TACAN (система навигации)

TACAN представляет собой наземную навигационную систему, применяемую военной авиацией для обеспечения воздушных судов информацией от наземных станций во время взлёта и посадки или при полёте по маршруту. Данные, транслируемые станциями, включают в себя^[2]:

• магнитный азимут (угловое положение относительно магнитного севера);
• идентификатор станции;
• расстояние до этой станции.

Данная информация необходима для определения местоположения воздушного судна в пространстве. Наземная станция периодически передаёт свой идентификационный сигнал в коде Морзе, позволяя воздушному судну определить дальности. Воздушное судно генерирует и излучает запросные сигналы, на которые наземная станция отвечает дальномерными сигналами. Ответный сигнал представляет собой задержанную во времени копию запросного сигнала. Время задержки используется для расчёта расстояния до станции на борту воздушного судна. TACAN может одновременно обрабатывать запросы от примерно 100 воздушных судов. Дальность действия системы обычно составляет до 40 морских миль, хотя сигнал может быть принят на расстоянии, ограниченном прямой видимостью, до 200 морских миль.

В США разработкой системы TACAN занималась компания Hoffman Laboratories (ныне NavCom Defense Electronics)^[3].

Изначально TACAN была спроектирована для нужд Военно-морских сил США, чтобы точно определять положение перемещающихся объектов в морской акватории. Позже сфера применения системы была расширена, и она стала использоваться для навигации воздушных судов.

В основе системы TACAN лежит принцип развития радиолокационных навигационных систем, начало которым было положено британской системой Oboe, применявшейся во время Второй мировой войны. Послевоенная организация авиации и взгляды на её применение потребовали новую систему воздушной навигации для военной авиации.

Гражданская система VOR/DME (Distance Measuring Equipment) была признана непригодной для военного использования из-за особенностей военных операций (необычные условия посадки, качка корабля и др.).

Система TACAN была разработана в конце 1950-х – начале 1960-х годов по требованиям Военно-морских сил США для система-маяк для наведения самолётов для посадки на авианесущие корабли. Существующее радионавигационное оборудование (RDF) было слишком большим для установки на корабле или требовало нескольких передатчиков для триангуляции положения самолёта. TACAN, требовала только одного передатчика, а антенна могла быть небольшой (например, высотой 2 метра и шириной 1 метр).

Система TACAN, состоит из^[4]:

• наземной станции AN/URN-3;
• авиационного блока AN/ARN-21.

Наземная станция и авиационный блок обеспечивают постоянное и автоматическое вычисление полярных координат (азимута и дистанции) воздушного судна. Высокая точность определения местоположения самолёта в полярной системе координат позволяет использовать эти данные для различных навигационных расчётов, таких как полёт по заданным маршрутам или орбитам.

TACAN использует ультравысокочастотный диапазон от 962 до 1 213 МГц и базируется на импульсной парной технологии транспондеров, похожей на вторичную радиолокационную систему наблюдения. Запрашивающее воздушное судно передаёт сигнал в пределах частотного диапазона 1 024-1 150 МГц, который разбит на 126 каналов с шагом в 1 МГц. Отвечающая станция (на земле, на корабле или на другом самолёте) работает на частоте, смещённой на 63 МГц (или 63 канала) выше или ниже частоты запроса, в зависимости от выбранного канала и режима работы. Интервал между отдельными импульсами в паре также определяется режимом работы TACAN^[4].

Информация о дальности функционально идентична методу, используемому в гражданской системе DME: пары импульсов длительностью 3,5 микросекунды (измеряются от края до края при 50%-ной амплитуде модуляции) от воздушного судна повторяются принимающей станцией, которая использует время прохождения сигнала в оба конца для вычисления расстояния по наклонной дальности. Случайное распределение интервалов между парами импульсов позволяет принимающей станции отделять свой сигнал от сигналов других воздушных судов, что позволяет нескольким пользователям получать доступ к функции определения дальности без взаимных помех. К каждой паре импульсов при повторной передаче на станции добавляется фиксированное время задержки (зависящее от режима работы системы). При первом обнаружении станции в зоне действия в режиме «поиск» генерируются до 150 пар импульсов в секунду, затем количество импульсов снижается до 30 пар импульсов в секунду при обнаружении в режиме «слежение».

Информация о пеленге получается из амплитудной модуляции (АМ) сигналов ответной станции в виде пар импульсов. АМ-сигнал генерируется путём физического вращения направленной антенны станции или электронного управления тем же сигналом с помощью антенной решётки. Генерируются два АМ-сигнала:

• основной АМ-сигнал с частотой 15 Гц;
• вспомогательный АМ-сигнал (реализуемый с помощью неподвижных отражателей сигнала в установках с вращающейся антенной) с частотой 135 Гц, девятой гармонике основного сигнала.

