Jak działa TACAN?

Czym różni się TACAN od wielokierunkowego VHF System zasięgu (VOR)?

Bardzo krótkie pytanie, ale odpowiedź wymaga opisania kilku technik, które same w sobie trudno podsumować, nie biorąc swobody w rzeczywistość , więc post jest dość długi i powinien być czytany w interesujących go sekcjach, a nie w całości od razu. A dla tych, którzy nie są zainteresowani technikami projektowania, na szczęście istnieje …

Krótka odpowiedź

Zasada projektowania:

• A TACAN wykorzystuje UHF do zwiększenia łożyska precyzja. Składa się z jednego zintegrowanego systemu wykonującego jednocześnie wyznaczanie namiaru i odległości. W tym systemie stacja naziemna jest transponderem, a interrogator znajduje się na pokładzie samolotu (w przeciwieństwie do transpondera SSR). Częstotliwość jest podobna do podziałek na skali, gdy częstotliwość wzrasta, podziałki na skali są gęstsze, a odczyty dokładniejsze.

• A VOR działa na VHF do określania namiaru. Do wyzwolenia stałego sygnału stacji naziemnej nie jest wymagane żadne działanie statku powietrznego. Aby określić odległość, używany jest inny niezależny system, DME . DME został wypożyczony do wojska i jest w rzeczywistości TACANem bez elementów nośnych (więc jest to transponder przesłuchiwany przez samolot).
  Wybierając częstotliwość VOR w cywilnym samolocie, awionika faktycznie ustawia odbiornik VOR na tę częstotliwość, a samodzielny interrogator DME na jakiś " sparowany " Częstotliwość UHF uzyskana ze standardowej tabeli parowania ICAO ( strona 6 ). VOR i DME nie udostępniają niczego poza tabelą parowania częstotliwości.

Anteny stacyjne:

• Oryginalna antena TACAN jest wykonana dwóch małych obrotowych bębnów z pasożytniczymi elementami anteny (szczegóły poniżej). TACAN można zainstalować na statkach lub stacjach ruchomych. Antena TACAN jest zewnętrznie podobna do konwencjonalnego VOR. TACAN na Alasce podczas ćwiczenia:

  

  ^{(Źródło: Wikipedia )}
  Cylinder zawiera obrotową antenę. W bardziej nowoczesnych TACAN mechaniczna rotacja została zastąpiona przez tablice skanowane elektronicznie , co zmniejszyło rozmiar:

  

  ^{Przenośny TACAN, źródło}

• Dopplerowskie VOR (DVOR) są bardziej powszechne niż konwencjonalne VOR (CVOR), ponieważ mogą być zlokalizowane na lotniskach (CVOR: szczegóły poniżej ). Antena DVOR to duża okrągła matryca z centralną anteną odniesienia i dużym przeciwwagą pod matrycą. VOR są czasami umieszczone razem ze stacją DME, w takim przypadku antena pionowa DME znajduje się powyżej i jest współosiowa z systemem VOR.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, antena DME na górze centralnej anteny odniesienia VOR. (źródło: Wikipedia )}
  Ponieważ część DME jest wspólna dla VOR / DME i TACAN, technicznie możliwe jest powiązanie VOR z TACAN do uzyskania stacji VORTAC . Wojskowy używa TACAN, cywil używa VOR i informacji DME TACAN:

  

  ^{Pełny TACAN zamiast poprzedniej anteny DME. Źródło}

• Ponadto VOR (CVOR / DVOR) używa pętlowe anteny Alford , które są spolaryzowane poziomo i promieniują nisko nad horyzontem. Są wrażliwi na refleksję nad przeszkodami. przeciwwaga elektryczna jest wymagana, aby ukryć ziemię i zwiększyć kąt promieniowania.Ta sztuczna płaszczyzna uziemienia może być bardzo duża:

  

  ^{PFN Vortac (wycofany z eksploatacji), źródło}

Sygnały:

• VOR przesyła informacje o namiarach w sposób ciągły.

• TACAN wysyła pary impulsów odpowiedzi tylko podczas odpytywania (patrz wyjaśnienie poniżej). Te pary kodują zarówno informacje o łożysku, jak i DME.

