Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas

Equation Chapter 1 Section 1 Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería de Telecomunicación Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Autor: Lourdes Vaquera Valencia Tutor: Rafael Boloix Tortosa Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 iii Trabajo Fin de Máster Máster en Ingeniería de Telecomunicación Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Autor: Lourdes Vaquera Valencia Tutor: Rafael Boloix Tortosa Profesor contratado doctor Dep. de Teoría de la Señal y Comunicaciones Escuela Técnica Superior de Ingeniería Universidad de Sevilla Sevilla, 2017 v Trabajo Fin de Máster: Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Autor: Lourdes Vaquera Valencia Tutor: Rafael Boloix Tortosa El tribunal nombrado para juzgar el Proyecto arriba indicado, compuesto por los siguientes miembros: Presidente: Vocales: Secretario: Acuerdan otorgarle la calificación de: Sevilla, 2017 El Secretario del Tribunal vii A mi familia A mi hermano A mi novio ix Agradecimientos Con este proyecto pongo punto y final a una etapa que termina después de 6 años. Finalizo mi etapa universitaria con la alegría de saber que por fin he conseguido mi sueño: soy Ingeniera Superior de Telecomunicaciones. Pero esto no hubiera sido posible conseguirlo sin la ayuda y el apoyo de muchas de las personas que han estado junto a mí durante este periodo, y sobre todo en estos dos últimos años de Máster. No ha sido un camino fácil, lo que hace que la satisfacción al llegar a la meta sea mucho mayor. Como no podía ser de otra manera, me gustaría comenzar dando las gracias a mis padres. Siempre me habéis dicho que “Todo esfuerzo tiene su recompensa”. Pues si, al final tengo que reconocer que es cierto. Después de todos estos años de fuerzos tanto por mi parte como por la vuestra, lo hemos conseguido. Y si, hablo en plural porque considero que este logro es tanto mío como vuestro. Papá y mamá gracias por haberme apoyado en todo momento y por haberme proporcionado todos los medios posibles para que yo haya podido llegar hasta aquí. Javier, mi querido hermano (y mi actual compi de piso) gracias a ti también por haber estado a mi lado siempre. José Antonio no hace ni un año desde que llegaste a mi vida, pero en estos meses te has convertido en una de las personas más importante de ella. Gracias por apoyarme y transmitirme ese positivismo que te caracteriza y que tanta falta me ha hecho en esos momentos de exámenes. No puedo olvidarme de todas esas noches en la que yo te decía “que mal llevo el examen” y tu respuesta siempre era “tranquila, si vas a aprobar”. Finalmente cuando me daban la nota siempre venía tu “te lo dije”. Espero que sigamos compartiendo nuestra vida juntos. Al darte las gracias a ti, no puedo olvidarme de José Carlos y Jesús, que desde el primer día me habéis acogido como una prima más y que os habéis convertido en mis angelitos de la guarda cada vez que vuestro primo estaba en la otra punta del mundo. Nos quedan muy buenos ratos por compartir todos juntos. Antonio, ¿recuerdas cuando nos conocimos? Si, fue hace 6 años en el Colegio Mayor Maese Rodrigo (Mairena del Aljarafe). Tú llegaste con tu sueño de ser médico y yo con el mío de ser ingeniera de telecomunicaciones y finalmente lo hemos conseguido. Dr. Moreno Loro, gracias por haber estado a mi lado durante 6 años. Tiempo en el que hemos compartido muchos momentos y muy variados, lo mismo nos hemos pasado la tarde super agobiados estudiando que la hemos echado paseando por Sevilla conociendo sus maravillosos rincones. Aunque ahora nuestras vidas hayan cambiado y cada uno tenga su carrera profesional, espero que sigamos compartiendo esos buenos momentos juntos. A vosotros, mis amigos incondicionales: Juan Antonio, María y Pastora. Gracias por aguantarme (que sé que no es fácil). Me habéis escuchado cuando necesitaba desahogarme, me habéis animado cuando estaba triste y habéis celebrado conmigo mis momentos felices. ¿Qué más puedo pedir? Pues una cosa, seguir teniendo vuestra amistad como hasta ahora. También quería agradecer a la plantilla de Wellness Telecom su gran acogida. Desde el primer día que comencé a trabajar allí en Diciembre del pasado año me habéis tratado genial y me habéis enseñado muchísimas cosas. No sólo sois mis compañeros de trabajo, yo os considero también mis amigos. Y no puedo dejar de mencionar a mi departamento, el departamento de Preventa (José, Carolina, María y Antonio), gracias por la paciencia que teneis conmigo y por transmitirme vuestros conocimientos. 5.1!Tipos,de,interferencia,35! 5.2!Parámetros de evaluación de la compatibilidad 36! 5.2.1!Características de los sistemas aeronáuticos 36! 5.2.2!Caracterísiticas de las estaciones de radiodifusión con modulación de frecuencia 38! 5.2.3!Potencia!de!entrada!en!el!receptor!40! 5.3!Criterios,de,evaluación de la compatibilidad,41! 5.3.1!Umbrales!de!interferencia!normalizados!41! 5.4!Estudio,de,interferencias,en,el,Aeropuerto,Madrid-Barajas,42! 5.4.1!Interferencias!del!Sistema!ILS!43! 5.4.2!Interferencias!del!Sistema!VOR!47! 6!Cobertura.Radar.53! 6.1!Clasificación de los sistemas Radar 53! 6.1.1!Según el número de antenas 53! 6.1.2!Según el blanco 53! 6.1.3!Según la forma de onda 53! 6.1.4!Según su finalidad 54! 6.1.5!Según su frecuencia de trabajo 54! 6.1.6!Según su ámbito de aplicación 55! 6.1.7!Otras!tecnologías 55! 6.2!Principios,de,funcionamiento,56! 6.2.1!Reflexión 56! 6.2.2!Ecuación Radar!56! 6.2.3!Polarización 57! 6.2.4!Centelleo!57! 6.2.5!Interferencias!57! 6.2.6!Ruido!58! 6.2.7!Clutter!58! 6.2.8!Jamming!59! 6.3!Procesado,de,una,señal en un Sistema Radar 59! 6.3.1!Tiempo!de!tránsito 59! 6.3.2!Modulación en frecuencia 60! 6.4!Cobertura,Radar,en,el,aeropuerto,Madrid-Barajas,61! 6.4.1!Estudios!teóricos 61! 6.4.2!Simulaciones!para!el!cálculo de cobertura radar 63! 6.4.3!Interferencias!radar!68! 7!Red.SMR.73! 7.1!El,Sistema,SMR,del,aeropuerto,Madrid-Barajas,74! 8!Simulación MLAT.79! 8.1!Métodos de MLAT 79! 8.1.1!TDOA!o!Diferencia!de!los!tiempos!de!llegada!79! 8.1.2!TSOA!o!Suma!de!tiempos!de!llegada!83! 8.2!Aplicaciones,de,MLAT,84! 8.3!Requisitos,para,una,red,MLAT,85! 8.3.1!MSS-A! 85! 8.3.2!MSS-W! 85! 8.4!Sistema,MLAT,en,el,aeropuerto,de,Madrid-Barajas,85! 8.4.1!MSS-A! 86! 8.4.2!Predicción del acceso a MSS-A 92! 9!Conclusiones.y.líneas futuras.95! Referencias.97! xvii ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2–1. Características de las pistas del Aeropuerto Madrid-Barajas 7! Tabla 3–1. Categorías de ILS 10! Tabla 4–1. Frecuencias de los VOR 31! Tabla 5–1. Supresión de emisiones no esenciales 39! Tabla 5–2. Características de la estaciones FM 42! Tabla 6–1. Bandas de frecuencia 54! Tabla 6–2. Asignación de frecuencias 64! Tabla 6–3. Parámetros para calcular el rango radar 65! Tabla 6–4. Asignación de frecuencias 70! Tabla 7–1. Características de los radares de superficie del aeropuerto de Madrid 74! Tabla 8–1. Distribución normal 92! Tabla 8–2. Leyenda de la figura 8-14 93! xix ÍNDICE DE FIGURAS Figura 1-1. Primer vuelo de los hermanos Wright 1! Figura 1-2. Avión utilizado en la actualidad. Airbus A380 2! Figura 2-1. Superficie ocupada por el Aeropuerto Madrid-Barajas 5! Figura 2-2. Pistas del Aeropuerto de Madrid-Barajas 6! Figura 2-3. Terminales del Aeropuerto de Madrid-Barajas 8! Figura 3-1. Patrón de modulación del localizador 11! Figura 3-2. Emplazamiento de la senda de planeo 11! Figura 3-3. Localizador 12! Figura 3-4. Radiobalizas del sistema ILS 13! Figura 3-5. Instalacción típica de un sistema ILS. 13! Figura 3-6. Esquema de funcionamiento del sistema ILS 14! Figura 3-7. Sistema ILS en la cabina de un avión 15! Figura 3-8. De arriba abajo y de izquierda a derecha: Pista 18R, Pista 18L, Pista 32L y Pista 32R 16! Figura 3-9. Pantalla Inicial de ICS Telecom 17! Figura 3-10. Interfaz gráfica de ICS Telecom 18! Figura 3-11. Localizadores situados en los correspondientes emplazamientos 19! Figura 3-12. Localizadores situados en los correspondientes emplazamientos 20! Figura 3-13. Análisis de cobertura de los localizadores ILS 21! Figura 3-14. Análisis de cobertura de los localizadores ILS (II) 21! Figura 3-15. Análisis de mejor servidor de los localizadores ILS 22! Figura 3-16. Análisis solapamiento de servidor de los localizadores ILS 23! Figura 3-17. Perfil de trayectoria desde el localizador situado en la pista 18L 24! Figura 3-18. Perfil de trayectoria desde el localizador situado en la pista 18L 24! Figura 4-1. Estación VOR en Tierra 25! Figura 4-2. Rutas o calles de un sistema VOR 26! Figura 4-3. Indicador VOR en el panel de un avión 26! Figura 4-4. Patrón de Radiación de VOR 28! Figura 4-5. Antena DVOR 29! Figura 4-6. Emplazamientos de los VOR que dan servicio al aeropuerto de Madrid 31! Figura 4-7. Configuración de los parámetros de las antenas VOR 32! Figura 4-8. Análisis de cobertura VOR de las antenas cercanas al aeropuerto de Madrid – Barajas 32! Figura 4-9. Detalle del análisis de cobertura VOR en el aeropuerto de Madrid 33! Figura 5-1. DOC frontal típica de un localizador ILS 37! Figura 5-2. Relación en la distancia/altura de la cobertura del VOR en función de la p.r.a. 38! Figura 5-3. Regiones definidas por la ITU-R 39! Figura 5-4. Conversión de la intensidad de campo mínima del localizador ILS en un nivel de señal a la entrada de un receptor aeronático. 