Tema 3. Navegación Aérea, Equipos y Sistemas PDF

3.3.5 Sistemas hiperbólicos Los sistemas de navegación hiperbólicos fueron desarrollados con objeto de buscar una solución de navegación radioeléctrica de larga distancia que permitiera operar en zonas donde las radioayudas no tenían alcance (especialmente en la navegación oceánica). Los sistemas hi...

3.3.5 Sistemas hiperbólicos Los sistemas de navegación hiperbólicos fueron desarrollados con objeto de buscar una solución de navegación radioeléctrica de larga distancia que permitiera operar en zonas donde las radioayudas no tenían alcance (especialmente en la navegación oceánica). Los sistemas hiperbólicos han quedado prácticamente en desuso con la aparición del sistema inercial y de los sistemas basados en satélite. Estos sistemas proporcionan posición, nunca rumbo ni guiado (si no se dispone de un ordenador de navegación de a bordo). Los sistemas de navegación hiperbólicos se basan en establecer, como posible línea de situación de una aeronave, los puntos en los que la diferencia de distancia a dos referencias fijas se mantiene constante. Esta línea de situación corresponde, por definición geométrica, a una hipérbola. Los sistemas hiperbólicos se componen de una red fija de estaciones terrestres que emiten, de forma periódica, una secuencia de señales radioeléctricas omnidireccionales. Las aeronaves calculan su posición por la intersección de las hipérbolas que calculan en base a estas estaciones. Localización del receptor por intersección de hipérbolas de situación- Receptor de un sistema hiperbólico tipo Omega- Los sistemas hiperbólicos más utilizados, así como sus características más importantes se resumen en el siguiente cuadro: SISTEMA TÉCNICA EMPLEADA BANDA DE FRECUENCIAS ALCANCE DECCA Medida de fases LF: Low Frequency (frecuencias bajas) 1500 NM LORAN-A Medida de tiempos MF: Medium Frequency (frecuencias 1000 Km de día 2500 LORAN-C Medida de tiempos y medias) LF: Low Frequency (frecuencias bajas) Km de noche 1200NM – 3400 NM OMEGA fases Medida de fases VLF: Very Low Frequency (frec. muy 6000 NM – 10000 NM bajas) 3.4 Sistemas no autónomos, terrestres: Visuales Estos sistemas proporcionan a las aeronaves información visual para la navegación en las fases de aproximación y aterrizaje. Existen dos tipos de sistemas: o Sistemas visuales indicadores de pendiente de aproximación. o Sistemas de luces de aproximación. Representación de los sistemas luminosos de ayuda a la aproximación y aterrizaje- El convenio de colores será: o Todo rojo para indicar muy cerca de pista o muy bajo. o Todo blanco para indicar muy alto. 3.4.1 Sistemas visuales indicadores de pendiente de aproximación Son aquellos que proporcionan al piloto una guía de descenso visual para la fase de aproximación y están constituidos por agrupamientos de luces, mediante lo presentación de distinto nº de luces en rojo el piloto puede saber si el descenso el correcto o no. 3.4.1.1 Sistemas PAPI y APAPI El sistema PAPI (Precision Approach Path Indicator) está compuesto por una barra de ala con 4 elementos luminosos. El sistema APAPI (Abbreviated PAPI) está compuesto por una barra de ala con dos elementos luminosos. Ambos sistemas se sitúan al lado izquierdo de la pista, a menos que sea materialmente imposible. Si la pista es utilizada por aeronaves que necesitan guía visual de balanceo y no hay otros medios externos que proporcionen esta guía visual, entonces puede proporcionarse una segunda barra de ala en el lado opuesto de la pista. Disposición de los sistemas PAPI y APAPI- En función de la posición de la aeronave respecto a la senda de descenso visual proporcionada, la información de guiado se proporcionaría al piloto según se indica: Características operacionales Estos sistemas se instalan para facilitar la aproximación a una pista, cuando el piloto pueda tener dificultades para evaluar la maniobra debido a las condiciones meteorológicas y/o del terreno. Se utilizan tanto para operaciones diurnas como nocturnas y pueden ser la única ayuda a la aproximación que disponga la pista en servicio o actuar como medio suplementario a otros sistemas de aproximación instrumental. En este último caso, la pendiente visual se ajusta a la senda de planeo instrumental. Los alcances visuales de estos sistemas dependen de las condiciones meteorológicas y de visibilidad, no obstante, disponen de un control de intensidad luminosa, de acuerdo con las condiciones predominantes. 