الموسوعة العربية

بحث متقدم

أ ب ت ث ج ح خ د ذ ر ز س ش ص ض ط ظ ع غ ف ق ك ل م ن هـ و ي

التاكان

تاكان

Tacan System -

التاكان

مبادئ العمل

حرية الموقع

التحسينات

التركيب

محمد خالد شاهين

التاكان TACAN منظومة ملاحة جوية إلكترونية تعمل بالترددات الفائقة العلو ultrahigh frequency بين 960 ميغاهرتز و1215 ميغاهرتز، توفر للطيار معلومات مستمرة عن المدى range والسمت (الاتجاه الزاوي) bearing نسبةً إلى فنار إرشاد beacon (أو محطة أرضية).

والتاكان منظومة عسكرية تجمع بين القدرة على تحديد السمت -التي توفرها منظومة المدى الراديوي لجميع الاتجاهات العالية التردد جدّاً (الفور) Very High Frequency Omnidirectional Radio Range (VOR)- والقدرة على قياس المسافة التي توفرها تقانة معدات قياس المسافة Distance Measuring Equipment (DME).

بدأ استخدام هذه المنظومة في الخمسينيات من القرن العشرين، ولا تزال عاملة حتى هذا اليوم، لكنها خضعت لتحسينات مستمرة على مر العقود. ويعود أصل هذه التسمية إلى الإنكليزية، وهي اختصار للمقابل الإنكليزي للملاحة الجوية التكتيكية TACtical Air Navigation (TACAN). وهي مصممة لتكون قابلة للنقل، ومن ثمَّ فهي مهيَّأة للاستخدام في مناطق القتال، وهو السبب في تسميتها بالتكتيكية.

مبادئ العمل

تعتمد منظومة التاكان على تقانة معدات قياس المسافة DME من حيث استخدامها لهوائي هذه التقانة؛ ومصوغة format نبضاتها، ومن ثمَّ فإن قياس المسافة متأصل فيها.

تقوم محطة فنار (منارة) الإرشاد بإرسال 900 شفع من النبضات المرمّزة بالثانية، إضافةً إلى نبضات معدات تحديد المسافة؛ من أجل السماح لمستقبِل التاكان على متن طائرة بتحديد الاتجاه. ويقوم هوائي دوّار (الشكل1) -له مخطط إشعاع ذو شكل خاص- بإرسال جميع النبضات، وينجم عن ذلك تعديل مطالي ثنائي النغمة tone (15 هرتزاً و135 هرتزاً) لغلاف نبضات منظومة معدات قياس المسافة المستقبلة من مستعلم التاكان المحمول على متن الطائرة، ويقوم مستقبل التاكان بتحديد الاتجاه الزاوي (السمت) اعتماداً على علاقة الطور بين نبضات التعديل المطالي والنبضات المرمّزة.

الشكل (1) بنية مستقبل مجيب التاكان مع منظومة هوائيات الاتجاه الدوّارة.

يمكن تبعاً للاستطاعة المشعة المكافئة المتماثلة الخواص Equivalent Isotropic Radiated Power (EIRP)؛ ولتصميم المستعلم interrogator نظريّاً تغطية مدى حتى 740 كم، إلا أن المدى في الواقع العملي يكون محدوداً بخط النظر الراديوي Radio Line-Of-Sight (RLOS) الأعظمي.

تتألف المعدات المحمولة جوّاً من مرسل مستعلم ومن مستَقبِل يشتمل على دارات كشف-تعديل مناسبة تسمح باستخلاص المعلومات المحتواة في إجابة الفنار، أما المعدات الأرضية فتشتمل على فنار مزود بمنظومة هوائيات دوَّارة (الشكل 2).

الشكل (2) فنار التاكان.

في غياب إشارات الاستعلام، يرسل الفنار سلسلة من النبضات العشوائية مع مجموعة من النبضات الدليلية markers أو المرجعية المتزامنة (المقفلة) locked مع دوران الهوائي، وبذلك يمكن الحصول على معلومات السمت من دون استعلام؛ نظراً لقيام الفنار بالإرسال باستمرار.