41! Figura 5-5. Patrón de radiación de las antenas emisoras de radio FM 43! Figura 5-6. Emplazamientos de los localizadores ILS y de las antenas emisoras de radio FM 43! Figura 5-7. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de KW 44! Figura 5-8. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM 45! Figura 5-9. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 10 KW 45! Figura 5-10. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 100 KW 46! Figura 5-11. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 1 MW 47! Figura 5-12. Emplazamientos de las antenas VOR y de las antenas emisoras de radio FM 48! Figura 5-13. Estudio de cobertura de las antenas emisoras de radio FM para una potencia de transmisión del orden de KW 48! Figura 5-14. Estudio de cobertura de las antenas emisoras de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 10 KW 49! Figura 5-15. Estudio de cobertura de las antenas emisoras de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 100 KW 50! Figura 5-16. Estudio de cobertura de las antenas emisoras de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 1 MW 50! Figura 5-17. Informe de interferencias para el VOR BRA 51! Figura 6-1. Reflector de esquina 56! Figura 6-2. El multitrayecto de la señal hace que el radar detecte blancos falsos 59! Figura 6-3. Área seleccionada mediante la herramienta ICS para realizar la simulación de cobertura radar 61! Figura 6-4. Simulación de detección radar de blancos a 1.000m de altura 62! Figura 6-5. Simulación de detección radar de blancos a 500m de altura 62! Figura 6-6. Filtrado de mapa porcentual 63! Figura 6-7. Emplazamientos elegidos para colocar los radares 63! Figura 6-8. Configuración de los parámetros de las antenas radar 64! Figura 6-9. Patrón de R0 66! xxi Figura 6-10. Patrón de radiación de los radares 66! Figura 6-11. Estudio de cobertura radar. 67! Figura 6-12. Estudio de cobertura radar en detalle 67! Figura 6-13. Estudio de cobertura radar compuesta 68! Figura 6-14. Configuración de parámetros para calcular la interferencia radar 69! Figura 6-15. Configuración de la máscara IRF 69! Figura 6-16. Informe de interferencia radar con IRF = 0 70! Figura 6-17. Informe de interferencia radar con IRF = 0 71! Figura 6-18. Informe de interferencia radar con IRF = 70 71! Figura 6-19. Mapa de detección radar sin interferencias 72! Figura 6-20. Mapa de detección radar con interferencias 72! Figura 7-1. Visualización de un sistema SMR en el aeropuerto de Schiphol (Amsterdam) 74! Figura 7-2. Emplazamiento de los radaras SMR en el aeropuerto de Madrid 75! Figura 7-3. Parámetros de los SMR del aeropuerto de Madrid 75! Figura 7-4. Estudio de cobertura de los sistemas SMR del aeropuerto de Madrid detectando blancos a 1 m de altura 76! Figura 7-5. Estudio de cobertura de los sistemas SMR del aeropuerto de Madrid 77! Figura 7-6. Estudio de cobertura de los sistemas SMR del aeropuerto de Madrid 77! Figura 8-1. Cálculo de TDOA 80! Figura 8-2. Cálculo de TDOA a partir del TOA 82! Figura 8-3. Cálculo de TSOA 83! Figura 8-4. Emplazamientos de los sensores e interrogadores del sistema MSS-A 86! Figura 8-5. Emplazamientos de los sensores e interrogadores del sistema MSS-A 87! Figura 8-6. Configuración de los parámetros de los sensores MLAT 87! Figura 8-7. Configuración de los parámetros de los interrogadores MLAT 88! Figura 8-8. Análisis de cobertura del sistema MSS-A 89! Figura 8-9. Detalle del análisis de cobertura del sistema MSS-A 89! Figura 8-10. Análisis del número de sensores que podrían conectarse en cada punto del mapa a un transpondedor situado en una aeronave 90! Figura 8-11. Filtrado para conocer a cuántos sensores se conectaría un transpondedor situado en una aeronave 91! Figura 8-12. Detalle del filtrado para conocer a cuántos sensores se conectaría un transpondedor situado en una aeronave 91! Figura 8-13. Informe resumen sobre el sistema MLAT del aeropuerto de Madrid 92! Figura 8-14. Cálculos de precisión de MLAT TDOA-H 93! xxiii Notación Y Glosario ° Grado > Mayor que ≥ Mayor o igual que A-SMGCS Advanced Surface Movement Guidance and Control System ACC Adaptative Cruise Control ADS-B Automatic Dependent Surveillance – Broadcast AGL% Above Ground Level AM Amplitude Modulation APU% Auxiliar Power Unit ARINC% Aeronautical Radio, Incorporated ASDE Airport Surface Detection Equipment ATC Air Traffic Control CDI Hz Course Desviation Indicator Hertzio CDI% Course Desviation Indicator CFAR Constant False-Alarm Rate CLR Señal Clearance cm Centímetro CR-4 Con cuota de ruido de nivel 4 CSB Carrier Side Band o Portadora de Bandas Laterales CVOR Conventional VOR CW% Continuous Wave CW-FM% Continuous Wave – Frecuency Modulation u Onda continua CW-PM% Continuous Wave – Phase Modulation u Onda continua dB% decibelio dBm% decibelio miliwatio dBW% decibelio watio DDM Difference in the Depth of Modulation DME Distance Measuring Equipment DOC Designed Operational Coverage DOC Designed Operational Coverage DVOR Doppler VOR EHF Extra High Frecuency ESM Electronic Support Measurement FAA% Fleet Air Arm FM% Frecuency Modulation GHz GigaHertzio GP Glide Path ó Senda de Planeo GPS% Global Positioning System GS Glide Slope ó Senda de Planeo HDOP Horizontal Dilution of Precision HF High Frecuency HSI Horizontal Situation Indicator ILS Instrumental Landing System IM Inner Marker ITU% International Telecomunications Union ITU-R% International Telecomunications Union - Radiocomunications JAA% Joint Aviation Authorities KHz KiloHertzio Km Kilómetro Km/h Kilómetros por hora LAAS Local Area Augmentation System log Logaritmo en base 10 LOM Locator Outer Marker LOP Line Of Position LOS Line of Sight LVP% Low Visibility Procedures m metros máx máximo MF Medium Frecuency MHz MegaHertzio MLAT% Multilateration o Multilateración MM Middle Marker mm Milímetro MSS Multilateration Surveillance System MSS – W/WAN Multilateration Surveillance System – Wireless/Wide Area Network MSS-A Multilateration Surveillance System – Airport MW MegaWation NBD Non Directional Beacon nM% Nautical Mille OACI Organización de Aviación Civil Internacional OBI% OmniBearing Indicator OBS% OmniBearing Selector OM Out Marker OTH Over The Horizon p.r.a Potencia radiada aparente xxv PAPI Precision Approach Path Indicator PPI Plan Position Indicator rad/s% Radianes por segundo RADAR Radio Detectig And Ranging RCS Radar Cross-Section RF Radio Frecuencia RNAV% Random NAVigation rps% Revoluciones Por Segundo s% segundo SAR% Servicio Aéreo de Rescate SAR Synthetic Aperture Radar SBO Side Band Only SHF Super High Frecuency SMR Surface Movement Radar SNR Signal Noise Ratio SSR Secundary Surveillance Radar TDOA% Time Diference Of Arrivals TMA Terminal Maneuvering Area TOA Time Of Arrival TSOA% Time Sum Of Arrivals UHF Ultra High Frecuency VDOP Vertical Dilution of precision VHF Very High Frecuency VMC Visual Meteorologic Conditions VOR VHF Omnidirectional Range W watio WAAS Wide Area Augmentation System 𝜇𝐴% micro amperio 𝜇𝑉% microvoltio El aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas 6 de estacionamiento. La figura 2-2 muestra la distribución de dichas pistas. Figura 2-2. Pistas del Aeropuerto