3.4.1.2 Sistemas T-VASIS y AT-VASIS Este sistema no se explicará por estar en desuso en los aeródromos civiles, de hecho, ya no hay ninguno. En España está en alguna base aérea militar. 3.4.2 Sistemas de luces de aproximación Los sistemas de luces de aproximación (ALS / Approach Lighting System) proporcionan al piloto información visual para la fase de aproximación, relacionada con la altura de decisión y la posición de la aeronave respecto al eje y cabecera de pista, ayudándoles el tramo final antes del umbral. Están constituidos por agrupamientos de luces, que suministran la información de navegación mediante su disposición sobre el terreno, la utilización de códigos de colores y barras transversales (barretas) que por su disposición le indican al piloto a cuanto están del umbral. Aunque no se requiere un dispositivo de a bordo específico, el piloto de la aeronave necesita estar en contacto visual con el terreno para interpretar la información proporcionada por los elementos luminosos. Los elementos luminosos se emplazan antes del umbral de la pista en dirección longitudinal y transversal. En función de las características operacionales que se requieran en cada pista, los ALS se clasifican en tres tipos: SENCILLO Constitución Línea Con 1 sola central luz Longitud Como min máx. 420 M Barretas 1 transversal a 300 m Aproximación Para aproximaciones visuales y de no precisión CAT I Constitución Línea Con 1 sola luz central los primeros 300 m A continuación 2 luces otros 300 m Por último, 300 m con 3 luces Longitud Como máximo max 900 m Barretas Obligatoria 1 barreta cada 300 m Recomendable 1 barreta cada 150 m Aproximación Para aproximaciones de precisión CAT I CAT Constitución II/III Línea Es central exactamente igual que el de CAT I, con excepción de que los 300 m más cercanos Longitud max al umbral tiene barretas rojas a ambos lados de la línea central Barretas Aproximación Para aproximaciones de precisión CAT II/III Características operacionales Estos sistemas tienen por objeto facilitar la operación de aproximación de una aeronave a la pista, especialmente cuando las condiciones de visibilidad son limitadas. Constituyen una parte complementaria de los sistemas de aproximación y aterrizaje (ILS) y representan una gran ayuda para el piloto durante la transición del vuelo instrumental al visual. 3.5 Sistemas no autónomos, espaciales 3.5.1 Sistemas de Navegación por Satélite Los sistemas GNSS (Global Navigation Satellite System / Sistema Global de Navegación por Satélite) proporcionan con mucha exactitud la posición (metros) y el tiempo (nanosegundos) en todo el mundo. 3.5.1.1 Principio de funcionamiento de las constelaciones principales GNSS El principio de funcionamiento de las constelaciones principales GNSS se basa en la medida del tiempo que tarda una señal en llegar desde el emisor (satélite) al receptor (aeronave), proporcionando la distancia entre ambos. Midiendo la distancia a tres satélites se determina la posición del receptor en el espacio y en el tiempo, a partir del conocimiento de la posición de los satélites, la cual es controlada en todo momento por las estaciones de tierra. En la práctica se requiere un cuarto satélite para sincronizar el reloj del receptor y así medir la distancia a los satélites con precisión. Representación esquemática del funcionamiento de los Sistemas GNSS- 3.5.1.2 Descripción de las constelaciones principales GNSS Los sistemas GPS (Global Positioning System / Sistema de Posicionamiento Global), GLONASS (Global Navigation Satellite System / Sistema de Navegación por Satélite), GALILEO y BeiDou/BDS están constituidos por tres segmentos operativos (espacial, terrestre o de control y de usuario): Composición de las constelaciones principales GNSS- SEGMENTO ESPACIAL: formado por una constelación de satélites encargados de transmitir señales de radiofrecuencia con mensajes de navegación a partir de los cuales se calcula la posición del receptor. SEGMENTO TERRESTRE O DE CONTROL: formado por estaciones terrestres cuya misión principal es la de controlar y supervisar el buen funcionamiento de la constelación de satélites, aunque también puede proporcionar servicios de valor añadido como datos de integridad, y servicios de búsqueda y rescate. SEGMENTO DE USUARIO: formado por los receptores que captan y procesan las señales transmitidas por los satélites, proporcionando la posición y el tiempo a los usuarios (aeronaves). 