Hoe werkt TACAN?

Waarin verschilt TACAN van de VHF Omnidirectional Range (VOR) -systeem?

Een zeer korte vraag, maar het antwoord vereist een beschrijving van verschillende technieken die op zichzelf moeilijk samen te vatten zijn zonder vrijheden te nemen met de werkelijkheid , dus het bericht is tamelijk lang en zou door de secties van interesse moeten worden gelezen in plaats van volledig in één keer. En voor degenen die niet geïnteresseerd zijn in de ontwerptechnieken, is er gelukkig een …

Kort antwoord

Ontwerpprincipe:

• A TACAN gebruikt UHF om lager te verhogen precisie. Het bestaat uit een enkel geïntegreerd systeem dat in één keer peiling en afstand bepaalt. In dit systeem is het grondstation een transponder en bevindt de ondervrager zich aan boord van het vliegtuig (in tegenstelling tot de SSR-transponder). Frequentie is als schaalverdeling op een schaal, wanneer de frequentie toeneemt, zijn de schaalverdelingen op de schaal dichter en zijn de metingen nauwkeuriger.

• A VOR werkt op VHF voor lagerbepaling. Er is geen actie van het vliegtuig vereist om het signaal van het grondstation te activeren, dat permanent is. Om de afstand te bepalen, wordt een ander onafhankelijk systeem, de DME , gebruikt. De DME is geleend aan het leger en is eigenlijk een TACAN zonder zijn lagercomponenten (het is dus een transponder die door het vliegtuig wordt ondervraagd).
  Bij het selecteren van een VOR-frequentie in een burgervliegtuig, stelt de avionica de VOR-ontvanger in feite in op deze frequentie en de stand-alone DME ondervrager op een " gepaarde " UHF-frequentie verkregen uit de ICAO-standaardpaartabel ( pagina 6 ). VOR en DME delen niets aan boord buiten de frequentie-koppelingstabel.

Stationantennes:

• De originele TACAN-antenne is gemaakt van twee kleine roterende trommels met parasitaire antenne-elementen (zie details hieronder). Een TACAN kan op schepen of mobiele stations worden geïnstalleerd. De TACAN-antenne is extern vergelijkbaar met een conventionele VOR. Een TACAN in Alaska tijdens een oefening:

  

  ^{(Bron: Wikipedia )}
  De cilinder bevat het roterende antennesysteem. In moderner TACAN is de mechanische rotatie vervangen door elektronisch gescande arrays , waardoor de grootte is verkleind:

  

  ^{Verplaatsbare TACAN, bron}

• Doppler VOR (DVOR) komen vaker voor dan conventionele VOR (CVOR), omdat ze zich op vliegvelden kunnen bevinden (CVOR: zie hieronder voor details ). De DVOR-antenne is een grote cirkelvormige array met een centrale referentieantenne en een groot tegenvermogen onder de array. VOR wordt soms gecombineerd met een DME-station, in dat geval is de verticale DME-antenne boven en coaxiaal naar het VOR-systeem.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, DME-antenne bovenop de centrale VOR-referentieantenne. (source: Wikipedia )}
  Omdat het DME-gedeelte gemeenschappelijk is voor VOR / DME en TACAN, is het technisch mogelijk om een VOR te koppelen aan een TACAN om een VORTAC -station te verkrijgen. Militair gebruik de TACAN, civiel gebruik de VOR en de DME-informatie van de TACAN:

  

  ^{Een volledige TACAN in plaats van de vorige DME-antenne. Bron}

• Bovendien gebruikt VOR (CVOR / DVOR) Alford-lusantennes die horizontaal gepolariseerd zijn en laag aan de horizon uitstralen. Ze zijn gevoelig voor reflectie op obstakels. Een elektrisch tegenvermogen is nodig om de grond te verbergen en de stralingshoek te verhogen.Dit kunstmatige grondvlak kan erg groot zijn:

  

  ^{PFN Vortac (ontmanteld), source}

Signalen:

• Een VOR verzendt continu peilinginformatie.

• Een TACAN verzendt alleen antwoordpulsparen bij ondervraging (zie de uitleg hieronder). Deze paren coderen zowel de peiling- als de DME-informatie.

