Как работает ТАКАН?

Чем TACAN отличается от системы всенаправленного диапазона ОВЧ (VOR)?

Очень короткий вопрос, но ответ требует описания нескольких техник, которые сами по себе трудно обобщить, не допуская вольностей с реальностью, поэтому пост довольно длинный и его следует читать по интересующим разделам, а не целиком сразу. А для тех, кто не интересуется дизайнерскими приемами, к счастью, есть...

Короткий ответ

Принцип конструкции:

• TACAN использует УВЧ для повышения точности пеленга . Он состоит из единой интегрированной системы, выполняющей одновременное определение пеленга и расстояния. В этой системе наземная станция является ответчиком, а запросчик находится на борту самолета (в отличие от ответчика ВОРЛ). Частота подобна делениям на шкале: при увеличении частоты деления на шкале становятся более плотными, а показания более точными.

• VOR работает на VHF для определения пеленга. Для запуска сигнала наземной станции, который является постоянным, не требуется никаких действий воздушного судна. Для определения расстояния используется другая независимая система — DME . DME был заимствован военными и на самом деле представляет собой TACAN без несущих компонентов (так что это транспондер, опрашиваемый самолетом).
  При выборе частоты VOR в гражданском самолете авионика фактически устанавливает приемник VOR на эту частоту, а автономный запросчик DME на некоторую "парную" частоту УВЧ, полученную из стандартной таблицы сопряжения ИКАО ( стр. 6 ). VOR и DME не имеют ничего общего на борту, кроме таблицы сопряжения частот.

Станционные антенны:

• Оригинальная антенна TACAN состоит из двух небольших вращающихся барабанов с паразитными антенными элементами (подробности см. ниже). TACAN может быть установлен на кораблях или мобильных станциях. Антенна TACAN внешне похожа на обычный VOR. ТАКАН на Аляске во время учений: ^{(Источник: Википедия )} Цилиндр содержит вращающуюся антенную систему. В более современном TACAN механическое вращение было заменено массивами с электронным сканированием , что уменьшило размер: ^{Переносной TACAN, источник}
  
  
  
  
  
  
  
  
  

• Доплеровский VOR (DVOR) более распространен, чем обычный VOR (CVOR), потому что они могут быть расположены на аэродромах (CVOR: подробности см. Ниже). Антенна DVOR представляет собой большую круглую решетку с центральной опорной антенной и большим противовесом под решеткой. VOR иногда совмещены со станцией DME, в этом случае вертикальная антенна DME находится выше и коаксиальна системе VOR. ^{Lambourne VOR/DME, антенна DME поверх центральной эталонной антенны VOR. (источник: Википедия )} Поскольку часть DME является общей для VOR/DME и TACAN, технически возможно связать VOR с TACAN для получения станции VORTAC . Военные используют TACAN, гражданские используют VOR и информацию DME TACAN: <sup>полный TACAN вместо предыдущей антенны DME.
  
  
  
  
  
  
  
  
  Источник</sup>

• Кроме того, VOR (CVOR/DVOR) использует рамочные антенны Alford, которые имеют горизонтальную поляризацию и излучают низко над горизонтом. Они чувствительны к отражению препятствий. Требуется электрический противовес , чтобы скрыть землю и поднять угол излучения. Этот искусственный наземный самолет может быть очень большим: ^{PFN Vortac (выведен из эксплуатации), источник}
  
  
  
  

Сигналы:

• VOR непрерывно передает информацию о пеленге.

• TACAN отправляет только пары ответных импульсов при опросе (см. объяснение ниже). Эти пары кодируют как пеленг, так и информацию DME.

• TACAN обычно более мощный, чем VOR, и имеет больший диапазон использования.

Я сосредоточусь на объяснении систем определения пеленга и объясню DME как неотъемлемый компонент TACAN. Кроме того, есть два типа VOR, обычный и доплеровский, которые работают совершенно по-разному, даже если они передают совместимые сигналы на (ничего не подозревающий) общий приемник.