3.5.1.3 Características operacionales Aunque el principio de funcionamiento de las constelaciones principales GNSS es similar en todas ellas, las frecuencias de las señales emitidas por los satélites, su modulación y la codificación del mensaje de navegación, pueden ser diferentes. Se utilizan sistemas de aumentación para mejorar las prestaciones de navegación de las constelaciones principales GNSS, y así cumplir con los requisitos de integridad, disponibilidad, continuidad y exactitud exigidos en las diferentes fases de vuelo/operaciones. 3.5.1.4 Sistemas de Aumentación Para mejorar las prestaciones de navegación de las constelaciones principales GNSS (GPS, GLONASS, Galileo o BeiDou, o en el futuro una combinación de ellos) y hacerlos aptos para el uso en la navegación aérea, se desarrollan los sistemas de aumentación. Estos sistemas proporcionan correcciones y/o información de integridad al receptor (segmento usuario) que los usa para aumentar las prestaciones de exactitud, integridad, continuidad y disponibilidad del sistema GNSS. Cada sistema de aumentación tiene su área de servicio dentro de la cual se recibe y se puede usar su señal de aumentación. El uso de cada tipo de sistema de aumentación requiere capacidades específicas en los receptores/equipos de a bordo. Existen tres tipos de sistemas de aumentación: Siglas Sistema de aumentación basado en satélite / Satellite-based augmentation system. Área de servicio Este sistema mejora las prestaciones de una constelación principal GNSS sobre un área de servicio amplia (región, continente). Funcionamiento SBAS Enviando al usuario correcciones e información de integridad a través de satélites geoestacionarios. EGNOS es el SBAS desarrollado en Europa y da un servicio de aumentación sobre toda Europa. Fases El sistema SBAS es compatible, aunque no obligatorio, con PBN en las fases de ruta, SID, STAR y aproximaciones de no precisión. Dependiendo donde nos situemos dentro de su área de servicio, puede llegar a habilitar aproximaciones con guiado vertical APV SBAS o de precisión CAT I, para las cuales sí resulta necesario. Siglas Sistema de aumentación basado en tierra / Ground-based augmentation system. Área de servicio Este sistema mejora las prestaciones de una constelación principal GNSS sobre un área de servicio local (cerca del aeropuerto en el que se instala). GBAS Funcionamiento Emitiendo la información de aumentación a través de una o varias antenas VHF en tierra. Fases Habilita aproximaciones de precisión, actualmente CAT I y en el futuro CAT II/III. Siglas Sistema de aumentación basado en la aeronave / Aircraft-based augmentation system. Área de servicio Su área de servicio es global. Funcionamiento Este sistema está embarcado en el avión y se basa en el uso de datos disponibles en los sistemas autónomos de la aeronave (como el ABAS sistema de referencia inercial (IRS) o el sistema de datos aire), o en la redundancia de las señales recibidas de los satélites del sistemas básicos (solo se necesitan señales de 4 satélites pero se reciben de muchos más la mayor parte del tiempo). Fases Habilita PBN en todas las fases del vuelo, pero en aproximación sólo lo hace hasta las aproximaciones de no precisión y APV con guiado vertical baro-VNAV. En el futuro estos sistemas de aumentación mejorarán las prestaciones del uso conjunto de más de una constelación principal GNSS, por ejemplo GPS + Galileo. 3.6 Sistemas autónomos 3.6.1 Sistema de Navegación inercial (ins) El INS (Inertial Navigation System / Sistema de Navegación Inercial) es un sistema de ayuda a la navegación que proporciona a una aeronave debidamente equipada información de posición que permita determinar la situación exacta del avión. Además de proporcionar información sobre la situación de una aeronave en vuelo, el INS proporciona velocidad con respecto a tierra, posición instantánea y distancia a un destino u objeto preestablecido. 3.6.1.1 Principio de funcionamiento El principio de funcionamiento del INS se basa en la detección a bordo, de las aceleraciones que sufre la aeronave, mediante una plataforma estabilizada en dos ejes orientados permanentemente hacia el Norte y Este geográfico. Si la aceleración detectada se integra a lo largo del tiempo, se obtiene la velocidad de la aeronave respecto al suelo (GS) según esos ejes. De forma análoga, si se integran las componentes de la velocidad según los ejes indicados a lo largo del tiempo, se obtendrá la distancia recorrida según esas direcciones en el tiempo de integración. Sumando a la coordenada inicial el incremento de posición obtenido de esta integración, se obtendrá la nueva posición. Es importante indicar la necesidad de conocer las coordenadas del punto inicial del vuelo, en este sentido, el piloto de la aeronave, previamente a comenzar la utilización del INS para navegar introduce la coordenada inicial (aeropuerto de origen). 