Hur fungerar TACAN?

Hur skiljer sig TACAN från VHFs riktning Range (VOR) -system?

En mycket kort fråga, men svaret kräver att man beskriver flera tekniker som i sig är svåra att sammanfatta utan att ta sig frihet med verkligheten , så inlägget är ganska långt och bör läsas av avsnitt av intresse snarare än helt på en gång. Och för dem som inte är intresserade av designtekniker finns det lyckligtvis …

Kort svar

Designprincip:

• A TACAN använder UHF för att öka lager precision. Den består av ett enda integrerat system som utför lager- och avståndsbestämning på en gång. I detta system är markstationen en transponder och förhöraren är ombord på flygplanet (i motsats till SSR-transpondern). Frekvensen är som grader på en skala, när frekvensen ökar är graderingen på skalan tätare och avläsningarna är mer exakta.

• A VOR fungerar på VHF för lagbestämning. Inga flygplansåtgärder krävs för att utlösa markstationssignalen som är permanent. För att bestämma avstånd används ett annat oberoende system, DME . DME har lånats ut till militären och är faktiskt en TACAN utan dess bärande komponenter (så det är en transponder som förhörs av flygplanet).
  När man väljer en VOR-frekvens i ett civilt flygplan ställer flygindustrin faktiskt VOR-mottagaren på denna frekvens, och den fristående DME -frågan vid någon " ihopkopplad " UHF-frekvens erhållen från ICAO-standardparningstabellen ( sida 6 ). VOR och DME delar ingenting ombord utöver frekvensparningstabellen.

Stationantenner:

• Den ursprungliga TACAN-antennen är tillverkad av två små roterande trummor med parasitiska antennelement (se detaljer nedan). En TACAN kan installeras på fartyg eller mobila stationer. TACAN-antennen liknar externt en konventionell VOR. En TACAN i Alaska under en övning:

  

  ^{(Källa: Wikipedia )}
  Cylindern innehåller det roterande antennsystemet. I mer modern TACAN har den mekaniska rotationen ersatts av elektroniskt skannade matriser , vilket minskar storleken:

  

  ^{Transportabel TACAN, källa}

• Doppler VOR (DVOR) är vanligare än konventionell VOR (CVOR), eftersom de kan placeras på flygfält (CVOR: Se nedan för detaljer ). DVOR-antennen är en stor cirkulär grupp med en central referensantenn och en stor motställning under matrisen. Ibland samlas VOR ibland med en DME-station, i så fall är den vertikala DME-antennen ovanför och koaxial mot VOR-systemet.

  

  ^{Lambourne VOR / DME, DME-antenn ovanpå den centrala VOR-referensantennen. (källa: Wikipedia )}
  Eftersom DME-delen är gemensam för VOR / DME och TACAN är det tekniskt möjligt att associera en VOR till en TACAN för att få en VORTAC -station. Militär använder TACAN, civilt använder VOR och DME-informationen för TACAN:

  

  ^{En fullständig TACAN istället för den tidigare DME-antennen. Källa}

• Dessutom använder VOR (CVOR / DVOR) Alford-loopantenner som är horisontellt polariserade och strålar lågt i horisonten. De är känsliga för reflektion över hinder. En elektrisk motställning krävs för att dölja marken och höja strålningsvinkeln.Det här konstgjorda jordplanet kan vara väldigt stort:

  

  ^{PFN Vortac (avvecklad), källa}

Signaler:

• En VOR överför bärande information kontinuerligt.

• En TACAN skickar endast svarspulspar när den förhörs (se förklaringen nedan). Dessa par kodar både lager- och DME-information.

• Ett TACAN är vanligtvis kraftfullare än en VOR och har ett större användningsområde.

Jag kommer att fokusera på att förklara lagerbestämningssystem och förklara DME som en integrerad komponent i TACAN. Dessutom finns det två typer av VOR, konventionell och doppler, som fungerar väldigt olika även om de levererar kompatibla signaler till den (intet ont anande) gemensamma mottagaren.

---

Lagerbestämningsprincip

Den gemensamma principen för lagerbestämning är att skicka två signaler från markstationen:

• En referenssignal som talar om för varje mottagare kring den aktuella signalens aktuella orientering.

