Comment fonctionne TACAN?

En quoi le TACAN est-il différent du VHF Omnidirectionnel Système de portée (VOR)?

Une question très courte, mais la réponse appelle à décrire plusieurs techniques qui sont en elles-mêmes difficiles à résumer sans prendre de libertés avec la réalité , donc le message est plutôt long et devrait être lu par sections dintérêt plutôt que totalement à la fois. Et pour ceux qui ne sont pas intéressés par les techniques de conception, il existe heureusement une …

Réponse courte

Principe de conception:

• A TACAN utilise UHF pour augmenter le relèvement de précision. Il consiste en un seul système intégré effectuant la détermination du relèvement et de la distance à la fois. Dans ce système, la station au sol est un transpondeur et linterrogateur est à bord de laéronef (contrairement au transpondeur SSR). La fréquence est comme des graduations sur une échelle, lorsque la fréquence augmente, les graduations sur léchelle sont plus denses et les lectures sont plus précises.

• A VOR fonctionne sur VHF pour la détermination du relèvement. Aucune action de lavion nest requise pour déclencher le signal de la station au sol qui est permanent. Pour déterminer la distance, un autre système indépendant, le DME , est utilisé. Le DME a été emprunté aux militaires et est en fait un TACAN sans ses composants de roulement (il sagit donc dun transpondeur interrogé par lavion).
  Lors de la sélection dune fréquence VOR dans un aéronef civil, lavionique règle en fait le récepteur VOR sur cette fréquence et le DME interrogateur autonome sur " appariée " fréquence UHF obtenue à partir du tableau dappariement standard de lOACI ( page 6 ). Le VOR et le DME ne partagent rien à bord au-delà du tableau dappariement des fréquences.

Antennes de station:

• Lantenne TACAN dorigine est fabriquée de deux petits tambours rotatifs avec des éléments dantenne parasites (voir détails ci-dessous). Un TACAN peut être installé sur des navires ou des stations mobiles. Lantenne TACAN est extérieurement similaire à un VOR conventionnel. Un TACAN en Alaska lors dun exercice:

  

  ^{(Source: Wikipedia )}
  Le cylindre contient le système dantenne rotative. Dans TACAN plus moderne, la rotation mécanique a été remplacée par des tableaux numérisés électroniquement , réduisant la taille:

  

  ^{TACAN transportable, source}

• Les VOR Doppler (DVOR) sont plus courants que les VOR conventionnels (CVOR), car ils peuvent être situés sur les aérodromes (CVOR: voir ci-dessous pour plus de détails ). Lantenne DVOR est un grand réseau circulaire avec une antenne de référence centrale et un grand contrepoids sous le réseau. Les VOR sont parfois colocalisés avec une station DME, dans ce cas lantenne verticale DME est au-dessus et coaxiale au système VOR.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, antenne DME sur le dessus de lantenne centrale de référence VOR. (source: Wikipedia )}
  Comme la partie DME est commune à VOR / DME et TACAN, il est techniquement possible dassocier un VOR à un TACAN pour obtenir une station VORTAC . Les militaires utilisent le TACAN, les civils utilisent le VOR et les informations DME du TACAN:

  

  ^{Un TACAN complet à la place de lantenne DME précédente. Source}

• De plus, VOR (CVOR / DVOR) utilise Antennes en boucle dAlford qui sont polarisées horizontalement et rayonnent bas à lhorizon. Ils sont sensibles à la réflexion sur les obstacles. Un contrepoids électrique est nécessaire pour cacher le sol et augmenter langle de rayonnement.Ce plan de sol artificiel peut être très grand:

  

  ^{PFN Vortac (mis hors service), source}

Signaux:

• Un VOR transmet des informations de relèvement en continu.

• Un TACAN nenvoie que des paires dimpulsions de réponse lorsquil est interrogé (voir lexplication ci-dessous). Ces paires codent à la fois les informations de relèvement et de DME.

• Un TACAN est généralement plus puissant quun VOR et a une plus grande plage dutilisation.

Je vais me concentrer sur lexplication des systèmes de détermination des roulements et expliquer le DME en tant que composant intégral du TACAN. De plus, il existe deux types de VOR, conventionnel et Doppler, qui fonctionnent très différemment même sils fournissent des signaux vers le récepteur commun (sans méfiance).

---

Principe de détermination du relèvement

Le principe commun de la détermination du relèvement est d’envoyer deux signaux depuis la station au sol:

• Un signal de référence indiquant à nimporte quel récepteur autour de lorientation actuelle du signal actif.