يقوم الفنار -إضافةً إلى إرسال سلسلة عشوائية من النبضات- بإرسال إشارة تعريف عن نفسه دوريّاً، وبهدف تحديد المدى يقوم المرسل المحمول جوّاً بإشعاع سلسلة من النبضات المزدوجة. يستقبل الفنار نبضات الاستعلام هذه ويعيد إرسالها بعد انقضاء مدة محددة عوضاً عن النبضات العشوائية الخاصة التي يرسلها في غياب الاستعلام، ويجري حساب التأخير الزمني بين إرسال نبضة الاستعلام واستقبال الإجابة اعتماداً على إحدى تقنيات الرادار المعيارية.

ولتفادي الأخطاء الناجمة عن تعدد الاستعلامات؛ يقوم مرسل الفنار ببث نبضاته المزدوجة عند مجالات زمنية عشوائية، ولدى تعرّف المستقبل فقط يرسل مجموعة متماثلة تماماً من نبضات الإجابة المتأخرة بالمقدار نفسه. يبيّن الشكل (3) مخطط إشعاع (القطبي) منظومة هوائيات فنار التاكان.

الشكل (3) مخطط إشعاع منظومة هوائيات فنار التاكان.

وينتج مخطط الإشعاع هذا من منظومة مكوّنة من مشعّ مَقُود driven، وحلقة من تسعة مشعّات طفيلية parasitic موزعة على شكل حلقة حول المشعّ المقود، إضافةً إلى مشعّ طفيلي وحيد كما هو مبيّن في الشكل (4).

الشكل (4) مخطط توزع منظومة هوائيات فنار التاكان.

وينجم عن دوران العناصر الطفيلية حول المشعّ المركزي دوران مخطط الإشعاع في الفضاء، وتدور العناصر الطفيلية حول المشعّ المركزي بسرعة 900 دورة بالدقيقة (15 هرتزاً)، ومن ثمَّ يجري تعديل الإشارة مطاليّاً بإشارة ذات تردد 15 هرتزاً نتيجة دوران المشّع الوحيد؛ وبإشارة ذات تردد 135 هرتزاً نتيجة دوران مجموعة المشعّات التسعة.

كما يجري إرسال إشارة دليلية عند كل مرور للفص الرئيسي main lobe في مخطط الإشعاع بالشرق المغنطيسي. ويُدل على هذا الموضع بالمَعْلم الشمالي North marker ويرمز إليه بـ N، وقد يسبِّب هذا بعض التضليل.

إضافةً إلى ذلك يجري إرسال إشارات دليلية أخرى كلما دار مخطط الإشعاع بمقدار 40 درجة، وتسمح منظومة الإشارات الدليلية بتوفير إشارات مرجعية عند التردد 15 هرتزاً والتردد 135 هرتزاً التي تسمح بمقارنة الطور بالإشارات المستقبلة على متن الطائرة.

ولما كانت الطائرة تحلق قريباً من الفنار، فإن زمن استقبال الإشارات الدليلية يتغير مقارنة بطور التعديل المطالي للإشارات المستقبلة كما هو مبيّن في (الشكل 5).

الشكل (5) مخطط الإشارات المستقبلة على متن الطائرة في مواضع مختلفة نسبةً إلى الفنار.

يتضمن المستقبِل المحمول جوّاً خمسة كواشف. الأول هو كاشف غلاف envelope detector يتكون خرجه من إشارة مركّبة من الترددين 15 هرتزاً و135 هرتزاً؛ نتيجة دوران مخطط إشعاع الهوائي، أما الثاني والثالث فيستخدمان لعزل الإشارتين المرجعيتين 15 هرتزاً و135 هرتزاً، في حين يستخدم الكاشف الرابع لتغذية دارات قياس المدى، وأخيراً يقوم الكاشف الخامس باستخلاص إشارة التعريف الخاصة بالفنار.