• En variabel signal tillåter en viss mottagare att bestämma när den aktiva signalen " pekar " till mottagaren (pekande är inte exakt ord eftersom DVOR-signalerna är rundstrålande, se mer i detta svar ).

Mottagaren bestämmer dess relativa lager genom att jämföra dessa två signaler. Båda signalerna är sinusfunktioner, orienteringsvärdet representeras av aktuell fas för denna funktion. Både VOR och TACAN använder denna grundläggande princip, fastän de inser det annorlunda.

Signalen fas har den viktigaste rollen i den här berättelsen, så låt oss vara säkra på att vi är överens om betydelsen:

• Vilken periodisk (repetitiv) signal som helst kan ses som ett resultat av att en vektor vänder i någon takt $ \ liten \ omega $ . Sinusfunktionen för vinkel $ \ small x $ är $ \ small y = sin (x) $ . Används på en sinusformad frekvensvåg $ \ small f $ och toppamplitud $ \ small A $ , detta blir $ \ small y = A.sin (\ omega t + \ varphi) $ där $ \ small \ omega = 2 \ pi f $ . Vinkeln $ \ small \ omega t + \ varphi $ har delats mellan phase $ \ small \ omega t $ och phase vid ursprung $ \ small \ varphi $ . $ \ small \ varphi $ är noll om vi startar en cykel vid tidpunkt 0, så är det vanligtvis fallet. Enklare representerar kvantiteten $ \ small \ omega t $ hur mycket vektorn har vänt vid tiden $ t $ . Det är en vinkel, återställs efter en hel sväng, därför indikerar det i slutet vilken del av en hel cykel som redan har spenderats (vilken fas vi är i cykeln). Visuellt:

^{Fasvinkel för en sinusvåg}

Från det är det uppenbart att jämföra faser med två signaler med samma frekvens (enkelt att göra med elektronik) motsvarar jämföra hur mycket tid en ligger efter den andra (tiden är faktiskt svår att mäta).

VOR-typer

Konventionella VOR (CVOR) och Doppler VOR (DVOR) stationer uppfattas identiskt av mottagaren, även om de sänder mycket olika signaler. DVOR använder trick för att härma en CVOR och lura CVOR-mottagaren. CVOR har nästan försvunnit ur sikte eftersom de på grund av sin känslighet för reflektioner inte kan placeras på flygfält eller nära vägar. Emellertid kan CVOR på väg / hög höjd hittas på isolerade platser, anledningen är att de är mer kompakta och har en mindre tystnad än DVOR och reflektioner kan minimeras, t.ex. när VOR är placerad på toppen av en kulle.

Att förstå DVOR-trick utan att veta hur en CVOR fungerar är svårt och ger inte ledtrådar om hur lagret verkligen bestäms. Så jag är rädd att vi måste förstå CVOR innan DVOR.

Konventionell VOR: CVOR

Tidig CVOR-antenn brukade vara en grupp med fyra Alford-slingor i hörnen av en imaginär kvadrat, känd med deras konventionella namn: NW, NE, SW och SE. NW + SE-slingor bildar det första paret, NE + SW-slingor utgör det andra paret.

^{CVOR med fyra Alford-öglor}

Alford-öglor är horisontellt polariserade och mycket känsliga för reflektioner över omgivande hinder ( flerväg ).

Nya generationer av CVOR använder en slitsad antenn, som är en fast cylinder med vertikala slitsar (vanligtvis fyra slitsar):

^{CVOR med slitsad antenn och DME-antennen på toppen. Källa: AviaTecho .}

En kontrapunkt placeras under matrisen för att dölja VOR-skyddet och marken och höja strålningen riktning har den dubbla effekten att minimera oönskad reflektion på skyddet och marken och minska tystnadskonen ovanför VOR.

CVOR skapar och använder referens- och variabelsignaler på detta sätt:

1. En lågfrekvensgenerator skapar tre 30 Hz-signaler, identiska utom deras faser. Två ljudsignaler härrör från en referens -signal: sin -signalen har en fas vid -90 ° och cos -signalen har en fas vid ursprung + 90 ° (punkten är sin och cos-signalerna är i fasmotstånd).
   Referensfasen representerar begreppsmässigt en riktning och kallas ofta goniometer . Eftersom denna signalfrekvens är 30 Hz sveper den imaginära riktningen den representerar 360 ° 30 gånger per sekund (1800 rpm, detta är ren abstraktion, det finns inga roterande delar i en CVOR).

