¿Cómo funciona TACAN?

¿En qué se diferencia el TACAN del sistema de alcance omnidireccional VHF (VOR)?

Una pregunta muy breve, pero la respuesta requiere la descripción de varias técnicas que son difíciles de resumir en sí mismas sin tomarse libertades con la realidad, por lo que la publicación es bastante larga y debe leerse por secciones de interés en lugar de leerse de una sola vez. Y para aquellos que no estén interesados ​​en las técnicas de diseño, afortunadamente hay un...

Respuesta corta

Principio de diseño:

• Un TACAN utiliza UHF para aumentar la precisión de rodamiento . Consiste en un único sistema integrado que realiza la determinación del rumbo y la distancia a la vez. En este sistema, la estación terrestre es un transpondedor y el interrogador está a bordo de la aeronave (al contrario del transpondedor SSR). La frecuencia es como las graduaciones en una escala, cuando la frecuencia aumenta, las graduaciones en la escala son más densas y las lecturas son más precisas.

• Un VOR funciona en VHF para determinar la demora. No se requiere ninguna acción de la aeronave para activar la señal de la estación terrestre, que es permanente. Para determinar la distancia se utiliza otro sistema independiente, el DME . El DME se ha prestado a los militares y en realidad es un TACAN sin sus componentes de soporte (por lo que es un transpondedor interrogado por la aeronave).
  Al seleccionar una frecuencia VOR en una aeronave civil, la aviónica en realidad configura el receptor VOR en esta frecuencia y el interrogador DME independiente en alguna frecuencia UHF "emparejada" obtenida de la tabla de emparejamiento estándar de la OACI ( página 6 ). VOR y DME no comparten nada a bordo más allá de la tabla de emparejamiento de frecuencias.

Antenas de estación:

• La antena TACAN original está hecha de dos pequeños tambores giratorios con elementos de antena parásitos (ver detalles a continuación). Un TACAN se puede instalar en barcos o estaciones móviles. La antena TACAN es externamente similar a un VOR convencional. Un TACAN en Alaska durante un ejercicio: ^{(Fuente: Wikipedia )} El cilindro contiene el sistema de antena giratoria. En TACAN más modernos, la rotación mecánica ha sido reemplazada por arreglos escaneados electrónicamente , reduciendo el tamaño: ^{TACAN transportable, fuente}
  
  
  
  
  
  
  
  
  

• Los VOR Doppler (DVOR) son más comunes que los VOR convencionales (CVOR), porque se pueden ubicar en aeródromos (CVOR: consulte los detalles a continuación). La antena DVOR es un conjunto circular grande con una antena de referencia central y un gran contrapeso debajo del conjunto. Los VOR a veces se colocan con una estación DME, en ese caso, la antena vertical DME está arriba y es coaxial al sistema VOR. ^{Lambourne VOR/DME, antena DME encima de la antena central de referencia VOR. (fuente: Wikipedia )} Debido a que la parte DME es común a VOR/DME y TACAN, es técnicamente posible asociar un VOR a un TACAN para obtener una estación VORTAC . Los militares usan el TACAN, los civiles usan el VOR y la información DME del TACAN: <sup>Un TACAN completo en lugar de la antena DME anterior.
  
  
  
  
  
  
  
  
  Fuente</sup>

• Además, VOR (CVOR/DVOR) utiliza antenas de cuadro Alford que están polarizadas horizontalmente e irradian a baja altura en el horizonte. Son sensibles a la reflexión sobre los obstáculos. Se requiere un contrapeso eléctrico para ocultar el suelo y elevar el ángulo de radiación. Este plano de tierra artificial puede ser muy grande: ^{PFN Vortac (fuera de servicio), fuente}
  
  
  
  

Señales:

• Un VOR transmite información de rumbo continuamente.

• Un TACAN solo envía pares de pulsos de respuesta cuando es interrogado (vea la explicación a continuación). Estos pares codifican tanto la información de rumbo como la de DME.

• Un TACAN suele ser más potente que un VOR y tiene un mayor rango de uso.

Me concentraré en explicar los sistemas de determinación de rodamientos y explicaré el DME como un componente integral del TACAN. Además, hay dos tipos de VOR, convencional y Doppler, que funcionan de manera muy diferente incluso si entregan señales compatibles al (desprevenido) receptor común.