• Une variable signal permettant à un récepteur particulier de déterminer quand le signal actif est " pointant " vers le récepteur (le pointage n’est pas mot car les signaux DVOR sont omnidirectionnels, voir plus dans cette réponse ).

Le récepteur détermine son relèvement relatif en comparant ces deux signaux. Les deux signaux sont des fonctions sinusoïdales, la valeur dorientation est représentée par la phase courante de cette fonction. VOR et TACAN utilisent tous deux ce principe de base, bien quils le réalisent différemment.

La phase du signal a le rôle majeur dans cette histoire, donc soyons sûrs que nous sommes daccord sur la signification:

• Tout signal périodique (répétitif) peut être vu comme le résultat dun vecteur tournant à une certaine vitesse $ \ small \ omega $ . La fonction sinusoïdale pour langle $ \ small x $ est $ \ small y = sin (x) $ . Appliqué à une onde sinusoïdale de fréquence $ \ small f $ et damplitude de crête $ \ small A $ , cela devient $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ où $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . Langle $ \ small \ omega t + \ varphi $ , a été divisé entre les phase $ \ small \ omega t $ et la phase à lorigine $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ est nul si nous démarrons un cycle au temps 0, cest généralement le cas. Plus simplement, la quantité $ \ small \ omega t $ représente combien le vecteur a tourné au moment $ t $ . Cest un angle, remis à zéro après un tour complet, donc il indique à la fin quelle partie dun cycle complet a déjà été passée (quelle phase nous sommes dans le cycle). Visuellement:

^{Angle de phase dune onde sinusoïdale}

À partir de là, il est clair que comparer les phases de deux signaux de même fréquence (simple à faire avec lélectronique) équivaut à comparer combien de temps lun est en retard sur lautre (le temps est en fait difficile à mesurer).

Types VOR

Les stations VOR conventionnelles (CVOR) et Doppler VOR (DVOR) sont perçues de manière identique par le récepteur, bien quils transmettent des signaux très différents. Le DVOR utilise des astuces pour imiter un CVOR et tromper le récepteur CVOR. Les CVOR ont presque disparu de la vue car, en raison de leur sensibilité aux reflets, ils ne peuvent pas être localisés sur les aérodromes ou à proximité des routes. Cependant, les CVOR en route / à haute altitude peuvent être trouvés dans des endroits isolés, car ils sont plus compacts et ont un cône de silence plus petit que DVOR et les réflexions peuvent être minimisées, par ex. lorsque le VOR est situé au sommet dune colline.

Comprendre les trucs DVOR sans savoir comment fonctionne un CVOR est difficile, et ne donne pas dindices sur la façon dont le relèvement est réellement déterminé. Donc je « m peur que nous ayons besoin de comprendre le CVOR avant le DVOR.

VOR conventionnel: CVOR

La première antenne CVOR était un réseau de quatre boucles dAlford aux coins dun carré imaginaire, connu par leurs noms conventionnels: NW, NE, SW et SE. Les boucles NW + SE forment la première paire, les boucles NE + SW forment la seconde paire.

^{CVOR avec quatre boucles dAlford}

Les boucles dAlford sont polarisées horizontalement et très sensibles aux réflexions sur les obstacles environnants ( multi-chemins ).

Les dernières générations de CVOR utilisent une antenne à fente, qui est un cylindre fixe avec des fentes verticales (généralement quatre fentes):

^{CVOR avec antenne fendue et antenne DME sur le dessus. Source: AviaTecho .}

Un contrepoids est placé sous le réseau pour cacher labri VOR et le sol et augmenter le rayonnement direction, il a le double effet de minimiser les réflexions indésirables sur labri et le sol et de réduire le cône de silence au-dessus du VOR.

CVOR crée et utilise des signaux de référence et variables de cette manière:

1. Un générateur basse fréquence crée trois signaux 30 Hz, identiques sauf leurs phases. Deux signaux audio sont dérivés dun signal référence : Le signal sin a une phase à lorigine de -90 ° et le signal cos a une phase à lorigine de + 90 ° (le point est sin et les signaux cos sont en opposition de phase).
   La phase de référence représente conceptuellement une direction et est souvent appelée goniomètre . Comme cette fréquence de signal est de 30 Hz, la direction imaginaire quelle représente balaie 360 ° 30 fois par seconde (1800 tr / min, cest une pure abstraction, il ny a pas de pièces rotatives dans un CVOR).