• Een TACAN is meestal krachtiger dan een VOR en heeft een groter bereik.

Ik zal me concentreren op het uitleggen van lagerbepalingssystemen, en de DME uitleggen als een integraal onderdeel van de TACAN. Daarnaast zijn er twee soorten VOR, conventionele en Doppler, die heel verschillend werken, zelfs als ze compatibel zijn. signalen naar de (nietsvermoedende) gemeenschappelijke ontvanger.

---

Principe van peilingbepaling

Het algemene principe van peilingbepaling is het verzenden van twee signalen vanaf het grondstation:

• Een referentiesignaal dat elke ontvanger vertelt over de huidige oriëntatie van het actieve signaal.

• Een variabele signaal waardoor een bepaalde ontvanger kan bepalen wanneer het actieve signaal " " naar de ontvanger wijst (wijzen is niet de juiste woord aangezien de DVOR-signalen omnidirectioneel zijn, zie meer in dit antwoord ).

De ontvanger bepaalt zijn relatieve peiling door deze twee signalen te vergelijken. Beide signalen zijn sinusfuncties, de oriëntatiewaarde wordt weergegeven door de huidige fase van deze functie. Zowel VOR als TACAN gebruiken dit basisprincipe, hoewel ze het zich anders realiseren.

De signaal fase speelt de hoofdrol in dit verhaal, dus laten we er zeker van zijn dat we het eens zijn over de betekenis:

• Elk periodiek (herhalend) signaal kan worden gezien als het resultaat van een vector die enigszins draait $ \ small \ omega $ . De sinusfunctie voor hoek $ \ small x $ is $ \ small y = sin (x) $ . Toegepast op een sinusvormige golf van frequentie $ \ small f $ en piekamplitude $ \ small A $ , dit wordt $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ waarbij $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . De hoek $ \ small \ omega t + \ varphi $ , is opgesplitst tussen de fase $ \ small \ omega t $ en de fase bij oorsprong $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ is null als we een cyclus starten op tijdstip 0, dit is meestal het geval. Eenvoudiger gezegd: de hoeveelheid $ \ small \ omega t $ geeft aan hoeveel de vector op dat moment is gedraaid $ t $ . Het is een hoek, gereset na een volledige draai, daarom geeft het aan het einde aan welk deel van een volledige cyclus al is doorgebracht (welke fase we in de cyclus zitten). Visueel:

^{Fasehoek van een sinusgolf}

Daaruit blijkt dat het vergelijken van fasen van twee signalen met dezelfde frequentie (eenvoudig te doen met elektronica) equivalent is aan vergelijken hoeveel tijd de een achterloopt op de ander (tijd is eigenlijk moeilijk te meten).

VOR-typen

Conventionele VOR (CVOR) en Doppler VOR (DVOR) stations worden identiek waargenomen door de ontvanger, hoewel ze heel verschillende signalen uitzenden. De DVOR gebruikt trucs om een CVOR na te bootsen en de CVOR-ontvanger te misleiden. CVOR is bijna uit het zicht verdwenen omdat ze, vanwege hun gevoeligheid voor reflecties, niet op vliegvelden of in de buurt van wegen kunnen worden geplaatst. Hoe en-route / grote hoogte CVOR echter op geïsoleerde plaatsen kan worden gevonden, de reden is dat ze compacter zijn en een kleinere kegel van stilte hebben dan DVOR en reflecties kunnen worden geminimaliseerd, b.v. wanneer de VOR zich op de top van een heuvel bevindt.

Het begrijpen van de DVOR-trucs zonder te weten hoe een CVOR werkt, is moeilijk, en geeft geen aanwijzingen over hoe de peiling echt wordt bepaald. Dus ik m bang dat we de CVOR vóór de DVOR moeten begrijpen.

Conventionele VOR: CVOR

Vroege CVOR-antenne was een reeks van vier Alford-lussen op de hoeken van een denkbeeldig vierkant, bekend door hun conventionele namen: NW, NO, SW en SE. NW + SE-lussen vormen het eerste paar, NE + SW-lussen vormen het tweede paar.