Principio de determinación del rodamiento

El principio común de la determinación del rumbo es enviar dos señales desde la estación terrestre:

• Una señal de referencia que informa a cualquier receptor sobre la orientación actual de la señal activa.

• Una señal variable que permite a un receptor en particular determinar cuándo la señal activa está "apuntando" al receptor (apuntar no es la palabra correcta ya que las señales DVOR son omnidireccionales, vea más en esta respuesta ).

El receptor determina su rumbo relativo comparando estas dos señales. Ambas señales son funciones de seno, el valor de orientación está representado por la fase actual de esta función. Tanto VOR como TACAN utilizan este principio básico, aunque lo realizan de manera diferente.

La fase de la señal tiene el papel principal en esta historia, así que asegurémonos de estar de acuerdo con el significado:

• Cualquier señal periódica (repetitiva) puede verse como el resultado de un vector que gira a cierta velocidad.$\small \omega$. La función seno para el ángulo$\small x$es$\small y = sin(x)$. Aplicado a una onda sinusoidal de frecuencia$\small f$y amplitud pico$\small A$, esto se convierte$\small y=A.sin(\omega t+\varphi)$donde$\small \omega = 2 \pi f$. El ángulo$\small \omega t+\varphi$, se ha dividido entre la fase $\small \omega t$y la fase en el origen $\small \varphi$.$\small \varphi$es nulo si comenzamos un ciclo en el tiempo 0, este suele ser el caso. Más simplemente, la cantidad$\small \omega t$representa cuánto ha girado el vector en el tiempo$t$. Es un ángulo, se pone a cero después de un giro completo, por lo que indica al final qué parte de un ciclo completo ya se ha gastado (en qué fase del ciclo nos encontramos). Visualmente:

^{Ángulo de fase de una onda sinusoidal}

A partir de eso, está claro que comparar las fases de dos señales con la misma frecuencia (simple de hacer con la electrónica) es equivalente a comparar cuánto tiempo se retrasa uno con respecto al otro (el tiempo es realmente difícil de medir).

tipos de VOR

Las estaciones VOR convencional (CVOR) y Doppler VOR (DVOR) son percibidas de manera idéntica por el receptor, aunque transmiten señales muy diferentes. El DVOR usa trucos para imitar un CVOR y engañar al receptor CVOR. Los CVOR casi han desaparecido de la vista porque, debido a su sensibilidad a los reflejos, no pueden ubicarse en aeródromos o cerca de carreteras. Sin embargo, el CVOR en ruta/a gran altitud se puede encontrar en lugares aislados, la razón es que son más compactos y tienen un cono de silencio más pequeño que el DVOR y los reflejos se pueden minimizar, por ejemplo, cuando el VOR está ubicado en la cima de una colina.

Comprender los trucos de DVOR sin saber cómo funciona un CVOR es difícil y no da pistas sobre cómo se determina realmente el rumbo. Así que me temo que necesitamos entender el CVOR antes que el DVOR.

VOR convencional: CVOR

Las primeras antenas CVOR solían ser un conjunto de cuatro bucles de Alford en las esquinas de un cuadrado imaginario, conocidos por sus nombres convencionales: NW, NE, SW y SE. Los bucles NW+SE forman el primer par, los bucles NE+SW forman el segundo par.

^{CVOR con cuatro bucles Alford}

Los bucles de Alford están polarizados horizontalmente y son muy sensibles a los reflejos en los obstáculos circundantes ( trayecto múltiple ).

Las generaciones recientes de CVOR utilizan una antena ranurada, que es un cilindro fijo con ranuras verticales (generalmente cuatro ranuras):

^{CVOR con antena ranurada y la antena DME en la parte superior. Fuente: AviaTecho .}

Se coloca un contrapeso debajo del conjunto para ocultar el refugio VOR y el suelo y elevar la dirección de la radiación, tiene el doble efecto de minimizar la reflexión indeseable en el refugio y el suelo y reducir el cono de silencio sobre el VOR.