• TACAN jest zwykle silniejszy niż VOR i ma większy zakres zastosowań.

Skoncentruję się na wyjaśnieniu systemów określania łożysk i wyjaśnię DME jako integralną część TACAN. Ponadto istnieją dwa typy VOR, konwencjonalne i Doppler, które działają bardzo różnie, nawet jeśli dostarczają zgodne sygnały do (niczego niepodejrzewającego) wspólnego odbiornika.

---

Zasada określania namiaru

Powszechną zasadą określania namiaru jest wysłanie dwóch sygnałów ze stacji naziemnej:

• Sygnał odniesienia informujący dowolny odbiornik o aktualnej orientacji aktywnego sygnału.

• Zmienna sygnał pozwalający określonemu odbiornikowi określić, kiedy aktywny sygnał " wskazuje " na odbiornik (wskazanie nie jest dokładne słowo, ponieważ sygnały DVOR są wielokierunkowe, zobacz więcej w tej odpowiedzi ).

Odbiornik określa swój namiar względny porównując te dwa sygnały. Oba sygnały są funkcjami sinusoidalnymi, wartość orientacji jest reprezentowana przez fazę prądu tej funkcji. Zarówno VOR, jak i TACAN używają tej podstawowej zasady, chociaż zdają sobie z tego sprawę w inny sposób.

Sygnał faza odgrywa główną rolę w tej historii, więc upewnijmy się, że zgadzamy się ze znaczeniem:

• Każdy okresowy (powtarzający się) sygnał może być postrzegany jako rezultat obracania się wektora w pewnym tempie $ \ small \ omega $ . Funkcja sinus dla kąta $ \ small x $ to $ \ small y = sin (x) $ . Zastosowana do fali sinusoidalnej o częstotliwości $ \ small f $ i amplitudzie szczytowej $ \ small A $ , to staje się $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ , gdzie $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . Kąt $ \ small \ omega t + \ varphi $ , został podzielony między phase $ \ small \ omega t $ i faza w miejscu pochodzenia $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ ma wartość null, jeśli zaczniemy cykl w czasie 0, zwykle tak jest. Mówiąc prościej, ilość $ \ small \ omega t $ reprezentuje, o ile wektor się obrócił w czasie $ t $ . Jest to kąt, resetowany po pełnym obrocie, dlatego wskazuje na końcu, która część pełnego cyklu została już wykorzystana (w której fazie jesteśmy w cyklu). Wizualnie:

^{Kąt fazowy fali sinusoidalnej}

Z tego jasno wynika, że porównanie faz dwóch sygnałów o tej samej częstotliwości (proste w przypadku elektroniki) jest równoważne porównanie czasu, w którym jedna pozostaje w tyle za drugą (czas jest w rzeczywistości trudny do zmierzenia).

Typy VOR

Tradycyjne stacje VOR (CVOR) i Doppler VOR (DVOR) są postrzegane identycznie przez odbiornik, chociaż transmitują bardzo różne sygnały. DVOR używa sztuczek, aby naśladować CVOR i oszukać odbiornik CVOR. CVOR prawie zniknęły z pola widzenia, ponieważ ze względu na ich wrażliwość na odbicia nie mogą znajdować się na lotniskach ani w pobliżu dróg. Jednak CVOR na trasie / na dużych wysokościach można znaleźć w odizolowanych miejscach, powodem jest to, że są one bardziej zwarte i mają mniejszy stożek ciszy niż DVOR, a odbicia można zminimalizować, np. kiedy VOR znajduje się na szczycie wzgórza.

Zrozumienie trików DVOR bez wiedzy, jak działa CVOR, jest trudne i nie daje wskazówek na temat tego, jak naprawdę jest wyznaczany kierunek. obawiamy się, że musimy zrozumieć CVOR przed DVOR.

Konwencjonalny VOR: CVOR

Wczesna antena CVOR była układem czterech pętli Alforda w rogach wyimaginowanego kwadratu, znanego pod ich konwencjonalnymi nazwami: NW, NE, SW i SE. Pętle NW + SE tworzą pierwszą parę, pętle NE + SW tworzą drugą parę.

