Como o TACAN funciona?

Resposta curta de dois marcadores ⁽¹⁾

• As diferenças entre VOR / DME e TACAN incluem: O TACAN usa UHF (VOR usa VHF) para aumentar a precisão da determinação de rolamentos; uma única frequência para alcance e rumo (VOR / DME usa duas frequências); dois pequenos tambores rotativos com elementos de antena parasitária (o VOR usa uma grande variedade circular de antenas).

• Uma estação VOR / DME realmente usa a parte DME de um TACAN, é por isso que é comum ver VORTAC que são estações duplas VOR + TACAN completas, em vez de VOR + DME simples. Um TACAN é pequeno e pode ser instalado em navios ou estações móveis (um VOR é grande); um TACAN é geralmente mais poderoso que um VOR e tem uma maior variedade de uso.

• Enquanto um VOR transmite informações de rolamento continuamente, um TACAN envia apenas amostras de RF codificadas por pares de referência e pulso de resposta DME (veja a explicação abaixo).

Diferenças e compatibilidades gerais

TACAN

O TACAN é um auxílio militar de radionavegação para determinar o alcance e o rumo relativo da aeronave. A parte de medição de distância (DME) também está disponível para aeronaves civis. Os sinais de rumo e distância requerem apenas um único transceptor no solo e na aeronave. Eles também usam a mesma frequência UHF. A forma aérea da TACAN é (há muito tempo) um cilindro vertical.

Uma estação móvel TACAN no Alasca durante um exercício:

^{(Fonte: Wikipedia)}

VOR / DME

O VOR / DME é a contraparte civil na determinação de alcance / rolamento. Os equipamentos VOR e DME trabalham em frequências separadas, mas emparelhadas: VOR em VHF, como o nome indica, e DME em UHF. Isso requer dois receptores.

^{Doppler Lambourne VOR / DME, com a matriz faseada circular VOR e, no centro, a antena DME vertical. (fonte: Wikipedia)}

Como você pode ver, um VOR-DME não será móvel facilmente, essa é a primeira diferença.

A parte DME sendo compatível com a parte DME do TACAN. É comum ver VORTAC estações que combinam um TACAN e um VOR, sendo a parte DME comum a ambos:

^(fonte)

Princípios eletromagnéticos utilizados

Para determinação da faixa

O DME O princípio é medir o tempo que um sinal de rádio leva para uma ida e volta à estação terrestre. "A aeronave interroga o transponder terrestre com uma série de pares de pulsos (interrogações) e, após um atraso de tempo preciso (normalmente microssegundos 50), a estação terrestre responde com uma sequência idêntica de pares de pulsos."(Wikipedia).

Medindo o tempo total, removendo o atraso do 50 µs e dividindo-o pelo 2, é possível determinar a distância entre os dois equipamentos.

O sinal DME é enviado usando uma antena vertical simples, visível no centro da matriz VOR e no centro dos tambores TACAN.

Determinação do rolamento, princípio teórico

O princípio comum da determinação do rolamento / azimute é enviar um sinal de uma antena direcional de rotação do solo. A aeronave recebe o sinal quando a orientação da antena é favorável (de frente para a aeronave) e há um sinal gradualmente crescente e decrescente à medida que a antena se aproxima ou se afasta da direção da aeronave.

Enquanto o sinal gira, a estação terrestre também transmite uma informação que informa aos receptores em que direção a antena está voltada atualmente, sendo a referência geralmente o norte magnético.

Ao conhecer a direção que a antena da estação enfrenta atualmente e ao detectar a variação de força do sinal recebido, a aeronave é capaz de determinar seu próprio azimute em relação à estação (mas não à sua direção), por exemplo, se a força máxima coincidir com o tempo em que A estação diz que sua antena está transmitindo atualmente para 180 °, então a aeronave sabe que está localizada ao sul da estação.

Tanto o VOR quanto o TACAN usam esse princípio básico, embora o percebam de maneira diferente.

