Como funciona o TACAN?

Qual é a diferença entre o TACAN e o VHF Omnidirecional Sistema de alcance (VOR)?

Uma pergunta muito curta, mas a resposta exige a descrição de várias técnicas que por si mesmas são difíceis de resumir sem tomar liberdades com a realidade , então a postagem é bastante longa e deve ser lida por seções de interesse em vez de totalmente de uma vez. E para aqueles que não estão interessados nas técnicas de design, felizmente há um …

Resposta curta

Princípio do design:

• A TACAN usa UHF para aumentar rumo precisão. Ele consiste em um único sistema integrado que realiza a determinação do rumo e da distância ao mesmo tempo. Neste sistema, a estação terrestre é um transponder e o interrogador está a bordo da aeronave (ao contrário do transponder SSR). A frequência é como graduações em uma escala, quando a frequência aumenta, as graduações na escala são mais densas e as leituras são mais precisas.

• A VOR funciona em VHF para determinação de rumo. Nenhuma ação da aeronave é necessária para acionar o sinal da estação terrestre, que é permanente. Para determinar a distância, outro sistema independente, o DME , é usado. O DME foi emprestado a militares e na verdade é um TACAN sem seus componentes de rolamento (portanto, é um transponder interrogado pela aeronave).
  Ao selecionar uma frequência VOR em uma aeronave civil, a aviônica realmente define o receptor VOR nesta frequência e o interrogador DME autônomo em algum " emparelhado " Frequência UHF obtida da tabela de emparelhamento padrão ICAO ( página 6 ). VOR e DME não compartilham nada a bordo além da tabela de emparelhamento de frequência.

Antenas de estação:

• A antena TACAN original é feita de dois pequenos tambores rotativos com elementos de antena parasitas (ver detalhes abaixo). Um TACAN pode ser instalado em navios ou estações móveis. A antena TACAN é externamente semelhante a um VOR convencional. Um TACAN no Alasca durante um exercício:

  

  ^{(Fonte: Wikipedia )}
  O cilindro contém o sistema de antena rotativa. No TACAN mais moderno, a rotação mecânica foi substituída por matrizes digitalizadas eletronicamente , reduzindo o tamanho:

  

  ^{TACAN transportável, fonte}

• Doppler VOR (DVOR) são mais comuns do que VOR convencional (CVOR), porque podem estar localizados em aeródromos (CVOR: Veja abaixo para detalhes ) A antena DVOR é uma grande matriz circular com uma antena de referência central e um grande contrapeso sob a matriz. VOR às vezes são colocados com uma estação DME, nesse caso, a antena vertical DME está acima e coaxial ao sistema VOR.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, antena DME na parte superior da antena de referência VOR central. (fonte: Wikipedia )}
  Como a parte DME é comum ao VOR / DME e ao TACAN, é tecnicamente possível associar um VOR a um TACAN para obter uma estação VORTAC . Os militares usam o TACAN, os civis usam o VOR e as informações DME do TACAN:

  

  ^{Um TACAN completo no lugar da antena DME anterior. Fonte}

• Além disso, o VOR (CVOR / DVOR) usa Antenas de loop Alford que são polarizadas horizontalmente e irradiam baixo no horizonte. Eles são sensíveis à reflexão sobre os obstáculos. Um contrapeso elétrico é necessário para ocultar o solo e aumentar o ângulo de radiação.Este plano de solo artificial pode ser muito grande:

  

  ^{PFN Vortac (desativado), fonte}

Sinais:

• Um VOR transmite informações de rumo continuamente.

• Um TACAN só envia pares de pulso de resposta quando interrogado (veja a explicação abaixo). Esses pares codificam as informações de rolamento e DME.

• Um TACAN geralmente é mais poderoso do que um VOR e tem uma faixa de uso maior.

Vou me concentrar em explicar os sistemas de determinação de rolamentos e explicar o DME como um componente integrante do TACAN. Além disso, existem dois tipos de VOR, convencional e Doppler, que funcionam de forma muito diferente, mesmo se entregarem sinais para o receptor comum (desavisado).

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Princípio de determinação de rumo

O princípio comum de determinação de rumo é enviar dois sinais da estação terrestre:

• Um sinal de referência informando a qualquer receptor sobre a orientação atual do sinal ativo.

