7. Sistemas de ayuda a la navegación

Módulo 7: Sistemas de ayuda a la navegación
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Módulo 7
Sistemas de ayuda a la navegación.
•
Basados en infraestructura en tierra:
ο
ο
ο
ο
ο
•
Ayudas visuales: VASIS, PAPI
NDB
VOR
DME
ILS, MLS
Sistemas autónomos:
ο Inerciales.
• Basados en satélites: GPS, GLONASS,
GNSS.
• Navegación de área (RNAV).
• Sistemas de alerta a bordo: TCAS,
GPWS.
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Módulo 7: Sistemas de ayuda a la navegación
Ayudas visuales: VASIS y PAPI
Sistemas luminosos que dan información al piloto sobre la
pendiente de la aproximación final.
Proporcionan una trayectoria de planeo visual limpio de toda
obstrucción y reducen la posibilidad de quedarse corto o largo en el
aterrizaje.
Generalmente se utilizan como complemento de ayudas
radioelécticas a la aproximación (VOR, ILS, ...) cuando se da alguna
de las siguientes circunstancias:
- la pista es utilizada por aeronaves equipadas por turbina;
- el piloto puede tener dificultad para evaluar la aproximación
debido a la orientación de la pista o a información visual
equívoca;
- obstáculos en el área de aproximación que puedan
constituir un peligro en caso de volar por debajo de la
trayectoria normal de aproximación;
- las características físicas de los extremos de la pista
puedan constituir un peligro en caso de toma corta o larga;
- el avión pueda esta expuesto a turbulencias anormales
durante la aproximación debido a condiciones
meteorológicas o del terreno.
es utilizada por turborreactores o aviones con exigencias pidas
VASIS (Visual Approach Slope Indicator System)
Sistema de 12 elementos luminosos agrupados en cuatro barras,
dos a cada lado de la pista, una a unos 600 ft y la otra a unos 1.300
ft de la cabecera.
Proporciona una trayectoria de aproximación final hasta la zona de
toma de contacto con un ángulo entre 2.5º y 4º; si en la misma pista
existe un ILS, esta trayectoria coincide con la senda de planeo.
El principio de funcionamiento es la diferenciación de color entre
rojo y blanco. Si la trayectoria de planeo es la correcta, el piloto verá
el primer par de barras blanco y el segundo, rojo. Si está alto, verá
los dos blancos; si está bajo, los dos rojos.
οοο
οοο
οοο
οοο
Alto
•••
οοο
•••
οοο
Correcto
•••
•••
•••
•••
Bajo
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T-VASIS
Sistema, de origen australiano, que proporciona una senda de
aproximación visual mediante 20 elementos luminosos, 10 a cada
lado de la pista, 4 en una “barra de ala” perpendicular a la pista, 3
paralelos a la pista delante de la barra de ala (indicación “ascienda”)
y otros 3, detrás (indicación “descienda”).
La interpretación de la indicación del T-VASIS no se basa en la
diferenciación de colores blanco-rojo, sino en los elementos
luminosos visibles (tonalidad blanco-amarilla) desde la cabina:
- si el avión desciende en la senda de aproximación correcta,
solo se verán los elementos de la barra de ala;
- si está por encima de la trayectoria correcta, verá la barra
del ala y uno, dos o tres elementos de la indicación
“descienda”, más elementos cuanto más alto esté;
- si está por debajo de la trayectoria correcta, verá la barra
del ala y uno, dos o tres elementos de la indicación
“ascienda”, más elementos cuanto más bajo esté. En el
caso extremo de estar muy bajo, verá la barra de ala y los
tres elementos de color rojo.
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PAPI (Precision Approach Path Indicator)
También basado en la diferenciación del blanco y el rojo, consiste
en una barra compuesta por cuatro elementos luminosos, instalada
en el lado izquierdo de la pista (también pueden ser dos barras, una
a cada lado de la pista).
Cuando la trayectoria de aproximación final sea la correcta (ángulo
de 3º), el piloto verá rojas las dos luces más cercanas a la pista y
blancas las dos más alejadas. Si está ligeramente por encima, verá
una luz roja y tres blancas y si está muy alto, las cuatro blancas. Si
está ligeramente por debajo, verá tres luces rojas y una blanca y si
está muy bajo, las cuatro rojas.
