【科普向】TACAN（塔康）的工作原理 by Edrasom

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By Jayone‘Edrasom’Guo

    在早期，空中导航要想确定飞机位置，就要使用两个或两个以上的地面导航台，并且定位精度很低，这样的定位技术没有太大的实用价值。于是，在二十世纪中期，为了实现精确空中定位导航，由美国费得拉尔电信试验室根据美空军、海军的建议，研制了塔康系统。塔康的原名为TACAN，是Tactical Air Navigation System-战术空中导航系统的缩写，它是一种近距无线电导航系统。欲了解TACAN，我们先从民用的DME开始讲起。

    DME（Distance Measure Equipment）

    应用发射-反射原理的雷达称作一次雷达（Primary Radar），如对空搜索雷达、战斗机的火控雷达。而所有应用询问-应答原理的无线电设备都被称作为二次雷达系统（Secondary Radar System），如IFF、空管雷达等。DME也是一种二次雷达系统，主要作用是向飞行员提供飞机到地面DME台站的斜距。为了认识DME的工作原理之前，我们先来了解下二次雷达。

    二次雷达（Secondary Radar）

    我们都知道，一次雷达都是通过接收被照射物体的反射信号，得出物体的相关信息的，例如军用搜索雷达。在这种关系中，被照射物体的反射性能要求是越低越好，这样才能避免被过早发现，从而增加其生存力。而二次雷达却是通过被照射物体的直接回应来获得相关信息，相比一次雷达的被动，它就是一种积极合作的系统，所以二次雷达需要一个能过相互合作的目标才能实现，例如军用得IFF（敌我识别）系统，这种相互合作的关系在军事领域是绝对机密的，然而DME却很公开，不然也就没有下文了。在此文当中，飞机上的DME设备相当于一部询问机，而地面DME台站相当于一部应答机。二次雷达的主要优点如下：

    1）设备体积小、所需功率低。它只要求对方都能接收到相互发射的信号即可。

    2）脉冲序列可以被编码。这样他们相互传输的信号就可以加载其他信息，例如，空中管制雷达就可以获得飞机的气压高度、航向等信息。无需像一般雷达那样，只能通过对接收信号的大量处理才能得到不那么精确的数据。

    DME工作原理

    在DME系统中，飞机上装备的DME设备向所有方向都发送一系列的双脉冲。假设飞机在DME台站的“视线”范围（作用范围）内，那么DME台站就能接收到来自飞机的DME询问脉冲信号，然后DME台站再将接收信号发射出去，这个信号也就叫做应答信号。因为飞机和DME台站彼此并不知道对方的方位，所以信号都是全向（omni-directional）发射的。这样飞机发射的信号经DME台站再次发射，又被飞机所接收，根据发射和接受信号的时间差，就能得出飞机与DME台站之间的距离，当然这个距离肯定是斜距，而并不是他们之间的水平距离。
飞机发射的信号为什么是一系列的脉冲序列呢？其实这些脉冲序列指示作为询问信号的鉴别码，也就是谁发射谁接收，若不是这样，那么一架飞机发射的信号会被其它相邻飞机接收，而其它飞机发射的信号也会被本机接收，岂不是乱了套，也得不出准确的DME距离。以上所述的只是基本工作原理，而实际工作情况并不这么简单，下面我们再来根据以下部分逐个详细论述。

    DME工作频率

    DME工作在961~1213MHz之间的UHF频段，频率间隔为1MHz。DME不像电台一样能直接选择工作频率，而是通过频道来选择的。每一个DME频道对应着两个（发射机和接收机）载波频率，并且这两个频率以63MHz为间隔。例如，DME频道1使用1025MHz在波频率作为询问信号，那么962MHz或1088MHz载波就作为应答信号，这个附加的63MHz信号是DME地面台站更改的。应答机更改载波频率主要是基于以下原因考虑：

    （a）由于机载DME发射机是连续发射脉冲序列的，脉冲被地面DME台站接收然后被其发射给机载DME接收机。而对机载接收机来说，其接收信号可能是来自地面DME台站，也可能是来自于云层或者地面的信号反射，如果不在地面DME台站更改频率，那么就会造成机载DME接收机接收错误的信号。所以要在地面DME台站提高或降低频率，并且这个更改的频率是航空界规定的63MHz。

    （b）如果不进行频率更改的话，机载DME发射机发射的信号就能够直接被机载DME接收机接收，这样会引起自我振荡，损坏机载DME设备。

    DME的工作限制

    一、询问率（Interrogation Rates）

    机载DME在选定频道后，发射机就发射该频道的询问脉冲信号，若其接收机接收到了所选频道的回复信号，我们就认为机载DME搜寻到了与所选频道相对应的DME台站，如果接收的回复信号能够保持稳定，说明已经锁定了DME台站，也就是意味着机载DME能够稳定地进行测距。当开始选择一个DME频道时，机载DME就会搜寻并锁定所选频道的DME台站。在搜寻期间，机载DME开始的询问率大约是每秒150个双脉冲。为避免多台询问机同时搜寻地面台站，造成地面台站处理饱和，机载DME如果在100秒内仍未完成锁定，就会自动将询问率降低至60个/秒。
一旦机载DME完成锁定，那么询问率就会降至24个/秒，但是，如果是由于飞机进行翻滚等机动引起的飞机瞬时失去与地面台站之间的联络，机载DME并不会重新进入长达10秒的搜寻期。