Принцип определения пеленга

Общий принцип определения пеленга заключается в отправке двух сигналов с наземной станции:

• Опорный сигнал, сообщающий любому приемнику текущую ориентацию активного сигнала.

• Переменный сигнал, позволяющий конкретному приемнику определить, когда активный сигнал «указывает» на приемник (указание — не совсем точное слово, поскольку сигналы DVOR являются всенаправленными, см. подробнее в этом ответе ).

Приемник определяет свой относительный пеленг, сравнивая эти два сигнала. Оба сигнала являются синусоидальными функциями, значение ориентации представлено текущей фазой этой функции. И VOR, и TACAN используют этот базовый принцип, хотя и реализуют его по-разному.

Фаза сигнала играет главную роль в этой истории, поэтому давайте убедимся, что мы согласны со значением:

• Любой периодический (повторяющийся) сигнал можно рассматривать как результат поворота вектора с некоторой скоростью.$\small \omega$. Функция синуса для угла$\small x$является$\small y = sin(x)$. Применительно к синусоидальной волне частоты$\small f$и пиковая амплитуда$\small A$, это становится$\small y=A.sin(\omega t+\varphi)$куда$\small \omega = 2 \pi f$. Угол$\small \omega t+\varphi$, был разделен между фазами $\small \omega t$и фаза в начале $\small \varphi$.$\small \varphi$равно нулю, если мы начинаем цикл в момент времени 0, обычно это так. Проще говоря, количество$\small \omega t$представляет, насколько вектор повернулся за время$t$. Это угол, сбрасываемый после полного оборота, поэтому он указывает в конце, какая часть полного цикла уже пройдена (в какой фазе мы находимся в цикле). Визуально:

^{Фазовый угол синусоиды}

Отсюда ясно, что сравнение фаз двух сигналов с одинаковой частотой (что просто сделать с помощью электроники) эквивалентно сравнению времени, на которое один отстает от другого (время на самом деле трудно измерить).

типы ВОР

Обычные станции VOR (CVOR) и доплеровские VOR (DVOR) воспринимаются приемником одинаково, хотя они передают очень разные сигналы. DVOR использует уловки, чтобы имитировать CVOR и обмануть приемник CVOR. CVOR почти исчезли из поля зрения, поскольку из-за своей чувствительности к отражениям их нельзя размещать на аэродромах или вблизи дорог. Однако CVOR на маршруте/большой высоте можно найти в изолированных местах, причина в том, что они более компактны и имеют меньший конус молчания, чем DVOR, а отражения могут быть сведены к минимуму, например, когда VOR расположен на вершине холма.

Понять приемы DVOR, не зная, как работает CVOR, сложно, и это не дает подсказок о том, как на самом деле определяется пеленг. Так что я боюсь, что нам нужно понять CVOR перед DVOR.

Обычный VOR: CVOR

Ранняя антенна CVOR представляла собой массив из четырех петель Алфорда в углах воображаемого квадрата, известных под своими условными названиями: СЗ, СВ, ЮЗ и ЮВ. Петли СЗ+ЮВ образуют первую пару, петли СВ+ЮЗ образуют вторую пару.

^{CVOR с четырьмя петлями Alford}

Петли Алфорда имеют горизонтальную поляризацию и очень чувствительны к отражениям от окружающих препятствий ( многолучевость ).

В последних поколениях CVOR используется щелевая антенна, представляющая собой фиксированный цилиндр с вертикальными прорезями (обычно четыре прорези):

^{CVOR с щелевой антенной и антенной DME сверху. Источник: АвиаТехо .}

Под массивом размещается противовес, чтобы скрыть укрытие VOR и землю и поднять направление излучения. Он имеет двойной эффект: минимизирует нежелательное отражение от укрытия и земли и уменьшает конус тишины над VOR.