οοοο
>3º 30’
οοο•
≈3º 10’
οο••
3º
ο•••
≈2º 50’
••••
<2º 30’
Si hay ILS, la trayectoria del PAPI coincidirá con la senda de
planeo.
El alcance del PAPI (muy parecido al del VASIS) es de unas 4 nm.
Es mayor por la noche y menor con el sol de cara o el terreno
cubierto de nieve.
El APAPI es un sistema simplificado, con solo dos elementos por
barra y funcionamiento similar.
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NDB (Non Directional Beacon)
Es un transmisor de onda continua situado en una localización
geográfica conocida que transmite una señal no direccional en la
banda de 190 a 1750 kHz (LF/MF).
Se transmite también el identificador de la estación (tres letras) en
código Morse.
El equipo de a bordo, ADF (Automatic Direction Finder), determina
mediante dos antenas, una fija (antena de sentido) y otra giratoria
(antena de cuadro), la dirección en la que se encuentra la estación
emisora y la presenta mediante una aguja que gira sobre una rosa
de rumbos (fija o móvil). La cabeza de la aguja señala el rumbo
magnético hacia la estación (con viento nulo).
Las indicaciones serán exactas sólo con los planos nivelados.
Las marcaciones y el alcance están afectadas por errores de
propagación, de reflexiones ionosféricas y los debidos a la
estructura metálica de la aeronave.
La precisión típica es de +/- 5º y el alcance máximo de unas 75 nm.
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VOR (VHF Omnidirectional Range)
Ayuda radioeléctrica que transmite señales direccionales en VHF
(entre 108 y 118 MHz) en los 360º de azimut.
Es la radioayuda más utilizada para salidas, navegación en ruta y
aproximaciones de no precisión.
El principio de funcionamiento es la diferencia de fase entre dos
señales de radiofrecuencia: una fase de referencia constante en los
360º y otra fase variable (campo giratorio a 1800 rpm) que cambia
1º por cada grado de azimut. La referencia, en la que las dos
señales están en fase, es el norte magnético.
La emisión está libre de interferencias estáticas pero limitada al
alcance visual, por lo que la calidad de recepción mejorará con la
altitud de vuelo. Hay dificultades para recibir la señal justo sobre el
emisor (cono de silencio).
El equipo de a bordo recibe la información del radial en que se
encuentra el avión respecto a la estación emisora y la presenta al
piloto mediante:
- una ventanilla de selección de radiales, en la que se
muestra el radial seleccionado mediante un botón giratorio
(OBS);
- una barra vertical (CDI, Course Deviation Indicator) que
indica si el avión se encuentra sobre el radial
seleccionado, a la derecha o a la izquierda;
- otra ventanilla, en la que aparecerá FROM o TO según el
avión se encuentre en el semiplano que contiene al radial
seleccionado o en el opuesto.
Precisión aproximada: 2º.
Alcance: hasta 130 nm las ayudas para navegación en ruta.
DVOR (VOR de efecto Doppler)
Sistema compatible con el receptor VOR convencional y menos
sensible a los obstáculos situados en sus proximidades, lo que
permite alcanzar mayor precisión (hasta 0,5º).
Una antena central transmite una señal de referencia
omnidireccional modulada en amplitud.
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52 pequeñas antenas dispuestas en circunferencia alrededor de la
anterior emiten una señal giratoria modulada en frecuencia por el
efecto Doppler: cuando la señal se “acerca” al avión, la frecuencia
recibida por éste es mayor que la emitida y cuando se “aleja”, la
frecuencia es menor.
DME (Distance Measurement Equipment)
Proporciona indicación al piloto de la distancia a la estación
emisora. Esta distancia es la “oblicua”, no la proyección horizontal,
pero el error es insignificante a partir de distancias mayores que el
doble de la altitud de vuelo.
Funcionamiento similar al radar secundario. Ahora el interrogador
está en el avión; emite una señal de interrogación (30 pares de
impulsos con una separación aleatoria) que el equipo de tierra
recibe y descifra, emitiendo una respuesta codificada con esa
misma separación.
El equipo de tierra puede atender a 100 aeronaves
simultáneamente.
Una vez identificada la respuesta correcta entre todas las que está
emitiendo la estación de tierra, el equipo de a bordo calcula la
distancia a partir del retardo entre interrogación y respuesta
(restando los 50 µs de retardo del respondedor), convirtiendo el
tiempo en distancia con la misma escala del radar, 12,6 µs por nm.