    二、信标饱和（Beacon Saturation）

    一般，地面台站应答设备的最大回复率只能达到2700个脉冲串/秒，当遇到下列这种情况时：一部分飞机已锁定了一个台站，该台站给这些飞机的回复率是每架每秒24个；而另一部分飞机在搜寻该台站，台站给这些飞机的回复率是每架每秒150个或60个。将所有这些都平均下，假设回复率是每架每秒27个，那该台站最多只能为100架飞机提供DME服务，倘若飞机数量是100以上，那么该台站就达到了处理饱和，也就是说台站信标饱和。当真的遇上这种情况，台站只处理询问信号最强的100架飞机。台站能够提供DME服务的最多飞机架数也称为台站工作容量。

    三、最远距离限制（Maximum Range Limitations）

    因为DME工作在UHF频段，所以其信号的传播方式主要是视线（直线）传播，理论上，最大理论工作距离是：

    H1为地面DME台站的海拔高度，H2为飞机的海拔高度，单位Feet。
由于一般飞机的最大升限只能达到58000英尺，所以在海平面高度的台站的最大服务距离不会超过300nm，并且其作用距离还跟地面站与飞机DME设备的发射功率有密切联系。

    DME附加功能

    直接通过测量DME距离的变化率，可以得出飞机的地速（GS）。当然这样的测量地速只有在飞机远离DME台站并且正向接近或者背离时才够准确，因为飞机所测DME距离是斜距，而非水平距离，而且当飞机靠近台站时，或者飞机只是从DME台站旁边通过时，其接近或者背离率已变得非常地不够线性，这样的情况下所测地速是很不准确的，除非机载DME能够进行高度和方位的误差修正。根据所测地速，机载DME还能得出到站的剩余时间。

   DME测距精度

    如果只是单独考虑DME的斜距读数，可以说是非常精确的，斜距精度是1.25%Range ± 1/4nm以内（Range是实际距离），这个精度是ICAO规定的。另外，DME台站的接收与再发射之间有一个延迟，大约有50毫秒，这是由回波保护电路（echo protection circuit）产生的，目的是避免反射询问信号的干扰，因为飞机本身或云层可能会将其发射的询问信号反射出去，地面台站为了区别这些反射信号（反射询问信号迟于直接询问信号），回波保护电路就将应答信号延迟发射，这样就不会造成反射询问信号也被应答回复，引起DME测距不准确。当然机载设备要是将这个延迟计算进去，那么就会造成测距误差。
又因为DME所得的是斜距，所以当飞机接近或者正通过台站时，所得DME距离就变得很不精准，见下图。特别是在台站正上方时，距离就变成了高度差了。





    VOR-DME 频率关联

    民用空中导航上，方位信息是通过VOR（甚高频全向无线电信标）给出的，而通过DME给出距离信信息。一般VOR台站和DME台站都建在一起(见上图)。这样飞机仪表就能既可以向飞行员提供方位信息，又可以提供到站的距离信息。
所以，VOR频率和DME频道一般都进行了关联，就是说你选择某一经过关联的VOR频率，系统会自动选择相应的DME频道。关联的DME X 频道共有126个，剩余的VOR频率（VOR总共有160个频率）也可以用于跟ILS方位指示器或者是VHF电台进行关联。所以，在有些飞机上，只要飞行员选择某一终端VOR，就可以直接与该机场塔台进行联络。
DME频道数后面的‘X’标识说明DME 1~63频道的询问载波频率高于回复载波频率63MHz，而64~126频道的询问载波频率低于回复载波频率63MHz（见下图）。而‘Y’标识说明DME 1~63频道的询问载波频率低于回复载波频率63MHz，而64~126频道的询问载波频率高于回复载波频率63MHz。



    如果VOR使用了与DME X 频道关联的126个频率以外的频率点，因为VOR共有160个频率点，这时该怎么办呢？那么另外的126个DME Y 频道就被用上了，DME Y 频道跟DME X 频道的载波频率恰恰相反。当然，飞机上的DME操作面板上一般并不提供X/Y选择器，为什么呢？其实，系统会自动帮助飞行员进行选择。还知道DME发射的脉冲序列为什么是双脉冲吗？这时双脉冲就派上用场了。在X 频道里，信号中的双脉冲中的两个脉冲前缘的间隔是12微秒，而Y 频道是36微秒，这样系统就可以根据脉冲间隔来区分X和Y频道了。来看看下面这个真实的VOR-DME频率对的例子：