يجري تمرير الإشارة الصادرة عن كاشف الغلاف عبر مرشحات لفصل الإشارتين المعدلتين ذواتي الترددين 15 هرتزاً و135 هرتزاً. وتستخدم دارة مقارن طور لقياس فرق الطور بين الإشارة المعدّلة 15 هرتزاً والإشارة المرجعية ذات التردد 15 هرتزاً الصادرة عن الكاشف الثاني، وتسمح هذه الدارة بقياس سمت المنارة ضمن مجال درجة.

وتقوم دارة مقارن طور أخرى بمقارنة طور الإشارة المعدّلة ذات التردد 135 هرتزاً بطور الإشارة المرجعية ذات التردد 135 هرتزاً الصادرة عن الكاشف الثالث، ويسمح ذلك بزيادة دقة سمت الفنار إلى قرابة درجة.

ليس ثمة قيد على عدد الطائرات التي يمكنها بآنٍ واحدٍ الحصول على معلومات من فنار وحيد، لكن عدد الطائرات التي يمكنها في الوقت نفسه الحصول على معطيات المسافة لا يتعدى المئة.

حرية الموقع

تكون فنارات التاكان في معظم الأحيان منشآت أرضية ثابتة، لكن ثمة فنارات محمولة برية (الشكل6)، وأخرى محمولة بحرية (على متن السفن)، وكذلك محمولة جوية (على متن الطائرات).

الشكل (6) صورة لمحطة تاكان أرضية محمولة حديثة.

ولما كانت منظومة التاكان تعمل على الترددات الفائقة العلو، فإن حجم التجهيزات والهوائيات أصغر من حجم تجهيزات المنظومة الأقدم، وهي منظومة المدى الراديوي لجميع الاتجاهات العالية التردد جدّاً. ونظراً لصغر حجم التجهيزات الأرضية للتاكان يمكن نقلها بسهولة أكبر، ومن ثمَّ يمكن استخدامها في المناطق المعادية أو مناطق المعارك الجوية المؤقتة.

التحسينات

شهدت معدات التاكان الأرضية الثابتة والمحمولة تطوراً مستمرّاً خلال العقود المنصرمة، ويعود الفضل في ذلك إلى تطور تقنيات الهوائيات والإلكترونيات بصورة خاصة، الذي سمح بتحسين الأداء وزيادة الموثوقية وإنقاص الحجم والوزن؛ بهدف تلبية متطلبات الأداء العالي للطائرات من جهة وللمحطات الأرضية من جهة أخرى، فقد حلت منذ عقود -على سبيل المثال- هوائيات مسح إلكترونية مكان هوائيات التاكان الميكانيكية التقليدية؛ فسمح ذلك بخفض الاستطاعة المستهلكة، وكذلك خفض التعب الناجم عن الاستعمال نظراً للاستغناء عن الأجزاء المتحركة، واستبدلت الدارات الإلكترونية ذات الحالة الصلبة solid state بالدارات الميكانيكية والصمامات؛ فأسهم ذلك في خفض الحجم والوزن واستهلاك الاستطاعة والتكلفة.

كما استخدمت التقانات الرقمية مثل المعالجات الصغرية والحواسيب لتطوير الأداء والموثوقية، وإظهار أفضل للمعطيات، وتسهيل عمليات الصيانة والتفتيش.

وقد تطورت معدات التاكان بحيث غدا بإمكانها التعامل مع عدة محطات أرضية (أربع على سبيل المثال) بآنٍ واحدٍ من أجل قياس المدى بدقة أكبر، وعدة محطات (اثنتين مثلاً) من أجل قياس السمت بدقة أعلى، كما زُودت بإمكان تشخيص الأعطال ذاتيّاً. ويعود الفضل في هذه التحسينات إلى تطوير برمجيات حاسوبية ومعالجات رقمية تقوم بمعالجة المعطيات وإظهارها على شاشات متطورة.

وجاءت هذه التحسينات المستمرة على منظومة التاكان استجابة للمشكلات التي ظهرت عند اختبار المنظومة على الطائرات الأحدث فالأحدث؛ والتي تتميز بمدى طيران أطول، وارتفاعات أعلى، وسرعات أكبر، ومتطلبات عملياتية أكثر صرامة.