2. Un générateur basse fréquence crée un signal de 9960 Hz qui est modulé en FM par la référence. Ce signal est appelé référence sous-porteuse .

   

   ^{VOR conventionnel schéma de principe}

3. Un générateur HF crée une porteuse de fréquence f (f étant la fréquence VOR), cette porteuse est divisée en trois parties:

   • une partie est AM modulée par la sous-porteuse de référence .
   • une autre est AM modulée par sin .
   • la dernière partie est AM modulée par cos .

4. Le signal HF avec la sous-porteuse de référence est envoyé à toutes les antennes. De cette façon, la référence peut être reçue de manière identique quelle que soit la position du récepteur autour du CVOR.

5. Les deux autres signaux HF ont dabord leur porteuse supprimée, de sorte que seul le les bandes latérales subsistent. Ceci afin déviter que les porteuses ninterfèrent dans lespace, les interférences ne doivent se produire quentre les bandes latérales.
   Ensuite, un signal est envoyé à la paire dantennes NW + SE, lautre signal est envoyé à lautre paire (rappelez-vous que les deux paires sont perpendiculaires).

6. Le La modulation de lespace fait le reste. Les bandes latérales sin et cos sont ajoutées en tant que valeurs vectorielles de champ, parfois les amplitudes individuelles sont ajoutées, parfois elles sont soustraites, en proportion variable. Il en résulte un motif cardioïde déséquilibré (plus précisément un Limaçon de Pascal ) qui tourne autour des antennes VOR à 1800 tr / min, le sens étant lié à la phase de la référence (ou sin ou cos , car ils sont tous liés par des valeurs fixes).

7. Le signal résultant de la modulation spatiale apparaît comme étant une porteuse AM modulée selon la direction du antenne rotative ". La modulation AM est également un signal à 30 Hz, et est connue sous le nom de signal variable .

8. Le signal résultant contient également lamplitude non modifiée (et constante ) transporteur avec sa sous-porteuse de référence.
   

   ^{spectre CVOR}

9. Pour déterminer le relèvement (le radial) du récepteur par rapport au CVOR, il suffit de comparer la phase du signal variable avec la phase du signal de référence . Les deux sont contenus dans le signal résultant. La phase du signal de référence et la phase du signal variable sont égales lorsque la référence " pointe " vers le nord (par principe à ce temps les deux phases ont une valeur de 135 °, la somme de 45 ° et 90 °, mais la valeur réelle na aucune influence, seule la différence de phase est significative):
   

   ^{VOR: détermination du relèvement par comparaison des phases}
   Maintenant que nous connaissons le principe du CVOR, il est plus facile de comprendre le principe du DVOR. Le DVOR a été créé pour compenser certaines faiblesses du CVOR: Le CVOR nest pas terriblement précis à moins que le site dinstallation soit très soigneusement sélectionné (pas dobstacle). Cela signifie des points isolés, pas des aérodromes.Ce nest pas loption préférée pour la maintenance et cela empêche souvent que le CVOR soit aligné avec la piste pour une approche VOR.

Du CVOR au Doppler VOR, assurant la rétro-compatibilité

Le manque de précision du VOR tient à deux choix de conception:

• Les antennes sont proches lune de lautre, tout défaut dans leur placement a de grandes conséquences dans la précision.

• Le signal variable est modulé AM, la modulation AM est mortellement sujette aux erreurs créées par le bruit électromagnétique et les trajets multiples.

Dans le Doppler VOR (encore une fois … il existe deux types de DVOR, la bande latérale simple et la bande latérale double, je vais décrire le DSB ici):

• Les deux antennes actives sont à une grande distance lune de lautre (diamétralement opposées).

• Le signal variable est modulé en FM.

Afin dêtre compatible avec le récepteur CVOR, dautres modifications ont dû être apportées:

• Comme le récepteur sti ll compare deux signaux, lun étant AM, lautre FM, le signal de référence doit être modulé AM.

• Parce que le résultat de la comparaison de phase est maintenant inversé (la variable moins la référence devient référence moins variable), le sens de rotation du motif doit également être inversé (dans le sens anti-horaire au lieu de dans le sens horaire).

• Parce que la paire dantennes utilisées pour le signal volontairement un effet Doppler, la référence doit être envoyée sur une antenne centrale spécifique préservée de leffet Doppler.

Doppler VOR: DVOR

Le principe de un VOR Doppler consiste à créer la modulation de fréquence par effet Doppler plutôt que par modulation électronique. Leffet Doppler se produit avec une source dondes en mouvement: bien que la source ait une fréquence constante, lorsquelle se rapproche du récepteur, la fréquence apparente est supérieure à la fréquence réelle. Le montant supérieur dépend uniquement du taux de fermeture.

