美國塔康導航系統工作原理

最新的航空導航電子系統之 一稱為TACAN 即戰術空 中導航的縮寫 透過TACAN 系統的地面或艦載部分 導航信標會發出信號 讓飛行員能聽見信標的識別訊號 並 視覺上得知信標的方位及其與 飛機的距離 信標通常無人看管 航程約為200海里 視線範圍內 單一信標可同時為100架飛機提供距離資訊 並為無限數量的飛機提供方位與識別資訊 TACAN 使用 962 至 1213 兆赫的頻段 飛機在該頻段的中心部分發射信號 1025至1150兆赫茲 位於相隔1兆赫茲的126個頻率中的其中一個 回應飛機信號時 信標會發出與飛機頻率相距63兆赫的訊號 在頻譜的962至1024兆赫端 也就是所謂的低頻段 頻率 或從1151至1213兆赫的高頻段末端 擁有126個傳輸頻道 大量信標可在 同一區域內運作 而不會有干擾的危險 首套投入實用的TACAN設備分別為機載的無線電收發機AN- ARN-21 以及地面或艦載的無線電收發機AN-URN-3 在這部電影中 AN-URN-3 被稱為 信標我們將看到它如何為飛機提供距離、方位和識別資訊 要取得信標的距離、方位及識別資訊 飛行員只需選擇所需信標的頻道即可 飛機上的設備隨即自動發送距離詢問脈衝對 這些訊號當然是全向性的 為簡化起見 此處以波束訊號表示 無線電信標接收這些距離詢問脈衝對 並在其指定的發射頻率上傳輸距離回應脈衝對 飛機設備會測量其詢問脈 衝發射與信標回應脈衝接 收之間的時間差 從而確定飛機與信標之間的距離 由於多架飛機可能同時使用同一信標 因此必須有一種方法來區分每架飛 機的脈衝訊號組 這是由於每架飛機 的詢問速率被設計成各不相同來實現的 與其他飛機的訊問率略有不同 然而 所有飛機與信標的 脈衝對中 單個脈衝之間的 間隔恆為12微秒 為降低雜訊對互補接收機的影響 在回應單架飛機的距離詢問時 應答機會 以與飛機詢問速率相同的脈衝對作出回應 速率 僅當應答脈衝對的速率與飛機詢問脈衝對的速 率相同時 顯示飛行員距離資訊的計量器才會被啟動 為辨識自身 信標會以固定間隔發送 摩斯電碼識別信號 當發送識別信號時 原本用於提供距離回應的隨機間隔脈衝對 會改為規律間隔的脈衝對 飛機的距離電路具有足夠的記憶體 不會受到這些中斷的影響 現在讓我們看看信標如何為飛機提供不同的資訊 假設有三架飛機位於URN-3信標周圍的不同位置 且 信標正在發送未調製的射頻信號 每架飛機所接收的信號 無論飛機相對於信標的位置為何 其振幅皆會相等 我們可以如此表示此類信號的輻射圖案 在任何給定半徑處 各個方向的振幅均相等 這些訊號在示 波器上呈現為此種形狀 此類訊號可用於提供距離與識別資訊 但不具備 當天線中使用反射器時 天線的輻射圖形會變成一 種稱為蔓葉線的偏心心形圖形 在此情況下 信標信號的振幅 此區域的整體範圍大於該區域信號的振幅 此圖樣所呈現的是相對 而非絕對的振幅 因為即使在此區域內 所有信號都具有一定的振幅 因此 飛機接收到的訊號強度取決於飛機相對於測距 範圍的位置 然而 飛機的設備能夠判斷訊號的強度 它僅透過將此振幅與信標輸出的最大值和最小值進行比較來接 收 為使此比較成為可能 反射器會繞著固定的輻射部分旋轉 天線會產生類似於信標訊號的振幅調變 現在 每架飛機接收到的訊號正不斷經歷完整的週期變化 振幅由最大值至最小值的變化 由於反射器每秒旋轉15次 因此每秒有15個完整的振幅調變週期 如這台示波器所示 顯示 天線旋轉一圈需時十五分之一秒 期間有一次 此15週期振幅調變的完整週期 在任何一個瞬間 這可能 代表單架飛機所接收訊號的振幅與最大值及最小值之間的比值 信標輸出的振幅 我們現在需要的是一個能將飛機接收訊號 的振幅轉換為方位度數的刻度 因此 每次達到最大振幅時 若信標的訊號模式朝向東方 信標會發射一組稱為基本參考脈 衝的脈衝訊號 對位於信標正東方的飛機而言 此基本參考脈衝 當飛機接收的信標信號幅度達到最大時 即為接收參考脈衝的時刻因此 此刻在刻度 HttpServlet 上對應的位置為90度 相對於信標而言 位於信標正西方的飛機 會在接收 到的信號幅度達到最小值的瞬間 接收到来自基本脈衝 因此 該點代表270度的位置 所有其他幅度 likewise 代表相應的方位度數 當燈塔發射基本參考脈衝時 當飛機A、B及C處於這些位置時 飛機接收參考脈衝的時刻 將對應於信標輸出的這些振幅 因此 每架飛機的位置為 大約確立 當調變的一個週期代表整個360度的 方位角時 振幅調變的斜率使得方位角無法準確讀取 因此 單週期調製的方位角通常僅在正負兩度範圍內準確 為提高準確度 URN-3信標產生一個135 除了15週期調變外 還包含週期振幅調變 因此 在一次旋轉期間 