^{CVOR z czterema pętlami Alforda}

Pętle Alforda są spolaryzowane poziomo i bardzo wrażliwe na odbicia od otaczających przeszkód ( wielościeżkowa ).

Najnowsze generacje CVOR używają anteny szczelinowej, która jest stałym walcem z pionowymi szczelinami (zazwyczaj cztery):

^{CVOR z anteną szczelinową i anteną DME na górze. Źródło: AviaTecho .}

Przeciwwaga jest umieszczana pod tablicą, aby ukryć osłonę VOR i ziemię oraz zwiększyć promieniowanie kierunku, ma podwójny efekt – minimalizuje niepożądane odbicia od schronienia i ziemi oraz zmniejsza stożek ciszy nad VOR.

CVOR tworzy i wykorzystuje sygnały odniesienia i zmienne w ten sposób:

1. Generator niskiej częstotliwości generuje trzy sygnały 30 Hz, identyczne z wyjątkiem ich faz. Z sygnału odniesienia pochodzą dwa sygnały audio: sygnał sin ma początkową fazę -90 °, a sygnał cos ma fazę na początku + 90 ° (chodzi o sygnały sin i cos są w przeciwnej fazie).
   Faza odniesienia koncepcyjnie reprezentuje kierunek i jest często nazywana goniometrem . Ponieważ ta częstotliwość sygnału wynosi 30 Hz, wyimaginowany kierunek, który reprezentuje, przesuwa się o 360 ° 30 razy na sekundę (1800 obr / min, to czysta abstrakcja, w CVOR nie ma żadnych obracających się części).

2. Generator niskiej częstotliwości wytwarza sygnał 9960 Hz, który jest modulowany FM przez odniesienie. Ten sygnał jest znany jako referencyjna podnośna .

   

   ^{Konwencjonalny VOR schemat blokowy}

3. Generator HF tworzy nośną częstotliwości f (f będąca częstotliwością VOR), ta nośna jest podzielona na trzy części:

   • jedna część jest modulowana AM przez podnośną odniesienia .
   • inny to AM modulowany przez sin .
   • ostatnia część to AM modulowana przez cos .

4. Sygnał HF z podnośną odniesienia jest wysyłany do wszystkich anten. W ten sposób odniesienie może być odebrane identycznie, niezależnie od położenia odbiornika wokół CVOR.

5. Dwa pozostałe sygnały HF mają najpierw usuniętą nośną, tak że tylko boczne wstęgi trwają. Ma to na celu zapobieżenie interferencji nośników w przestrzeni, interferencje muszą występować tylko między wstęgami bocznymi.
   Następnie jeden sygnał jest wysyłany do pary anten NW + SE, drugi sygnał jest wysyłany do drugiej pary (pamiętaj, że dwie pary są prostopadłe).

6. modulacja przestrzeni resztą zajmuje się magia. Wstęgi boczne sin i cos są dodawane jako wartości wektorów pola, czasami poszczególne amplitudy są dodawane, czasami są odejmowane, w różnych proporcjach. Skutkuje to niezrównoważonym wzorcem kardioidalnym (dokładniej Limaçon de Pascal ), który obraca się wokół anten VOR z prędkością 1800 obr / min, kierunek jest powiązany z fazą odniesienia (lub sin lub cos , ponieważ wszystkie są połączone ustalonymi wartościami).

7. Sygnał wynikający z modulacji przestrzeni wydaje się być nośną modulowaną AM zgodnie z kierunkiem wirtualnego " obrotowa antena ". Modulacja AM jest również sygnałem 30 Hz i jest znana jako sygnał zmienny .