^{Effet Doppler sur le bruit du train: le son est plus aigu à lavant quà larrière}

Dans le DVOR, paires dantennes opposées (toujours Alford boucles) sont constamment activées / désactivées, balayant la matrice complète dans le sens inverse des aiguilles dune montre, le balayage complet étant effectué 30 fois par seconde. En fait, il y a deux groupes dantennes plutôt que deux antennes impliquées pour permettre un mélange (transition en douceur dune paire à lautre), mais simplifions une seconde. Du point de vue du récepteur, le signal semble provenir dune source en mouvement, et donc un décalage Doppler se produira dans une proportion qui dépend de la direction apparente du mouvement.

^{Effet DVOR Doppler}

Pour permettre compatibilité avec le récepteur CVOR, ce décalage doit être dau plus 480 Hz, 480 Hz étant le swing FM de la sous-porteuse dans le CVOR. Un simple calcul montre que le diamètre du réseau doit être denviron 14 m (46 pieds).

Pour générer le signal modulé FM, la sous-porteuse non modulée de 9960 Hz est envoyée sur la paire dantennes " rotative ". Le décalage Doppler est maximum lorsque la direction du récepteur est tangentielle à la trajectoire de la paire a nd minimal lorsque la paire est perpendiculaire à la direction du récepteur. Ce décalage est exactement représentatif du cap de lavion et correspond à la modulation de signal variable dont nous avons besoin.

Du point de vue du signal radio, seules les fréquences de bande latérale sont utilisées pour transmettre la sous-porteuse à 9960 Hz (fréquence VOR f +/- 9960 Hz). La porteuse est elle-même envoyée sur lantenne centrale, AM modulée par le signal de référence. De cette façon, la porteuse nest pas soumise au décalage Doppler.

Conclusion … Comme dans le CVOR, le récepteur voit le signal composite: Une porteuse AM modulée avec un 30 Hz (qui est la référence à la place du signal variable), avec une sous-porteuse FM " modulée " sous leffet de leffet Doppler, à 30 Hz (la fréquence de le balayage, il représente maintenant le signal variable au lieu de la référence) et avec un swing non loin des 480 Hz attendus.

Mélange: Si une paire dantennes était utilisée une à la fois, le nombre de les relèvements mesurables seraient égaux au nombre dantennes du réseau (environ 50). Pour créer un balayage plus continu (et donc un plus grand nombre de paliers mesurables), les antennes qui précèdent et suivent lantenne principale sont également alimentées par le signal de sous-porteuse, mais avec une puissance plus faible. Cette " mélange " la transition dune position de balayage à la suivante.

Voir aussi Quest-ce qui cause le changement de phase dans un VOR? pour une meilleure explication du DVOR.

Palier TACAN

Un TACAN est basé sur une antenne fixe plus un système parasite rotatif. Lantenne de base est verticale et commune aux instruments de mesure de distance et de relèvement.

Les éléments parasites dans le champ aérien se réfèrent aux éléments dantenne passive ajoutés au radiateur actif réel. Un réflecteur diminue le gain de son côté, un directeur augmente le gain de son côté ( plus ). Lantenne directionnelle Yagi bien connue (ici en polarisation horizontale) a les deux types déléments parasites:

^{( Source , modifiée)}

Ces éléments sont utilisés dans le TACAN, mais ils tournent autour de lélément actif:

^{( Source , modifiée)}

• Lélément central, qui est celui également utilisé pour la partie DME, transmet un signal damplitude constante.

• Un tambour rotatif avec un le réflecteur ajuste électriquement le diagramme de rayonnement, en ajoutant un creux de signal (faible gain) qui tourne à 900 tr / min, ce qui équivaut à une modulation damplitude de 15 Hz. Le diagramme de rayonnement dans le plan horizontal prend la forme dun cardioïde:
  

  ^{(Source: Progrès de lélectronique et de la physique électronique, volume 68 , modifié)}

• Un autre tambour avec un ensemble de 9 directeurs, lié mécaniquement au premier, crée une ondulation damplitude supplémentaire de 135 Hz (9×15) sur la modulation de 15 Hz:

  

  ^{(Source: Advances in Electronics and Electron Physics, Volume 68 , modifié)}

Nous devons maintenant recommencer le raisonnement en tenant compte du fait que le signal TACAN nest pas transmis en permanence, mais uniquement activé (activé / désactivé) par des rafales dinformations. Les rafales sont de deux types:

• Les rafales de référence
• Les réponses DME .