天線在十五分之一秒內 我們獲得九個135週期的調變週期 一個15週期調變的週期 透過此135週期的調變 我們獲得一個完整的 每40度的尺度下 振幅呈現一個循環 而我們則獲得完整的振幅循環 每360度刻度配合15週期調變 換句話說 透過增加 九比一 135週期調變的作用擴展了範圍 將準確度提升了九倍 15週期調變必須保留 以辨識正確的40度 因此 軸承刻度上的單一刻度等於15週期調變的一度 但僅為135週期調變的九分之一度 並使用固定天線進行輻射 訊號 如我們所見 這是單一反射器所產生的輻射圖樣 這是九個反射器所產生的輻射圖樣 合併效果呈現出波浪狀的形貌 limison 當它以每分鐘900轉 亦即每秒15週期旋轉時 便會產生15週期的訊號 официальный 以及135週期的振幅調變 讓我們看看這架飛機將如何利用這兩種 調變來確定其方位 當飛機的設備接收到調變過的無線電射頻信號時 首先分離出135週期調變 並在15週期調變的一個 完整週期中確定基頻參考脈衝的位置 以指示大致的方位 此測量方法的技術使測定結果可精確至約正負 兩度內 隨後設備會將15週期的調變分離出來 由於刻度上每一格現在代表一度的九分之一 此讀數的 準確度為正負九分之二度之內 為何需要兩種不同的調變 若僅使用135週期調變 飛機在任何時刻接收到的訊 號幅度將在九個週期中的每一個都處於相同位置 設備將 因此顯示飛機可能的九個位置 但在任一瞬間 接收訊號的 振幅僅能在單一15週期波上的某一點出現 例如此處所示 因此 必須進行15週期調變 以大致確定軸承位置 並指出135週 期調變中的九個週期中哪一個適用 單一參考脈衝無法讓飛機實現此功能 因此 在實際操作中 信標在發射基本脈衝後 每旋轉 40度便發射一次輔助參考脈衝 以確保軸承檢測的頻率足夠 現在 讓我們更詳細地再次觀察TACAN的運作 這次特別注意 URN-3組件在為飛機提供距離、識別與方位資訊方面所扮演的角色 資訊 飛機距離詢問脈衝對由天線接收後 傳遞至 控制雙工器 如本方框圖所示 雙工器允許同時進行 發射器與無線電接收器連接至同一天線 雙工器將詢問脈衝訊號 傳導至無線電接收器 無線電接收器隨後發送單一Ư視訊脈衝至 每個脈衝對傳送到它時的編碼器指示器 對於每個傳送到編碼器指示器的脈衝 一個脈衝對會傳送到發射器 發射器隨之透過控制雙工器發送一個脈衝對 並傳輸至飛機 這些距離詢問回應脈衝對的脈衝 重複率與詢問脈衝對本身相同 編碼指示器亦接收 來自天線基座的脈衝會觸發基本參考脈衝列的發射 基本參考脈衝列由十二組相隔30微秒的視訊脈衝對組成 同樣地 編碼器指示器會接收來自天線基座的脈衝 以觸發輔 助參考脈衝列 輔助參考脈衝列由六組脈衝對組成 間隔為24 微秒級的差距 基準脈衝列對的數量與間隔與輔助 脈衝的不同 使飛機上的設備能夠區分這兩種類型 參考訊號從另一端迸發而出 編碼指示器所接收的脈衝訊號源自 天線基座中的脈衝星板 該板頂緣設有一個軟鐵嵌件 以及八個 在底邊設有插入件 當板片旋轉時 插入件會經過上下兩 處磁性感應器 使編碼器每次接收九個均勻分布的脈衝信號 天線的旋轉 板子同時以相同速度旋轉 作為天線反射器 每秒旋轉15圈 每分鐘900圈 編碼指示器中的鍵控器 發射信標的莫尔斯电码站台識別呼號 我們現在可以看見 URN-3訊號由基本與輔助參考脈衝對組成 距離詢問回應脈衝對 以及在發送識別訊號時 暫時取代距離回應脈衝的莫尔斯碼脈衝對 當天線 旋轉時 發射機輸出為振幅調變 產生的波形在示 波器上呈現出此種外觀 每秒有900對參考脈衝列 每秒有2 700對遠距回應訊號或莫尔斯电码脈衝 合計為 每秒3 600對脈衝 如果信標接收到的距離詢問次數過少 則 飛機每秒將導致信標發出共計2 700組脈衝對回應 接收機內的一個電路會產生補充脈衝對以彌補差額 並完成波形 這些補充脈衝稱為「 Borrowed Pulse 」 無論脈衝對是否為距離回應 均維持2 700對脈衝 無訊號 或兩者結合 現在讓我們回顧一下URN-3的亮點 URN-3發射器 在962至1 213兆赫茲頻段的兩端發射 並在頻段中央接收 信標接收飛機發出的成對脈衝詢問信號 並回應這些詢問 以 向飛機提供距離資訊 URN-3 提供莫尔斯电码識別訊號 透過將隨機間隔的脈衝對替換為規則間隔的脈衝對來實現飛機的偵測 由於信標天線周圍的反射器旋轉 飛機接收到的 信標訊號強度會產生變化 由於反射器的旋轉動作 飛機能夠持續比較接收信號的振幅與信標輸出的最大 值和最小值 飛機設備會比較15與135週期的信號 振幅調變結合基準脈衝與輔助參考脈衝以確定方位 此電子系統 TACAN（戰術空中導航系統） 可即時提供飛機精確的方位與距離資訊