8. Wynikowy sygnał zawiera również niezmodyfikowany (i stałą amplitudę ) z jej podnośną odniesienia.
   

   ^{Widmo CVOR}

9. Aby określić namiar (promieniowy) odbiornika względem CVOR, wystarczy porównać fazę sygnału zmiennego z fazą sygnału odniesienia . Oba są zawarte w otrzymanym sygnale. Faza sygnału odniesienia i faza sygnału zmiennego są równe, gdy " wskazuje " na północ (zgodnie z zasadą gdy obie fazy mają wartość 135 °, czyli sumę 45 ° i 90 °, ale rzeczywista wartość nie ma wpływu, tylko różnica faz ma znaczenie):
   

   ^{VOR: Określenie łożyska poprzez porównanie faz}
   Teraz znamy zasadę CVOR, łatwiej jest zrozumieć zasadę DVOR. DVOR został stworzony, aby nadrobić kilka słabych punktów CVOR: CVOR nie jest zbyt dokładny, chyba że miejsce instalacji jest bardzo starannie wybrane (bez przeszkód). Oznacza to pojedyncze punkty, a nie lotniska.To nie jest preferowana opcja konserwacji, a to często wyklucza wyrównanie CVOR z pasem startowym dla podejścia VOR.

Od CVOR do VOR Dopplera, zapewniając kompatybilność wsteczną

Brak precyzji VOR wynika z dwóch wyborów projektowych:

• Anteny są blisko siebie, każde domyślne ustawienie ich położenia ma poważne konsekwencje w dokładności.

• Sygnał zmienny jest modulowany AM, modulacja AM jest śmiertelnie narażona na błędy powodowane przez szum elektromagnetyczny i wielodrożność.

W dopplerowskim VOR (jeszcze raz … istnieją dwa typy DVOR, pojedyncza wstęga boczna i podwójna wstęga boczna, opiszę tutaj DSB):

• Dwie aktywne anteny znajdują się w dużej odległości od siebie (po przeciwnej stronie średnicy).

• Sygnał zmienny jest modulowany FM.

Aby być kompatybilnym z odbiornikiem CVOR, należało wprowadzić inne zmiany:

• Ponieważ odbiornik sti ll porównuje dwa sygnały, jeden to AM, a drugi FM, sygnał odniesienia musi być modulowany AM.

• Ponieważ wynik porównania faz jest teraz odwrócony (zmienna minus odniesienie staje się odniesienie minus zmienna), kierunek obrotu wzoru również musi być odwrócony (przeciwnie do ruchu wskazówek zegara zamiast zgodnie z ruchem wskazówek zegara).

• Ponieważ para anten używanych do zmiennego sygnału tworzy celowo efekt Dopplera, odniesienie musi być wysłane na określonej antenie centralnej, chronionej przed efektem Dopplera.

Doppler VOR: DVOR

Zasada Doppler VOR ma na celu stworzenie modulacji częstotliwości przez efekt Dopplera , a nie modulację elektroniczną. Efekt Dopplera występuje przy ruchomym źródle fal: mimo że źródło ma stałą częstotliwość, gdy zbliża się do odbiornika, pozorna częstotliwość jest wyższa niż rzeczywista częstotliwość. O ile wyższa zależy tylko od stopnia zamknięcia.

^{Efekt Dopplera na hałas pociągu: Dźwięk jest wyższy z przodu niż z tyłu}

W DVOR, pary przeciwległych anten (nadal Alford pętle) są stale włączane / wyłączane, skanując całą tablicę w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, pełne skanowanie jest wykonywane 30 razy na sekundę. Właściwie są dwie grupy anten, a nie dwie anteny, aby umożliwić mieszanie (płynne przejście z jednej pary do drugiej), ale uprośćmy na sekundę. Z punktu widzenia odbiornika, sygnał wydaje się pochodzić z ruchomego źródła i dlatego przesunięcie Dopplera nastąpi w proporcji zależnej od pozornego kierunku ruchu.

^{DVOR Efekt Dopplera}

Aby umożliwić kompatybilność z odbiornikiem CVOR, to przesunięcie musi wynosić co najwyżej 480 Hz, przy czym 480 Hz to wahania FM podnośnej w CVOR. Proste obliczenia pokazują, że średnica tablicy musi wynosić około 14 m (46 stóp).

Aby wygenerować modulowany sygnał FM, niezmodulowana podnośna 9960 Hz jest wysyłana na " obrotowej " parze anten. Przesunięcie Dopplera jest maksymalna, gdy kierunek odbiornika jest styczny do trajektorii pary a i minimalna, gdy para jest prostopadła do kierunku odbiornika. To przesunięcie jest dokładnie reprezentatywne dla namiaru statku powietrznego i jest zmienną modulacją sygnału, której potrzebujemy.