3.6.1.2 Equipo de a bordo El equipo de a bordo es el encargado del cálculo de la posición a través de una plataforma inercial sensible a los movimientos del avión con respecto a la superficie terrestre. Esta plataforma envía la información a un computador que la presenta en los instrumentos de navegación. Los cuatro componentes básicos de un INS convencional son: o Acelerómetros: Dispositivos situados sobre una plataforma inercial, encargados de medir las componentes del vector aceleración. o Plataforma inercial: Aparato encargado de mantener los acelerómetros paralelos a la superficie terrestre, proporcionando una referencia direccional. o Integradores: Dispositivos encargados de recibir la señal de salida de los acelerómetros, transformándola en señales de velocidad y distancia recorrida sucesivamente. o Computador: Aparato que recibe las señales de salida de los integradores y las transforma en datos de posición (coordenadas geográficas; latitud y longitud), velocidad sobre el suelo y otras informaciones útiles. 3.6.1.3 Características operacionales El INS se concibe como un sistema que, con los vectores de aceleración y gravitación se obtiene la situación de una aeronave, por lo tanto tiene que actualizarse constantemente la información. Las actualizaciones del INS son necesarias porque el sistema está sujeto a un error sistemático, es decir el error va creciendo a medida que aumenta el tiempo desde su última actualización, lo que hace necesario que ésta se realice de forma periódica mediante la utilización de otro sistema, como podría ser un VOR, VOR/DME, GPS, etc. Los aviones de nueva tecnología van equipados con Sistemas Inerciales de tipo láser, cuyos componentes básicos respecto a los INS convencionales tienen, pero a diferencia de los anteriores mede velocidades angulares. Este tipo de Inerciales constan de tres giróscopos láser y tres acelerómetros, orientado cada uno hacia uno de los tres ejes principales del avión, de modo que puedan «sentir» tanto la rotación del avión alrededor de cada eje como la aceleración a lo largo del mismo. Ejes principales del avión- 3.6.2 Radar Doppler El Radar Doppler es un sistema de ayuda a la navegación que proporciona al piloto la posición del avión respecto a una ruta seleccionada. 3.6.2.1 Principio de funcionamiento La determinación de la situación de un avión, respecto de la superficie terrestre, se realiza por el clásico proceso de la navegación a estima, es decir, por sumas sucesivas de los incrementos de espacio recorrido, que se obtienen mediante los productos de las velocidades por los incrementos de tiempo. Este sistema se basa en la emisión de energía electromagnética generada en la aeronave y recibida por la misma, tras su reflexión en la superficie terrestre. 3.6.2.2 Equipo de a bordo El Radar Doppler consiste en un transmisor de señales localizado en el avión que dirige hacia el suelo tres o cuatro haces de ondas electromagnéticas. Las ondas emitidas son reflejadas por la superficie de la tierra y una porción de la energía reflejada3 es recibida por un receptor de ondas situado también en el avión. La información recibida es procesada por el computador de a bordo, que a través de un instrumento visual proporciona la distancia transversal a la ruta preseleccionada y la distancia por recorrer a lo largo de la ruta. Haces de ondas transmitidas por un avión- 3.6.2.3 Características operacionales Por la técnica utilizada (basada en la variación de frecuencia entre señales emitidas y recibidas), la aceleración sólo puede ser calculada sin ambigüedad en un determinado rango de velocidades de la aeronave, lo que genera una reducción de la distancia máxima de operación del sistema. 3 La energía reflejada sufre una variación de frecuencia debido a la velocidad relativa entre el avión y la superficie terrestre (efecto Doppler). 