سامانه ناوبری TACAN ، چشم سوم جنگنده ها

[Son of anarchy]

امروزه و با وجود سیستم های موقعیت یابی ماهواره ای چون GLONASS و GPS که امکان موقعیت یابی توسط یک چیپ کوچک الکترونیکی را فراهم میکند ، شاید صحبت درباره موقعیت یابی و ناوبری زمین پایه در علم هوانوردی بحثی بیهوده بنظر رسد، اما نگرانی هایی چون انحصاری بودن کنترل و مدیریت این سیستم ها در دست چند کشور معدود دارنده این فناوری که موجب محدود شدن دقت این سیستمها به نوع غیرنظامی برای کشورهای دیگر (در مقایسه با نوع نظامی این سیستمها که منحصرا به نیروهای مسلح کشورهای دارنده این سیستمها ارائه شده است) و همچنین عدم اطمینان پذیری به برقراری پوشش این سیستمها در یک نبرد احتمالی (نظیر آنچه بر سر پوشش سرویس GPS در جنگ اخیر گرجستان آمد) گشته است ، باعث میشود موقعیت یابی و ناوبری زمین پایه همچنان گزینه ای جذاب (حداقل بعنوان سوپاپ اطمینان) برای نیروی هوایی کشورهای فاقد فناوری موقعیت یابی ماهواره ای باشد.

نماد سامانه TACAN در دفترچه هوانوردی

 
 
یکی از پرکاربردترین سیستم های نظامی ناوبری و موقعیت یابی زمین پایه ، سیستم ناوبری هوایی تاکتیکی (Tactical Air Navigation System) که به اختصار TACAN نامیده میشود، میباشد که امکان تشخیص موقعیت را به خلبان هواپیما میدهد.
 
 
سابقه عملیاتی سیستم TACAN  که در حقیقت نوع نظامی و با دقت و برد بالاتر سیستم موقعیت یابی رادیویی استاندارد VOR/DME به شمار میرود، به دهه 50 میلادی باز میگردد. ایده پشت این سیستم استفاده از سیگنال های رادیویی برای تعیین موقعیت یک هواپیمای نظامی برای سرنشینان هواپیما با استفاده از ایستگاه های زمین پایه است. بطوریکه در این سامانه ، هواپیما همواره تحت پوشش یک ایستگاه TACAN قرار داشته و موقعیت خود را نیز نسبت به موقعیت جغرافیایی ایستگاه TACAN و از طریق سیگنال های تبادل شده بین هواپیما و ایستگاه بدست میاورد.


TACAN چگونه کار می کند ؟

 
در سامانه TACAN یک سیستم فرستنده/ گیرنده مخصوص روی هواپیما و یک سیستم مشابه دیگر در ایستگاه زمینی نصب شده است. هواپیما برای یافتن موقعیت جغرافیایی خود در یک میدان نبرد از طریق سیستم TACAN به سه مشخصه نیاز دارد : موقعیت جغرافیایی ایستگاه زمین پایه (یا دریاپایه) TACAN و فاصله و سمت خود نسبت به این ایستگاه (دستگاه مختصات استوانه ای).
 

هواپیما باید پیش از هر ارتباط و تبادل ارتباط با یک ایستگاه زمینی ، باید ایستگاه را شناسایی کند. ایستگاه زمینی TACAN هر 30 ثانیه با توقف لحظه ای سیگنال های ارتباطی، یک کد شناسایی مورس (identification code) با فرکانس منحصر بفرد که حاوی موقعیت جغرافیایی ایستگاه و دیگر اطلاعات است را بصورت سیگنال رادیویی منتشر میکند. این کد شامل تعدادی مجموعه پالس (pulse group) است که با فواصل متغیر (منطبق با کد مورس) ارسال میگردد. هر مجموعه پالس که بعنوان "1" در این کد در نظر گرفته میشود از دو جفت پالس با عرض 12 میکروثانیه و فاصله بین پالسی 100 میکروثانیه تشکیل شده است و فاصله بین مجموعه پالس ها نیز بعنوان "0" در نظر گرفته میشود.

 
قدم بعدی پس از شناسایی و دریافت موقعیت جغرافیایی ایستگاه زمینی ، تعیین فاصله بین هواپیما و ایستگاه زمینی میباشد. سامانه TACAN برای تعیین فاصله بین هواپیما و ایستگاه زمینی از تکنیک مشابه رادار استفاده میکند، بیاد بیاورید که یک رادار برای تعیین موقعیت یک هواپیما یک سیگنال مشخص را ارسال نموده و سپس با استفاده از زمان رفت و برگشت این سیگنال (ناشی از انعکاس از بدنه هواپیما) ، فاصله هواپیما از خود را تعیین میکند.