^{CVOR met vier Alford-lussen}

Alford-lussen zijn horizontaal gepolariseerd en zeer gevoelig voor reflecties op omliggende obstakels ( multipath ).

Recente generaties CVOR gebruiken een antenne met sleuven, wat een vaste cilinder is met verticale sleuven (doorgaans vier sleuven):

^{CVOR met gleufantenne en de DME-antenne bovenop. Bron: AviaTecho .}

Een tegenwicht wordt onder de array geplaatst om de VOR-schuilplaats en de grond te verbergen en de straling te verhogen richting, heeft het het dubbele effect van het minimaliseren van ongewenste reflectie op de beschutting en de grond en het verminderen van de kegel van stilte boven de VOR.

CVOR creëert en gebruikt referentie- en variabele signalen op deze manier:

1. Een laagfrequente generator genereert drie 30 Hz-signalen, identiek behalve hun fasen. Twee audiosignalen worden afgeleid van een referentiesignaal : het sin -signaal heeft een oorsprongsfase van -90 ° en het cos -signaal heeft een fase bij een oorsprong van + 90 ° (het punt is sin en cos-signalen zijn in tegenfase).
   De fase van de referentie vertegenwoordigt conceptueel een richting en wordt vaak de goniometer genoemd. Aangezien deze signaalfrequentie 30 Hz is, zwaait de denkbeeldige richting die het vertegenwoordigt 360 ° 30 keer per seconde (1.800 tpm, dit is pure abstractie, er zijn geen draaiende delen in een CVOR).

2. Een laagfrequente generator creëert een signaal van 9960 Hz dat FM-gemoduleerd is door de referentie. Dit signaal staat bekend als de referentie hulpdraaggolf .

   

   ^{Conventionele VOR blokschema}

3. Een HF-generator creëert een draaggolf met frequentie f (f zijnde de VOR-frequentie), is deze draaggolf opgesplitst in drie delen:

   • een deel is AM-gemoduleerd door de referentiehulpdraaggolf .
   • een ander is AM gemoduleerd door sin .
   • het laatste deel is AM gemoduleerd door cos .

4. Het HF-signaal met de referentiehulpdraaggolf wordt naar alle antennes gestuurd. Op deze manier kan de referentie identiek worden ontvangen ongeacht de positie van de ontvanger rond de CVOR.

5. Van de twee andere HF-signalen wordt eerst hun draaggolf verwijderd, zodat alleen de zijbanden blijven bestaan. Dit is om te voorkomen dat providers interfereren met de ruimte. interferenties mogen alleen optreden tussen zijbanden.
   Vervolgens wordt het ene signaal naar het NW + SE-antennespaar gestuurd, het andere signaal naar het andere paar (onthoud dat de twee paren loodrecht staan).

6. Het ruimtemodulatie magie doet de rest. De sin en cos zijbanden worden opgeteld als veldvectorwaarden, soms worden de individuele amplitudes opgeteld, soms worden ze afgetrokken, in een variabele verhouding. Dit resulteert in een onevenwichtig cardioïde patroon (meer precies een Limaçon de Pascal ) die rond de VOR-antennes draait met 1800 tpm, waarbij de richting is gekoppeld aan de fase van de referentie (of sin of cos , aangezien ze allemaal met elkaar zijn verbonden door vaste waarden).

7. Het signaal dat het resultaat is van ruimtemodulatie lijkt een draaggolf AM te zijn die gemoduleerd is volgens de richting van de virtuele " roterende antenne ". De AM-modulatie is ook een 30 Hz-signaal en staat bekend als het variabele signaal .

8. Het resulterende signaal bevat ook de niet-gemodificeerde (en constante amplitude ) drager met zijn referentiehulpdrager.
   