CVOR создает и использует опорные и переменные сигналы следующим образом:

1. Генератор низкой частоты создает три сигнала частотой 30 Гц, идентичных, за исключением их фаз. Два аудиосигнала получаются из опорного сигнала: сигнал sin имеет фазу в начале координат -90°, а сигнал cos имеет фазу в начале координат +90° (точка - это сигнал sin, а сигналы cos находятся в противофазе).
   Фаза ссылки концептуально представляет собой направление и часто называется гониометром . Поскольку частота этого сигнала составляет 30 Гц, воображаемое направление, которое он представляет, совершает поворот на 360° 30 раз в секунду (1800 об/мин, это чистая абстракция, в CVOR нет вращающихся частей).

2. Генератор низкой частоты создает сигнал частотой 9960 Гц, который модулируется эталоном с частотной модуляцией. Этот сигнал известен как эталонная поднесущая . ^{Обычная блок-схема VOR}
   
   
   
   
   

3. Генератор HF создает несущую частоту f (f - частота VOR), эта несущая разделена на три части:
   

   • одна часть является АМ-модулированной опорной поднесущей .
   • другой - AM, модулированный sin .
   • последняя часть - AM, модулированная cos .
     
     

4. Сигнал ВЧ с опорной поднесущей посылается на все антенны. Таким образом, эталонное значение может быть получено одинаково независимо от положения приемника вокруг CVOR.

5. У двух других ВЧ-сигналов сначала удалена несущая, так что остаются только боковые полосы . Это делается для того, чтобы предотвратить помехи несущих в пространстве, помехи должны возникать только между боковыми полосами.
   Затем один сигнал отправляется на пару антенн СЗ+ЮВ, а другой сигнал отправляется на другую пару (помните, что две пары перпендикулярны).

6. Магия пространственной модуляции сделает все остальное. Боковые полосы sin и cos добавляются как значения вектора поля, иногда добавляются отдельные амплитуды, иногда они вычитаются в переменной пропорции. Это приводит к несбалансированной кардиоидной диаграмме (точнее, Limaçon de Pascal ), которая вращается вокруг антенн VOR со скоростью 1800 об/мин, причем направление связано с фазой опорного сигнала (или sin или cos , поскольку все они связаны фиксированными значениями). .

7. Сигнал, полученный в результате пространственной модуляции, выглядит как несущая AM, модулированная в соответствии с направлением виртуальной «вращающейся антенны». Модуляция AM также представляет собой сигнал с частотой 30 Гц и известна как переменный сигнал .

8. Результирующий сигнал также содержит неизмененную (с постоянной амплитудой) несущую с опорной поднесущей. ^{CVOR-спектр}
   
   
   
   

9. Для определения пеленга (радиала) приемника относительно CVOR достаточно сравнить фазу переменного сигнала с фазой опорного сигнала. Оба содержатся в результирующем сигнале. Фаза эталонного сигнала и фаза переменного сигнала равны, когда эталон «указывает» на север (по принципу в это время обе фазы имеют значение 135°, сумма 45° и 90°, но фактическая значение не влияет, имеет значение только разность фаз): ^{VOR: определение пеленга путем сравнения фаз}
   
   
   
   Теперь мы знаем принцип CVOR, проще понять принцип DVOR. DVOR был создан, чтобы компенсировать некоторые недостатки CVOR: CVOR не очень точен, если место установки не выбрано очень тщательно (без препятствий). То есть изолированные точки, а не аэродромы. Это не предпочтительный вариант для технического обслуживания, и это часто препятствует выравниванию CVOR с взлетно-посадочной полосой для захода на посадку по VOR.

От CVOR до доплеровского VOR, обеспечивающего ретро-совместимость

Отсутствие точности VOR связано с двумя вариантами конструкции:

• Антенны расположены близко друг к другу, любое отклонение в их размещении сильно влияет на точность.

• Переменный сигнал модулируется AM, модуляция AM смертельно подвержена ошибкам, создаваемым электромагнитным шумом и многолучевым распространением.

В доплеровском VOR (еще раз... есть два типа DVOR, одиночная боковая полоса и двойная боковая полоса, здесь я опишу DSB):

• Две активные антенны находятся на большом расстоянии друг от друга (диаметрально противоположны).