Cuando está asociado a un VOR, permite determinar con precisión
la posición de la aeronave (azimut y distancia). En este caso, el
piloto sólo tiene que seleccionar el VOR porque a cada frecuencia
VOR corresponde un canal DME determinado.
La indicación DME se utiliza para navegación en ruta y para
maniobras de aproximación (arco DME) y aterrizaje.
Trabaja en la banda de 960 a 1215 MHz (UHF).
Alcance: 200 nm.
Precisión: 0,25 nm + 1,25% de la distancia medida.
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ILS (Instrument Landing System)
Es la ayuda no visual de precisión más utilizada para la
aproximación y el aterrizaje.
Proporciona al piloto información precisa de azimut respecto al eje
de la pista (localizador) y de altitud respecto a una trayectoria de
descenso dada (senda de planeo).
Componentes básicos:
- un transmisor VHF (banda de 108 a 112 MHz) de
localizador cuyas antenas están en la prolongación del eje
de la pista, más allá del final de pista; emite un diagrama
de campo compuesto modulado por dos tonos distintos,
uno de 150 Hz y otro de 90 Hz, cada uno predominante a
un lado del eje de pista; alcance: 25 nm a +/- 10º del eje.
- un transmisor UHF (banda de 328 a 331 MHz) de senda de
planeo cuya antena está a un lado de la pista a la altura de
la zona de toma; en este caso las diferencias de
modulación indican si el avión está por encima o por debajo
de la trayectoria nominal que suele tener un ángulo de 3º y
una altura de referencia sobre el umbral de la pista de 50 ft;
alcance: 10 nm;
- radiobalizas VHF (75 MHz): dan información de distancia a
la toma mediante un diagrama de radiación vertical (se
suprimen si hay un DME asociado al ILS): baliza exterior a
4 nm, intermedia a 1.000 m e interior en el punto donde la
trayectoria de descenso tenga 30 m de altura;
- equipo de a bordo: a partir de la diferencia de profundidad
de modulación (DDM), presenta la posición de avión
respecto al localizador mediante una barra vertical y
respecto a la senda mediante una barra horizontal; tres
luces (azul, ámbar y blanca) indican el paso sobre las
radiobalizas.
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MLS (Microwave Landing System)
Ayuda de precisión para la aproximación y el aterrizaje basado en el
barrido en los planos horizontal y vertical mediante un estrecho haz
(1º de amplitud) de microondas ( banda de 5 GHz) en forma de
abanico, a una velocidad angular calibrada. La aeronave determina
su posición en azimut y elevación midiendo el tiempo transcurrido
entre el haz de ida y el de vuelta.
Ventajas respecto al ILS:
- mayor precisión;
- flexibilidad en el diseño de trayectorias de aproximación:
permite varias trayectorias, incluso curvas;
- menos sensible a los obstáculos en los alrededores.
Estaba destinado a sustituir al ILS pero su implantación se ha
detenido al desarrollarse los sistemas basados en satélites.
INS (Inertial Navigation System)
Es el más utilizado dentro de los sistemas autónomos (sin
radioayudas en tierra).
Los componentes básicos son:
- una plataforma estabilizada giroscópicamente que
mantiene los acelerómetros paralelos a la superficie
terrestre y proporciona una referencia direccional (el norte
geográfico);
- tres acelerómetros que miden las componentes del vector
aceleración;
- los integradores que transforman la señal de los
acelerómetros en señal de velocidad primero y de distancia
después;
- un calculador que, a partir de los datos de los integradores
y de la posición inicial del avión, calcula las coordenadas
geográficas (latitud y longitud) y la velocidad sobre el suelo.
Antes del despegue y con el avión parado, ha de efectuarse la
“alineación inicial” del sistema e introducir las coordenadas
geográficas del aeropuerto como punto de partida de los cálculos.
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Si durante el vuelo se dispone de radioayudas en tierra, las
actualizaciones periódicas del sistema ayudan a mantener la
precisión.
Ha sido, hasta la llegada de los satélites, el sistema utilizado para la
navegación a larga distancia, con errores de unas 2 nm por hora de
funcionamiento.