   ^{CVOR-spectrum}

9. Om de richting (de radiaal) van de ontvanger ten opzichte van de CVOR te bepalen, hoeft men alleen de fase van het variabele signaal te vergelijken met de fase van het referentiesignaal . Beide zijn vervat in het resulterende signaal. De fase van het referentiesignaal en de fase van het variabele signaal zijn gelijk wanneer de referentie " " naar het noorden wijst (per principe hierbij tijd hebben beide fasen een waarde van 135 °, de som van 45 ° en 90 °, maar de werkelijke waarde heeft geen invloed, alleen het faseverschil is zinvol):
   

   ^{VOR: bepaling van het lager door fasen te vergelijken}
   Nu we het principe van de CVOR kennen, is het gemakkelijker om het principe van de DVOR te begrijpen. De DVOR is gemaakt om enkele zwakke punten in de CVOR te compenseren: de CVOR is niet erg nauwkeurig tenzij de installatieplaats zeer zorgvuldig is geselecteerd (geen obstakel). Dat betekent geïsoleerde punten, geen vliegvelden.Dat is niet de voorkeursoptie voor onderhoud en dit sluit vaak uit dat de CVOR is uitgelijnd met de landingsbaan voor een VOR-nadering.

Van CVOR naar Doppler VOR, waardoor retro-compatibiliteit wordt gegarandeerd

Het gebrek aan precisie van de VOR is geworteld in twee ontwerpkeuzes:

• De antennes staan dicht bij elkaar, elke gebrekkige plaatsing heeft grote gevolgen in de nauwkeurigheid.

• Het variabele signaal is AM-gemoduleerd, AM-modulatie is dodelijk onderhevig aan fouten die worden veroorzaakt door elektromagnetische ruis en multipath.

In de Doppler VOR (nogmaals … er zijn twee soorten DVOR, de enkele zijband en de dubbele zijband, ik zal hier de DSB beschrijven):

• De twee actieve antennes staan op grote afstand van elkaar (diametraal tegenover elkaar).

• Het variabele signaal is FM-gemoduleerd.

Om compatibel te zijn met de CVOR-ontvanger, moesten andere wijzigingen worden aangebracht:

• Aangezien de ontvanger ll vergelijkt twee signalen, de ene is AM en de andere FM, het referentiesignaal moet AM-gemoduleerd zijn.

• Omdat het resultaat van de fasevergelijking nu geïnverteerd is (variabele minus referentie wordt referentie minus variabele), moet de draairichting van het patroon ook worden omgekeerd (tegen de klok in in plaats van met de klok mee).

• Omdat het paar antennes dat voor het variabele signaal wordt gebruikt opzettelijk een Doppler-effect, moet de referentie worden verzonden op een specifieke centrale antenne behouden van het Doppler-effect.

Doppler VOR: DVOR

Het principe van een Doppler VOR is om de frequentiemodulatie te creëren door Doppler-effect in plaats van door elektronische modulatie. Het Doppler-effect treedt op bij een bewegende golfbron: ondanks dat de bron een constante frequentie heeft, is de schijnbare frequentie wanneer deze dichter bij de ontvanger komt hoger dan de werkelijke frequentie. Hoeveel hoger hangt alleen af van het sluitingspercentage.

^{Doppler-effect op treingeluid: het geluid is aan de voorkant hoger dan aan de achterkant}

In de DVOR stellen paren antennes tegenover elkaar (nog steeds Alford loops) worden constant in- / uitgeschakeld, waarbij de volledige array tegen de klok in wordt gescand, waarbij de volledige scan 30 keer per seconde wordt gedaan. Eigenlijk zijn er twee groepen antennes in plaats van twee antennes betrokken om blending mogelijk te maken (soepele overgang van het ene paar naar het andere), maar laten we het even vereenvoudigen. Vanuit het standpunt van een ontvanger lijkt het signaal afkomstig te zijn van een bewegende bron, en daarom zal er een Dopplerverschuiving optreden in een verhouding die afhangt van de schijnbare richting van de beweging.

^{DVOR Doppler-effect}

Om compatibiliteit met de CVOR-ontvanger, deze verschuiving mag maximaal 480 Hz zijn, waarbij 480 Hz de FM-swing van de hulpdraaggolf in de CVOR is. Een eenvoudige berekening laat zien dat de array-diameter ongeveer 14 m (46 ft) moet zijn.

Om het FM-gemoduleerde signaal te genereren, wordt de ongemoduleerde 9960 Hz-hulpdraaggolf op het " roterende " paar antennes gestuurd. De Dopplerverschuiving is maximaal wanneer de richting van de ontvanger tangentieel is aan het paartraject a minimaal als het paar loodrecht op de richting van de ontvanger staat. Deze verschuiving is precies representatief voor de peiling van het vliegtuig en is de variabele signaalmodulatie die we nodig hebben.

