Cum acționează TACAN?

Cum diferă TACAN de VHF Omnidirecțional Range (VOR) system?

O întrebare foarte scurtă, dar răspunsul necesită descrierea mai multor tehnici care sunt, în sine, dificil de rezumat fără a lua libertăți cu realitatea , deci postarea este destul de lungă și ar trebui citită de secțiuni de interes mai degrabă decât de o dată. Iar pentru cei care nu sunt interesați de tehnicile de proiectare, din fericire există un …

Răspuns scurt

Principiul de proiectare:

• A TACAN utilizează UHF pentru a mări precizie. Se compune dintr-un singur sistem integrat care efectuează simultan determinarea rulmentului și a distanței. În acest sistem, stația de la sol este un transponder, iar interogatorul se află la bordul aeronavei (contrar transponderului SSR). Frecvența este ca gradările pe o scală, când frecvența crește, gradările pe scară sunt mai dense și citirile sunt mai exacte.

• A VOR funcționează pe VHF pentru determinarea rulmenților. Nu este necesară nicio acțiune a aeronavei pentru a declanșa semnalul stației terestre care este permanent. Pentru a determina distanța, se utilizează un alt sistem independent, DME . DME a fost împrumutat militar și este de fapt un TACAN fără componentele sale portante (deci este un transponder interogat de aeronavă).
  Când selectați o frecvență VOR într-o aeronavă civilă, avionica setează de fapt receptorul VOR pe această frecvență și DME interogator independent la unii " asociat " frecvența UHF obținută din tabelul de împerechere standard ICAO ( pagina 6 ). VOR și DME nu împart nimic la bord dincolo de masa de asociere a frecvenței.

Antene de stație:

• Antena TACAN originală este fabricată a două mici tamburi rotative cu elemente de antenă parazite (vezi detaliile de mai jos). Un TACAN poate fi instalat pe nave sau stații mobile. Antena TACAN este similară extern cu un VOR convențional. Un TACAN din Alaska în timpul unui exercițiu:

  

  ^{(Sursa: Wikipedia )}
  Cilindrul conține sistemul de antenă rotativă. În TACAN mai modern, rotația mecanică a fost înlocuită cu matrice scanate electronic , reducând dimensiunea:

  

  ^{TACAN transportabil, sursă}

• Doppler VOR (DVOR) sunt mai frecvente decât VOR convenționale (CVOR), deoarece pot fi localizate pe aerodromuri (CVOR: vezi mai jos pentru detalii ). Antena DVOR este o matrice circulară mare, cu o antenă centrală de referință și un contrapozit mare sub matrice. VOR sunt uneori colocate cu o stație DME, în acest caz antena verticală DME este deasupra și coaxială sistemului VOR.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, antenă DME în partea de sus a antenei centrale de referință VOR. (sursă: Wikipedia )}
  Deoarece partea DME este comună VOR / DME și TACAN, este posibil din punct de vedere tehnic să asociați un VOR la un TACAN pentru a obține o stație VORTAC . Militarii folosesc TACAN, civilii folosesc informațiile VOR și DME ale TACAN:

  

  ^{Un TACAN complet în locul antenei DME anterioare. Sursă}

• În plus, VOR (CVOR / DVOR) folosește antene cu buclă Alford care sunt polarizate orizontal și radiază la orizont. Sunt sensibili la reflecția asupra obstacolelor. Este necesară o contrapoziție electrică pentru a ascunde solul și a ridica unghiul de radiație.Acest plan de sol artificial poate fi foarte mare:

  

  ^{PFN Vortac (dezafectat), sursă}

Semnale:

• Un VOR transmite continuu informații despre rulmenți.

• Un TACAN trimite doar perechi de impulsuri de răspuns atunci când este interogat (consultați explicația de mai jos). Aceste perechi codifică atât informațiile referitoare la rulmenți, cât și informațiile DME.

• Un TACAN este de obicei mai puternic decât un VOR și are o gamă mai largă de utilizare.

Mă voi concentra pe explicarea sistemelor de determinare a rulmenților și voi explica DME ca o componentă integrantă a TACAN. În plus, există două tipuri de VOR, convenționale și Doppler, care funcționează foarte diferit chiar dacă acestea sunt compatibile semnale către receptorul comun (nebănuit).

---

Principiul determinării lagărului

Principiul comun al determinării lagărului este de a trimite două semnale de la stația de la sol:

• Un semnal de referință care spune oricărui receptor despre orientarea curentă a semnalului activ.