de Madrid-Barajas En terminología aeronáutica se considera que tiene 8 pistas diferentes, y que solo se usan simultáneamente cuatro de ellas según las configuraciones de operación, norte o sur. El Control de Tráfico Aéreo o ATC (Air Traffic Control) elige una u otra configuración en función de la meteorología. [5] • Configuración norte: durante el día (7:00-23:00), las pistas 36L y 36R se utilizarán para despegues y las pistas 32L y 32R para aterrizajes. Durante la noche (23:00-7:00) se utilizará la pista 36L para despegues y la 32R para aterrizajes. No se autorizan despegues por las pistas 14L y 14R. • Configuración sur: durante el día las pistas 14L y 14R se utilizarán para despegues y las pistas 18L y 18R para aterrizajes. Durante la noche se utilizará la pista 14L para despegues y la 18L para aterrizajes. No se autorizarán despegues por las pistas 32L y 32R. • Además existe una pista más: la 18C/36C, (antes 18-36 y 18L-36L) que fue la primera que poseyó el aeropuerto. Se usa como pista de estacionamiento y discurre entre la Terminal T4-S y la Terminal 1. La pista está cortada a la altura de su cruce con la pista 14R/32L y cerca de su extremo norte es cruzada por una carretera de vehículos del aeropuerto, lo que impide que ahora mismo se puedan realizar operaciones de despegue y aterrizaje. Se encuentra sin uso desde la inauguración de las pistas 18R/32L y 14L/32R, a mediados de la década de 2.000. En la tabla 2-1 se muestran la longitud y el material con el que están fabricadas las superficies de las pistas del aeropuerto de Madrid. 7 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Tabla 2–1. Características de las pistas del Aeropuerto Madrid-Barajas Dirección Largo Superficie metros pies 18R/36L 4.179x60 14.272x197 Asfalto 18L/36R 3.500x60 11.483x197 Asfalto 14L/32R 3.500x60 11.483x197 Asfalto 14R/32L 4.100x60 13.451x197 Asfalto 2.1 Características Técnicas del Aeropuerto En los siguientes subapartados vamos a exponer algunas de las características más importantes del aeropuerto. 2.1.1 Características operativas El aeropuerto de Madrid-Barajas es un aeropuerto H24. A pesar de ello, las operaciones en él sufren algunas restricciones. Está prohibido su uso por aeronaves sin radiocomunicación y helicópteros. Además se prohíbe la operación de despegue y aterrizaje de aeronaves clasificadas a partir de una cuota de ruido de nivel 4 ó CR-4. A su vez existen restricciones parciales para otras aeronaves entre las 23:00 y las 7:00. Algunas aeronaves tienen restricciones nocturnas en el uso de las Unidades de Auxiliares de Potencia o APU (Auxiliar Power Unit): Ilyushin (todos los modelos), DC-8 (todos los modelos), Fokker 50, McDonnell Douglas MD-80 (todos los modelos), MD-11, Boeing 747 (todos los modelos), Bombardier CRJ200, Embraer 120, Boeing 717 y Boeing 727. Las siguientes tienen además restricciones en los procedimientos de salida: Antonov 72, Antonov 124, Airbus A340-600, Boeing 727, Boeing 737-100, Boeing 737-200, Boeing 747, Douglas DC-8, McDonnell Douglas DC-10, Ilyushin 62, Lockheed L-1011, McDonnell Douglas MD-11, Tupolev 134, British Aerospace BAe 125, North American Sabreliner y Yakovlev Yak-42. 2.1.2 Aeródromo El aeropuerto de Barajas consta de tres edificios, un edificio satélite y dos diques (uno de los cuales puede considerarse una terminal), además de una terminal dedicada exclusivamente a carga. La división espacial utilizada en la nomenclatura del aeropuerto (T1, T2, T3, T4 y T4-S) no coincide exactamente con la división real arquitectónica del aeropuerto. Además y desde inicios del 2.013 cuenta con una terminal de Aviación Ejecutiva. Barajas cuenta con dos zonas principales de hangares, por un lado, la Antigua Área Industrial, y por otro lado el Área Industrial de La Muñoza. En la figura 2-3, podemos ver la situación geográfica de las terminales en el interior del aeropuerto. El aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas 8 Figura 2-3. Terminales del Aeropuerto de Madrid-Barajas 2.1.3 Navegación Aérea El aeropuerto cuenta con tres torres de control. Cualquiera de las tres torres tiene capacidad para controlar cualquier aspecto del tráfico aéreo y el movimiento de aeronaves en el aeropuerto, pero en condiciones de funcionamiento normal las tareas están repartidas entre las tres. • La torre Norte, situada junto al edificio satélite. Es la torre de control principal del aeropuerto y la más grande de todas. • La torre Oeste, emplazada junto al edificio terminal T4. Es la última torre de control en construirse en el aeropuerto. Se inauguró en 2.006 a la par que la Terminal T4. Se encarga de gestionar el movimiento de rodadura de las aeronaves en tierra en torno a la terminal T4. • La torre Sur, situada dentro del edificio terminal T2. Es la antigua torre de control del aeropuerto. Cuando fue construida estaba emplazada en la Terminal Nacional. Hasta 1.998 era la única torre de control del aeropuerto, pero desde ese momento sólo gestiona las operaciones de rodadura de las aeronaves en torno a los edificios terminal T1, T2 y T3, así como el terminal de carga. A pesar de esta reducción de funciones la torre sigue contando con capacidades plenas. El aeropuerto cuenta con diferentes ayudas a la navegación. Gracias a estos sistemas, es posible la navegación aérea en las inmediaciones del aeropuerto. En cuanto a ayudas para el aterrizaje, el aeropuerto cuenta con varios sistemas de aterrizaje instrumental de Categoría III, Indicador de Trayectoria de Aproximación de Precisión y de Sistemas de Iluminación de Aproximación de Precisión CAT II/III (900m) en las pistas 32L, 32R, 18L y 18R. El aeropuerto Madrid-Barajas también cuenta con cuatro VOR (VHF Omnidirectional Range). Este sistema es utilizado por las aeronaves para seguir una ruta preestablecida durante su vuelo. Todos ellos están asociados a un Equipo Telemétrico o DME (Distance Measuring Equipment). Dos de ellos en las cercanías del aeropuerto (gestionados directamente por el aeropuerto) y otros dos en el entorno de Madrid, gestionados por la Dirección de Navegación Aérea de la Región Centro. El aeropuerto cuenta además con dos radares de Superficie (SMR), que vigilan los movimientos de las aeronaves así como de cualquier vehículo en el área de maniobras. Están situados en el campo de antenas de la torre Norte (junto a la T4 Satélite) y en el de la torre Sur (junto a la T2). También cuenta, desde marzo del 2.011, con un sistema de mutilateración capaz de detectar blancos cooperativos (dotados de transponder en el área de maniobras). 9 3 SISTEMA DE ATERRIZAJE INSTRUMENTAL (ILS) ranscurridos pocos años desde el primer vuelo realizado por los hermanos Wright en diciembre de 1.903, y con los primeros pasos de la aviación comercial, empezó a sentirse la necesidad de disponer de sistemas que permitiesen volar en condiciones meteorológicas adversas y de esta forma aprovechar la ventaja de velocidad que tenían los aviones. En un avión, el aterrizaje es una operación de precisión, en ocasiones irreversible, que se realiza entre 300 y 400 Km/h y perdiendo altura continuamente. De ahí la necesidad de disponer de un procedimiento y unas ayudas visuales e instrumentales que garanticen total seguridad. El sistema de aterrizaje instrumental es el sistema que ayuda a la aproximación y el aterrizaje establecido por OACI como sistema normalizado en todo el mundo. Este sistema de control permite que un avión sea guiado con precisión durante la aproximación a la pista de aterrizaje y, en algunos casos, a lo largo de la misma proporcionando latitud, longitud y radial de posición. El ILS se compone del equipo en tierra que emite las señales, y del equipo a bordo del avión que las procesa y las muestra al piloto en un instrumento para poder navegar. [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] 3.1 Categorías de ILS El mismo ILS tiene diferentes categorías dependiendo de los requisitos de visibilidad y de techo de nubes. Cuanto menor es el requisito meteorológico (techo de nubes más bajo o menor visibilidad) mayor precisión se necesita y se le nombra con una mayor categoría. Las categorías se dividen en CAT I, II y III. Dentro de la categoría III encontramos tres subdivisiones A, B, y C, siendo esta última la de mayor