• Uma variável sinal permitindo que um determinado receptor determine quando o sinal ativo está " apontando " para o receptor (apontar não é o palavra como os sinais DVOR são omnidirecionais, veja mais em esta resposta ).

O receptor determina sua direção relativa comparando esses dois sinais. Ambos os sinais são funções seno, o valor de orientação é representado pela fase atual desta função. Tanto o VOR quanto o TACAN usam esse princípio básico, embora percebam isso de maneira diferente.

A fase do sinal tem o papel principal nesta história, então vamos ter certeza de que concordamos com o significado:

• Qualquer sinal periódico (repetitivo) pode ser visto como o resultado de um vetor girando em alguma taxa $ \ small \ omega $ . A função seno para o ângulo $ \ small x $ é $ \ small y = sin (x) $ . Aplicado a uma onda sinusoidal de frequência $ \ small f $ e amplitude de pico $ \ small A $ , torna-se $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ onde $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . O ângulo $ \ small \ omega t + \ varphi $ foi dividido entre fase $ \ small \ omega t $ e a fase na origem $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ é nulo se iniciarmos um ciclo no tempo 0, esse geralmente é o caso. De forma mais simples, a quantidade $ \ small \ omega t $ representa quanto o vetor girou no tempo $ t $ . É um ângulo, zerado após uma volta completa, pois indica no final qual parte de um ciclo completo já foi gasto (em que fase estamos no ciclo). Visualmente:

^{Ângulo de fase de uma onda senoidal}

A partir disso, é claro que comparar fases de dois sinais com a mesma frequência (simples de fazer com a eletrônica) é equivalente a comparar quanto tempo um fica atrás do outro (o tempo é realmente difícil de medir).

Tipos de VOR

Estações VOR convencionais (CVOR) e Doppler VOR (DVOR) são percebidas de forma idêntica por receptor, embora transmitam sinais muito diferentes. O DVOR usa truques para imitar um CVOR e enganar o receptor CVOR. Os CVOR quase desapareceram de vista porque, devido à sua sensibilidade aos reflexos, não podem ser localizados em aeródromos ou próximos a estradas. No entanto, o CVOR em rota / alta altitude pode ser encontrado em locais isolados, a razão é que eles são mais compactos e têm um cone de silêncio menor do que o DVOR e os reflexos podem ser minimizados, por exemplo quando o VOR está localizado no topo de uma colina.

Compreender os truques do DVOR sem saber como funciona um CVOR é difícil e não dá pistas sobre como o rumo é realmente determinado. Então, estou receio que precisamos entender o CVOR antes do DVOR.

VOR convencional: CVOR

Antena CVOR inicial costumava ser uma matriz de quatro loops Alford nos cantos de um quadrado imaginário, conhecido por seus nomes convencionais: NW, NE, SW e SE. Os loops NW + SE formam o primeiro par, os loops NE + SW formam o segundo par.

^{CVOR com quatro loops Alford}

Os loops Alford são polarizados horizontalmente e muito sensíveis aos reflexos nos obstáculos circundantes ( multipath ).

As gerações recentes do CVOR usam uma antena com fenda, que é um cilindro fixo com fendas verticais (geralmente quatro fendas):

^{CVOR com antena ranhurada e a antena DME no topo. Fonte: AviaTecho .}

Um contrapeso é colocado sob a matriz para esconder o abrigo VOR e o solo e aumentar a radiação direção, tem o duplo efeito de minimizar reflexos indesejáveis no abrigo e no solo e reduzir o cone de silêncio acima do VOR.

O CVOR cria e usa sinais de referência e variáveis da seguinte maneira:

1. Um gerador de baixa frequência cria três sinais de 30 Hz, idênticos, exceto suas fases. Dois sinais de áudio são derivados de um sinal de referência : o sinal sin tem uma fase na origem de -90 ° e o sinal cos tem uma fase na origem de + 90 ° (o ponto é sen e os sinais cos estão em oposição de fase).
   A fase da referência representa conceitualmente uma direção e costuma ser chamada de goniômetro . Como a frequência desse sinal é de 30 Hz, a direção imaginária que ela representa varre 360 ° 30 vezes por segundo (1.800 rpm, isso é pura abstração, não há partes giratórias em um CVOR).

