Come funziona TACAN?

In che modo TACAN è diverso da VHF Omnidirezionale Sistema Range (VOR)?

Una domanda molto breve, ma la risposta richiede di descrivere diverse tecniche che sono di per sé difficili da riassumere senza prendersi libertà con la realtà , quindi il post è piuttosto lungo e dovrebbe essere letto per sezioni di interesse piuttosto che totalmente in una volta. E per chi non è interessato alle tecniche di progettazione, fortunatamente esiste una …

Risposta breve

Principio di progettazione:

• A TACAN utilizza UHF per aumentare il cuscinetto precisione. Consiste in un unico sistema integrato che esegue contemporaneamente la determinazione del rilevamento e della distanza. In questo sistema, la stazione di terra è un transponder e linterrogatore è a bordo dellaereo (contrariamente al transponder SSR). La frequenza è come le graduazioni su una scala, quando la frequenza aumenta le graduazioni sulla scala sono più dense e le letture sono più accurate.

• A VOR funziona su VHF per la determinazione del cuscinetto. Non è richiesta alcuna azione dellaeromobile per attivare il segnale della stazione di terra che è permanente. Per determinare la distanza, viene utilizzato un altro sistema indipendente, il DME . Il DME è stato prestato ai militari ed è in realtà un TACAN senza i suoi componenti portanti (quindi è un transponder interrogato dallaereo).
  Quando si seleziona una frequenza VOR in un aereo civile, lavionica imposta effettivamente il ricevitore VOR su questa frequenza e l interrogatore DME autonomo in alcuni " " frequenza UHF accoppiata ottenuta dalla tabella di accoppiamento standard ICAO ( pagina 6 ). VOR e DME non condividono nulla a bordo oltre alla tabella di accoppiamento di frequenza.

Antenne di stazione:

• Lantenna TACAN originale è realizzata di due piccoli tamburi rotanti con elementi di antenna parassita (vedi dettagli sotto). Un TACAN può essere installato su navi o stazioni mobili. Lantenna TACAN è esternamente simile a un VOR convenzionale. Un TACAN in Alaska durante unesercitazione:

  

  ^{(Fonte: Wikipedia )}
  Il cilindro contiene il sistema di antenna rotante. In TACAN più moderno, la rotazione meccanica è stata sostituita da array scansionati elettronicamente , riducendo le dimensioni:

  

  ^{TACAN trasportabile, sorgente}

• Doppler VOR (DVOR) sono più comuni dei tradizionali VOR (CVOR), perché possono essere posizionati su aeroporti (CVOR: vedi sotto per i dettagli ). Lantenna DVOR è un grande array circolare con unantenna di riferimento centrale e un grande contrappeso sotto larray. I VOR a volte sono associati a una stazione DME, in tal caso lantenna verticale DME è sopra e coassiale al sistema VOR.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, antenna DME sopra lantenna centrale di riferimento VOR. (fonte: Wikipedia )}
  Poiché la parte DME è comune a VOR / DME e TACAN, è tecnicamente possibile associare un VOR a un TACAN per ottenere una stazione VORTAC . I militari usano il TACAN, i civili usano il VOR e le informazioni DME del TACAN:

  

  ^{Un TACAN completo al posto della precedente antenna DME. Sorgente}

• Inoltre VOR (CVOR / DVOR) utilizza Antenne ad anello Alford che sono polarizzate orizzontalmente e si irradiano in basso allorizzonte. Sono sensibili alla riflessione sugli ostacoli. È necessario un contrappeso elettrico per nascondere il terreno e aumentare langolo di irradiazione.Questo piano di massa artificiale può essere molto grande:

  

  ^{PFN Vortac (disattivato), source}

Segnali:

• Un VOR trasmette continuamente le informazioni di rilevamento.

• Un TACAN invia solo coppie di impulsi di risposta quando interrogato (vedere la spiegazione sotto). Queste coppie codificano sia le informazioni sul rilevamento che quelle DME.

• Un TACAN è solitamente più potente di un VOR e ha una gamma di utilizzo più ampia.

Mi concentrerò sulla spiegazione dei sistemi di determinazione dei cuscinetti e spiegherò il DME come componente integrale del TACAN. Inoltre ci sono due tipi di VOR, convenzionale e Doppler, che funzionano in modo molto diverso anche se forniscono segnali al (ignaro) ricevitore comune.

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Principio di determinazione del rilevamento

Il principio comune di determinazione del rilevamento è di inviare due segnali dalla stazione di terra:

• Un segnale di riferimento che comunica a qualsiasi ricevitore lorientamento corrente del segnale attivo.