4. Funciones y sistemas de vigilancia El objetivo de la función de vigilancia es obtener un conocimiento exacto y en tiempo real de la ubicación de las aeronaves en un determinado entorno operativo. Esta labor está estrechamente relacionada con el control de tráfico aéreo, ya que proporciona un servicio indispensable a la hora de mantener la seguridad y la fluidez en el tránsito de aeronaves. Los sistemas de vigilancia son el conjunto de infraestructuras terrestres y equipos de a bordo, que determinan y proporcionan la información requerida por esta función. En función de cómo se determina la información de posición, existen tres tipologías de sistemas: 1. Sistemas de vigilancia independiente no cooperativa: Aquellos en los que los datos de vigilancia se determinan en las instalaciones terrestres, sin la colaboración de la aeronave. Dentro de esta categoría se encuentran los radares primarios de vigilancia (PSR) y los radares de movimiento en la superficie (SMR): a. El radar primario de vigilancia, PSR (Primary Surveillance Radar), es un sistema que no requiere la colaboración activa de la aeronave. En esta técnica, la instalación terrestre emite una serie de ondas electromagnéticas que, al reflejarse en la aeronave, una pequeña parte de ellas vuelven a ser recibidas y procesadas por los dispositivos en tierra, lo que permite calcular su posicionamiento, esencialmente distancia al radar y acimut. Aparte de efectuar la vigilancia de aeronaves, esta técnica también se puede emplear para la detección de movimientos en tierra y determinados fenómenos meteorológicos. b. El radar de vigilancia en superficie, SMR (Surface Movement Radar), es un tipo de radar primario particularizado para la detección de aeronaves en las superficies de los aeropuertos. El radar meteorológico embarcado es un tipo de radar primario que se emplea para proporcionar indicación de la intensidad del clima, siendo capaces de detectar el movimiento de las gotas de lluvia además de la intensidad de la precipitación. Este radar se suele situar en el morro del avión 2. Sistemas de vigilancia independiente cooperativa: Aquellos en los que los datos de vigilancia se determinan en las instalaciones terrestres, con la colaboración de la aeronave, para lo cual se requiere que la aeronave está convenientemente equipada. Dentro de esta categoría se pueden identificar dos tipos: a. El radar secundario de vigilancia, SSR (Secondary Surveillance Radar), es un sistema que requiere la colaboración activa de la aeronave. En esta técnica, la instalación terrestre envía una señal de interrogación al equipo instalado en el avión, el cual devuelve una señal de respuesta que será tratada por los dispositivos de tierra para generar la información de vigilancia. El radar secundario mejora las prestaciones del PSR, ya que los datos de vigilancia proporcionados pueden incluir -además de la posición horizontal de la aeronave, calculada en tierra- el código de identificación asignado al vuelo, su nivel de vuelo, y otra información, en función del modo de radar secundario que se esté usando y de la capacidad de los sistemas embarcados. b. La multilateración. Esta técnica se basa en la triangulación de las señales recibidas en la frecuencia de respuesta del sistema procedentes de las aeronaves y recibidas en varios receptores en tierra, lo que permite determinar la posición de la aeronave que las genera. Además de la posición de las aeronaves, la información que puede ser obtenida es similar a la de los radares secundarios. La multilateración puede ser utilizada tanto para vigilancia en la superficie de los aeropuertos y en su entorno, como para vigilancia de áreas más amplias del espacio aéreo, en cuyo caso recibe el nombre de multilateración de área extensa, WAM (Wide Area Multilateration). 3. Sistemas de vigilancia dependiente: Aquellos en los que los datos de vigilancia se generan directamente en los equipos de a bordo de la aeronave. Dentro de esta categoría se encuentra el sistema de vigilancia dependiente automática o ADS (Automatic Dependent Surveillance). En esta técnica, la aeronave determina los datos de vigilancia a partir de la información extraída de los dispositivos de navegación de a bordo, transmitiéndolos automáticamente (esto es, sin requerirse una interrogación externa o intervención alguna por parte del piloto). La información de vigilancia puede incluir el código de identificación de la aeronave, su posición, altitud y velocidad, así como otra información relevante Esta técnica permite extender la función de vigilancia a áreas donde no existe cobertura radar, como las zonas oceánicas. 