret i to designvalg:

• Antennerne er tæt på hinanden, enhver standard i deres placering har store konsekvenser i nøjagtigheden.

• Det variable signal er AM-moduleret, AM-modulation er dødbringende underlagt fejl skabt af elektromagnetisk støj og flervej.

I Doppler VOR (endnu en gang … der er to typer DVOR, det enkelte sidebånd og det dobbelte sidebånd, jeg beskriver DSB her):

• De to aktive antenner er i stor afstand fra hinanden (diametralt modsat).

• Det variable signal er FM-moduleret.

For at være kompatibel med CVOR-modtageren måtte der foretages andre ændringer:

• Da modtageren sti ll sammenligner to signaler, den ene er AM, den anden FM, skal referencesignalet AM-moduleres.

• Fordi resultatet af fasesammenligningen nu er inverteret (variabel minus reference bliver reference minus variabel), skal mønsterets rotationsretning også vendes (mod uret i stedet for med uret).

• Fordi det par antenner, der bruges til det variable signal, skaber bevidst en Doppler-effekt, skal referencen sendes til en bestemt central antenne, der er bevaret fra Doppler-effekten.

Doppler VOR: DVOR

Princippet om en Doppler VOR er at skabe frekvensmodulation ved Doppler-effekt snarere end ved elektronisk modulering. Doppler-effekten opstår med en bevægelig bølgekilde: På trods af at kilden har en konstant frekvens, når den kommer tættere på modtageren, er den tilsyneladende frekvens højere end den faktiske frekvens. Hvor meget højere afhænger kun af lukningshastigheden.

^{Dopplereffekt på togstøj: Lyden er højere foran end bagfra}

I DVOR er par modstående antenner (stadig Alford sløjfer) tændes / slukkes konstant og scanner hele arrayet mod uret, og den fulde scanning udføres 30 gange pr. sekund. Faktisk er der to grupper af antenner snarere end to antenner involveret for at muliggøre blanding (jævn overgang fra et par til det næste), men lad os forenkle et sekund. Set fra en modtager synspunkt ser signalet ud til at komme fra en bevægende kilde, og derfor vil et Doppler-skift forekomme i et forhold, der afhænger af den tilsyneladende retning af bevægelsen.

^{DVOR Doppler-effekt}

For at tillade kompatibilitet med CVOR-modtageren, skal dette skift højst være 480 Hz, 480 Hz er FM-svingningen af underbæreren i CVOR. En simpel beregning viser, at array-diameteren skal være ca. 14 m (46 fod).

For at generere det FM-modulerede signal sendes den umodulerede 9960 Hz underbærer på ” roterende ” antennerpar. Doppler-skiftet er maksimum, når modtagerretningen er tangential til parets bane a nd minimalt, når parret er vinkelret på modtagerens retning. Dette skift er nøjagtigt repræsentativt for flyets leje og er den variable signalmodulation, vi har brug for.

Fra et radiosignalperspektiv bruges kun sidebåndsfrekvenserne til at transmittere 9960 Hz underbæreren (VOR-frekvens f +/- 9960 Hz). Bæreren sendes selv på den centrale antenne, AM moduleret af referencesignalet. På denne måde er luftfartsselskabet ikke underlagt Doppler-skift.

Bundlinie … Som i CVOR ser modtageren det sammensatte signal: En bærer AM moduleret med en 30 Hz (som i stedet er referencen af det variable signal) med en underbærer FM ” moduleret ” som resultat af Doppler-effekten ved 30 Hz (frekvensen af scanningen repræsenterer det nu det variable signal i stedet for referencen) og med et sving ikke langt fra den forventede 480 Hz.

Blanding: Hvis der blev brugt et par antenner ad gangen, blev antallet af målbare lejer ville være lig med antallet af antenner i arrayet (ca. 50). For at skabe en mere kontinuerlig scanning (og derfor et større antal målbare lejer) tilføres antennerne, der går forud for og følger hovedantennen, også af subcarrier-signalet, men med en mindre effekt. Denne ” blander ” overgangen fra en scanningsposition til den næste.

Se også Hvad får fasen til at ændre sig i en VOR? for en bedre forklaring af DVOR.

TACAN-leje

En TACAN er baseret på en stationær antenne plus et roterende parasitisk system. Baseantennen er lodret og fælles for afstands- og bæremåleinstrumenterne.

Parasitiske elementer i luftfeltet henviser til passive antenneelementer tilføjet til den aktuelle aktive radiator. En reflektor nedsætter forstærkningen på sin side, en direktør øger forstærkningen på sin side ( mere ). Den velkendte Yagi-retningsantenne (her i en vandret polarisering) har de to typer parasitære elementer:

^{( Kilde , ændret)}

Disse elementer bruges i TACAN, men de roterer omkring det aktive element:

^{( Kilde , ændret)}

• Det centrale element, som også er det, der bruges til DME-delen, transmitterer et konstant amplitudesignal.

• En roterende tromle med en reflektor justerer strålingsmønsteret elektrisk og tilføjer et signaldyp (lav forstærkning), der roterer ved 900 RPM, hvilket svarer til en 15 Hz amplitudemodulation. Strålingsmønsteret i den vandrette plan har form af et kardioid:
  

  ^{(Kilde: Fremskridt inden for elektronik og elektronfysik, bind 68 , ændret)}

• En anden tromme med et sæt på 9 instruktører, der er mekanisk forbundet med den første, skaber en 135 Hz (9×15) ekstra amplitudebølgning over 15 Hz-moduleringen: “0fd37b94f7”>

Nå, det korte svar er at det fungerer på samme måde som VOR, bortset fra at det bruger UHF i stedet for VHF – og derfor er mindre udsat for forvrængning – og altid indeholder DME, så begge områder er angivet. VOR / DME er den civile ækvivalent.

Kommentarer

• VOR / DME ville være den civile ækvivalent. VORTAC er kombineret civilt og militært.
• @TomMcW Host, host, er yeh.