Sistemas de navegación basados en satélites
GNSS (Global Navigation Satellite System): sistema futuro de
navegación basado en el cálculo de la posición de la aeronave
mediante la información recibida de satélites. Se basará en las
constelaciones del GPS (EE. UU.), GLONASS (Rusia) y otras que
se pongan en órbita en el futuro (Galileo).
El principio teórico en que se basan es la triangulación esférica:
conociendo la distancia de la aeronave a un satélite cuya posición
está determinada, definimos una superficie esférica en la que se
encontrará el avión. Con tres satélites, tendremos tres esferas cuya
intersección son dos puntos con uno de ellos generalmente
descartable por dar una solución absurda.
Cada satélite emite una señal que contiene información de su
posición y del instante preciso en que ha sido emitida (los relojes
atómicos de los satélites están sincronizados).
El receptor calcula la distancia al satélite multiplicando por la
velocidad de la luz el tiempo transcurrido entre la emisión y la
recepción. El reloj del receptor (oscilador de cuarzo) no tiene la
precisión de los relojes de los satélites ni está sincronizado con
ellos (1 mseg de diferencia da un error de 300 km) luego hay un
desfase de tiempo que hay que calcular. Esto hace que, a efectos
prácticos, se necesite un cuarto satélite para determinar la posición
del receptor que se presentará en coordenadas respecto al sistema
geodésico de referencia WGS-84.
Las principales ventajas para la navegación aérea que se derivarán
del GNSS son:
- mayor precisión para la navegación en ruta, con el
consiguiente aumento de capacidad del espacio aéreo;
- más flexibilidad en el diseño de trayectorias de
aproximación (ej.: aproximaciones curvas de precisión);
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- cobertura global independiente de las costosas (instalación
y mantenimiento) radioayudas en tierra;
- reducción de costes en aviónica al unificar todos los
equipos de navegación de a bordo.
GPS (Global Positioning System)
Consta de tres segmentos:
- espacial: 24 satélites repartidos en 6 planos orbitales con
una inclinación de 55º respecto al plano ecuatorial, de
forma que desde cualquier punto siempre haya al menos
cuatro satélites “visibles”; el periodo orbital es de 12 horas
y la altitud de unos 20 km;
- de control (en tierra): cuatro estaciones de seguimiento y
una de control que aseguran la precisión en la posición de
cada satélite;
- de usuario: receptor GPS.
Se emplean impulsos de radio emitidos en dos frecuencias y con
dos niveles de servicio: estándar (SPS) y de precisión (PPS).
Una fuente de error son las diferencias de propagación de las ondas
a través de la ionosfera.
Se corrige mediante el GPS diferencial: un receptor situado en un
lugar cuyas coordenadas geográficas son conocidas determina el
error en la información recibida y transmite la corrección a los
receptores situados en los alrededores (hasta 150 km).
Precisión: horizontal: 20 m (SPS), 7 m (PPS)
vertical: 30 m (SPS), 10 m (PPS).
Los dos problemas fundamentales son:
- la garantía de disponibilidad del sistema ya que es
propiedad del Departamento de Defensa de EE. UU.;
- la integridad del sistema: OACI requiere que se
proporcione aviso de fallo en 2 segundos para sistemas de
aproximación de precisión.
La utilización del GNSS para la navegación aérea requiere la
mejora de las prestaciones obtenidas de las constelaciones
actuales de satélites (GPS y GLONASS) en lo referente a precisión,
integridad, continuidad y disponibilidad.
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Estas mejoras son proporcionadas por los sistemas de
“aumentación”:
- SBAS (Satellite-Based Augmentation System): de ámbito
regional, como EGNOS en Europa, con 3 satélites
geoestacionarios adicionales;
- GBAS (Ground-Based Augmentation System): de carácter
local, por ejemplo, procedimiento de salida y de
aproximación de precisión.
- ABAS (Aircraft-Based Augmentation System): basados en
la redundancia de satélites o en la utilización de los
sistemas de navegación tradicionales.
RNAV (Navegación de Área)
Método de navegación que permite el vuelo en cualquier trayectoria,
sin necesidad de volar sobre radioayudas terrestres.
Los equipos RNAV de a bordo, incorporados al FMS (Flight
Management System), determinan la posición de la aeronave a
partir de los datos recibidos de las radioayudas terrestres (VOR,
DME), de los satélites (GNSS) o de los sistemas de navegación
autónomos (INS).