4.1 Descripción de los sistemas de vigilancia 4.1.1 Sistemas de vigilancia no cooperativa 4.1.1.1 Radar Primario (PSR) El PSR (Primary Surveillance Radar / Radar Primario de Vigilancia) es un sistema de vigilancia independiente no cooperativo capaz de proporcionar la distancia y azimut al «blanco», es decir, a la aeronave. 4.1.1.2 Principio de funcionamiento El PSR sólo consta de componente terrestre ya que, al ser un sistema independiente no coopoerativo, no requiere de equipos específicos a bordo de la aeronave. Principio de funcionamiento del Sistema Radar- A través de una antena giratoria, la instalación terrestre transmite a intervalos regulares una serie de impulsos de radiofrecuencia (denominados señales de interrogación) que -al ser reflejados en el blanco- vuelven a ser recibidos y procesados, proporcionando la siguiente información: Distancia del blanco respecto a la estación terrestre: Este parámetro se obtiene a partir de la medida del tiempo transcurrido desde que se envía la señal de interrogación hasta que recibe la señal reflejada en el blanco. Marcación angular del blanco: Este parámetro se obtiene a partir del ángulo de posición de la antena en el instante de recepción de la señal reflejada. Tiempo de la detección: Instante en el que el blanco fue detectado. Representación del Sistema Radar- 4.1.1.3 Equipo de tierra PSR El equipo PSR se compone básicamente de un sistema antena-transmisor-receptor, encargado de emitir y procesar las señales, así como el equipamiento de comunicaciones necesario para enviar allí donde es necesaria la presentación de la información de vigilancia obtenida. Representación de una unidad indicadora PSR- Consola de radar primario- 4.1.1.4 Características operacionales El PSR trabaja en las bandas de frecuencia L (de 1 a 2 GHz) y S (de 2 a 4 GHz). Utiliza ondas electromagnéticas que viajan esencialmente en línea recta y son fácilmente reflejadas por los objetos que se encuentran en su trayectoria. Los servicios de tránsito aéreo utilizan este tipo de radar para obtener información de la situación del tráfico aéreo tanto en ruta como en aproximación y detección de movimientos en el área de maniobras. Aparte de efectuar la vigilancia de aeronaves, el PSR también se emplea para la detección de fenómenos meteorológicos. Los inconvenientes que se presentan al trabajar con este radar son debidos a imprecisiones en la identificación y pérdidas de señales como consecuencia de reflejos producidos por el terreno. 4.1.1.5 Radar de movimiento en superficie (SMR) El radar de movimiento en superficie (SMR) es un equipo radar diseñado específicamente para detectar el tráfico de aeronaves y vehículos en la superficie de un aeropuerto y para presentar la imagen completa en una consola indicadora en la torre de control. Se utiliza para mejorar la observación visual por parte del personal de la torre de aeronaves y/o movimientos de vehículos en pistas y calles de rodaje. o Principio de funcionamiento El SMR utiliza el principio de funcionamiento del radar primario de vigilancia (PSR), es decir, emite una señal que se refleja en el objetivo y el eco recibido se utiliza para determinar la posición (distancia y acimut) del blanco. o Equipo de tierra SMR El equipo SMR, al igual que el PSR, se compone de una antena transmisora-receptora y del equipamiento necesario para generar la señal, procesar el eco recibido y presentar la información de vigilancia obtenida. Antena de un SMR en lo alto de una torre de control- Pantalla de visualización de datos de un radar de movimiento en superficie- 4.1.1.6 Características operacionales El SMR opera en la banda de frecuencia X (de 8 a 12 GHz). En comparación con el PSR, la antena es mucho más pequeña y liviana, lo que permite una rotación más rápida (normalmente 1 revolución por segundo en lugar de 6-15 revoluciones por minuto) y, por lo tanto, tiene una tasa de actualización del dato más rápida. La resolución de acimut también se mejora (precisión de 0,25 grados) en comparación con el PSR (1-2 grados) debido al ancho de haz más delgado (que se logra debido a la mayor frecuencia utilizada). El alcance operativo es considerablemente más pequeño si se compara con otros radares (lo que no debe considerarse un inconveniente, ya que el propósito del SMR es cubrir solo el área de maniobras), lo que permite usar pulsos más cortos, lo que resulta en una resolución en distancia mucho mejor (unos 20 m).