precisión ya que permite aterrizar con 0 metros de visibilidad y con el techo de nubes pegado al suelo. Tanto OACI, JAA (Joint Aviation Autorithies) y la FAA (Federal Aviation Administration) emitieron unos requisitos en cuanto a techo de nubes y visibilidad para cada categoría de ILS no siendo exactamente los mismos pero si muy parecidos. • Categoría I: Un ILS estándar se considera de Categoría I, lo que permite aterrizajes con una visibilidad mínima de 732 m ó 549 m en caso de que haya iluminación de la línea central y zonas de toma de pista y un mínimo de techo de nubes de 60 m. • Categoría II: Los sistemas más avanzados de Categoría II y Categoría III permiten operaciones con visibilidad prácticamente nula, pero requieren de una certificación adicional por parte del avión y la tripulación. Las aproximaciones de Categoría II permiten aterrizar con una altura de decisión de 100 pies2 y una visibilidad de tan sólo 350 m. 2 En aviación son muy utilizadas las unidades de medida pie y milla naútica o nM (algunos libros también utilizan las siglas en mayúsculas NM). Las equivalencias con respecto al metro son las siguientes: 1 nM = 1.852 m 1 pie = 0,3048 m T Sistema de aterrizaje instrumental (ILS) 10 • Categoría III: es la que vuela el sistema de aterrizaje automático de la aeronave y permite operaciones incluso sin altitudes de decisión: § CAT IIIa con visibilidad mejor que 213 m. § CAT IIIb con visibilidad entre 46 m y 213 m. § CAT IIIc sin rango visual de la pista de aterrizaje. Cada aparato certificado para operaciones CAT III tiene una altitud de decisión y mínimos de visibilidad establecidos, únicos para cada certificación. Las instalaciones CAT II y CAT III incluyen iluminación de la línea central de la pista y zona de contacto, así como otras ayudas y mejoras. En la tabla 3-1 se resumen las características principales de las distintas catergorías de los sistemas ILS. Tabla 3–1. Categorías de ILS CAT I CAT II CAT III A CAT III B CAT III C (*) Techo de nubes 200 pies 100 pies < 100 pies o sin techo < 40 pies o sin techo Sin límite Visibilidad > 550 m > 300 m > 200 m < 200 y > 75 m Sin límite Mínimos JAR (Joint Aviation Requirements) (*) No aprobadas aún por los JAR Teniendo en vigor la habilitación de vuelo instrumental, se puede realizar un ILS categoría I. Sin embargo, para realizar una categoría II o III la tripulación necesita un entrenamiento específico, teórico y en simulador. Además el avión también tiene que estar certificado y mantenido para este tipo de aproximaciones. Y por último el aeropuerto tiene que estar calificado, y además que se encuentren en vigor los Procedimientos de Baja Visibilidad o LVP para salvaguardar las áreas sensibles y evitar interferencias en las señales del localizador y senda entre otras cosas. 3.2 Componentes del Sistema ILS Un sistema ILS se compone de tres elementos principales: • Localizador (Loc): es uno de los componentes principales del sistema ILS y es el encargado de guiar al piloto en el plano horizontal. El localizador es un sistema de antenas direccionales logperiódicas compuesto por un tranmisor VHF que utiliza una frencuencia del rango de 108,1-111,95 MHz (aunque sólo se utilizan frecuencias decimales impares con separación de canales de 50 KHz). El transmisor se encuentra en el eje de la pista, al final de la misma, en el lado opuesto a la dirección de aproximación. La señal de radio transmitida por el localizador produce un patrón de radiación compuesto por dos lóbulos superpuestos. Los dos lóbulos se transmiten en la misma frecuencia ILS, pero se modulan de forma diferente. Para un avión que se aproxima, el lóbulo del lado izquierdo está modulado por un tono de 90 Hz y el del lado derecho está modulado por un tono de 150 Hz. El receptor calcula la Diferencia de Profundidad de Modulación o DDM de la señal recibida para indicar la corrección requerida por el piloto para estar en la línea central del pista (la DDM es cero en la línea central de ésta). En la figura 3-1 podemos ver el patrón modulación del localizador y en la figura 3-3 podemos ver la imagen de un localizador real. 11 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 3-1. Patrón de modulación del localizador • Senda de planeo (Glide Slope GS ó Glide Path GP): proporciona la guía vertical para el piloto durante la aproximación a tierra. La antena transmisora de la senda se planeo se suele situar unos 300 m del borde del umbral de la pista (tal y como se indica en la figura 3-2) y a 120 m de la línea central de la pista. El transmisor se coloca a 300 m de altura desde el umbral, ya que éste es el punto de contacto óptimo en el que la extensión de la trayectoria de deslizamiento cruza la pista. Esto asegura una holgura de rueda adecuada sobre el umbral y sobre cualquier otro objeto o terreno durante la aproximación de aterrizaje. La senda de planeo tiene lugar en la banda UHF de 329,15 a 335 MHz y la transmisión es similar a la del localizador (mediante dos lóbulos). El lóbulo superior tiene una modulación de 90 Hz y el lóbulo inferior tiene una modulación de 150 Hz. La DDM se usa para indicar si la aeronave necesita ascender o descender para estar en la línea central de la trayectoria de guía. Figura 3-2. Emplazamiento de la senda de planeo Sistema de aterrizaje instrumental (ILS) 12 Figura 3-3. Localizador • Radiobalizas: son un tipo de radioayudas VHF (75 MHz) que ofrecen al aviador la posibilidad de determinar su posición a lo largo de una ruta aérea establecida, en el caso del ILS, alineada con la pista de aterrizaje. Estas señales de color son vistas por el piloto desde la cabina del avión. Existen tres tipos distintos de radiobalizas de ayuda al aterrizaje, que dependen de su posición: § Radiobaliza exterior (Outer Marker u OM) identifica el inicio de la senda de aproximación final. Se encuentra situada entre 4 y 7 millas naúticas del umbral de la pista de aterrizaje. Emite dos rayas (en código morse) por segundo, a un tono de 400 Hz, y una señal luminosa de color azul. Se utiliza esta radiobaliza para ayudar a los chequeos de altura, distancia y funcionamiento del equipamiento. Se puede combinar con una baliza no direccional o NBD para crear un marcador externo localizador (LOM). § Radiobaliza intermedia (Middle Marker o MM) informa al aviador que se encuentra en la senda de aproximación final y que el contacto con la pista es inminente, buscando que coincida con la altura de decisión de la CAT I (unos 60 m). Es por tanto que a menudo se encuentra situada entre las 0,5 y 0,8 millas náuticas, dependiendo de la senda de planeo establecida en el aeropuerto. Está modulada con un tono de 1.300 Hz y emite puntos y rayas morse alternativos. Su señal luminosa es de color ámbar. § Radiobaliza interior (Inner Marker o IM) se instala en la senda de aproximación final para las categorías II y III en la vertical del punto de corte de la misma con el plano de Altitud/Altura de Decisión (DA/H Decision Altitude/Height) mínima de CAT II, a una distancia entre 75 y 450 m del umbral de la pista3. Indica al piloto que está a punto de cruzar el umbral de la pista y si no es capaz de visualizar ninguna referencia de la misma, deberá frustrar el aterrizaje. Produce un sonido con una modulación de puntos a 3.000 Hz. También se enciende una luz blanca. El motivo de que no se use en CAT I es que la DA/H en esta categoría es de 60 m y el piloto debe encontrarse en condiciones visuales antes de la radiobaliza intermedia, con lo cual quedaría sin función alguna. La figura 3-4 muestra los tres tipos de radiobalizas descritos en el párrafo anterior. 3 El plano de Altitud de Decisión indica la altura a la cual debe empezar a relizarse la maniobra de aproximación a tierra o aterrizaje. 