• Переменный сигнал модулирован FM.

Для совместимости с приемником CVOR необходимо было внести другие изменения:

• Поскольку приемник по-прежнему сравнивает два сигнала, один из которых является АМ, а другой — ЧМ, опорный сигнал должен быть модулирован АМ.

• Поскольку результат сравнения фаз теперь инвертируется (переменная минус опорное значение становится эталонным минус переменным), направление вращения шаблона также должно быть инвертировано (против часовой стрелки, а не по часовой стрелке).

• Поскольку пара антенн, используемых для переменного сигнала, преднамеренно создает эффект Доплера, эталон должен быть отправлен на определенную центральную антенну, защищенную от эффекта Доплера.

Доплеровский ВОР: ДВОР

Принцип доплеровского VOR заключается в создании частотной модуляции за счет эффекта Доплера, а не за счет электронной модуляции. Эффект Доплера возникает с движущимся источником волны: несмотря на то, что источник имеет постоянную частоту, когда он приближается к приемнику, кажущаяся частота выше фактической частоты. Насколько выше, зависит только от скорости закрытия.

^{Эффект Доплера на шум поезда: звук выше спереди, чем сзади}

В DVOR пары противоположных антенн (все еще петли Алфорда) постоянно включаются / выключаются, сканируя весь массив против часовой стрелки, причем полное сканирование выполняется 30 раз в секунду. На самом деле используются две группы антенн, а не две антенны, чтобы обеспечить смешивание (плавный переход от одной пары к другой), но давайте на секунду упростим. С точки зрения приемника кажется, что сигнал исходит от движущегося источника, и поэтому доплеровский сдвиг будет происходить в пропорции, которая зависит от видимого направления движения.

^{Эффект Доплера ДВОР}

Чтобы обеспечить совместимость с приемником CVOR, этот сдвиг должен составлять не более 480 Гц, причем 480 Гц представляют собой размах ЧМ поднесущей в CVOR. Простой расчет показывает, что диаметр массива должен быть около 14 м (46 футов).

Для генерации FM-модулированного сигнала немодулированная поднесущая 9960 Гц передается на «вращающуюся» пару антенн. Доплеровский сдвиг максимален, когда направление приемника касается траектории пары, и минимален, когда пара перпендикулярна направлению приемника. Это смещение точно соответствует пеленгу самолета и представляет собой необходимую нам переменную модуляцию сигнала.

С точки зрения радиосигнала для передачи поднесущей 9960 Гц используются только боковые частоты (частота VOR f +/- 9960 Гц). Сама несущая посылается на центральную антенну, AM модулируется опорным сигналом. Таким образом, несущая не подвергается доплеровскому сдвигу.

Итог... Как и в CVOR, приемник видит составной сигнал: несущая AM, модулированная частотой 30 Гц (которая является опорной, а не переменным сигналом), с поднесущей FM, "модулированной" в результате доплеровского эффекта, на частоте 30 Гц (частота развертки, теперь она представляет переменный сигнал вместо опорного) и с размахом недалеко от ожидаемых 480 Гц.

Смешивание: если бы пара антенн использовалась по одной, количество измеряемых пеленгов было бы равно количеству антенн в решетке (около 50). Чтобы создать более непрерывное сканирование (и, следовательно, большее количество измеряемых пеленгов), антенны, которые предшествуют и следуют за основной антенной, также питаются сигналом поднесущей, но с меньшей мощностью. Это «смешивает» переход от позиции сканирования к следующей.

См. также Что вызывает изменение фазы в VOR? для лучшего объяснения DVOR.

ТАКАН подшипник

TACAN основан на стационарной антенне и вращающейся паразитной системе. Базовая антенна является вертикальной и общей для приборов измерения расстояния и пеленга.