2. Um gerador de baixa frequência cria um sinal de 9960 Hz que é modulado por FM pela referência. Este sinal é conhecido como a referência subportadora .

   

   ^{VOR convencional diagrama de blocos}

3. Um gerador de HF cria uma portadora de frequência f (f sendo a frequência VOR), esta portadora é dividida em três partes:

   • uma parte é modulada em AM pela subportadora de referência .
   • outra é modulada por AM por sin .
   • a última parte é modulada por AM por cos .

4. O sinal HF com a subportadora de referência é enviado para todas as antenas. Desta forma, a referência pode ser recebida de forma idêntica, independentemente da posição do receptor em torno do CVOR.

5. Os dois outros sinais de HF primeiro têm sua portadora removida, de modo que apenas o bandas laterais subsistem. Isso evita que as portadoras interfiram no espaço, interferências devem ocorrer apenas entre as bandas laterais.
   Então um sinal é enviado para o par de antenas NW + SE, o outro sinal é enviado para o outro par (lembre-se de que os dois pares são perpendiculares).

6. O A magia da modulação espacial faz o resto. As bandas laterais sin e cos são adicionadas como valores de vetor de campo, às vezes as amplitudes individuais são adicionadas, às vezes são subtraídas, em proporção variável. Isso resulta em um padrão cardióide desequilibrado (mais precisamente um Limaçon de Pascal ) que gira em torno das antenas VOR a 1.800 rpm, a direção sendo vinculada à fase da referência (ou sin ou cos , uma vez que estão todos ligados por valores fixos).

7. O sinal resultante da modulação do espaço aparece como uma portadora AM modulada de acordo com a direção do virtual " antena rotativa ". A modulação AM também é um sinal de 30 Hz e é conhecido como o sinal variável .

8. O sinal resultante também contém a amplitude não modificada (e constante ) transportadora com sua subportadora de referência.
   

   ^{Espectro CVOR}

9. Para determinar a direção (o radial) do receptor em relação ao CVOR, basta comparar a fase do sinal variável com a fase do sinal de referência . Ambos estão contidos no sinal resultante. A fase do sinal de referência e a fase do sinal variável são iguais quando a referência " aponta " para o norte (por princípio neste tempo ambas as fases têm um valor de 135 °, a soma de 45 ° e 90 °, mas o valor real não tem influência, apenas a diferença de fase é significativa):
   

   ^{VOR: Determinação do rolamento por comparação de fases}
   Agora que conhecemos o princípio do CVOR, fica mais fácil entender o princípio do DVOR. O DVOR foi criado para compensar alguns pontos fracos do CVOR: O CVOR não é extremamente preciso, a menos que o local de instalação seja selecionado com muito cuidado (nenhum obstáculo). Isso significa pontos isolados, não aeródromos.Essa não é a opção preferida para manutenção e muitas vezes impede ter o CVOR alinhado com a pista para uma abordagem VOR.

De CVOR para Doppler VOR, garantindo retrocompatibilidade

A falta de precisão do VOR está enraizada em duas opções de design:

• As antenas estão próximas uma da outra, qualquer padrão em sua localização tem grandes consequências na precisão.

• O sinal variável é modulado AM, a modulação AM é mortalmente sujeita a erros criados por ruído eletromagnético e multipercurso.

No VOR Doppler (mais uma vez … existem dois tipos de DVOR, a banda lateral única e a banda lateral dupla, vou descrever o DSB aqui):

• As duas antenas ativas estão a uma grande distância uma da outra (diametralmente opostas).

• O sinal variável é modulado em FM.

Para ser compatível com o receptor CVOR, outras mudanças tiveram que ser feitas:

• Como o receptor sti ll compara dois sinais, sendo um AM e o outro FM, o sinal de referência deve ser modulado em AM.

• Porque o resultado da comparação de fase agora está invertido (a variável menos a referência torna-se referência menos variável), a direção de rotação do padrão também deve ser invertida (anti-horário em vez de horário).

• Porque o par de antenas usado para o sinal variável cria deliberadamente um efeito Doppler, a referência deve ser enviada em uma antena central específica preservada do efeito Doppler.