ثمة مواصفات ومعايير عامة يجب أن تحققها جميع معدات الملاحة الجوية؛ منها على سبيل المثال: المواصفة MIL-STD-291 ومواصفات خاصة بمنظومة التاكان مثل المواصفة MIL-STD-291C ، التي تحدد قنوات التاكان وعددها وترددات الاستعلام، إضافةً إلى معاملات النبضات المختلفة مثل زمن صعود النبضة rise time، وزمن هبوط النبضة، ومدتها، وغير ذلك من المعاملات.

ومن أجيال ونماذج معدات الإرسال والاستقبال ونماذجها AN/URN-20، AN/URN-25، AN/TRN-26، AN/FRN-45، AN/ARN-153(V)، AN/ARN-154(V) ، وهي مرتّبة من الأقدم إلى الأحدث.

التركيب

تشغّل وزارة الدفاع الأمريكية وإدارة الطيران الفيدرالية الأمريكية مئات محطات التاكان الأرضية الثابتة (الشكل7) والنقالة في الولايات المتحدة الأمريكية، إضافةً إلى قرابة مئة محطة أخرى تقوم وزارة الدفاع الأمريكية بتشغيلها في أرجاء العالم. ويقدر عدد الطائرات العسكرية المجهزة بمعدات التاكان بعشرات الآلاف ولاسيما في دول منظمة حلف شمال الأطلسي (الناتو) National Atlantic Treaty Organization (NATO).

الشكل (7) صورة لعملية تركيب محطة تاكان أرضية.

لما كان التاكان منظومة غير مدنية فلا يجب عليه من حيث المبدأ التوافق مع متطلبات الطيران المدني، غير أن فنارات منظومة التاكان - ونظراً لاستخدام الطائرات العسكرية المسارات نفسها التي تستخدمها الطائرات المدنية - تتوضع جنباً إلى جنب مع فنارات منظومة المدى الراديوي لجميع الاتجاهات العالية التردد جدّاً (الفور VOR) على معظم المسارات الجوية، ويُطلق على هذه المرافق المشتركة اسم فورتاك VORTACs (الشكل 8).

الشكل (8) صورة لمحطة فورتاك.

تجدر الإشارة إلى أن الطائرات كانت تُزود بمنظومات ملاحية متنوعة تبعاً للتطبيق المنشود (ملاحة بعيدة المدى، ملاحة متوسطة المدى، هبوط دقيق). ومن المنظومات التي استخدمت فيما مضى للملاحة: منظومة الملاحة العطالية Inertial Navigation System (INS)، ومنظومة أوميغا Omega، ومنظومة لوران سي Long Range Navigation (Loran C)، ومنظومتا المدى الراديوي لجميع الاتجاهات العالية التردد جدّاً VOR، ومعدات قياس المسافة DME، إضافةً إلى منظومة التاكان للطيران العسكري. وفيما يخص منظومات الهبوط الدقيق فقد استخدمت منظومة الهبوط بالأجهزة Instruments Landin System (ILS)، ثم منظومة الهبوط المِكروي Microwave Landing System (MLS)، لكن التوجه الغالب في السنوات الأخيرة هو نحو الاعتماد على منظومات تحديد الموقع بوساطة السواتل؛ وعلى الأخص منظومة تحديد الموقع الشاملة Global Positioning System (GPS) الأمريكية، والمنظومة الساتلية للملاحة الشاملة Globalnaya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema (GLONASS) الروسية؛ اللتان تقدمان خدمات ملاحة بعيدة ومتوسطة المدى مستمرة في جميع أنحاء العالم وفي شتى الظروف، وبدقة أعلى من أيّ منظومة أخرى.

مراجع للاستزادة:

- A. Helfrick, Principles of Avionics, Avionics Communications, 2012.

- I. Moir, A. Seabridge, M. Jukes, Military Avionics Systems, John Wiley & Sons, 2006.

- M. S. Nolan, Fundamentals of Air Traffic Control, Cengage Learning, 2010.