    （a）频率为112.30MHz的VOR总是与DME 70X频道关联。DME询问载波频率是1094MHz,而回复载波频率是1157MHz，恰好对应“DME 64~126 X频道的询问载波频率低于回复载波频率63MHz”这句话。

    （b）频率为112.35MHz的VOR总是与DME 70Y频道关联。DME询问载波频率是1094MHz,而回复载波频率是1031MHz。
为了使VOR台站与DME台站的关联关系更加明了，摩尔识别码这时就要用到了。利用VOR和DME的信号中的摩尔码，就可以判别其台站之间的关系。DME的识别码是每30秒钟发射一次，而VOR的是10秒钟一次。如果他们是关联关系，那识别码是同步的，也就是说，VOR和DME的摩尔码每30秒就有一次是同时发射的，并且这次发射中VOR的识别码被DME摩尔码所填充。下表就是摩尔码与关联情况之间的关系表：

VOR台站与DME台站的关系	频率关系	摩尔码
组合	关联	三位相同并且同步
未组合但站点在一起，而在航线中的站点相隔不会超过6nm	关联	前两位是相同的，但DME摩尔码中最后一位是“Z”
台站完全不在同一点	未关联，但也有可能是关联频率	三位不同并且异步

下图就是典型的共位VOR/DME台站


   
    机载设备

下图就是波音737飞机的DME系统框架图：



    另一种类型的机载DME控制面板见下图，上面有两种选择DME台站的方式，一种是选择VOR频率，另一种是直接选择DME台站频道。并且图上左边有一个旋钮，OFF-关闭系统；NM-在窗口中显示斜距；MIN-在窗口中显示到站时间；KT-在窗口中显示当前地速。



许多机载DME设备都是这样设计的，选择所需的VOR频率，DME自动转到关联频道。

    使用DME飞DME Arc(DME弧形航线)

    在导航中，飞机的进场航线不一定刚好正对着机场跑道方位，往往都是从进场航线转向着陆航线，而这个转向过程实际上就是飞一个DME Arc（DME弧形航线）。所谓弧形航线，就是说飞机以固定的距离绕着导航台（VOR/DME台或是TACAN台）飞行。DME Arc中DME读数保持不变，这样仪表（罗盘）中飞机航向与台站方位始终相差90º(见左图) 。见下图，飞机正在对应着一个VOR/DME台站飞一个20NM的DME Arc，最后进入着陆航线（Final approach）。





    DME的航图标识



    说到这里，塔康就要浮出水面了。塔康其实是军用版的DME，好比就是在DME的基础上加上测向功能，应答机同时提供距离和方位信息。塔康地面信标台用于接收来自机载设备的测距询问信号，并按特定的技术要求向其工作区内辐射方位信号、测距应答信号以及塔康台识别信号，以供机载塔康设备进行测向、测距和识别。因为塔康的工作频率、频道划分与DME完全相同，在此笔者不再赘述。民用飞机上的DME设备是可以询问塔康应答机的，只要锁定后，就可以得到距离、地速和到站时间，然而普通机载DME设备并不能得到塔康的方位信息。

    塔康工作区域

跟DME一样，由于是工作在UHF频段，所以塔康最大作用距离取决于视线范围，所以作用距离随着高度变化。因为塔康具有测向功能，除了受视线限制外，还存在顶空盲区（Cone of Silence）和测向盲区（如下示意图）。



    测向盲区正对地面台天线上空呈圆锥形，夹角约120º，在该区域飞行只能测距，不能测向，这是因为地面天线的调制度太浅。测距容限主要取决于机载和地面台站设备两者的灵敏度、发射功率和电波传输损耗。
塔康的指示 因为塔康属于军用系统范畴，其指示与民用机有所不同，一般塔康的方位和距离信息是依靠HSI(Horizontal Situation Indicator)来显示的。如下图，F-16飞机上的HSI。



    读者可以下载笔者制作的TACAN工作原理演示Flash，看看HSI是怎样配合塔康来显示飞机当前的位置的。
到此，DME一章就告结束了，我们既了解了DME是怎么一回事，也知道了TACAN的基本工作原理，最后还附带了TACAN演示程序。只知道这些，还是远远不够的，剩下的就是多去实践联系，没什么难的，只要你肯吃苦，驾驶飞机会像你骑自行车那样轻松自如。由于时间匆促，本文未对测向原理进行详解，现在正在写VOR一文，里面有关于测向的原理，而塔康的测向原理与其相同，敬请读者期待。笔者只是一名业余爱好者，我觉得仅靠我一个人是无法写好这些偏专业的文章的，文中肯定还存在错误或是不妥当之处，笔者诚恳虚心地接受飞友的指正和建议，欢迎各位飞友提出问题和宝贵的意见。

lkyfly0262

大校真厉害，这么好的东西得顶

IVSOPI

顶上面那张图！

lkyfly0184

飞行无小事，导航很重要

lkyfly0320

看看。Zz

gaoqiao1986

好东西，我顶。

lkyfly0531

这是Edrasom杰一同志的杰作啊~~

lkyfly0844

进来学习学习先