• O variabilă semnal care permite unui anumit receptor să determine când semnalul activ este " îndreptând " către receptor (indicarea nu este exactă pentru că semnalele DVOR sunt omnidirecționale, vezi mai multe în acest răspuns ).

Receptorul își determină influența relativă comparând aceste două semnale. Ambele semnale sunt funcții sinusoidale, valoarea orientării este reprezentată de faza curentă a acestei funcții. Atât VOR, cât și TACAN folosesc acest principiu de bază, deși îl realizează diferit.

Faza de semnal are rolul major în această poveste, deci să fim siguri că suntem de acord cu semnificația:

• Orice semnal periodic (repetitiv) poate fi văzut ca rezultatul unui vector care se rotește cu o anumită rată $ \ small \ omega $ . Funcția sinusoidală pentru unghi $ \ small x $ este $ \ small y = sin (x) $ . Aplicat unei unde sinusoidale de frecvență $ \ small f $ și amplitudine de vârf $ \ small A $ , acesta devine $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ unde $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . Unghiul $ \ small \ omega t + \ varphi $ , a fost împărțit între phase $ \ small \ omega t $ și phase la origine $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ este nul dacă începem un ciclu la momentul 0, acesta este de obicei cazul. Mai simplu, cantitatea $ \ small \ omega t $ reprezintă cât de mult s-a transformat vectorul la timp $ t $ . Este un unghi, resetat după o întoarcere completă, prin urmare indică în final ce porțiune a unui ciclu complet a fost deja cheltuită (care fază ne aflăm în ciclu). Vizual:

^{Unghiul de fază al unei unde sinusoidale}

Din aceasta, este clar că compararea fazelor a două semnale cu aceeași frecvență (simplu de făcut cu electronica) este echivalentă cu comparând cât timp rămâne unul față de celălalt (timpul este de fapt dificil de măsurat).

Tipurile VOR

Stațiile convenționale VOR (CVOR) și Doppler VOR (DVOR) sunt percepute identic de receptorul, deși transmit semnale foarte diferite. DVOR folosește trucuri pentru a imita un CVOR și a înșela receptorul CVOR. CVOR au dispărut aproape din vedere, deoarece, datorită sensibilității lor la reflexii, nu pot fi amplasate pe aerodromuri sau aproape de drumuri. Cu toate acestea, CVOR pe traseu / la mare altitudine poate fi găsit în locuri izolate, motivul este că sunt mai compacte și au un con de liniște mai mic decât DVOR, iar reflexiile pot fi reduse la minimum, de ex. când VOR este situat în vârful unui deal.

Înțelegerea trucurilor DVOR fără a ști cum funcționează un CVOR este dificilă și nu oferă indicii despre modul în care rulmentul este cu adevărat determinat. Deci eu „m ne temem că trebuie să înțelegem CVOR înainte de DVOR.

VOR convențional: CVOR

Antena CVOR timpurie era o matrice de patru bucle Alford la colțurile unui pătrat imaginar, cunoscut după numele lor convenționale: NW, NE, SW și SE. Buclele NW + SE formează prima pereche, buclele NE + SW formează a doua pereche.

^{CVOR cu patru bucle Alford}

Buclele Alford sunt polarizate orizontal și foarte sensibile la reflecțiile obstacolelor înconjurătoare ( multipath ).

Generațiile recente de CVOR folosesc o antenă cu fante, care este un cilindru fix cu fante verticale (în general patru fante):

^{CVOR cu antenă cu slot și antena DME deasupra. Sursă: AviaTecho .}

Un contrapozit este plasat sub tablou pentru a ascunde adăpostul VOR și solul și a ridica radiația direcție, are dublul efect de a reduce la minimum reflexia nedorită asupra adăpostului și a solului și de a reduce conul tăcerii de deasupra VOR.

CVOR creează și utilizează semnalele de referință și variabile în acest fel:

1. Un generator de frecvență joasă creează trei semnale de 30 Hz, identice cu excepția fazelor lor. Două semnale audio sunt derivate dintr-un semnal referință : Semnalul sin are o fază la originea de -90 ° și semnalul cos are o fază la originea de + 90 ° (punctul este păcatul și semnalele cos sunt în opoziție de fază).
   Faza referinței reprezintă în mod conceptual o direcție și este adesea numită goniometru . Deoarece această frecvență a semnalului este de 30 Hz, direcția imaginară pe care o reprezintă se deplasează de 360 ° de 30 de ori pe secundă (1.800 rpm, aceasta este abstracție pură, nu există părți rotative într-un CVOR).