Los puntos que definen la ruta se denominan waypoints. Sus
coordenadas geográficas estarán referidas al WGS-84.
Según la precisión de navegación requerida (RNP) se distingue
entre:
- B-RNAV (básica): error de navegación longitudinal o lateral
no superior a +/- 5 nm el 95% del tiempo (RNP-5);
- P-RNAV (de precisión): error de navegación longitudinal o
lateral no superior a +/- 1 nm el 95% del tiempo (RNP-1);
Las ventajas de la mayor flexibilidad en el diseño de las rutas son:
- rutas más directas;
- reposicionamiento de las intersecciones entre aerovías;
- mayor aprovechamiento del espacio aéreo;
- posibilidad de establecer fijos de espera y de aproximación
en los puntos más apropiados.
Actualmente, en España es obligatorio, salvo para las aeronaves de
Estado, estar equipado con equipo de navegación B-RNAV
certificado para volar en IFR por encima de FL150.
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Sistemas de Alerta a Bordo
TCAS (Traffic Collision Avoidance System)
La nomenclatura OACI es ACAS (Alert and Conflict Avoidance
System).
Equipo autónomo que proporciona a los pilotos información sobre el
tráfico en su proximidad (en 40 nm alrededor de la aeronave y 9000
ft por encima y por debajo).
En cada aeronave, un interrogador emite señales utilizando el modo
S (en el TCAS II) que son recibidas y contestadas por los
respondedores SSR de los aviones vecinos.
Con esas respuestas, el equipo calcula la posición y velocidad
relativas de los tráficos y determina cuándo existe riesgo de
colisión.
Proporciona dos tipos de avisos, basados en criterios de tiempo
hasta el CPA (Closest Point of Approach):
- TA (Traffic Advisory: 35-40 segundos antes del CPA): aviso
de tráfico potencialmente peligroso (aviso acústico:
“traffic”); el piloto intentará localizar el tráfico conflictivo pero
no realizará ninguna maniobra de evasión;
- RA (Resolution Advisory: 20-30 segundos antes del CPA):
exige la ejecución inmediata de una maniobra de evasión
en el plano vertical (aviso acústico: “climb”, “descend”,
“increase climb”, “increase descend”) coordinada con una
maniobra en sentido opuesto para el otro tráfico.
En caso de conflicto entre un RA y las instrucciones del ATC, el
piloto seguirá la indicación del TCAS y notificará al controlador la
desviación respecto a la autorización recibida tan pronto como sea
posible.
Los siguientes sistemas de aviso tienen prioridad sobre las
indicaciones del TCAS:
- advertencia de entrada en pérdida (stall warning);
- aviso de cizalladura del viento (windshear);
- sistema de aviso de proximidad al terreno (GPWS).
En España, desde 2005, deberán estar equipadas con TCAS II
todas las aeronaves civiles de ala fija, equipadas con motor de
turbina, con un MTOW mayor de 5700 kg o con una configuración
máxima aprobada de más de 19 asientos de pasajeros.
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Presenta el problema de las falsas alertas (tráficos VFR sin modo C,
regímenes altos de ascenso o descenso) y del desconocimiento por
parte del controlador de las instrucciones proporcionadas por el
equipo.
GPWS (Ground Proximity Warning System)
Originalmente basado en el radioaltímetro, el sistema avisaba al
piloto mediante instrucciones orales (“Terrain, pull up”) cuando
detectaba una altitud anormalmente baja. Tenía el problema de las
falsas alertas y que solo “miraba” hacia abajo, por lo que no avisaba
con suficiente antelación en caso de pendientes muy pronunciadas.
El EGPWS (Enhanced GPWS) incorpora una base de datos
digitalizada a escala mundial del terreno, de los obstáculos y de las
pistas de vuelo. Combinando esta base de datos con la información
de altitud y la posición del avión obtenida de los equipos de
navegación, se presenta en una pantalla la situación de la aeronave
respecto al terreno y a los obstáculos circundantes, diferenciados
por una escala de colores según puedan representar o no un peligro
para la navegación.
Además, el sistema produce avisos acústicos y visuales en los
casos de:
- posible colisión con el terreno u obstáculos en la trayectoria
de vuelo (la función “look ahead” permite la alerta con
suficiente antelación);
- régimen de descenso excesivo relativo a la altitud;
- pérdidas de altitud inadvertidas tras el despegue o durante
la aproximación.
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