 
اما در این سامانه بجای سیگنال منعکس شده از بدنه هواپیما (اصطلاحا سیگنال "پاسخ") ، سامانه خود سیگنال های پاسخ مصنوعی تولید میکند. در قدم اول فرستنده هواپیما سیگنال هایی تحت عنوان سیگنال های بازجویی (interrogation Signal) را میباشد، با زمان بندی مشخصی منتشر میکند. ایستگاه زمینی پس از دریافت این سیگنال بمدت کوتاهی تاخیر (50 میکروثانیه) اعمال کرده و سپس سیگنال پاسخ را ارسال میکند. حال هواپیما میتواند با اندازه گیری فاصله زمانی بین ارسال سیگنال بازجویی و دریافت سیگنال پاسخ (منهای 50 میکرو ثانیه تاخیر) ، فاصله خود را از ایستگاه تعیین کند. (هر 12 میکرو ثانیه تاخیر برابر یک مایل میباشد)

 

همانند کد شناسایی ، سیگنال بازجویی و پاسخ نیز بصورت دو پالسه (twin-pulse) ارسال میشوند. این فرم خاص سیگنال به جهت افزایش توان متوسط سیگنال منتشر شده و سهولت در جدا کردن سیگنال های اطلاعات از سیگنال های نویز است بطوریکه سیستم فرستنده/گیرنده سیگنال های دوپالسه با فاصله زمانی غیراستاندارد بین دو پالس را رد میکند.
 
 
با محاسبه فاصله هواپیما از ایستگاه زمینی بوسیله تاخیر زمانی ، دامنه این سیگنال ها ظرفیت استفاده نشده ای را به ارمغان میاورد که از آن برای تعیین جهت هواپیما نسبت به ایستگاه زمینی استفاده میشود. بدین منظور ، آنتن ایستگاه زمینی بطور خاصی طراحی شده است که به منظور سهولت در فهم ، ابتدا ساختار رادار در مشابه غیرنظامی سامانه TACAN یعنی سیستم VOR (VHF Omni Directional Radio Range) را بررسی میکنیم.  

در سیستم غیرنظامی VOR ، آنتن سامانه زمینی بصورت از یک فرستنده مرکزی omni-directional و  یک بدنه استوانه ای شکل از جنس فایبرگلاس و یک سیم رسانا (در نقش انعکاس دهنده) که فرستنده را احاطه کرده است، تشکیل شده. فرستنده مرکزی آنتن سیگنال پاسخ را در همه جهات بصورت برابر (چه در فاز و چه دامنه) منتشر میکند اما طراحی خاص بدنه ی استوانه ای و استفاده از سیم های رسانا در آن ، باعث تغییر شکل سیگنال به الگوی cardioid شکل و تضعیف دامنه در برخی جهات شود که میتوان آن را نوعی مدولاسیون دامنه ای (Amplitude Modulation) محسوب کرد. (شکل زیر) علت طراحی استوانه ای شکل و متفاوت آنتن های سامانه TACAN  نیز در همین نکته نهفته است.

بدنه استوانه ای شکل در هر ثانیه 15 دور میچرخد لذا این الگوی سیگنالی نیز به همان ترتیب 15 دور در دقیقه میچرخد در نتیجه سیگنال خروجی از آنتن و دریافتی توسط هواپیما یک سیگنال با دامنه شبه سینوسی و فرکانس 15 هرتز است. با دقت در تصویر بالا واضح است که این الگوی مدولاسیون دارای تنها یک نقطه نوک است که دامنه در آن تضعیف نشده است که این نقطه را اصطلاحا نقطه ماکسیمم مینامیم. 

 
با بررسی های هندسی میتوان اثبات کرد که هر یک درجه تغییر زاویه جغرافیایی هواپیما نسبت به ایستگاه زمینی ، سیگنال دریافتی سینوسی توسط هواپیما نیز یک درجه تغییر فاز میدهد. به منظور اندازه گیری این تغییر فاز ، در هر عبور نوک الگوی cardioid آنتن از شرق مغناطیسی ، یک سیگنال 15 هرتز مرجع (main reference burst) توسط ایستگاه زمینی با فاز برابر در تمامی جهات منتشر میشود لذا هواپیما میتواند با اندازه گیری اختلاف فاز بین سیگنال مدوله شده و سیگنال مرجع ، زاویه هواپیما از ایستگاه زمینی نسبت به شمال مغناطیسی را تعیین کند، این روش موقعیت یابی را اصطلاحا موقعیت یابی قطبی (Polar Co-ordination) می نامند.