2. Un generator de joasă frecvență creează un semnal de 9960 Hz care este modulat FM de referință. Acest semnal este cunoscut sub numele de reference subcarrier .

   

   ^{VOR convențional diagramă bloc}

3. Un generator HF creează un purtător de frecvență f (f fiind frecvența VOR), acest purtător este împărțit în trei părți:

   • o parte este AM modulată de subpurtătorul de referință .
   • alta este AM modulată de sin .
   • ultima parte este AM modulată de cos .

4. Semnalul HF cu subpurtătorul de referință este trimis către toate antenele. În acest fel, referința poate fi primită identic, indiferent de poziția receptorului în jurul CVOR.

5. Celelalte două semnale HF au mai întâi purtătorul eliminat, astfel încât doar benzi laterale există. Aceasta este pentru a împiedica operatorii să intervină în spațiu, interferențele trebuie să apară numai între benzile laterale.
   Apoi un semnal este trimis la perechea de antene NW + SE, celălalt semnal este trimis la cealaltă pereche (amintiți-vă că cele două perechi sunt perpendiculare).

6. modularea spațiului magia face restul. Benzile laterale sin și cos sunt adăugate ca valori vectoriale de câmp, uneori se adaugă amplitudinile individuale, uneori sunt scăzute, în proporție variabilă. Acest lucru are ca rezultat un model cardioid neechilibrat (mai precis un Limaçon de Pascal ) care se rotește în jurul antenelor VOR la 1.800 rpm, direcția fiind legată de faza referinței (sau sin sau cos , deoarece toate sunt legate prin valori fixe).

7. Semnalul rezultat din modularea spațiului pare a fi un purtător AM modulat în funcție de direcția virtuală " antenă rotativă ". Modulația AM este, de asemenea, un semnal de 30 Hz și este cunoscută sub numele de semnal variabil .

8. Semnalul rezultat conține, de asemenea, amplitudinea nemodificată (și constantă) ) transportator cu subpurtătorul său de referință.
   

   ^{spectru CVOR}

9. Pentru a determina rulmentul (radial) al receptorului în raport cu CVOR, trebuie doar să comparați faza semnalului variabil cu faza semnalului de referință . Ambele sunt conținute în semnalul rezultat. Faza semnalului de referință și faza semnalului variabil sunt egale atunci când referința " indică " spre nord (în principiu la acest timpul în care ambele faze au o valoare de 135 °, suma de 45 ° și 90 °, dar valoarea reală nu are influență, doar diferența de fază este semnificativă):
   

   ^{VOR: Determinarea rulmentului prin compararea fazelor}
   Acum cunoaștem principiul CVOR, este mai ușor să înțelegem principiul DVOR. DVOR a fost creat pentru a compensa unele puncte slabe din CVOR: CVOR nu este teribil de precis, cu excepția cazului în care site-ul de instalare este selectat foarte atent (fără obstacol). Asta înseamnă puncte izolate, nu aerodromuri.Aceasta nu este opțiunea preferată pentru întreținere și acest lucru împiedică adesea ca CVOR să fie aliniat cu pista pentru o abordare VOR.

De la CVOR la Doppler VOR, asigurând retro-compatibilitatea

Lipsa de precizie a VOR este înrădăcinată în două opțiuni de proiectare:

• Antenele sunt apropiate unele de altele, orice implicit în amplasarea lor are consecințe mari în precizie.

• Semnalul variabil este modulat AM, modularea AM este supusă mortal erorilor create de zgomotul electromagnetic și multipath.

În Doppler VOR (încă o dată … există două tipuri de DVOR, banda laterală simplă și banda laterală dublă, voi descrie DSB aici):

• Cele două antene active sunt la o distanță mare una de cealaltă (diametral opuse).

• Semnalul variabil este modulat FM.

Pentru a fi compatibil cu receptorul CVOR, trebuiau făcute alte modificări:

• Pe măsură ce receptorul stă Voi compara două semnale, unul fiind AM, celălalt FM, semnalul de referință trebuie să fie modulat AM.

• Deoarece rezultatul comparației de fază este acum inversat (variabila minus de referință devine de referință minus variabilă), direcția de rotație a modelului trebuie, de asemenea, inversată (în sens invers acelor de ceasornic în locul acelor de ceasornic).

• Deoarece perechea de antene utilizate pentru semnalul variabil creează în mod deliberat un efect Doppler, referința trebuie trimisă pe o antenă centrală specifică păstrată de efectul Doppler.