Z perspektywy sygnału radiowego, tylko częstotliwości pasma bocznego są używane do transmisji podnośnej 9960 Hz (częstotliwość VOR f +/- 9960 Hz). Nośnik jest sam przesyłany na centralnej antenie, modulowany AM przez sygnał odniesienia. W ten sposób nośna nie podlega przesunięciu Dopplera.

Dolna linia … Podobnie jak w CVOR, odbiornik widzi sygnał złożony: nośna AM modulowana 30 Hz (która jest zamiast tego odniesieniem sygnału zmiennego), z podnośną FM " modulowaną " w wyniku efektu Dopplera, przy 30 Hz (częstotliwość skanu, teraz reprezentuje zmienny sygnał zamiast odniesienia) i z odchyleniem niedaleko oczekiwanego 480 Hz.

Mieszanie: Jeśli para anten była używana pojedynczo, liczba mierzalne namiary byłyby równe liczbie anten w szyku (około 50). Aby stworzyć bardziej ciągłe skanowanie (a tym samym większą liczbę mierzalnych namiarów), anteny, które poprzedzają i podążają za anteną główną, również są zasilane sygnałem podnośnej, ale z mniejszą mocą. To " łączy " przejście z pozycji skanowania do następnej.

Zobacz także Co powoduje zmianę fazy w VOR? dla lepszego wyjaśnienia DVOR.

TACAN namiar

TACAN jest oparty na stacjonarnej antenie oraz obrotowym systemie pasożytniczym. Antena bazowa jest pionowa i wspólna dla przyrządów do pomiaru odległości i namiaru.

Elementy pasożytnicze w polu antenowym odnoszą się do pasywnych elementów anteny dodanych do rzeczywistego aktywnego promiennika. Reflektor zmniejsza wzmocnienie po swojej stronie, a reżyser zwiększa wzmocnienie po swojej stronie ( więcej ). Dobrze znana antena kierunkowa Yagi (tutaj z polaryzacją poziomą) ma dwa typy elementów pasożytniczych:

^{( Źródło , zmodyfikowane)}

Te elementy są używane w TACAN, ale obracają się wokół aktywnego elementu:

^{( Źródło , zmodyfikowane)}

• Centralny element, który jest również używany w części DME, przesyła sygnał o stałej amplitudzie.

• Obracający się bęben z reflektor elektrycznie dostosowuje charakterystykę promieniowania, dodając spadek sygnału (niskie wzmocnienie), który obraca się z prędkością 900 obr / min, co odpowiada modulacji amplitudy 15 Hz. Charakterystyka promieniowania w planie poziomym ma kształt kardioidy:
  

  ^{(Źródło: Postępy w elektronice i fizyce elektronowej, tom 68 , zmodyfikowany)}

• Inny bęben z zestawem 9 reżyserów, mechanicznie połączony z pierwszym, tworzy dodatkowe tętnienie amplitudy 135 Hz (9×15) w modulacji 15 Hz:

  

  ^{(źródło: Postępy w elektronice i fizyce elektronów, tom 68 , zmodyfikowany)}

Teraz musimy zacząć od nowa rozumowanie biorąc pod uwagę, że Sygnał TACAN nie jest transmitowany na stałe, ale tylko kluczowany (włączany / wyłączany) przez impulsy informacji. Burst są dwojakiego rodzaju:

• Impulsy odniesienia
• Odpowiedzi DME .

impulsy referencyjne to np zasilane zgodnie z orientacją wzorca modulacji:

• Kiedy szczyt 15 Hz jest skierowany na północ, wysyłany jest główny impuls odniesienia. Impuls składa się z 24 impulsów.

z asymetrycznym cyklem pracy.

• Kiedy którykolwiek ze szczytów 135 Hz jest skierowany na wschód, wysyłany jest dodatkowy impuls odniesienia. Seria składa się z 24 impulsów z symetrycznym cyklem pracy.