Vanuit het perspectief van radiosignalen worden alleen de zijbandfrequenties gebruikt om de 9960 Hz-hulpdraaggolf te verzenden (VOR-frequentie f +/- 9960 Hz). De draaggolf wordt zelf op de centrale antenne gestuurd, AM gemoduleerd door het referentiesignaal. Op deze manier is de draaggolf niet onderhevig aan de Dopplerverschuiving.

Kort gezegd … Net als in de CVOR ziet de ontvanger het samengestelde signaal: een draaggolf AM gemoduleerd met een 30 Hz (wat in plaats daarvan de referentie is van het variabele signaal), met een subdraaggolf FM " gemoduleerd " als resultaat van het Doppler-effect, bij 30 Hz (de frequentie van de scan vertegenwoordigt het nu het variabele signaal in plaats van de referentie) en met een zwaai niet ver van de verwachte 480 Hz.

Mengen: als een paar antennes één voor één werd gebruikt, is het aantal meetbare lagers zouden gelijk zijn aan het aantal antennes in de array (ongeveer 50). Om een meer continue scan te maken (en dus een groter aantal meetbare lagers), worden de antennes die de hoofdantenne voorafgaan en volgen ook gevoed door het hulpdraaggolfsignaal, maar met een kleiner vermogen. Dit " combineert " de overgang van een scanpositie naar de volgende.

Zie ook Wat zorgt ervoor dat de fase verandert in een VOR? voor een betere uitleg van de DVOR.

TACAN-peiling

Een TACAN is gebaseerd op een stationaire antenne plus een roterend parasitair systeem. De basisantenne is verticaal en gemeenschappelijk voor de meetinstrumenten voor afstand en peiling.

Parasitaire elementen in het antenneveld verwijzen naar passieve antenne-elementen die aan de eigenlijke actieve straler zijn toegevoegd. Een reflector verkleint de versterking aan zijn kant, een director vergroot de versterking aan zijn kant ( meer ). De bekende Yagi directionele antenne (hier in een horizontale polarisatie) heeft twee soorten parasitaire elementen:

^{( Bron , gewijzigd)}

Deze elementen worden gebruikt in de TACAN, maar ze roteren rond het actieve element:

^{( Bron , gewijzigd)}

• Het centrale element, dat ook wordt gebruikt voor het DME-gedeelte, zendt een signaal met constante amplitude uit.

• Een roterende trommel met een reflector past elektrisch het stralingspatroon aan door een signaaldip (lage versterking) toe te voegen die roteert met 900 RPM, wat overeenkomt met een 15 Hz amplitudemodulatie. Het stralingspatroon in het horizontale plan heeft de vorm van een cardioïde:
  

  ^{(Bron: Advances in Electronics and Electron Physics, Volume 68 , gewijzigd)}

• Een andere drum met een set van 9 regisseurs, mechanisch gekoppeld aan de eerste, creëert een 135 Hz (9×15) extra amplitude rimpel over de 15 Hz modulatie:

  

  ^{(Bron: Advances in Electronics and Electron Physics, Volume 68 , gewijzigd)}

Nu moeten we opnieuw beginnen met de redenering, rekening houdend met dat het TACAN-signaal wordt niet permanent verzonden, maar alleen ingetoetst (in- / uitgeschakeld) door bursts van informatie. Er zijn twee soorten bursts:

• Reference bursts
• DME-reacties .

Referentie-bursts zijn g geactiveerd volgens de oriëntatie van het modulatiepatroon:

• Wanneer de piek van 15 Hz naar het noorden is gericht, wordt een hoofdreferentiesalvo verzonden. De burst bestaat uit 24 pulsen

met een asymmetrische duty-cycle.

• Wanneer een van de 135 Hz-pieken naar het oosten is gericht, wordt een hulpreferentiesalvo verzonden. De burst bestaat uit 24 pulsen met een symmetrische duty-cycle.