Doppler VOR: DVOR

Principiul un Doppler VOR este de a crea modulația de frecvență prin efect Doppler mai degrabă decât prin modulație electronică. Efectul Doppler apare cu o sursă de undă în mișcare: în ciuda sursei are o frecvență constantă, atunci când se apropie de receptor, frecvența aparentă este mai mare decât frecvența reală. Cât de mare depinde doar de rata de închidere.

^{Efect Doppler asupra zgomotului trenului: sunetul este mai puternic în față decât în spate}

În DVOR, perechi de antene opuse (încă Alford bucle) sunt pornite / oprite în mod constant, scanând întreaga matrice în sens invers acelor de ceasornic, scanarea completă fiind realizată de 30 de ori pe secundă. De fapt, există două grupuri de antene, mai degrabă decât două antene implicate pentru a permite amestecarea (tranziție lină de la o pereche la alta), dar să simplificăm pentru o secundă. Din punct de vedere al receptorului, semnalul pare să provină dintr-o sursă în mișcare și, prin urmare, o schimbare Doppler va avea loc într-o proporție care depinde de direcția aparentă a mișcării.

^{Efect Doppler DVOR}

Pentru a permite compatibilitate cu receptorul CVOR, această deplasare trebuie să fie de cel mult 480 Hz, 480 Hz fiind oscilația FM a purtătorului secundar din CVOR. Un calcul simplu arată că diametrul tabloului trebuie să fie de aproximativ 14 m (46 picioare).

Pentru a genera semnalul FM modulat, subpurtătorul nemodulat de 9960 Hz este trimis pe " perechea " rotativă de antene. Schimbarea Doppler este maximă atunci când direcția receptorului este tangențială la traiectoria perechii a nd minim când perechea este perpendiculară pe direcția receptorului. Această deplasare este exact reprezentativă pentru rulmentul aeronavei și este modulația semnalului variabil de care avem nevoie.

Din perspectiva semnalului radio, numai frecvențele de bandă laterală sunt utilizate pentru a transmite subpurtătorul de 9960 Hz (frecvența VOR f +/- 9960 Hz). Purtătorul este el însuși trimis pe antena centrală, AM modulat de semnalul de referință. În acest fel, purtătorul nu este supus schimbării Doppler.

Linia de fund … Ca în CVOR, receptorul vede semnalul compozit: Un purtător AM modulat cu un 30 Hz (care este în schimb referința) semnalului variabil), cu un subpurtator FM " modulat " ca rezultat al efectului Doppler, la 30 Hz (frecvența de scanare, acum reprezintă semnalul variabil în loc de referință) și cu o oscilație nu departe de 480 Hz.

Amestec: dacă s-au folosit o pereche de antene pe rând, numărul de rulmenții măsurabili ar fi egali cu numărul de antene din matrice (aproximativ 50). Pentru a crea o scanare mai continuă (și, prin urmare, un număr mai mare de rulmenți măsurabili), antenele care preced și urmează antena principală sunt, de asemenea, alimentate de semnalul subpurtător, dar cu o putere mai mică. Această " combină " tranziția de la o poziție de scanare la următoarea.

Vezi și Ce cauzează modificarea fazei într-un VOR? pentru o mai bună explicație a DVOR.

Rulment TACAN

Un TACAN se bazează pe o antenă staționară plus un sistem parazitar rotativ. Antena de bază este verticală și comună instrumentelor de măsurare a distanței și a rulmentului.

Elementele parazite din câmpul aerian se referă la elementele de antenă pasive adăugate radiatorului activ real. Un reflector reduce câștigul pe partea sa, un regizor mărește câștigul pe partea sa ( mai mult ). Cunoscuta antenă direcțională Yagi (aici într-o polarizare orizontală) are cele două tipuri de elemente parazite:

^{( Sursa , modificată)}

Aceste elemente sunt utilizate în TACAN, dar se rotesc în jurul elementului activ:

^{( Sursa , modificată)}

• Elementul central, care este utilizat și pentru porțiunea DME, transmite un semnal de amplitudine constantă.

• Un tambur rotativ cu un reflectorul reglează electric modelul de radiație, adăugând o scădere a semnalului (câștig mic) care se rotește la 900 RPM, care este echivalent cu o modulație de amplitudine de 15 Hz. Modelul de radiații din planul orizontal ia forma unui cardioid:
  

  ^{(Sursa: Progrese în electronică și fizica electronelor, volumul 68 , modificat)}

• Un alt tambur cu un set de 9 regizori, legat mecanic de primul, creează o ondulare de amplitudine suplimentară de 135 Hz (9×15) peste modulația de 15 Hz:

  

  ^{(Sursa: Progrese în electronică și fizica electronilor, volumul 68 , modificat)}

Acum trebuie să începem din nou raționamentul, ținând cont de faptul că semnalul TACAN nu este transmis permanent, ci doar tastat (pornit / oprit) prin rafale de informații. Burst-urile sunt de două feluri:

• Bursturi de referință
• Răspunsuri DME .