^{(Źródło: Postępy w elektronice i fizyce elektronowej, tom 68 . Zmodyfikowano)}

Czas trwania tych serii jest tylko częścią cyklu 15 Hz, co oznacza, że jeśli jest niewiele zapytań DME samolotu, przez większość czasu sygnał TACAN nie jest kluczowany, a zatem nie jest transmitowany. Ten brak transmisji spowodowałby trudności dla odbiornika samolotu:

• Dostosowanie wzmocnienia odbiornika (AGC) w celu przeciwdziałania zanikaniu.
• Aby zidentyfikować 15 Hz i 135 Hz modulacje.

Aby zachować zdolność odbioru, sygnał TACAN jest zamiast tego kluczowany ze stałą częstotliwością 2700 par impulsów na sekundę, dodając impulsy squittera , jeśli to konieczne aby wypełnić puste miejsca. Im więcej zapytań DME jest odbieranych przez TACAN, tym więcej impulsów odpowiedzi DME jest wysyłanych, tym mniej impulsów squitter jest potrzebnych (więcej w MIL-STD-291 ) .

^{Sygnał 135 Hz został usunięty dla uproszczenia ( Źródło )}

Modulacja 135 Hz jest używana do określania namiaru. Porównując czas pomiędzy dodatkowym impulsem a późniejszym odbiorem jednego z 9 szczytów sygnału, możliwe jest określenie namiaru statku powietrznego względem stacji naziemnej. Główny impuls (15 Hz) służy do ujednoznacznienia, który z 9 występów został użyty, a zatem który z sektorów 40 ° (360/9) jest faktycznie odpowiedni dla łożyska.

Teoretycznie zastosowanie górnego końca pasma UHF i tętnienia 135 Hz zwiększają dokładność łożyska o jeden rząd wielkości w porównaniu z VOR. W praktyce jest to mniej, ale wciąż lepiej niż VOR.

Zasada DME polega na pomiarze czasu, jaki zajmuje sygnał radiowy przejazd w obie strony do stacji naziemnej. Gdy fale radiowe poruszają się z prędkością światła, poznanie czasu oznacza poznanie odległości." Samolot odpytuje transponder naziemny za pomocą serii par impulsów (zapytań) i po precyzyjnym opóźnieniu czasowym (zwykle 50 mikrosekund) stacja naziemna odpowiada identyczna sekwencja par impulsów. " (Wikipedia).

Komentarze

• Niezła odpowiedź. +1 Sam się nad tym zastanawiałem. Czy wiesz, czy większość samolotów wojskowych jest przystosowana do odczytywania VOR?
• @TomMcW: Dzięki! TACAN ma większe moce transmisji dla większego zasięgu, nie ' nie wiem, czy ' jest naprawdę potrzebny do odbioru VOR, ale jeśli jest to, że to ' jest kwestią dodania anteny, odbiornika i CDI, nic wielkiego. Może to być przydatne w przypadku podejść cywilnych nieprecyzyjnych.
• C-130 ' mają zarówno odbiorniki VOR, jak i TACAN, a ja ' d podejrzewam, że większość samolotów transportowych też to robi, ponieważ obce pola mogą być obsługiwane przez VOR / DME ' s, a nie VORTAC ' s.
• Świetna odpowiedź! Przy większym zakresie & mniejszym rozmiarze TACAN wydaje się lepszą technologią, ale poza wojskiem VOR wydaje się dominować. Jakie zalety ma system VOR?
• Dzięki @RalphJ: Uważam, że VOR został zaprojektowany z myślą o antenach stacjonarnych w celu prostej konserwacji. Obecnie łatwo jest zsyntetyzować / wysyłać z tętnienia dziewiątej harmonicznej TACAN przy użyciu macierzy fazowych i chipów DSP o wysokiej rozdzielczości, ale w tamtym czasie nie były one ' t dostępne.

Cóż, krótka odpowiedź brzmi że działa w taki sam sposób jak VOR, z wyjątkiem tego, że używa UHF zamiast VHF – i dlatego jest mniej podatny na zniekształcenia – i zawsze zawiera DME, więc podany jest zarówno zasięg, jak i łożysko. VOR / DME to odpowiednik cywilny.

Komentarze

• VOR / DME byłby odpowiednikiem cywilnym. VORTAC to połączenie cywilne i wojskowe.
• @TomMcW Kaszel, kaszel, hm.