CVOR crea y usa señales de referencia y variables de esta manera:

1. Un generador de baja frecuencia crea tres señales de 30 Hz, idénticas excepto en sus fases. Dos señales de audio se derivan de una señal de referencia : la señal sen tiene una fase en el origen de -90° y la señal cos tiene una fase en el origen de +90° (el punto es sen y las señales cos se encuentran en oposición de fase).
   La fase de la referencia representa conceptualmente una dirección ya menudo se le llama goniómetro . Como la frecuencia de esta señal es de 30 Hz, la dirección imaginaria que representa barre 360° 30 veces por segundo (1800 rpm, esto es pura abstracción, no hay partes giratorias en un CVOR).

2. Un generador de baja frecuencia crea una señal de 9960 Hz modulada en FM por la referencia. Esta señal se conoce como la subportadora de referencia . ^{Diagrama de bloques VOR convencional}
   
   
   
   
   

3. Un generador de HF crea una portadora de frecuencia f (siendo f la frecuencia VOR), esta portadora se divide en tres partes:
   

   • una parte es AM modulada por la subportadora de referencia .
   • otra es AM modulada por sen .
   • la última parte es AM modulada por cos .
     
     

4. La señal HF con la subportadora de referencia se envía a todas las antenas. De esta forma, la referencia se puede recibir de forma idéntica independientemente de la posición del receptor alrededor del CVOR.

5. A las otras dos señales de HF primero se les quita la portadora, de modo que sólo subsisten las bandas laterales . Esto es para evitar que las portadoras interfieran en el espacio, las interferencias deben ocurrir solo entre bandas laterales.
   Luego, una señal se envía al par de antenas NW+SE, la otra señal se envía al otro par (recuerde que los dos pares son perpendiculares).

6. La magia de la modulación del espacio hace el resto. Las bandas laterales de seno y coseno se suman como valores de vector de campo, a veces se suman las amplitudes individuales, a veces se restan, en proporción variable. Esto da como resultado un patrón cardioide desequilibrado (más precisamente un Limaçon de Pascal ) que gira alrededor de las antenas VOR a 1.800 rpm, la dirección está vinculada a la fase de la referencia (o seno o coseno , ya que todos están vinculados por valores fijos) .

7. La señal resultante de la modulación espacial parece ser una portadora AM modulada según la dirección de la "antena giratoria" virtual. La modulación AM también es una señal de 30 Hz y se conoce como señal variable .

8. La señal resultante también contiene la portadora sin modificar (y de amplitud constante) con su subportadora de referencia. ^{espectro CVOR}
   
   
   
   

9. Para determinar el rumbo (el radial) del receptor en relación con el CVOR, solo se necesita comparar la fase de la señal variable con la fase de la señal de referencia. Ambos están contenidos en la señal resultante. La fase de la señal de referencia y la fase de la señal variable son iguales cuando la referencia "apunta" al norte (por principio en este momento ambas fases tienen un valor de 135°, la suma de 45° y 90°, pero el real valor no tiene influencia, solo la diferencia de fase es significativa): ^{VOR: Determinación del rodamiento comparando fases}
   
   
   
   Ahora que conocemos el principio del CVOR, es más fácil entender el principio del DVOR. El DVOR fue creado para compensar algunas debilidades en el CVOR: El CVOR no es terriblemente preciso a menos que el sitio de instalación se seleccione con mucho cuidado (sin obstáculos). Eso significa puntos aislados, no aeródromos. Esa no es la opción preferida para el mantenimiento y esto a menudo impide tener el CVOR alineado con la pista para una aproximación VOR.

De CVOR a Doppler VOR, asegurando la retrocompatibilidad

La falta de precisión del VOR tiene sus raíces en dos opciones de diseño:

• Las antenas están cerca unas de otras, cualquier defecto en su colocación tiene grandes consecuencias en la precisión.

• La señal variable está modulada en AM, la modulación AM está sujeta a errores mortales creados por el ruido electromagnético y los trayectos múltiples.

En el VOR Doppler (una vez más... hay dos tipos de DVOR, el de banda lateral simple y el de banda lateral doble, describiré aquí el DSB):

• Las dos antenas activas están a una gran distancia entre sí (diametralmente opuestas).

• La señal variable está modulada en FM.