نمونه یک آنتن TACAN هواپیماهای نظامی

 
حال باز میگردیم به سیستم TACAN ، ساختار آنتن فرستنده زمینی TACAN همانند سامانه VOR است با این تفاوت که یک بدنه استوانه دیگر روی بدنه اصلی اضافه شده است. طراحی بدنه استوانه ای جدید و قرارگیری سیم های آنتن در فواصل 40 درجه ای از یکدیگر ، باعث اضافه شدن یک سیگنال ریپل (ripple) روی سیگنال اصلی 15 هرتزی اصلی میشود. سیگنال دریافتی توسط هواپیما در این حالت شکل Cardioid خود را حفظ نموده با این تفاوت که بر روی آن یک سیگنال ریپل با 9 نقطه ماکسیمم در هر دوره از سیگنال اصلی وجود دارد. در واقع سیگنال جدید دارای فرکانس 9*15=135 هرتز میباشد.
 


پرواضح است که برای اندازه گیری اختلاف فاز  سیگنال مدوله شده جدید ، سیگنال مرجع نیز حالا باید با فرکانس 135 هرتز (که بنام Auxiliary Reference Burst شناخته میشود) منتشر شود. مزیت این سیگنال نسبت به سیگنال 15 هرتزی پیشین آنست که حال برای هر یک درجه تغییر زاویه هواپیما نسبت به ایستگاه زمینی ، سیگنال مدوله شده 9 درجه تغییر فاز میدهد که این باعث دقت بالاتر نسبت به سیستم غیرنظامی VOR میگردد.

سیستم TACAN با خطای یک درجه عملا دارای دقت 3 برابر در تعیین زاویه جهت نسبت به مدل غیرنظامی خود میباشد. این سیستم همچنین با خطای 63 متر در 3.47 کیلومتر در تعیین فاصله هواپیما از ایستگاه ، دارای دقت بالاتری نسبت به سیستم غیرنظامی تعیین فاصله (DME) میباشد. آنتن های کنونی این سامانه قادر به پوشش تا شعاع 380 مایلی هستند.
 
نشانگر سیستم TACAN در کابین خلبان



چشم انداز سامانه

 
با نگاهی به عملکرد این سامانه بخوبی قابل درک است که این سامانه تنها در صورت وجود ارتباط بین یک ایستگاه زمینی و هواپیما مفید است و در صورت قطع ارتباط هیچ کاربردی نخواهد داشت. از سوی دیگر سامانه پایه TACAN فاقد رمزنگاری و حتی اعمال کنترل روی انتشار سیگنال (EMCON) و سکوت رادیویی است.
 
 
این مساله نقطه ضعف بزرگی به شمار میرود چراکه دشمن میتواند با رهگیری این سیگنال ها ، موقعیت آنتن ایستگاه زمینی (یا دریاپایه) را کشف و به آن حمله کند. بهمین منظور سیستم های جدیدتری از جمله JPALS معرفی شده اند که با بهره گیری ترکیبی از سیستم موقعیت یابی GPS و آنتن های با امکان رهگیری پایین (LPI) ، تلاش بر رفع این نقاط ضعف نموده اند.
 
 
گفتنی است نیروی هوایی جمهوری اسلامی ایران در سالهای گذشته اقدام به تجهیز برخی از ناوگان هوایی خود به سیستم TACAN و استقرار ایستگاه های زمینی این سامانه در جهت گسترش پوشش این سیستم نموده است، مشخص نیست که آیا سیستم نصب شده دارای ارتقا در حوزه رمزنگاری و رهگیری سیگنالی بوده است یا خیر.
 
دیدن لینک ها برای شما امکان پذیر نیست. لطفا ثبت نام کنید یا وارد حساب خود شوید تا بتوانید لینک ها را ببینید.
http://www.military.ir/forums/topic/29053-%D8%B3%D8%A7%D9%85%D8%A7%D9%86%D9%87-%D9%86%D8%A7%D9%88%D8%A8%D8%B1%DB%8C-tacan-%D8%8C-%DA%86%D8%B4%D9%85-%D8%B3%D9%88%D9%85-%D8%AC%D9%86%DA%AF%D9%86%D8%AF%D9%87-%D9%87%D8%A7/

ترجمه و گردآوری : Cheka