2. En lågfrekvensgenerator skapar en 9960 Hz-signal som FM-moduleras av referensen. Denna signal är känd som referens subcarrier .

   

   ^{Konventionellt VOR blockdiagram}

3. En HF-generator skapar en bärare av frekvensen f (f eftersom det är VOR-frekvensen), är denna bärare uppdelad i tre delar:

   • en del är AM-modulerad av referensunderbäraren .
   • en annan är AM-modulerad av sin .
   • den sista delen är AM-modulerad av cos .

4. HF-signalen med referensunderbäraren skickas till alla antenner. På detta sätt kan referensen tas emot identiskt oavsett mottagarens position runt CVOR.

5. De två andra HF-signalerna har först tagit bort deras bärare, så att endast sidoband finns. Detta för att förhindra att bärare stör störningar i rymden. störningar får endast ske mellan sidobanden.
   Sedan skickas en signal till NW + SE-paret av antenner, den andra signalen skickas till det andra paret (kom ihåg att de två paren är vinkelräta).

6. rymdmodulering magi gör resten. Sidbanden sin och cos läggs till som fältvektorvärden, ibland adderas de enskilda amplituderna, ibland subtraheras de, i variabel proportion. Detta resulterar i ett obalanserat cardioid mönster (närmare bestämt ett Limaçon de Pascal ) som roterar runt VOR-antennerna vid 1800 varv / min, varvid riktningen är kopplad till fasen för referensen (eller sin eller cos , eftersom de alla är länkade av fasta värden).

7. Signalen som härrör från rymdmodulering verkar som att vara en bärvåg AM-modulerad enligt riktningen för den virtuella " roterande antenn ". AM-moduleringen är också en 30 Hz-signal och är känd som den variabla signalen .

8. Den resulterande signalen innehåller också den omodifierade (och konstanta amplituden ) bärare med sin referensunderbärare.
   

   ^{CVOR-spektrum}

9. För att bestämma mottagarens lager (radiella) relativt CVOR behöver man bara jämföra fasen för den variabla signalen med fasen för referenssignalen . Båda ingår i den resulterande signalen. Fasen för referenssignalen och fasen för den variabla signalen är lika när referensen " pekar " till norr (per princip vid denna tid båda faserna har ett värde på 135 °, summan av 45 ° och 90 °, men det verkliga värdet har inget inflytande, bara fasskillnaden är meningsfull):
   

   ^{VOR: Bestämning av lagret genom att jämföra faser}
   Nu vet vi principen om CVOR, det är lättare att förstå principen för DVOR. DVOR skapades för att kompensera för vissa svagheter i CVOR: CVOR är inte så exakt om inte installationsplatsen är mycket noggrant utvald (inget hinder). Det betyder isolerade punkter, inte flygfält.Det är inte det föredragna alternativet för underhåll och detta utesluter ofta att CVOR är i linje med banan för en VOR-inflygning.

Från CVOR till Doppler VOR, vilket säkerställer retrokompatibilitet

Bristen på precision hos VOR har sina rötter i två designalternativ:

• Antennerna ligger nära varandra, varje standard i deras placering har stora konsekvenser i noggrannhet.

• Den variabla signalen är AM-modulerad, AM-moduleringen är dödlig föremål för fel som skapas av elektromagnetiskt brus och flerväg.

I Doppler VOR (återigen … det finns två typer av DVOR, det enda sidobandet och det dubbla sidobandet, jag beskriver DSB här):

• De två aktiva antennerna ligger på ett stort avstånd från varandra (diametralt motsatta).

• Den variabla signalen är FM-modulerad.

För att vara kompatibel med CVOR-mottagaren måste andra ändringar göras:

• Eftersom mottagaren sti Jag jämför två signaler, den ena är AM, den andra FM, måste referenssignalen AM-moduleras.

• Eftersom resultatet av fasjämförelsen nu är inverterad (variabel minus referens blir referens minus variabel), måste rotationsriktningen för mönstret också vara inverterad (moturs istället för medurs).

• Eftersom det antennpar som används för den variabla signalen skapar medvetet en dopplereffekt, måste referensen skickas till en specifik centralantenn som bevaras från dopplereffekten.