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

De duur van deze bursts is slechts een deel van de 15 Hz-cyclus, wat betekent dat als er weinig DME-ondervragingen in vliegtuigen zijn, het TACAN-signaal meestal niet wordt gecodeerd, en dus niet wordt verzonden. Dit gebrek aan transmissie zou een probleem vormen voor de vliegtuigontvanger:

• Om de receiver gain (AGC) aan te passen om fading tegen te gaan.
• Om de 15 Hz en 135 Hz te identificeren modulaties.

Om de ontvangstcapaciteit te behouden, wordt het TACAN-signaal in plaats daarvan gecodeerd met een constante snelheid van 2.700 pulsen per seconde, waarbij indien nodig squitterpulsen worden toegevoegd om de lege plekken te vullen. Hoe meer de DME-ondervragingen worden ontvangen door de TACAN, hoe meer DME-antwoordbursts worden verzonden, hoe minder squitterpulsen nodig zijn (meer in MIL-STD-291 ) .

^{Het 135 Hz-signaal is verwijderd voor vereenvoudiging ( Source )}

De 135 Hz-modulatie wordt gebruikt voor het bepalen van de peiling. Door de tijd tussen een hulpsalvo en de daaropvolgende ontvangst van een van de 9 signaalpieken te vergelijken, is het mogelijk om de peiling van het vliegtuig ten opzichte van het grondstation te bepalen. De hoofdstoot (15 Hz) wordt gebruikt om duidelijk te maken welke van de 9 lobben werd gebruikt, en dus welke van de 40 ° (360/9) sector eigenlijk relevant is voor het lager.

In theorie is het gebruik van het bovenste uiteinde van de UHF-band en de 135 Hz rimpel verhogen de nauwkeurigheid van het lager met één orde van grootte in vergelijking met de VOR. In de praktijk is dit minder, maar nog steeds beter dan de VOR.

Het DME -principe is om de tijd te meten die een radiosignaal nodig heeft voor een retour naar het grondstation. Omdat radiogolven met lichte snelheid reizen, is de tijd weten de afstand kennen." Het vliegtuig ondervraagt de grondtransponder met een reeks pulsparen (ondervragingen) en na een precieze tijdsvertraging (doorgaans 50 microseconden) antwoordt het grondstation met een identieke reeks pulsparen. " (Wikipedia).

Opmerkingen

• Goed antwoord. +1 Ik heb me dit zelf afgevraagd. Weet je of de meeste militaire vliegtuigen ook uitgerust zijn om VOR te lezen?
• @TomMcW: Bedankt! TACAN heeft grotere transmissievermogens voor een groter bereik, ik weet niet ' niet of het ' echt nodig heeft om VOR te ontvangen, maar of het is, dan is het ' een kwestie van het toevoegen van een antenne, een ontvanger en een CDI, geen probleem. Het kan nuttig zijn voor civiele benaderingen zonder precisie.
• C-130 ' s hebben zowel VOR- als TACAN-ontvangers, en ik ' d vermoeden dat de meeste transportvliegtuigen dat ook doen, aangezien buitenlandse velden mogelijk worden bediend door VOR / DME ' s in plaats van VORTAC ' s.
• Geweldig antwoord! Met een groter bereik & kleiner formaat lijkt de TACAN de betere technologie, maar buiten het leger lijkt de VOR overheersend. Welke voordelen heeft het VOR-systeem?
• Bedankt @RalphJ: Ik geloof dat de VOR is ontworpen met stationaire antennes in gedachten voor eenvoudig onderhoud. Tegenwoordig is het gemakkelijk om de 9e harmonische rimpel van de TACAN te synthetiseren / bundelen met behulp van gefaseerde arrays en DSP-chips met hoge resolutie, maar in die tijd waren ze ' t beschikbaar.

Nou, het korte antwoord is dat het op dezelfde manier werkt als VOR, behalve dat het UHF gebruikt in plaats van VHF – en daarom minder onderhevig is aan vervorming – en altijd DME bevat, zodat een bereik en peiling beide worden gegeven. VOR / DME is het civiele equivalent.

Opmerkingen

• VOR / DME zou het civiele equivalent zijn. VORTAC is een combinatie van civiel en militair.
• @TomMcW Hoest, hoest, eh.