• Una variabile segnale che consente a un particolare ricevitore di determinare quando il segnale attivo è " che punta " al ricevitore (il puntamento non è preciso parola poiché i segnali DVOR sono omnidirezionali, vedere di più in questa risposta ).

Il ricevitore determina il suo rilevamento relativo confrontando questi due segnali. Entrambi i segnali sono funzioni seno, il valore di orientamento è rappresentato dalla fase corrente di questa funzione. Sia VOR che TACAN utilizzano questo principio di base, anche se lo realizzano in modo diverso.

La fase del segnale ha il ruolo principale in questa storia, quindi assicuriamoci di concordare il significato:

• Qualsiasi segnale periodico (ripetitivo) può essere visto come il risultato di un vettore che gira a una certa velocità $ \ small \ omega $ . La funzione seno per langolo $ \ small x $ è $ \ small y = sin (x) $ . Applicato a unonda sinusoidale di frequenza $ \ small f $ e ampiezza di picco $ \ small A $ , diventa $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ dove $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . Langolo $ \ small \ omega t + \ varphi $ , è stato diviso tra fase $ \ small \ omega t $ e la fase allorigine $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ è nullo se iniziamo un ciclo allistante 0, di solito questo è il caso. Più semplicemente, la quantità $ \ small \ omega t $ rappresenta quanto il vettore ha girato nel tempo $ t $ . È un angolo, azzerato dopo un giro completo, quindi indica alla fine quale porzione di un ciclo completo è già stata spesa (in quale fase siamo nel ciclo). Visivamente:

^{Angolo di fase di unonda sinusoidale}

Da ciò, è chiaro che confrontare le fasi di due segnali con la stessa frequenza (semplice da fare con lelettronica) è equivalente a confrontando quanto tempo uno è in ritardo rispetto allaltro (il tempo è effettivamente difficile da misurare).

Tipi di VOR

Le stazioni VOR convenzionali (CVOR) e Doppler VOR (DVOR) sono percepite in modo identico il ricevitore, sebbene trasmettano segnali molto diversi. Il DVOR usa trucchi per imitare un CVOR e ingannare il ricevitore CVOR. I CVOR sono quasi scomparsi dalla vista perché, a causa della loro sensibilità ai riflessi, non possono essere localizzati su aeroporti o in prossimità di strade. Tuttavia, il CVOR in rotta / ad alta quota può essere trovato in luoghi isolati, il motivo è che sono più compatti e hanno un cono di silenzio più piccolo del DVOR e i riflessi possono essere ridotti al minimo, ad es. quando il VOR si trova in cima a una collina.

Comprendere i trucchi DVOR senza sapere come funziona un CVOR è difficile e non fornisce indizi su come sia realmente determinato il rilevamento. Quindi io “m paura di dover capire il CVOR prima del DVOR.

VOR convenzionale: CVOR

La prima antenna CVOR era un array di quattro anelli Alford agli angoli di un quadrato immaginario, noto con i loro nomi convenzionali: NW, NE, SW e SE. I loop NW + SE formano la prima coppia, i loop NE + SW formano la seconda coppia.

^{CVOR con quattro anelli Alford}

Gli anelli Alford sono polarizzati orizzontalmente e molto sensibili ai riflessi sugli ostacoli circostanti ( multipath ).

Le ultime generazioni di CVOR utilizzano unantenna a fessura, che è un cilindro fisso con fessure verticali (generalmente quattro fessure):

^{CVOR con antenna a fessura e antenna DME in alto. Fonte: AviaTecho .}

Un contrappeso è posizionato sotto la matrice per nascondere il rifugio VOR e il terreno e aumentare la radiazione direzione, ha il duplice effetto di ridurre al minimo i riflessi indesiderati sul riparo e sul terreno e ridurre il cono di silenzio al di sopra del VOR.

CVOR crea e utilizza segnali di riferimento e variabili in questo modo:

1. Un generatore di bassa frequenza crea tre segnali a 30 Hz, identici tranne le loro fasi. Due segnali audio derivano da un segnale riferimento : il segnale sin ha una fase allorigine di -90 ° e il segnale cos ha una fase allorigine di + 90 ° (il punto è sin e i segnali cos sono in opposizione di fase).
   La fase del riferimento rappresenta concettualmente una direzione ed è spesso chiamata goniometro . Poiché questa frequenza del segnale è di 30 Hz, la direzione immaginaria che rappresenta scorre a 360 ° 30 volte al secondo (1.800 giri / min, questa è pura astrazione, non ci sono parti rotanti in un CVOR).