Doppler VOR: DVOR

Principen om en Doppler VOR är att skapa frekvensmoduleringen genom Dopplereffekt snarare än genom elektronisk modulering. Dopplereffekten uppstår med en rörlig vågkälla: Trots att källan har en konstant frekvens, när den kommer närmare mottagaren är den synliga frekvensen högre än den faktiska frekvensen. Hur mycket högre beror bara på stängningshastigheten.

^{Dopplereffekt på tågbuller: Ljudet är högre i fronten än på baksidan}

I DVOR, par motstående antenner (fortfarande Alford slingor) slås ständigt på / av och skannar hela uppsättningen moturs, och hela skanningen görs 30 gånger per sekund. Egentligen finns det två grupper av antenner snarare än två antenner involverade för att möjliggöra blandning (smidig övergång från ett par till nästa), men låt oss förenkla en sekund. Ur mottagarens synpunkt verkar signalen komma från en rörlig källa, och därför kommer en Doppler-förskjutning att ske i en proportion som beror på den uppenbara riktningen för rörelsen.

^{DVOR Doppler-effekt}

För att möjliggöra kompatibilitet med CVOR-mottagaren, måste detta skifte vara högst 480 Hz, 480 Hz är FM-svängningen för underbäraren i CVOR. En enkel beräkning visar att arraydiametern måste vara cirka 14 m (46 fot).

För att generera den FM-modulerade signalen skickas den omodulerade 9960 Hz-underbäraren på " roterande " antennpar. Doppler-växlingen är maximalt när mottagarriktningen är tangentiell för parbanan a och minimalt när paret är vinkelrätt mot mottagarens riktning. Denna förskjutning är exakt representativ för flygplanets lager och är den variabla signalmoduleringen vi behöver.

Ur ett radiosignalperspektiv används endast sidobandfrekvenserna för att sända 9960 Hz underbärvåg (VOR-frekvens f +/- 9960 Hz). Bäraren skickas själv på den centrala antennen, AM-modulerad av referenssignalen. På detta sätt är bäraren inte föremål för Doppler-förskjutning.

Nedre raden … Som i CVOR, ser mottagaren den sammansatta signalen: En bärare AM modulerad med en 30 Hz (vilket är referensen istället av den variabla signalen), med en underbärvåg FM " modulerad " som ett resultat av Doppler-effekten vid 30 Hz (frekvensen för skanningen representerar den nu den variabla signalen istället för referensen) och med en svängning inte långt från de förväntade 480 Hz.

Blandning: Om ett par antenner användes en i taget, var antalet mätbara lager skulle vara lika med antalet antenner i matrisen (cirka 50). För att skapa en mer kontinuerlig skanning (och därmed ett större antal mätbara lager) matas antennerna som föregår och följer huvudantennen också av underbärsignalen, men med en mindre effekt. Denna " blandar " övergången från en skanningsposition till nästa.

Se även Vad gör att fasen ändras i en VOR? för en bättre förklaring av DVOR.

TACAN-lager

En TACAN är baserad på en stationär antenn plus ett roterande parasit-system. Basantennen är vertikal och gemensam för avstånds- och bärmätinstrumenten.

Parasitiska element i antennfältet avser passiva antennelement som läggs till den faktiska aktiva radiatorn. En reflektor minskar förstärkningen på sin sida, en regissör ökar förstärkningen på sin sida ( mer ). Den välkända Yagi-riktningsantennen (här i en horisontell polarisation) har två typer av parasitiska element:

^{( Källa , modifierad)}

Dessa element används i TACAN, men de roterar runt det aktiva elementet:

^{( Källa , modifierad)}

• Det centrala elementet, som också används för DME-delen, sänder en konstant amplitudsignal.

• En roterande trumma med en reflektorn justerar elektriskt strålningsmönstret och lägger till ett signaldopp (låg förstärkning) som roterar vid 900 varv per minut, vilket motsvarar en 15 Hz amplitudmodulering. Strålningsmönstret i den horisontella planen har formen av en kardioid:
  

  ^{(Källa: Framsteg inom elektronik och elektronfysik, Volym 68 , modifierad)}

• En annan trumma med en uppsättning av 9 regissörer, mekaniskt kopplad till den första, skapar en 135 Hz (9×15) extra amplitudkrusning över 15 Hz-moduleringen:

  

  ^{(Källa: Framsteg inom elektronik och elektronfysik, Volym 68 , modifierad)}

Nu måste vi börja om resonemanget med hänsyn till att TACAN-signalen sänds inte permanent men bara nycklad (på / av) av informationssurst. Burst är av två slag:

• Referenssurst
• DME-svar .