13 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 3-4. Radiobalizas del sistema ILS 3.3 Funcionamiento de ILS El sistema ILS guía al piloto horizontal y verticalmente hacia la pista del aeropuerto hasta que puede conseguir suficientes referencias visuales para poder continuar la aproximación mirando fuera de la cabina y aterrizar. En la figura 3-5 se muestran los tres componentes de un sistema ILS y la figura 3-6 representa un esquema del funcionamiento del mismo. Figura 3-5. Instalacción típica de un sistema ILS. En la figura 3-5, Localizer antenna hace referencia al localizador, Glide Slope antenna es la senda de planeo y Marker beacon antenna son las radiobalizas. Sistema de aterrizaje instrumental (ILS) 14 Figura 3-6. Esquema de funcionamiento del sistema ILS El equipo en tierra (localizador) transmite una portadora comprendida entre los 108,1 MHz y 111,975 MHz, modulada al 20% por una señal resultante de sumar dos tonos de 90 Hz y 150 Hz. Esta señal se denomina Portadora de Bandas Laterales o CSB. A su vez también se transmite una señal con bandas laterales y portadora suprimida modulada con una señal resultante de restar dos tonos de 90 Hz y 150 Hz. Esta señal se denomina señal de banda lateral o SBO. En la mayoría de los sistemas localizadores, existe una tercera señal denominada señal de Clear o CLR, que sirve de “relleno” para evitar que las aeronaves intercepten falsos nulos y evitar así que crea estar interceptando el eje de pista cuando en realidad no se está haciendo. Dicha señal se transmite con 8 KHz de diferencia respecto a la frecuencia de trabajo del localizador. Estas tres señales, CSB, SBO y CLR, se distribuyen a las antenas a través del sistema de distribución del localizador. Dicho sistema, meramente pasivo, se compone de fasadores y atenuadores. Su objetivo es entregar a cada antena una proporción adecuada de las tres señales con su potencia y fase adecuadas para conformar un diagrama polar como el mostrado en la figura 3-1. Una vez que las señales son transmitidas por la antena, se suman en el espacio obteniendo una DDM diferente de las señales de navegación de 90 Hz y 150 Hz en cada punto del espacio. Este tipo de modulación se denomina modulación espacial. Esto produce que en el lado derecho, la DDM resultante tenga una predominancia de la señal de 150 Hz, en el izquierdo la predominancia de la DDM sea de 90 Hz, atendiendo al sentido de aproximación de la aeronave y en todo el eje de pista la DDM resultante tenga un valor nulo. Las aeronaves en aproximación, tratarán de buscar el nulo de la DDM lo que conlleva en la realidad a posicionarse en el eje de la pista. Una antena transmisora de la senda de planeo se sitúa a un lado de la zona de la pista donde se produce la toma. La señal GS se transmite a una frecuencia de entre 328,6 MHz y 335,4 MHz, usando una técnica similar a la del localizador; la señal está situada para marcar una senda de planeo de aproximadamente 3° sobre la horizontal. Las frecuencias del localizador y la senda de planeo están emparejadas de manera que sólo se requiere seleccionar una frecuencia para sintonizar ambos receptores. El localizador proporciona una señal de código morse transmitida a 1.020 Hz para permitir la identificación. Esto permite saber si el ILS está operando con normalidad o si está correctamente sintonizado. Debido a que la señal de senda de planeo no transmite ninguna señal de identificación sólo se depende del localizador. Para mostrar las señales del ILS en la cabina hay varias maneras. A veces en un instrumento independiente, otras veces en el mismo Indicador de Situación Horizontal o HSI y otras en el mismo horizonte artificial. Las señales del localizador y la senda de planeo se muestran en un instrumento de la cabina, llamado Indicador de Desviación de Curso o CDI, con agujas horizontales y verticales (o un instrumento electrónico que las simule). El piloto controla el avión de manera que las agujas permanezcan centradas en la pantalla del cuadro de 15 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas mando, pues es entonces cuando el avión sigue la senda de planeo y la dirección correctas. Las señales también pueden pasarse a los sistemas de piloto automático para permitir que éste vuele la aproximación. La presentación en el instrumento de la cabina consiste en dos barras: una vertical y otra horizontal. La barra vertical indica al piloto si la pista está a la izquierda o la de derecha. Si tenemos la barra vertical a la izquierda quiere decir que la pista está a la izquierda y que tendremos que virar hacia ese lado hasta que la barra vertical se centre. La barra horizontal nos indica cómo de altos vamos en referencia al ángulo de descenso. Si tenemos la barra por debajo significa que vamos altos y tendremos que aumentar nuestro régimen de descenso hasta que se centre la barra. En la figura 3-7 podemos ver cómo se verían las señales del ILS en la cabina de un avión. Figura 3-7. Sistema ILS en la cabina de un avión 3.4 Futuro de ILS Debido a la fiabilidad de los equipos y al buen resultado que están dando, todo apunta que a que en el futuro seguirán funcionando este tipo de aproximaciones. Solamente en aeropuertos con una orografía complicada puede que se sustituya por aproximaciones RNAV debido a la flexibilidad que ofrecen para evitar los obstáculos geográficos. RNAV o Navegación Aérea es un método que permite a un avión elegir cualquier rumbo dentro de la cobertura de las ayudas en tierra, en lugar de volar directamente de una radio ayuda a otra. Este método permite conservar las distancias de vuelo, reducir tráfico y volar a aeropuertos sin radioayudas. 3.5 El Sistema ILS en el Aeropuerto Madrid-Barajas Como ya se comentó en el apartado anterior, el aeropuerto de Madrid-Barajas cuenta con un sistema ILS de Categoría III. Las características de los ILS son las siguientes: • Pista 32L: localizador MAA4 emitiendo en 109.900 MHz desde 40°29′10.3810″N 003°34′38.5956″O, senda de planeo emitiendo en 333.800 MHz desde 40°27′57.0555″N 003°33′17.5709″O. • Pista 32R: localizador MBB emitiendo en 109.100 MHz desde 40°29′49.4289″N 003°33′36.1747″O, senda de planeo emitiendo en 331.400 MHz desde 40°28′34.5222″N 003°32′13.6731″O. 4 MAA, MBB, IML e IMR son siglas que se utilizan para identficar los diferentes localizadores ILS del aeropuerto Madrid-Barajas en función de su ubicación. Sistema de aterrizaje instrumental (ILS) 22 Figura 3-15. Análisis de mejor servidor de los localizadores ILS En la figura 3-15 mostramos el análisis de mejor servidor del sistema ILS. Mediante este tipo de análisis podemos comprobar cuál es el localizador que ofrece mejor nivel de señal en cada uno de los puntos del mapa. También hemos analizado el solapamiento de los distintos localizadores. En la figura 3-16 podemos ver de cuántos localizadores estamos recibiendo señal en cada lugar del mapa. El azul más oscuro marca los lugares a los cuales llega la señal de un único servidor. El azul un poco más claro denata las zonas a las cuales llega señald de dos servidores. Las zonas marcadas en azul turquesa son aquellas a las que llega la señal de 3 serviores y las zonas verdes son aquellas a las que llega la señal de los 4 localizadores. También habría que destacar que aquellas pequeñas zonas marcadas en rosa fucsia son aquellas a las que no estaría llegando señal de ninguna de las antenas. 23 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 3-16. Análisis solapamiento de servidor de los localizadores ILS ICS Telecom propociona múltiples herramientas para analizar el resultado de la cobertura. Una de ellas es el perfil del trayectoria, mediante el cuál podemos ver el nivel de señal en un punto determinado y la orografía del terreno en ese punto. Las figuras 3-17 y 3-18 muestran los pefiles de trayectoria obtenidos desde los localizadores de las pistas 18L y 18R respectivamente. El software calcula directamente el perfil desde el emplazamiento marcado en la dirección a la que está apuntando la antena (no permite seleccionar al usuario una dirección). El parámetro que sí se puede modificar es el de la altura de la antena receptora, que en nuestro caso sería el receptor ILS situado en el avión. Para estas simulaciones hemos considerado una altura del receptor igual a 1.000 m. Sistema de aterrizaje instrumental (ILS) 24 Figura 3-17. Perfil de trayectoria desde el localizador situado en la pista 18L Figura 3-18. Perfil de trayectoria desde el localizador situado en la pista 18L 25 4 SISTEMA VOR l sistema de radionavegación VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range) es uno de los sistemas más usados. Surgió durante la II Guerra Mundial y se convirtió en la guía fundamental de la navegación civil a partir de los años 