Para ser compatible con el receptor CVOR, se tuvieron que hacer otros cambios:

• Como el receptor aún compara dos señales, una AM y la otra FM, la señal de referencia debe estar modulada en AM.

• Debido a que el resultado de la comparación de fase ahora está invertido (la variable menos la referencia se convierte en la referencia menos la variable), la dirección de rotación del patrón también debe invertirse (en sentido contrario a las agujas del reloj en lugar de en el sentido de las agujas del reloj).

• Debido a que el par de antenas utilizadas para la señal variable crea deliberadamente un efecto Doppler, la referencia debe enviarse en una antena central específica preservada del efecto Doppler.

Doppler VOR: DVOR

El principio de un VOR Doppler es crear la modulación de frecuencia por efecto Doppler en lugar de por modulación electrónica. El efecto Doppler ocurre con una fuente de ondas en movimiento: a pesar de que la fuente tiene una frecuencia constante, cuando se acerca al receptor la frecuencia aparente es mayor que la frecuencia real. Cuánto más alto depende solo de la tasa de cierre.

^{Efecto Doppler en el ruido del tren: el sonido es más agudo en la parte delantera que en la parte trasera}

En el DVOR, los pares de antenas opuestas (todavía bucles de Alford) se encienden y apagan constantemente, escaneando el conjunto completo en sentido contrario a las agujas del reloj, y el escaneo completo se realiza 30 veces por segundo. En realidad, hay dos grupos de antenas en lugar de dos antenas involucradas para permitir la combinación (transición suave de un par al siguiente), pero simplifiquemos por un segundo. Desde el punto de vista del receptor, la señal parece provenir de una fuente en movimiento y, por lo tanto, se producirá un desplazamiento Doppler en una proporción que depende de la dirección aparente del movimiento.

^{Efecto Doppler DVOR}

Para permitir la compatibilidad con el receptor CVOR, este cambio debe ser como máximo de 480 Hz, siendo 480 Hz el cambio FM de la subportadora en el CVOR. Un cálculo simple muestra que el diámetro de la matriz debe ser de unos 14 m (46 pies).

Para generar la señal modulada de FM, la subportadora de 9960 Hz no modulada se envía al par de antenas "giratorias". El desplazamiento Doppler es máximo cuando la dirección del receptor es tangencial a la trayectoria del par y mínimo cuando el par es perpendicular a la dirección del receptor. Este cambio es exactamente representativo del rumbo de la aeronave y es la modulación de señal variable que necesitamos.

Desde la perspectiva de una señal de radio, solo las frecuencias de la banda lateral se utilizan para transmitir la subportadora de 9960 Hz (frecuencia VOR f +/- 9960 Hz). La propia portadora se envía por la antena central, modulada en AM por la señal de referencia. De esta forma el portador no está sujeto al desplazamiento Doppler.

En pocas palabras... Al igual que en el CVOR, el receptor ve la señal compuesta: una portadora AM modulada con 30 Hz (que es la referencia en lugar de la señal variable), con una subportadora FM "modulada" como resultado del Doppler. efecto, a 30 Hz (la frecuencia del barrido, ahora representa la señal variable en lugar de la referencia) y con una oscilación no muy lejana de los 480 Hz esperados.

Combinación: si se usara un par de antenas de una en una, la cantidad de marcaciones medibles sería igual a la cantidad de antenas en el conjunto (alrededor de 50). Para crear un barrido más continuo (y por lo tanto un mayor número de rumbos medibles), las antenas que preceden y siguen a la antena principal también son alimentadas por la señal de la subportadora, pero con una potencia menor. Esto "combina" la transición de una posición de escaneo a la siguiente.

Ver también ¿Qué causa el cambio de fase en un VOR? para una mejor explicación del DVOR.

Rodamiento TACAN

Un TACAN se basa en una antena estacionaria más un sistema parásito giratorio. La antena base es vertical y común a los instrumentos de medición de distancia y rumbo.

Los elementos parásitos en el campo aéreo se refieren a elementos de antena pasivos agregados al radiador activo real. Un reflector disminuye la ganancia de su lado, un director aumenta la ganancia de su lado ( más ). La conocida antena direccional Yagi (aquí en polarización horizontal) tiene los dos tipos de elementos parásitos:

^{( Fuente , modificado)}

Estos elementos se utilizan en el TACAN, pero giran alrededor del elemento activo:

^{( Fuente , modificado)}

• El elemento central, que es el que también se utiliza para la parte DME, transmite una señal de amplitud constante.