Паразитные элементы в антенном поле относятся к элементам пассивной антенны, добавленным к фактическому активному излучателю. Рефлектор уменьшает усиление на своей стороне, директор увеличивает усиление на своей стороне ( больше ). Известная направленная антенна Yagi (здесь с горизонтальной поляризацией) имеет два типа паразитных элементов:

^{( Источник , измененный)}

Эти элементы используются в TACAN, но они вращаются вокруг активного элемента:

^{( Источник , измененный)}

• Центральный элемент, который также используется для части DME, передает сигнал постоянной амплитуды.

• Вращающийся барабан с отражателем электрически регулирует диаграмму направленности, добавляя провал сигнала (низкий коэффициент усиления), который вращается со скоростью 900 об/мин, что эквивалентно амплитудной модуляции 15 Гц. Диаграмма направленности в горизонтальном плане имеет форму кардиоиды: ^{(Источник: Достижения в области электроники и электронной физики, том 68 , изменено)}
  
  
  

• Другой барабан с набором из 9 директоров, механически связанных с первым, создает дополнительные пульсации амплитуды 135 Гц (9x15) по сравнению с модуляцией 15 Гц: ^{(Источник: Достижения в области электроники и электронной физики, том 68 , изменено)}
  
  
  
  

Теперь нужно снова начать рассуждения с учетом того, что сигнал ТАКАН не передается постоянно, а только ключируется (включается/выключается) порциями информации. Взрыв бывает двух видов:

• Эталонные всплески
• ответы DME.

Опорные пакеты генерируются в соответствии с ориентацией шаблона модуляции:

• Когда пик 15 Гц направлен на восток, отправляется основной эталонный пакет, а именно север. Пакет состоит из 24 импульсов (12 пар импульсов).

с асимметричным рабочим циклом.

• Вспомогательный эталонный пакет посылается каждые 40°. Пакет состоит из 12 импульсов (6 пар импульсов) с симметричным рабочим циклом, составляющим 1440 импульсов (720 пар импульсов).

^{(Источник: Достижения в области электроники и электронной физики, том 68. Изменено)}

Продолжительность этих пакетов составляет только часть цикла 15 Гц, а это означает, что при небольшом количестве запросов бортового DME большую часть времени сигнал TACAN не кодируется и, следовательно, не передается. Это отсутствие передачи создаст трудности для бортового приемника:

• Чтобы отрегулировать усиление приемника (AGC) для противодействия замираниям.
• Для определения модуляции 15 Гц и 135 Гц.

Чтобы поддерживать возможность приема, вместо этого сигнал TACAN обрабатывается с постоянной скоростью 2700 пар импульсов в секунду, добавляя сквиттеры , если необходимо, для заполнения пробелов. Чем больше запросов DME получает TACAN, тем больше посылается ответных пакетов DME, тем меньше требуется самогенерируемых импульсов (больше в MIL-STD-291 ).

^{Сигнал 135 Гц удален для упрощения ( Источник )}

Для определения пеленга используется модуляция 135 Гц. Сравнивая время между вспомогательной вспышкой и последующим приемом одного из 9 пиков сигнала, можно определить пеленг самолета относительно наземной станции. Основной пакет (15 Гц) используется для устранения неоднозначности того, какой из 9 лепестков использовался, и, следовательно, какой из секторов 40° (360/9) действительно важен для пеленга.

Теоретически использование верхнего конца диапазона УВЧ и пульсации 135 Гц увеличивает точность пеленга на один порядок по сравнению с VOR. На практике это меньше, но все же лучше, чем у ВОР.

Принцип DME заключается в измерении времени прохождения радиосигнала до наземной станции. Поскольку радиоволны распространяются со скоростью света, знание времени равнозначно знанию расстояния. « Самолет опрашивает наземный ретранслятор серией пар импульсов (запросы), и после точной временной задержки (обычно 50 микросекунд) наземная станция отвечает идентичной последовательностью пар импульсов » (Википедия).

Короче говоря, он работает так же, как VOR, за исключением того, что он использует УВЧ вместо УКВ - и, следовательно, менее подвержен искажениям - и всегда включает DME, поэтому задаются дальность и пеленг. VOR/DME — гражданский аналог.