50. [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] El sistema VOR consta de estaciones en Tierra (como la mostrada en la figura 4-1) que transmiten señales a frecuencias entre 108 y 118 MHz (banda VHF) y, gracias al equipo receptor instalado en una aeronave, permiten trazar carreteras aéreas por las que circulan los aviones y que se denominan aerovías. Los sistemas embarcados nos permiten conocer en que dirección o rumbo se encuentran las estaciones de Tierra y lo normal es viajar sobre las trayectorias que unen unos VOR con otros. A menudo una estación VOR incluye un sistema denominado DME (Distance Measurement Equipment), que permite calcular la distancia que nos separa de la estación. Pero un DME es un complemento al VOR, no parte del mismo. Cada VOR transmite en una frecuencia característica, de modo que la idea es conectarse a uno en concreto, el más cercano, o aquel que queremos utilizar como referencia. Figura 4-1. Estación VOR en Tierra La base del sistema VOR se puede explicar con el siguiente ejemplo: supongamos un faro para la navegación marítima, el cual emite un haz de luz giratorio a una velocidad angular constante "ω" [rad/s] conocida. Además, cada vez que dicho haz pasa por una dirección de referencia, por ejemplo el norte magnético, el faro emite un destello en todas las direcciones de forma que tanto el haz como el destello son identificables por separado. Un barco que desea conocer su dirección relativa respecto al faro, no tiene más que medir el tiempo "t" que transcurre entre el destello y el paso del haz por su posición. Así pues, el ángulo (en radianes) que forma la recta que une barco y faro con la dirección de referencia viene dado por la ecuación (1). 𝛼 = %𝜔 ∗ 𝑡 (1) En torno a una estación de tierra VOR dibujamos un medidor de ángulos donde el 0 corresponde a la semirrecta que comienza en la posición del VOR y apunta hacia el norte. A partir de ahí dibujamos los ángulos en sentido horario, según se describe en la figura 4-2. El avión dibujado representa la posición de la aeronave. Cada grado define una ruta o calle, de modo que tendremos 360 rutas. Por tanto, en la figura 4-2, la aeronave está siguiendo la ruta situada a 315º del norte magnético, dejando a su espalda la ruta situada a 135 º del norte magnético. El equipo embarcado en el avión nos indicará si estamos orientados hacia el VOR que estamos sintonizando según una cierta calle. E Sistema VOR 26 Figura 4-2. Rutas o calles de un sistema VOR Así, el indicador en el panel del avión tiene el aspecto dado en la figura 4-3 e incluye: • Un indicador denominado OBI ú OBS (OmniBearing Indicator u OmniBearing Selector ), que nos permite elegir la calle que queremos utilizar como referencia. • El CDI (Course Deviation Indicator), que es la aguja que tiene una posición inclinada a un lado u otro de la vertical; nos da una idea de cómo de desviados estamos de la calle, en un rango de ±10°; si aparece inclinada de arriba a abajo y a la izquierda significa que debemos girar hacia la izquierda y análogamente para la derecha, siempre y cuando estemos orientados hacia el VOR, y al revés si lo tenemos de espaldas • Un indicador que nos dice si el ángulo que marca la calle seleccionada en el OBI está medido desde (FROM) o hacia (TO) el VOR Figura 4-3. Indicador VOR en el panel de un avión El indicador VOR mostrado en la figura 4-3 señala que deberíamos volar en la ruta 340°- 150° para interceptar el radial desde (FROM) la estación VOR. 27 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Es inmediato darse cuenta de que la medida dada por el VOR no proporciona el sentido de mira, hacia el VOR o desde él. El indicador FROM/TO lo que me dice es si, cuando fijo una calle en el OBI, estoy en un lado o en otro del VOR, pero no me dice en qué dirección está mirando la parte delantera del avión. Esto es importante a la hora de leer el CDI: si estoy mirando hacia el VOR (TO) y el CDI se encuentra a la izquierda de la vertical debo girar a la izquierda para situarme sobre la calle indicada en el OBI, momento en el cual el CDI se encuentra vertical, y a la derecha si el CDI está a la derecha. Sin embargo, si tengo al VOR de espaldas (FROM) habré de girar a la derecha en el primer caso y a la izquierda en el segundo. Es conveniente, pues, averiguar con la ayuda de la brújula o del Indicador de Situación Horizontal (HSI) este particular y cambiar en 180° el OBI si estoy mirando de espaldas al VOR, de modo que cambiaré de FROM a TO o al revés, y miraré de frente al VOR, de modo que el CDI me sea más intuitivo. Debido a que puede haber estaciones VOR relativamente cercanas entre sí y con mínimas diferencias entre sus frecuencias, puede darse el caso de sintonizar una frecuencia errónea y viajar hacia un VOR equivocado. Un caso especialmente dramático ocurrió en 1.983, cuando un avión de pasajeros Boeing 747 coreano fue derribado por cuatro cazas soviéticos por invadir el espacio aéreo de la URSS al confundirse de radiofaro. Los VOR se identifican, además de por su frecuencia, por un código Morse de tres letras. No obstante, los sistemas VOR se encuentran normalmente duplicados y se suelen utilizar para sintonizar dos VOR diferentes y protegerse contra inconsistencias. Sin embargo, a día de hoy se cuenta con el apoyo de los sistemas GPS, que tienen un papel similar al que pueden tener en un coche o vehículo de superficie cuando circula por una carretera, siendo el papel de dicha carretera sustituido en el caso de la navegación aérea por las aerovías definidas por los sistemas VOR. Ambos son necesarios: aerovías y sistema GPS. A la hora de seguir una ruta hay que tener también en cuenta aspectos como que el morro del avión puede no estar apuntando en la dirección de movimiento en determinadas condiciones del viento o que la trayectoria sobre el suelo o derrota no es trivial dada la trayectoria aérea, porque la Tierra rota bajo el avión. En este sentido sí señalamos algo que no hemos mencionado: cuando volamos por encima de la zona que separa el FROM del TO, normalmente perdemos contacto con la estación VOR, debido a la conformación de los diagramas de radiación que no son completamente omnidireccionales y no “pierden” energía radiando hacia arriba o hacia el suelo. En ese momento, en lugar de FROM o TO, el indicador de la cabina marca OFF. 4.1 Tipos de estaciones de tierra VOR Hay tres tipos de estaciones VOR de tierra: • Terminal (T): desde 1.000 pies sobre el nivel suelo o AGL (Above Ground Level) hasta e incluyendo 12.000 AGL pies con un radio de 25 millas náuticas. El rango de frecuencia utilizado es 108-112 MHz. • Baja Altitud (L): desde 1.000 pies AGL hasta e incluyendo 18.000 AGL pies con un radio de 40 millas náuticas. El rango de frecuencia que utiliza este tipo de estación VOR es 112-118 MHz. • Alta Altitud (H): desde 1,000 pies AGL hasta e incluyendo 14.500 AGL con un radio de 40 millas náuticas, desde 14.500 AGL hasta e incluyendo 60.000 AGL con un radio de 100 millas náuticas. Desde 18.000 AGL hasta 45.000 AGL tiene un alcance de 130 millas náuticas. Trabaja en el rango de frecuencia de 112-118 MHz. 4.2 Análisis de un sistema VOR desde el punto de vista radio El sistema VOR opera en diversos canales en la banda 108-117,95 MHz, dejando 50 kHz de separación entre canal y canal, y quedó estandarizado en 1.949. Sólo utiliza frecuencias con decimales pares, ya que las frecuencias con decimales impares son utilizadas en el sistema ILS visto en el capítulo anterior. Transmite, sobre una portadora 𝜔I de VHF con polarización horizontal, tres señales: • Una señal de referencia omnidireccional de 30 Hz. • Una señal variable con la dirección (o rotatoria) de 30 Hz. La fase de esta señal depende de la dirección en que se encuentre el receptor. Sistema VOR 28 La medida del ángulo 𝜃 o ángulo VOR, se fundamenta en la comparación de la fase entre las dos señales de 𝜔K=30 Hz. La estación de tierra radia un patrón cardioide que rota a 30 rps, generando una onda senoidal a 30 Hz en el receptor del avión (señal variable). Este patrón de radiación se muestra en la figura 4-4. La estación de tierra también radia una señal omnidireccional, modulada en frecuencia con un tono de 30 Hz fijo (señal de referencia). El avión conoce su “marcación” o ángulo respecto al Norte, 𝜃, por la diferencia de fase entre la señal de referencia y la señal variable. La señal variable modula en amplitud directamente a la portadora, mostrando además una modulación espacial en fase. Como necesitamos una señal de referencia a 30 Hz y no se puede añadir otra modulación AM a la portadora a 30 Hz (ya está ocupada por la señal variable), se emplea una subportadora a 𝜔LMN = 9.960 Hz. Esta subportadora se modula en frecuencia con un seno a 30 Hz (dando un ancho de modulación FM de ±480 Hz). La subportadora modulada de 9.960 Hz modula a su vez, en AM, a la portadora, con una profundidad de modulación del 30%. Además, la portadora está modulada al 10% en amplitud por un código Morse f(t) a la frecuencia fi = 1.020 Hz. Este código Morse hace de identificación, emitiendo dos o tres veces por minuto. Todo ello se representa en la ecuación (2) donde 𝜔O representa a la portadora principal se encuentra en una frecuencia fp entre 108 y 118 MHz, A es la amplitud de modulación AM y toma un valor de 0,33 y 𝛽 es el índice de modulación FM y es igual a 16. 