2. Un generatore di bassa frequenza crea un segnale a 9960 Hz che è modulato in FM dal riferimento. Questo segnale è noto come riferimento sottoportante .

   

   ^{VOR convenzionale diagramma a blocchi}

3. Un generatore HF crea una portante della frequenza f (f essendo la frequenza VOR), questa portante è divisa in tre parti:

   • una parte è modulata in AM dalla sottoportante di riferimento .
   • unaltra è AM modulata da sin .
   • lultima parte è AM modulata da cos .

4. Il segnale HF con la sottoportante di riferimento viene inviato a tutte le antenne. In questo modo il riferimento può essere ricevuto in modo identico indipendentemente dalla posizione del ricevitore attorno al CVOR.

5. Gli altri due segnali HF hanno prima rimosso la loro portante, in modo che solo il bande laterali sussiste. Questo per evitare che i vettori interferiscano nello spazio, le interferenze devono verificarsi solo tra le bande laterali.
   Quindi un segnale viene inviato alla coppia di antenne NW + SE, laltro segnale viene inviato allaltra coppia (ricorda che le due coppie sono perpendicolari).

6. Il La magia della space modulation fa il resto. Le bande laterali sin e cos vengono aggiunte come valori del vettore di campo, a volte vengono sommate le singole ampiezze, a volte vengono sottratte, in proporzione variabile. Ciò si traduce in un andamento cardioide sbilanciato (più precisamente un Limaçon de Pascal ) che ruota intorno alle antenne VOR a 1.800 rpm, la direzione essendo legata alla fase del riferimento (o sin o cos , in quanto sono tutti collegati da valori fissi).

7. Il segnale risultante dalla modulazione spaziale appare come una portante AM modulata secondo la direzione del antenna rotante ". Anche la modulazione AM è un segnale a 30 Hz ed è noto come segnale variabile .

8. Il segnale risultante contiene anche lampiezza non modificata (e costante ) vettore con la sua sottoportante di riferimento.
   

   ^{Spettro CVOR}

9. Per determinare il rilevamento (radiale) del ricevitore rispetto al CVOR, è sufficiente confrontare la fase del segnale variabile con la fase del segnale di riferimento . Entrambi sono contenuti nel segnale risultante. La fase del segnale di riferimento e la fase del segnale variabile sono uguali quando il riferimento " punta " a nord (per principio a questo tempo entrambe le fasi hanno un valore di 135 °, la somma di 45 ° e 90 °, ma il valore effettivo non ha alcuna influenza, solo la differenza di fase è significativa):
   

   ^{VOR: determinazione del rilevamento tramite confronto delle fasi}
   Ora che conosciamo il principio del CVOR, è più facile capire il principio del DVOR. Il DVOR è stato creato per compensare alcuni punti deboli del CVOR: Il CVOR non è particolarmente accurato a meno che il sito di installazione non sia selezionato con molta attenzione (nessun ostacolo). Ciò significa punti isolati, non aeroporti.Questa non è lopzione preferita per la manutenzione e questo spesso preclude di avere il CVOR allineato alla pista per un approccio VOR.

Dal CVOR al Doppler VOR, garantendo la retrocompatibilità

La mancanza di precisione del VOR è radicata in due scelte progettuali:

• Le antenne sono vicine tra loro, qualsiasi impostazione predefinita nel loro posizionamento ha grandi conseguenze nella precisione.

• Il segnale variabile è modulato AM, la modulazione AM è mortalmente soggetta a errori creati dal rumore elettromagnetico e multipath.

Nel Doppler VOR (ancora una volta … ci sono due tipi di DVOR, la singola banda laterale e la doppia banda laterale, descriverò qui il DSB):

• Le due antenne attive sono a grande distanza luna dallaltra (diametralmente opposte).

• Il segnale variabile è modulato in FM.

Per essere compatibile con il ricevitore CVOR, è stato necessario apportare altre modifiche:

• Poiché il ricevitore sti Confrontiamo due segnali, uno AM, laltro FM, il segnale di riferimento deve essere modulato AM.

• Poiché il risultato del confronto di fase è ora invertito (la variabile meno il riferimento diventa riferimento meno variabile), anche il senso di rotazione del pattern deve essere invertito (antiorario invece che orario).

• Poiché la coppia di antenne utilizzate per il segnale variabile crea volutamente un effetto Doppler, il riferimento deve essere inviato su una specifica antenna centrale preservata dalleffetto Doppler.