Exploziile de referință sunt g alimentat în funcție de orientarea modelului de modulație:

• Când vârful de 15 Hz este orientat spre nord, se trimite o rafală de referință principală. Explozia constă din 24 de impulsuri

cu un ciclu de funcționare asimetric.

• Când oricare dintre vârfurile de 135 Hz este orientat spre est, se trimite o explozie de referință auxiliară. Explozia constă din 24 de impulsuri cu un ciclu de funcționare simetric.

^{(Sursa: Progrese în electronică și fizica electronelor, volumul 68 . Modificat)}

Durata acestor explozii este doar o parte a ciclului de 15 Hz, ceea ce înseamnă că, dacă există puține interogări DME ale aeronavelor, de cele mai multe ori semnalul TACAN nu este tastat, deci nu este transmis. Această lipsă de transmisie ar crea o dificultate pentru receptorul aeronavei:

• Pentru a regla câștigul receptorului (AGC) la contracolorarea.
• Pentru a identifica 15 Hz și 135 Hz modulații.

Pentru a menține capacitatea de recepție, semnalul TACAN este tastat la o rată constantă de 2.700 de perechi de impulsuri pe secundă, adăugând impulsuri squitter dacă este necesar pentru a umple golurile. Cu cât TACAN primește mai multe interogări DME, cu atât sunt trimise mai multe explozii de răspuns DME, cu atât sunt mai puține impulsuri de squitter (mai multe în MIL-STD-291 ) .

^{Semnalul de 135 Hz a fost eliminat pentru simplificare ( Sursă )}

Modulația de 135 Hz este utilizată pentru determinarea rulmentului. Prin compararea timpului dintre o explozie auxiliară și recepția ulterioară a unuia dintre cele 9 vârfuri de semnal, este posibil să se determine lagărul aeronavei în raport cu stația de la sol. Rafala principală (15 Hz) este utilizată pentru a dezambigua care dintre cei 9 lobi a fost utilizată și, prin urmare, care din sectorul 40 ° (360/9) este de fapt relevant pentru rulment.

În teorie, utilizarea a capătului superior al benzii UHF și a ondulației de 135 Hz cresc precizia rulmentului cu un ordin de mărime comparativ cu VOR. În practică, acest lucru este mai mic, dar este totuși mai bun decât VOR.

Principiul DME este de a măsura timpul necesar unui semnal radio pentru un dus-întors la stația de la sol. Pe măsură ce undele radio călătoresc cu viteza luminii, cunoașterea timpului înseamnă cunoașterea distanței." Avionul interogă transponderul la sol cu o serie de perechi de impulsuri (interogații) și, după o întârziere precisă (de obicei 50 de microsecunde), stația la sol răspunde cu un secvență identică de perechi de impulsuri. " (Wikipedia).

Comentarii

• Frumos raspuns. +1 M-am întrebat și eu despre asta. Știți dacă majoritatea avioanelor militare sunt echipate să citească și VOR?
• @TomMcW: Mulțumesc! TACAN are puteri de transmisie mai mari pentru o gamă mai mare, nu ' nu știu dacă ' este într-adevăr necesar pentru a primi VOR, dar dacă Este, atunci, ' o chestiune de a adăuga o antenă, un receptor și un CDI, nu este mare lucru. Ar putea fi util pentru abordări civile fără precizie.
• C-130 ' s au atât receptoare VOR cât și receptoare TACAN, iar I ' suspectează că majoritatea aeronavelor de transport sunt la fel de bune, deoarece câmpurile străine pot fi deservite de VOR / DME ' mai degrabă decât de VORTAC ' s.
• Răspuns excelent! Cu o gamă mai mare & de dimensiuni mai mici, TACAN pare tehnologia mai bună, dar în afara armatei, VOR pare predominant. Ce avantaje are sistemul VOR?
• Mulțumesc @ RalphJ: Cred că VOR a fost proiectat având în vedere antenele staționare pentru o întreținere simplă. Astăzi este ușor să sintetizați / să formați cea de-a 9-a ondulație armonică a TACAN utilizând matrice cu etape și cipuri DSP de înaltă rezoluție, dar la acea vreme nu erau ' t disponibil.