𝑣RSL =cos 𝜔O[𝐴 ∗ cos 𝜔LMN𝑡 + %𝛽 ∗ 𝑠𝑒𝑛 𝜔K𝑡 + %𝐴 ∗ cos 𝜔LMN𝑡 + %𝜙 + %𝑓 𝑡 ∗ cos 𝜔]𝑡] (2) Figura 4-4. Patrón de Radiación de VOR A las frecuencias VOR, las distorsiones atmosféricas son prácticamente despreciables. Las características de propagación, por otro lado, requieren que se ha de tener el radiofaro dentro de la línea visual, ya que la onda de superficie es demasiado débil. Lo que limita el alcance debido a la curvatura de la tierra en función de la altura del avión. La normativa OACI establece una cobertura óptima de VOR para estaciones distanciadas unos 200 Km con potencias de emisión de 200 W para el VOR en ruta (tanto VOR-L como VOR-H) y de 50 W para el VOR-T (VOR Terminal). Como hemos dicho, el sistema VOR indica la dirección del avión al transmisor, definiendo así la línea de posición (LOP) o radial. La intersección de dos radiales da una posición o fix, igualmente la podemos conseguir mediante una medida combinada de las medidas de un VOR y un DME. 4.3 Precisión de VOR La precisión predecible de un VOR es ± 1,4°. Sin embargo, datos de prueba indican que el 99,94% del tiempo con un sistema VOR tiene menos que ± 0,35° de error. Los sistemas VOR son internamente monitorizados y comunican cualquier error de la estación que exceda 1,0°. 29 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas La norma ARINC6 711-10 del 30 de enero de 2.002 establece que la precisión del receptor debería estar dentro de 0,4º con una probabilidad estadística del 95% bajo varias condiciones. Cualquiera de los receptores instalados en aviones cumplen con este estándar bien o suele excederla. 4.4 VOR Doppler El VOR explicado en el subapartado anterior se denomina VOR convencional o CVOR. Frente a él tenemos el VOR Doppler o DVOR. Veamos cuáles son las ventajas del segundo. El multicamino o multipath es la principal fuente de error de los sistemas VOR. Una manera de corregirlo es usar antenas de mayor tamaño, más direccionales, y otra es utilizar el hecho de que las señales FM son menos sensibles a las reflexiones que las AM. El DVOR es una mejora de precisión al VOR Convencional CVOR (precisión de 0.5º frente a 2º respectivamente). DVOR se ve menos afectado por las reflexiones de obstáculos cerca de las antenas. La antena DVOR se compone de una circunferencia formada por 26 parejas de antenas de dipolo y una antena de dipolo (omnidireccionales) en el centro. En la figura 4-5 podemos ver una antena de este tipo. En cada instante sólo hay 3 antenas alimentadas, la central (o referencia) y una pareja. Conectando secuencialmente las antenas de una agrupación, podemos simular una antena que gira y produce una modulación en FM sintética, debida al desplazamiento Doppler. Una antena del par transmite a fp+9.960 Hz y la otra a fp-9.960 Hz. La conmutación del par activo se realiza de modo que desde el receptor el DVOR se ve como un par giratorio de antenas a rotando a una velocidad fvor expresada en rps (revoluciones por segundo). Figura 4-5. Antena DVOR En el receptor se suma la señal de la antena que se aleja y de la antena que se acerca, cada una con un desplazamiento doppler diferente (±(Vsenθ/λ) respectivamente). La señal suma resultante es una subportadora en 9.960 Hz, modulada en frecuencia. Para asegurar la compatibilidad con el receptor, es obligatorio que el desplazamiento doppler recibido de cada antena periférica sea Δf=480 Hz. Para la banda de frecuencias de portadora del VOR eso fija el radio 6 ARINC o Aeronautical Radio Incorporated, establecida en 1929, es un importante proveedor de comunicaciones de transporte y soluciones de ingeniería de sistemas para ocho industrias: aviación, aeropuertos, defensa, gobierno, salud, redes, seguridad y transporte. Sistema VOR 30 de la circunferencia a 6,76 m. 4.5 Futuro del Sistema VOR Como ocurre con otras formas de radionavegación aérea utilizadas actualmente, es posible que el VOR sea reemplazado por sistemas satelitales como el GPS. El GPS es capaz de localizar la posición horizontal de una aeronave con un error de sólo 20 m. Si se utiliza el GPS combinado con el WAAS7 (Wide Area Augmentation System), el error se reduce a un cubo de 4 m de lado. Esta precisión instrumental se aproxima (con posicionamiento lateral y vertical) a la Categoría I de los sistemas ILS actuales. Refinamientos posteriores incluyen el LAAS8 (Local Area Augmentation System), que probablemente permita aproximaciones equivalentes a la categoría III del ILS, para prácticamente aterrizar con cero visibilidad. El LAAS está planeado para utilizar una banda de frecuencia VHF para sus mensajes de corrección del GPS, lo cual requerirá que otras estaciones terrestres de radio locales (radionavegación o frecuencias de comunicación por voz) utilicen frecuencias diferentes para evitar interferencias. 4.6 El Sistema VOR del Aeropuerto Madrid-Barajas El aeropuerto de Madrid-Barajas cuenta con cuatro sistemas VOR en sus inmediaciones y alrededores. • DVOR BRA (Barajas, 40°28′08,50″N 003°33′27,59″O): situado junto a la pista 14R/32L. • DVOR SSY (San Sebastián de los Reyes, 40°32′47.1194″N 003°34′31.3318″O): situado al norte de la cabecera 18R, a 1,5 nM aproximadamente. • DVOR RBO (Robledillo de Mohernando, 40°51′14.2766″N 003°14′47.4050″O): situado en la Provincia de Guadalajara, en el Término Municipal del mismo nombre, muy próximo al Aeródromo de Robledillo, LERM. • DVOR PDT (Perales de Tajuña, 40°15′10.4401″N 003°20′52.2750″O): situado a unas 15 nM al sureste de las cabeceras 32L/32R. A continuación vamos a proceder a realizar algunas simulaciones de estos sistemas con el programa ICS Telecom. Para ello, en primer lugar debemos colocar cada sistema en las coordenadas indicadas. En la figura 4-6 podemos ver los emplazamientos de los VOR que dan servicio al aeropuerto de Barajas. [19] 7 WAAS es un Sistema de Aumentación Basado en Satélites desarrollado por Estados Unidos, a través de la colaboración de Federal Aviation Administration (FAA) y el Department of Transportation (DOT). Consiste en complementar el sistema de satélites GPS con estaciones terrestres que permiten corregir la precisión y la confianza en las coordenadas de posición adquiridas. 8 LAAS es un sistema de aterrizaje de aeronaves basado en la corrección diferencial en tiempo real de la señal del GPS. Los receptores de referencia local ubicados alrededor del aeropuerto envían datos a una ubicación central en el aeropuerto. Esta información se utiliza para formular un mensaje de corrección, que luego se transmite a los usuarios a través de un enlace de datos VHF 31 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 4-6. Emplazamientos de los VOR que dan servicio al aeropuerto de Madrid El siguiente paso, es colocar cada VOR en la banda de frecuencia adecuada. En la tabla 4-1 podemos ver la frecuencia de cada una de las antenas. Tabla 4–1. Frecuencias de los VOR VOR Frecuencia (MHz) BRA 108,2 SSY 108,6 RBO 110,0 PDT 110,4 A continuación, procedemos a realizar el análisis de cobertura de los VOR. En este caso, volvemos a emplear el modelo de propagación ITU-R528. Los valores de los diferentes parámetros de las antenas VOR se muestran en la figura 4-7. La potencia nominal serán 50 W, la ganancia de las antenas es 0 dB y la altura de las mismas 10m. El patrón de radiación utilizado es el representado en la figura 4-4. Interferencias en los sistemas de navegación 38 Figura 5-2. Relación en la distancia/altura de la cobertura del VOR en función de la p.r.a. Las curvas de la figura 5-2 están basadas en una amplia experiencia de la ITU-R con una serie de instalaciones que indican la p.r.a. necesaria para lograr la densidad de potencia especificada en un gran porcentaje de ocasiones, teniendo en cuenta la propagación y las características típicas de la instalación en tierra y de aeronave. 