VOR Doppler: DVOR

O princípio de um VOR Doppler serve para criar a modulação de frequência pelo efeito Doppler em vez de pela modulação eletrônica. O efeito Doppler ocorre com uma fonte de onda em movimento: Apesar da fonte ter uma frequência constante, quando se aproxima do receptor a frequência aparente é maior do que a frequência real. O quanto mais alto depende apenas da taxa de fechamento.

^{Efeito Doppler no ruído do trem: o som é mais agudo na frente do que atrás}

No DVOR, pares de antenas opostas (ainda Alford loops) são constantemente ligados / desligados, varrendo todo o array no sentido anti-horário, a varredura completa sendo feita 30 vezes por segundo. Na verdade, existem dois grupos de antenas ao invés de duas antenas envolvidas para permitir a combinação (transição suave de um par para o próximo), mas vamos simplificar por um segundo. Do ponto de vista do receptor, o sinal parece vir de uma fonte móvel e, portanto, um deslocamento Doppler ocorrerá em uma proporção que depende da direção aparente do movimento.

^{Efeito DVOR Doppler}

Para permitir compatibilidade com o receptor CVOR, este deslocamento deve ser de no máximo 480 Hz, sendo 480 Hz a oscilação FM da subportadora no CVOR. Um cálculo simples mostra que o diâmetro da matriz deve ser de cerca de 14 m (46 pés).

Para gerar o sinal modulado de FM, a subportadora não modulada de 9960 Hz é enviada no par " rotativo " de antenas. é máximo quando a direção do receptor é tangencial à trajetória do par a nd mínimo quando o par é perpendicular à direção do receptor. Esta mudança é exatamente representativa do rumo da aeronave e é a modulação de sinal variável de que precisamos.

De uma perspectiva de sinal de rádio, apenas as frequências de banda lateral são usadas para transmitir a subportadora de 9960 Hz (frequência VOR f +/- 9960 Hz). A própria portadora é enviada na antena central, modulada em AM pelo sinal de referência. Desta forma, a portadora não está sujeita ao deslocamento Doppler.

Resultado … Como no CVOR, o receptor vê o sinal composto: Uma portadora AM modulada com 30 Hz (que é a referência ao invés do sinal variável), com uma subportadora FM " modulada " como resultado do efeito Doppler, a 30 Hz (a frequência de a varredura, agora representa o sinal variável em vez da referência) e com uma oscilação não muito longe dos 480 Hz esperados.

Combinação: Se um par de antenas for usado uma de cada vez, o número de rolamentos mensuráveis seriam iguais ao número de antenas na matriz (cerca de 50). Para criar uma varredura mais contínua (e portanto um maior número de rolamentos mensuráveis), as antenas que precedem e seguem a antena principal também são alimentadas pelo sinal da subportadora, mas com uma potência menor. Isso " combina " a transição de uma posição de varredura para a próxima.

Veja também O que faz com que a fase mude em um VOR? para uma melhor explicação do DVOR.

Rolamento TACAN

Um TACAN é baseado em uma antena estacionária mais um sistema parasita em rotação. A antena de base é vertical e comum aos instrumentos de medição de distância e direção.

Elementos parasitas no campo aéreo referem-se a elementos de antena passivos adicionados ao radiador ativo real. Um refletor diminui o ganho lateralmente, um diretor aumenta o ganho lateralmente ( mais ). A conhecida antena direcional Yagi (aqui em uma polarização horizontal) tem dois tipos de elementos parasitas:

^{( Fonte , modificada)}

Esses elementos são usados no TACAN, mas eles estão girando em torno do elemento ativo:

^{( Fonte , modificada)}

• O elemento central, que também é usado para a parte DME, transmite um sinal de amplitude constante.

• Um tambor rotativo com um refletor ajusta eletricamente o padrão de radiação, adicionando uma queda de sinal (baixo ganho) que gira a 900 RPM, o que é equivalente a uma modulação de amplitude de 15 Hz. O padrão de radiação no plano horizontal assume a forma de um cardióide:
  

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

• Outro tambor com um conjunto de 9 diretores, mecanicamente vinculados ao primeiro, cria uma ondulação de amplitude adicional de 135 Hz (9×15) sobre a modulação de 15 Hz:

  

  ^{(Fonte: Avanços em Eletrônica e Física Eletrônica, Volume 68 , modificado)}

Agora precisamos começar novamente o raciocínio levando em consideração que o sinal TACAN não é transmitido permanentemente, mas apenas acionado (ligado / desligado) por rajadas de informações. As rajadas são de dois tipos:

• rajadas de referência
• respostas DME .

bursts de referência são g gerado de acordo com a orientação do padrão de modulação:

• Quando o pico de 15 Hz está voltado para o norte, uma rajada de referência principal é enviada. O burst consiste em 24 pulsos

com um ciclo de trabalho assimétrico.