Doppler VOR: DVOR

Il principio di un Doppler VOR consiste nel creare la modulazione di frequenza mediante l effetto Doppler piuttosto che mediante la modulazione elettronica. Leffetto Doppler si verifica con una sorgente donda in movimento: nonostante la sorgente abbia una frequenza costante, quando si avvicina al ricevitore la frequenza apparente è maggiore della frequenza effettiva. Quanto più alto dipende solo dal tasso di chiusura.

^{Effetto Doppler sul rumore del treno: il suono è più acuto nella parte anteriore rispetto a quella posteriore}

Nel DVOR, coppie di antenne opposte (sempre Alford loop) sono costantemente attivati / disattivati, eseguendo la scansione dellintero array in senso antiorario, la scansione completa viene eseguita 30 volte al secondo. In realtà ci sono due gruppi di antenne invece di due antenne coinvolte per consentire la fusione (transizione graduale da una coppia alla successiva), ma semplifichiamo per un secondo. Dal punto di vista del ricevitore, il segnale sembra provenire da una sorgente in movimento e quindi si verificherà uno spostamento Doppler in una proporzione che dipende dalla direzione apparente del movimento.

^{Effetto DVOR Doppler}

Per consentire compatibilità con il ricevitore CVOR, questo spostamento deve essere al massimo 480 Hz, 480 Hz è loscillazione FM della sottoportante nel CVOR. Un semplice calcolo mostra che il diametro dellarray deve essere di circa 14 m (46 piedi).

Per generare il segnale modulato FM, la sottoportante non modulata a 9960 Hz viene inviata sulla coppia di antenne " rotante ". Lo spostamento Doppler è massimo quando la direzione del ricevitore è tangenziale alla traiettoria della coppia a nd minimo quando la coppia è perpendicolare alla direzione del ricevitore. Questo spostamento è esattamente rappresentativo del rilevamento del velivolo ed è la modulazione del segnale variabile di cui abbiamo bisogno.

Dal punto di vista del segnale radio, solo le frequenze della banda laterale vengono utilizzate per trasmettere la sottoportante 9960 Hz (frequenza VOR f +/- 9960 Hz). La portante stessa viene inviata sullantenna centrale, modulata in AM dal segnale di riferimento. In questo modo la portante non è soggetta allo spostamento Doppler.

Conclusione … Come nel CVOR, il ricevitore vede il segnale composito: una portante AM modulata a 30 Hz (che è invece il riferimento del segnale variabile), con una sottoportante FM " modulata " come risultato delleffetto Doppler, a 30 Hz (la frequenza di scansione, ora rappresenta il segnale variabile al posto del riferimento) e con uno swing non lontano dai 480 Hz previsti.

Blending: se una coppia di antenne fosse usata una alla volta, il numero di i cuscinetti misurabili sarebbero pari al numero di antenne nellarray (circa 50). Per creare una scansione più continua (e quindi un maggior numero di rilevamenti misurabili), anche le antenne che precedono e seguono lantenna principale vengono alimentate dal segnale della sottoportante, ma di potenza minore. Questo " fonde " la transizione da una posizione di scansione a quella successiva.

Vedi anche Cosa fa cambiare la fase in un VOR? per una migliore spiegazione del DVOR.

Rilevamento TACAN

Un TACAN si basa su unantenna fissa più un sistema parassita rotante. Lantenna di base è verticale e comune agli strumenti di misura della distanza e del rilevamento.

Gli elementi parassiti nel campo aereo si riferiscono agli elementi dellantenna passiva aggiunti al radiatore attivo effettivo. Un riflettore diminuisce il guadagno sul lato, un regista aumenta il guadagno sul lato ( altro ). La nota antenna direzionale Yagi (qui in polarizzazione orizzontale) ha i due tipi di elementi parassiti:

^{( Fonte , modificata)}

Questi elementi vengono utilizzati in TACAN, ma ruotano attorno allelemento attivo:

^{( Sorgente , modificato)}

• Lelemento centrale, che è quello utilizzato anche per la porzione DME, trasmette un segnale di ampiezza costante.

• Un tamburo rotante con un il riflettore regola elettricamente il diagramma di radiazione, aggiungendo un calo del segnale (basso guadagno) che ruota a 900 RPM, che equivale a una modulazione di ampiezza di 15 Hz. Il diagramma di radiazione nel piano orizzontale assume la forma di un cardioide:
  

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

• Un altro tamburo con un set di 9 registi, collegato meccanicamente al primo, crea unondulazione di ampiezza aggiuntiva di 135 Hz (9×15) sulla modulazione di 15 Hz:

  

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

Ora dobbiamo ricominciare il ragionamento tenendo conto che il segnale TACAN non viene trasmesso in modo permanente, ma solo codificato (acceso / spento) da burst di informazioni. I burst sono di due tipi:

• burst di riferimento
• risposte DME .