Они соответствуют «грубому» и «тонкому» сигналам пеленга, причём последний повышает точность первого. Время сравнивается с моментом достижения максимальной положительной амплитуды сигнала с эталонным набором или «пачкой» пар импульсов с определённой частотой повторения и длительностью, синхронизированных для передачи в определённый момент развёртки сигнала; при передаче они заменяют все остальные типы импульсов

Станции TACAN передают пары импульсов со скоростью 3 600 пар в секунду: 900 из них являются опорными импульсами, а остальные 2 700 состоят из импульсов для определения дальности и идентификации. Если количество импульсов, передаваемых самолётом, недостаточно, станция использует схему сквитера для добавления дополнительных случайных пар импульсов для поддержания желаемой скорости передачи. Это обеспечивает наличие достаточного сигнала для демодуляции сигналов пеленга.

TACAN принадлежит к категории импульсных радионавигационных систем. Важной особенностью является одновременная передача информации об азимуте и расстоянии по единому каналу. Наличие 126 частотных каналов обеспечивает гибкость и возможность использования части из них для других целей, например, для инструментальной посадки самолёта без дополнительного оборудования. Радиус действия системы определяется высотой полёта и ограничивается прямой видимостью между самолётом и наземной станцией^[1].

Благодаря применению дециметровых радиоволн, импульсного режима и уникальной девятилепестковой антенной конфигурации, влияние рельефа местности на точность определения местоположения сведено к минимуму. Определение дальности до воздушного судна базируется на стандартном методе «запрос-ответ». Самолётный передатчик инициирует посылку импульса, который, отразившись от наземной станции AN/URN-3, возвращается обратно в самолётный приёмник. Вычисление дистанции производится на основании времени, затраченного сигналом на прохождение туда и обратно.

Передача информации об азимуте на самолёт реализована за счёт специальной антенны наземной установки, формирующей диаграмму направленности (кардиоидную диаграмму) в горизонтальной плоскости, вращающуюся с постоянной скоростью 15 Гц. Вследствие этого вращения, импульсы, излучаемые наземным устройством, подвергаются пространственной амплитудной модуляции с частотой 15 Гц. Фаза этой модуляции, представляющей собой огибающую принимаемых сигналов, прямо пропорциональна азимуту самолёта.

Измерение фазы модулирующей частоты 15 Гц относительно фазы опорного сигнала с помощью самолётного оборудования позволяет получить данные об азимуте. В качестве опорных сигналов используются импульсы, излучаемые наземным устройством в момент прохождения максимума диаграммы направленности (кардиоиды) через северное направление. Поэтому эти сигналы часто называют «северными» опорными сигналами.

Такой метод определения азимута применяется только в «грубом» канале. Для достижения более высокой точности (около 1°) кардиоидная характеристика направленности антенны наземного маяка преобразуется в девятилепестковую посредством дополнительной модуляции частотой 135 Гц. Эта девятилепестковая диаграмма и обеспечивает формирование второго, «точного» канала измерения азимута.

Для получения сигнала идентификации – наземная станция периодически излучает сигнал идентификации кодом Морзе, чтобы на борту самолёта можно было определить, с какой именно наземной станции используется информация^[2].

Бортовой приёмник TACAN может использоваться в режиме «воздух-воздух» для определения приблизительного расстояния между двумя координирующими друг друга самолётами путём выбора каналов с 63 каналами разделения (например, самолёт № 1 устанавливает канал 29 в своём TACAN, а самолёт № 2 устанавливает канал 92 в своём TACAN). Но он не определяет относительное направление.

Основным недостатком для военного применения является отсутствие возможности контролировать излучение и скрытность. Операции с применением TACAN на флоте организуются таким образом, чтобы самолёт мог найти корабль и приземлиться. Поскольку шифрование отсутствует, противник может использовать данные о дальности и пеленге для атаки на корабль, оснащённый TACAN. Некоторые TACAN могут работать в режиме «только по запросу»: передача данных происходит только при запросе со стороны самолёта по каналу^[1].

Некоторые системы, используемые в США, модулируют передаваемый сигнал с помощью вращающейся антенны, которая вращается со скоростью 900 оборотов в минуту. Эта антенна довольно большая и должна вращаться 24 часа в сутки, что приводит к проблемам с их надёжностью. В современных системах используются антенны с электронным вращением (вместо механического), конструктивно на них нет движущихся частей.

По состоянию на 2025 год складывается проблемная ситуация по системам навигации. На применение глобальных навигационных спутниковых систем (ГЛОНАСС, GPS и др.) оказывают воздействие различные факторы начиная от технических и заканчивая внешнеполитическими (возможностью физического существования в условиях глобального вооружённого конфликта). Система TACAN, относится к категории локальных систем навигации, позволяющих обеспечивать потребителей независимой навигационной информацией. Совместное применение системы TACAN и глобальных навигационных спутниковых систем при обеспечении захода на посадку и посадки самолётов будет иметь низкую вероятность перехвата, что предотвращает обнаружение противником, а версия для авианосцев может использоваться для самостоятельной (автономной) посадки^[4].