• Quando qualquer um dos picos de 135 Hz está voltado para o leste, um burst de referência auxiliar é enviado. A explosão consiste em 24 pulsos com um ciclo de trabalho simétrico.

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

A duração desses bursts é apenas uma parte do ciclo de 15 Hz, o que significa que se houver poucas interrogações de DME da aeronave, na maioria das vezes o sinal TACAN não é chaveado, portanto, não é transmitido. Esta falta de transmissão criaria uma dificuldade para o receptor da aeronave:

• Para ajustar o ganho do receptor (AGC) para combater o desvanecimento.
• Para identificar os 15 Hz e 135 Hz modulações.

Para manter a capacidade de recepção, o sinal TACAN é codificado a uma taxa constante de 2.700 pares de pulsos por segundo, adicionando pulsos de squitter se necessário para preencher os espaços em branco. Quanto mais as interrogações DME são recebidas pelo TACAN, mais rajadas de resposta DME são enviadas, menos pulsos de squitter são necessários (mais em MIL-STD-291 ) .

^{O sinal de 135 Hz foi removido para simplificação ( Fonte )}

A modulação de 135 Hz é usada para a determinação do rumo. Ao comparar o tempo entre uma rajada auxiliar e a recepção subsequente de um dos 9 picos de sinal, é possível determinar o rumo da aeronave em relação à estação terrestre. O burst principal (15 Hz) é usado para desambiguar qual dos 9 lóbulos foi usado e, portanto, qual do setor de 40 ° (360/9) é realmente relevante para o rolamento.

Em teoria, o uso da extremidade superior da banda UHF e a ondulação de 135 Hz aumentam a precisão do rolamento em uma ordem de magnitude em comparação com o VOR. Na prática, isso é menos, mas ainda melhor do que o VOR.

O princípio do DME é medir o tempo que um sinal de rádio leva para um ida e volta para a estação terrestre. Como as ondas de rádio viajam na velocidade da luz, saber o tempo é saber a distância." A aeronave interroga o transponder terrestre com uma série de pares de pulsos (interrogações) e, após um atraso de tempo preciso (normalmente 50 microssegundos), a estação terrestre responde com um sequência idêntica de pares de pulsos. " (Wikipedia).

Comentários

• Boa resposta. 1 Tenho me perguntado sobre isso mesmo. Você sabe se a maioria das aeronaves militares também está equipada para ler VOR?
• @TomMcW: Obrigado! TACAN tem potências de transmissão maiores para um alcance maior, eu não ' não sei se ' é realmente necessário receber VOR, mas se é, então, ' uma questão de adicionar uma antena, um receptor e um CDI, não é grande coisa. Pode ser útil para aproximações civis de não precisão.
• C-130 ' s têm receptores VOR e TACAN e I ' d suspeito que a maioria das aeronaves de transporte também o fazem, uma vez que campos estrangeiros podem ser atendidos por VOR / DME ' s em vez de VORTAC ' s.
• Ótima resposta! Com maior alcance & tamanho menor, o TACAN parece ser a melhor tecnologia, mas fora dos militares, o VOR parece predominante. Quais vantagens o sistema VOR tem?
• Obrigado @RalphJ: Eu acredito que o VOR foi projetado com antenas estacionárias em mente para uma manutenção simples. Hoje é fácil sintetizar / transmitir a ondulação de 9º harmônico do TACAN usando matrizes de fase e chips DSP de alta resolução, mas na época eles não eram ' t disponível.

Bem, a resposta curta é que opera da mesma maneira que o VOR, exceto que usa UHF em vez de VHF – e, portanto, está menos sujeito a distorção – e sempre incorpora DME, de modo que um alcance e uma direção são fornecidos. VOR / DME é o equivalente civil.

Comentários

• VOR / DME seria o equivalente civil. VORTAC é uma combinação de civil e militar.
• @TomMcW Tosse, tosse, er yeh.