Referensburst är g enerated enligt orienteringen av moduleringsmönstret:

• När 15 Hz-toppen vetter mot norr skickas en huvudreferenssurst. Skuren består av 24 pulser

med en asymmetrisk arbetscykel.

• När någon av 135 Hz-topparna vetter mot öst skickas en hjälpreferensskur. Skuren består av 24 pulser med en symmetrisk arbetscykel.

^{(Källa: Framsteg inom elektronik och elektronfysik, Volym 68 . Ändrad)}

Varaktigheten av dessa skurar är bara en del av 15 Hz-cykeln, vilket innebär att om det finns få flygplan DME-förfrågningar, så är TACAN-signalen oftast inte nycklad och sänds därför inte. Denna brist på överföring skulle skapa en svårighet för flygplanets mottagare:

• Att justera mottagarförstärkningen (AGC) för att motverka blekning.
• Att identifiera 15 Hz och 135 Hz moduleringar.

För att bibehålla mottagningsförmågan är TACAN-signalen istället nycklad med en konstant hastighet på 2700 par pulser per sekund och lägger till squitterpulser om det behövs för att fylla blankorna. Ju mer DME-förhör tas emot av TACAN, desto fler DME-svarssändningar skickas, desto mindre är squitterpulser nödvändiga (mer i MIL-STD-291 ) .

^{135 Hz-signalen har tagits bort för att förenkla ( Källa )}

135 Hz-moduleringen används för lagerbestämning. Genom att jämföra tiden mellan en extra burst och den efterföljande mottagningen av en av de 9 signaltopparna är det möjligt att bestämma flygplanets lager relativt markstationen. Huvudsprängningen (15 Hz) används för att otydliggöra vilken av de 9 loberna som användes, och därför är vilken av 40 ° (360/9) -sektorn som är relevant för lagret.

I teorin är användningen av den övre änden av UHF-bandet och 135 Hz-krusningen ökar lagernoggrannheten med en storleksordning jämfört med VOR. I praktiken är detta mindre, men ändå bättre än VOR.

DME -principen är att mäta den tid en radiosignal tar för en tur och retur till markstationen. När radiovågor färdas med ljushastighet är det att känna till avståndet att känna till tiden." Flygplanet förhör mark transponder med en serie pulspar (förhör) och efter en exakt tidsfördröjning (vanligtvis 50 mikrosekunder) svarar markstationen med en identisk sekvens av pulspar. " (Wikipedia).

Kommentarer

• Bra svar. +1 Undrat själv. Vet du om de flesta militära flygplan är utrustade för att läsa VOR också?
• @TomMcW: Tack! TACAN har större överföringseffekter för ett större intervall, jag vet inte ' om det ' verkligen behövde ta emot VOR, men om det är, då är det ' en fråga om att lägga till en antenn, en mottagare och en CDI, ingen grej. Det kan vara användbart för att flyga icke-precision civila tillvägagångssätt.
• C-130 ' har både VOR- och TACAN-mottagare, och jag ' misstänker att de flesta transportflygplan gör det också, eftersom främmande fält kan betjänas av VOR / DME ' s snarare än VORTAC ' s.
• Bra svar! Med större räckvidd & mindre storlek verkar TACAN som den bättre tekniken, men utanför militären verkar VOR dominerande. Vilka fördelar har VOR-systemet?
• Tack @RalphJ: Jag tror att VOR var utformad med stationära antenner i åtanke för enkelt underhåll. Idag är det lätt att syntetisera / stråla från TACAN: s nionde harmoniska krusning med hög upplösning fasade arrayer och DSP-chips, men vid den tiden var de ' t tillgängligt.

Tja, det korta svaret är att den fungerar på samma sätt som VOR förutom att den använder UHF istället för VHF – och därför är mindre utsatt för förvrängning – och alltid innehåller DME så att en räckvidd och bäring ges båda. VOR / DME är den civila motsvarigheten.

Kommentarer

• VOR / DME skulle vara den civila motsvarigheten. VORTAC är kombinerat civilt och militärt.
• @TomMcW Hosta, hosta, är du.