I burst di riferimento sono g enerato in base allorientamento del pattern di modulazione:

• Quando il picco di 15 Hz è rivolto a Nord, viene inviato un burst di riferimento principale. Il burst consiste di 24 impulsi

con un duty cycle asimmetrico.

• Quando uno dei picchi di 135 Hz è rivolto a est, viene inviato un burst di riferimento ausiliario. Il burst è composto da 24 impulsi con un duty cycle simmetrico.

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

La durata di questi burst è solo una parte del ciclo di 15 Hz, il che significa che se ci sono poche interrogazioni DME dellaereo, la maggior parte delle volte il segnale TACAN non è codificato, quindi non trasmesso. Questa mancanza di trasmissione creerebbe una difficoltà per il ricevitore dellaereo:

• Per regolare il guadagno del ricevitore (AGC) per contrastare il fading.
• Per identificare i 15 Hz e 135 Hz modulazioni.

Per mantenere la capacità di ricezione, il segnale TACAN viene invece codificato ad una velocità costante di 2.700 coppie di impulsi al secondo, aggiungendo impulsi squitter se necessario per riempire gli spazi vuoti. Più le interrogazioni DME vengono ricevute dal TACAN, più raffiche di risposta DME vengono inviate, meno impulsi squitter sono necessari (più in MIL-STD-291 ) .

^{Il segnale a 135 Hz è stato rimosso per semplificazione ( Source )}

La modulazione a 135 Hz è utilizzata per la determinazione del cuscinetto. Confrontando il tempo tra un burst ausiliario e la successiva ricezione di uno dei 9 picchi di segnale, è possibile determinare il rilevamento dellaereo rispetto alla stazione di terra. Il burst principale (15 Hz) viene utilizzato per chiarire quale dei 9 lobi è stato utilizzato, e quindi quale del settore 40 ° (360/9) è effettivamente rilevante per il cuscinetto.

In teoria luso dellestremità superiore della banda UHF e il ripple di 135 Hz aumentano la precisione del rilevamento di un ordine di grandezza rispetto al VOR. In pratica questo è inferiore, ma comunque migliore del VOR.

Il principio DME è misurare il tempo impiegato da un segnale radio per un andata e ritorno alla stazione di terra. Poiché le onde radio viaggiano alla velocità della luce, conoscere il tempo significa conoscere la distanza." Laereo interroga il transponder di terra con una serie di coppie di impulsi (interrogazioni) e, dopo un preciso ritardo (tipicamente 50 microsecondi), la stazione di terra risponde con un identica sequenza di coppie di impulsi. " (Wikipedia).

Commenti

• Bella risposta. +1 Mi stavo chiedendo qualcosa di questo. Sai se la maggior parte degli aerei militari è in grado di leggere anche VOR?
• @TomMcW: Grazie! TACAN ha potenze di trasmissione maggiori per una portata maggiore, non ' non so se ' è davvero necessario per ricevere VOR, ma se è quindi ' aggiungere unantenna, un ricevitore e un CDI, non è un grosso problema. Potrebbe essere utile per gli approcci civili non di precisione.
• C-130 ' hanno ricevitori VOR e TACAN e I ' sospetto che anche la maggior parte degli aerei da trasporto lo faccia, poiché i campi stranieri potrebbero essere serviti da VOR / DME ' anziché da VORTAC ' s.
• Ottima risposta! Con una gamma più ampia & di dimensioni inferiori, il TACAN sembra la tecnologia migliore, ma al di fuori dei militari, il VOR sembra predominante. Quali vantaggi ha il sistema VOR?
• Grazie @RalphJ: credo che il VOR sia stato progettato pensando alle antenne fisse per una semplice manutenzione. Oggi è facile sintetizzare / trasmettere la nona ondulazione armonica del TACAN utilizzando phased array e chip DSP ad alta risoluzione, ma allepoca non erano ' t disponibile.

Bene, la risposta breve è che funziona allo stesso modo del VOR tranne per il fatto che utilizza UHF invece di VHF – ed è quindi meno soggetto a distorsioni – e incorpora sempre DME in modo da fornire sia la portata che il rilevamento. VOR / DME è lequivalente civile.

Commenti

• VOR / DME sarebbe lequivalente civile. VORTAC è un insieme civile e militare.
• @TomMcW Tosse, tosse, ehm.