Determinação de rolamentos VOR

A antena da estação terrestre não gira fisicamente (no moderno Doppler VOR). Em vez de ter uma única antena, o sinal é enviado para uma matriz circular de antenas idênticas. Se todas as antenas recebessem o mesmo sinal do transmissor, o sinal seria recebido com a mesma força por uma aeronave, independentemente de seu rumo em relação à estação. Em vez disso, o sinal enviado para cada antena varia de fase de acordo com o rumo atual:

A "direção atual" é alterada para que todas as direções sejam varridas em 1,800 RPM (30 Hz). A fase em uma determinada antena varia de acordo e o sistema se comporta exatamente como se houvesse uma única antena de feixe rotativo fisicamente transmitindo um sinal constante.

Um sinal de referência também é enviado, mas desta vez com a mesma potência em todas as direções (omnidirecional). Este sinal transmite as informações sobre a "direção atual" da matriz pseudo-rotativa. As informações direcionais são enviadas em FM (na verdade, essa mudança de frequência é obtida por um efeito Doppler, portanto, o nome Doppler VOR).

^(fonte)

O rumo é determinado comparando a fase do sinal variável e a referência.

Rolamento TACAN

Um TACAN é baseado em uma antena estacionária mais um sistema parasita rotativo. Como já mencionado, a antena de base é vertical e comum os instrumentos de medição de distância e rolamento.

Os elementos parasitas no campo aéreo se referem aos elementos passivos da antena adicionados ao radiador ativo real. Um refletor diminui o ganho de lado, um diretor aumenta o ganho de lado (amoras) A conhecida antena direcional Yagi (aqui em uma polarização horizontal) possui os dois tipos de elementos parasitas:

^{(fonte, Modificado)}

Estes elementos são usados ​​no TACAN, mas estão girando em torno do elemento ativo:

^{(fonte, Modificado)}

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

• Um tambor rotativo com um refletor ajusta eletricamente o padrão de radiação, adicionando um mergulho de sinal (baixo ganho) que gira a 900 RPM, que é equivalente a uma modulação de amplitude 15 Hz. O padrão de radiação no plano horizontal assume a forma de um cardióide:
  
  ^{(Fonte: Avanços em eletrônica e física de elétrons, volume 68, Modificado)}

• Outro tambor com um conjunto de diretores 9, vinculado mecanicamente ao primeiro, cria uma ondulação de amplitude adicional de 135 Hz (9x15) sobre a modulação 15 Hz:
  
  
  ^{(Fonte: Avanços em eletrônica e física de elétrons, volume 68, Modificado)}

Agora, precisamos recomeçar o raciocínio, levando em consideração que o sinal TACAN não é transmitido permanentemente, mas apenas pressionado (ligado / desligado) por explosões de informações. Explosão são de dois tipos:

• Explosões de referência
• Respostas DME.

As rajadas de referência são geradas de acordo com a orientação do padrão de modulação:

• Quando o pico do 15 Hz está voltado para o norte, uma rajada de referência principal é enviada. O burst consiste em pulsos 24 com um ciclo de trabalho assimétrico.
• Quando qualquer um dos picos do 135 Hz está voltado para o leste, um burst de referência auxiliar é enviado. O burst consiste em pulsos 24 com um ciclo de trabalho simétrico.

^{(Fonte: Avanços em eletrônica e física de elétrons, volume 68. Modificado)}

A duração dessas explosões é apenas uma parte do ciclo 15 Hz, o que significa que, se houver poucos interrogatórios DME da aeronave, na maioria das vezes o sinal TACAN não é digitado, portanto, não é transmitido. Essa falta de transmissão criaria uma dificuldade para o receptor da aeronave:

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

Para manter a capacidade de recepção, o sinal TACAN é digitado a uma taxa constante de pares de pulsos 2,700 por segundo, adicionando pulsos squitter se necessário, preencher os espaços em branco. Quanto mais os interrogatórios DME são recebidos pelo TACAN, mais explosões de resposta DME são enviadas, menos pulsos de squitter são necessários (mais em MIL-STD-291).

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

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

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

No TACAN mais moderno, as rotações mecânicas foram substituídas por matrizes digitalizadas eletronicamente:

^{Matriz TACAN, foto de Yasu Osugi no FlickRiver (fonte)}

⁽¹⁾ Sim, existem três balas ...

Bem, a resposta curta é que ele opera da mesma maneira que o VOR, exceto que usa UHF em vez de VHF - e, portanto, é menos sujeito a distorção - e sempre incorpora DME, de modo que uma faixa e rumo sejam dados. VOR / DME é o equivalente civil.