• Un tambor giratorio con un reflector ajusta eléctricamente el patrón de radiación, agregando una caída de señal (baja ganancia) que gira a 900 RPM, lo que equivale a una modulación de amplitud de 15 Hz. El patrón de radiación en el plano horizontal toma la forma de un cardioide: ^{(Fuente: Advances in Electronics and Electron Physics, Volumen 68 , modificado)}
  
  
  

• Otro tambor con un conjunto de 9 directores, vinculado mecánicamente al primero, crea una ondulación de amplitud adicional de 135 Hz (9x15) sobre la modulación de 15 Hz: ^{(Fuente: Avances en Electrónica y Física de Electrones, Volumen 68 , modificado)}
  
  
  
  

Ahora tenemos que empezar de nuevo el razonamiento teniendo en cuenta que la señal TACAN no se transmite de forma permanente, sino que solo se activa (activa o desactiva) mediante ráfagas de información. Las ráfagas son de dos tipos:

• Ráfagas de referencia
• respuestas DME.

Las ráfagas de referencia se generan según la orientación del patrón de modulación:

• Cuando el pico de 15 Hz mira hacia el este, se envía una ráfaga de referencia principal, a saber, el norte. La ráfaga consta de 24 pulsos (12 pares de pulsos)

con un ciclo de trabajo asimétrico.

• Se envía una ráfaga de referencia auxiliar cada 40°. La ráfaga consta de 12 pulsos (6 pares de pulsos) con un ciclo de trabajo simétrico que totaliza 1440 pulsos (720 pares de pulsos)

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

La duración de estas ráfagas es solo una parte del ciclo de 15 Hz, lo que significa que si hay pocas interrogaciones DME de la aeronave, la mayoría de las veces la señal TACAN no se codifica y, por lo tanto, no se transmite. Esta falta de transmisión crearía una dificultad para el receptor de la aeronave:

• Para ajustar la ganancia del receptor (AGC) para contrarrestar el desvanecimiento.
• Identificar las modulaciones de 15 Hz y 135 Hz.

Para mantener la capacidad de recepción, la señal TACAN se codifica a una velocidad constante de 2700 pares de pulsos por segundo, agregando pulsos de señales espontáneas si es necesario para llenar los espacios en blanco. Cuantas más interrogaciones DME reciba el TACAN, más ráfagas de respuesta DME se enviarán y menos impulsos de señales espontáneas serán necesarios (más en MIL-STD-291 ).

^{La señal de 135 Hz se ha eliminado para simplificar ( Fuente )}

La modulación de 135 Hz se utiliza para la determinación del rumbo. Comparando el tiempo entre una ráfaga auxiliar y la subsiguiente recepción de uno de los 9 picos de señal, es posible determinar la demora de la aeronave con respecto a la estación terrestre. La ráfaga principal (15 Hz) se usa para desambiguar cuál de los 9 lóbulos se usó y, por lo tanto, cuál del sector de 40° (360/9) es realmente relevante para el rumbo.

En teoría, el uso del extremo superior de la banda UHF y la ondulación de 135 Hz aumentan la precisión de marcación en un orden de magnitud en comparación con el VOR. En la práctica, esto es menos, pero aún mejor que el VOR.

El principio DME es medir el tiempo que tarda una señal de radio en un viaje de ida y vuelta a la estación terrestre. Como las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz, conocer la hora es conocer la distancia. " La aeronave interroga al transpondedor de tierra con una serie de pares de pulsos (interrogaciones) y, después de un retraso de tiempo preciso (típicamente 50 microsegundos), la estación terrestre responde con una secuencia idéntica de pares de pulsos ". (Wikipedia).

Bueno, la respuesta breve es que funciona de la misma manera que VOR, excepto que usa UHF en lugar de VHF, y por lo tanto está menos sujeto a distorsión, y siempre incorpora DME, por lo que se proporciona un alcance y un rumbo. VOR/DME es el equivalente civil.