Les rafales de référence sont g En fonction de lorientation du motif de modulation:

• Lorsque le pic de 15 Hz fait face au nord, une salve de référence principale est envoyée. La salve se compose de 24 impulsions

avec un rapport cyclique asymétrique.

• Lorsque lun des pics de 135 Hz fait face à lEst, une salve de référence auxiliaire est envoyée. La rafale se compose de 24 impulsions avec un rapport cyclique symétrique.

^{(Source: Advances in Electronics and Electron Physics, Volume 68 . Modifié)}

La durée de ces salves nest quune portion du cycle de 15 Hz, ce qui signifie que sil y a peu dinterrogations DME avion, la plupart du temps le signal TACAN nest pas codé, donc pas transmis. Ce manque de transmission créerait une difficulté pour le récepteur de lavion:

• Ajuster son gain de récepteur (AGC) pour contrer les évanouissements.
• Pour identifier les 15 Hz et 135 Hz modulations.

Pour maintenir la capacité de réception, le signal TACAN est à la place codé à une fréquence constante de 2700 paires dimpulsions par seconde, en ajoutant des impulsions squitter si nécessaire pour remplir les blancs. Plus les interrogations DME sont reçues par le TACAN, plus les salves de réponse DME sont envoyées, moins les impulsions de squitter sont nécessaires (plus dans MIL-STD-291 ) .

^{Le signal 135 Hz a été supprimé pour simplifier ( Source )}

La modulation 135 Hz est utilisée pour la détermination du relèvement. En comparant le temps entre une rafale auxiliaire et la réception ultérieure de lun des 9 pics de signal, il est possible de déterminer le cap de laéronef par rapport à la station au sol. La salve principale (15 Hz) est utilisée pour clarifier lequel des 9 lobes a été utilisé, et donc lequel du secteur de 40 ° (360/9) est réellement pertinent pour le relèvement.

En théorie, lutilisation de lextrémité supérieure de la bande UHF et londulation de 135 Hz augmentent la précision du relèvement dun ordre de grandeur par rapport au VOR. En pratique, cest moins, mais toujours meilleur que le VOR.

Le principe du DME est de mesurer le temps quun signal radio prend pour un aller-retour à la station au sol. Comme les ondes radio se déplacent à la vitesse de la lumière, connaître le temps, cest connaître la distance." Lavion interroge le transpondeur au sol avec une série de paires dimpulsions (interrogations) et, après un délai précis (typiquement 50 microsecondes), la station au sol répond par un séquence identique de paires dimpulsions. " (Wikipedia).

Commentaires

• Bonne réponse. +1 Je me suis posé des questions à ce sujet moi-même. Savez-vous si la plupart des avions militaires sont également équipés pour lire le VOR?
• @TomMcW: Merci! TACAN a des puissances de transmission plus importantes pour une plus grande portée, je ne ' je ne sais pas si ' est vraiment nécessaire pour recevoir le VOR, mais si Il s’agit donc ' d’ajouter une antenne, un récepteur et un CDI, ce n’est pas grave. Cela pourrait être utile pour les approches civiles de non-précision.
• Les C-130 ' ont à la fois des récepteurs VOR et TACAN, et I ' je soupçonne que la plupart des avions de transport le font aussi, car les champs étrangers peuvent être desservis par des VOR / DME ' plutôt que par des VORTAC ' s.
• Excellente réponse! Avec une plus grande portée & plus petite, le TACAN semble être la meilleure technologie, mais en dehors de larmée, le VOR semble prédominant. Quels sont les avantages du système VOR?
• Merci @RalphJ: Je crois que le VOR a été conçu avec des antennes fixes à lesprit pour une maintenance simple. Aujourdhui, il est facile de synthétiser / former le faisceau de la 9ème ondulation harmonique du TACAN à laide de réseaux phasés et de puces DSP à haute résolution, mais à lépoque, ils nétaient pas ' t disponible.

Eh bien, la réponse courte est quil fonctionne de la même manière que le VOR sauf quil utilise UHF au lieu de VHF – et quil est donc moins sujet à la distorsion – et quil incorpore toujours un DME de sorte quune portée et un relèvement sont tous deux donnés. VOR / DME est léquivalent civil.

Commentaires

• VOR / DME serait léquivalent civil. VORTAC est à la fois civil et militaire.
• @TomMcW Toux, toux, euh.