5.2.2 Caracterísiticas de las estaciones de radiodifusión con modulación de frecuencia 5.2.2.1 Potencia radiada aparente máxima Debe utilizarse el valor más preciso disponible de la p.r.a. máxima para los cálculos de compatibilidad. 5.2.2.2 Diagrama de radiación horizontal En los cálculos de compatiblidad debe utilizarse la información más precisa disponible sobre el diagrama de radiación horizontal. 5.2.2.3 Diagrama de radiación vertical En los cálculos de compatiblidad debe utilizarse la información más precisa disponible sobre el diagrama de radiación vertical. 5.2.2.4 Supresión de emisiones no esenciales La ITU-R divide al mundo en tres regiones en su Reglamento de Radiocomunicaciones10 con el propósito de administrar el espectro electromagnético global. Cada región posee su propio conjunto de asignación de 10 El Reglamento de Radiocomunicaciones es un tratado intergubernamental de la ITU que sirve como un instrumento supranacional para la gestión internacional óptima del espectro radioeléctrico y define los siguientes aspectos: - La asignación de diferentes bandas de frecuencias a diferentes servicios de radio. - Los parámetros técnicos obligatorios que deben observarse por parte de las estaciones de radio, especialmente emisoras. - Los procedimientos para la coordinación (garantizar la compatibilidad técnica) y notificación (registro formal y la protección en el Registro Internacional de Frecuencias) de las asignaciones de frecuencia a las estaciones de radio de los gobiernos nacionales. - Otros procedimientos y disposiciones operativas. 39 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas frecuencias. En la figura 5-3 muestran dichas regiones. La Región 1 aparece coloreada en color amarillo y abarca Europa, África y Oriente Medio, incluyendo a la Península Arábiga, Iraq, la antigua Unión Soviética y Mongolia. En color azul celeste se representa la Región 2 que comprende a América, Groenlandia y algunas islas del Pacífico. Autralia y parte de Asia forman la Región 3 que aparece marcada en la imagen en color magenta. Figura 5-3. Regiones definidas por la ITU-R En la experiencia de América del Norte, no ha sido, en general, necesario exigir la supresión en más de 80 dB de las emisiones no esenciales. Considerando las circunstancias especiales de la Región 1 y algunas zonas de la Región 3, se recomiendan los valores de la tabla 5-1 para supresión de las emisiones no esenciales en la banda aeronáutica 108-137 MHz, debidas a productos de intermodulación radiados desde transmisores de radiodifusión situados en el mismo emplazamiento. Tabla 5–1. Supresión de emisiones no esenciales p.r.a. máxima (dBW) Supresión con relación a la p.r.a máxima (dB) ≥ 48 85 30 76 <30 46 + p.r.a. máxima (dBW) 5.2.2.5 Frecuencias La banda de funcionamiento figura en el Reglamento de Radiocomunicaciones. En la Región 1 y en algunas partes de la Región 3, se utiliza la banda 87,5-108 MHz con canales cada 100 KHz (87,6, 87,7 … 107,9 MHz). En la Región 2 se utiliza la banda 88-108 MHz con canales cada 200 KHz (88,1, 88,3 … 107,9 MHz). Interferencias en los sistemas de navegación 40 5.2.2.6 Polarización La polarización de una señal con modulación de frecuencia puede ser horizontal, vertical o mixta. 5.2.2.7 Cálculo de la intensidad de campo en el espacio libre para las señales de radiodifusión La intensidad de campo en el espacio libre se determina según la fórmula siguiente: 𝐸 = 76,9 + 𝑃 − 20 ∗log 𝑑 + 𝐻 + 𝑉 (5) siendo en el trayecto 𝐸: intensidad de campo (dB(𝜇V/m)) de la señal de radiodifusión 𝑃: p.r.a. máxima (dBW) de la estación de radiodifusión 𝑑: distancia oblicua (Km) 𝐻: corrección del diagrama de radiación horizontal (dB) 𝑉: corrección del diagrama de radiación vertical (dB) 5.2.3 Potencia de entrada en el receptor Suponiendo un diagrama de radiación de antena de la aeronave sin directividad, las intensidades de campo de la señal de radiodifusión y de la señal aeronáutica se convierten en potencia a la entrada del receptor aeronáutico, según las fórmulas siguientes: • Para una señal de radiodifusión en la banda 87,5 – 108,0 MHz 𝑁 = 𝐸 − 118 −%𝐿p− 𝐿 𝑓 −%𝐿q% (6) siendo: 𝑁: nivel de la señal de radiodifusión (dBm) a la entrada del receptor aeronático 𝐸: intensidad de campo (dB(𝜇V/m)) de la señal de radiodifusión 𝐿p: pérdidas de reparto de la señal, de 3,5 dB 𝐿 𝑓 : pérdidas del sistema de antena dependiente de la frecuencia, a la frecuencia de radiodifusión f(MHz) de 1,2 dB por MHz, por debajo de 108 MHz 𝐿q: pérdidas fijas del sistema de antena de 9 dB (siempre se suele considerar este número) • Para una señal aeronáutica en la banda 108-118 MHz: 𝑁q= % 𝐸q−118 −%𝐿p− 𝐿q (7) siendo: 𝑁q: nivel de la señal (dBm) a la entrada del receptor 𝐸q: intensidad de campo (dB(𝜇V/m)) de la señal aeronática La figura 5-4 muestra la forma de convertir la intensidad de campo mínima del localizador ILS de 32 dB(𝜇V/m) en -98 dBm a la entrada del receptor de una instalación típica de recepción aeronáutica, utilizando la ecuación (7). 41 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 5-4. Conversión de la intensidad de campo mínima del localizador ILS en un nivel de señal a la entrada de un receptor aeronático. 5.3 Criterios de evaluación de la compatibilidad 5.3.1 Umbrales de interferencia normalizados Un nivel umbral de interferencia es el nivel de potencia mínimo de una señal interferente que da lugar a una degradación inaceptable de la calidad del receptor. En las mediciones de laboratorio y en las pruebas en vuelo con localizadores ILS y receptores VOR, se ha visto que: • el umbral de interferencia con el que se produce un cambio de la corriente de guía del rumbo se excede generalmente antes de que aparezca la bandera11. • un aumento de 1 a 3 dB de los niveles de la señal interferente por encima de los niveles de umbral de interferencia dará lugar a un cambio importante de la corriente de guía del rumbo o a que aparezca la bandera. Empleando señales de radiodifusión simuladas, se utilizaron los umbrales de interferencia que se indicarán en los apartados 5.3.1.1 y 5.3.1.2 para normalizar las mediciones de laboratorio de la interferencia de Tipo A y de Tipo B, habiéndolas elegido de forma que fuesen representaciones razonables de situaciones de explotación típicas. 5.3.1.1 Localizador ILS Los umbrales de interferencia para una señal deseada con una diferencia de índices de modulación de 0,093 son: • un cambio en la corriente de guía del rumbo de 7,5 𝜇A; o • la aparición de la bandera, según el que se produzca primero 5.3.1.2 VOR Los umbrales de interferencia de una señal deseada presente son: • un cambio de la indicación de marcación en 0,5°, correspondiente a una corriente guía del rumbo de 7,5 𝜇A; o 11 La bandera es un dispositivo de aviso visual que se materializa en el indicador del piloto con un localizador ILS o receptor VOR y que indica cuando el receptor es operativo, cuando no funciona satisfactoriamente o cuando el nivel de la señal o la calidad de la señal recibida caen por debajo de valores aceptables. Interferencias en los sistemas de navegación 42 • un cambio en el nivel de la tensión de audio de 3 dB; o • la aparición de la bandera durante más de 1 s. 5.4 Estudio de interferencias en el Aeropuerto Madrid-Barajas A continuación, vamos a proceder a la realización de algunos análisis de interferencias para comprobar que en el escenario que estamos analizando, el Aeropuerto de Madrid-Barajas, no existe ningún riesgo en los sistemas de navegación aérea causados por las señales de FM que existan en las inmediaciones y lugares cercanos al mismo. [19] [33] Se van a crear un total de 10 estaciones emisoras en varios núcleos urbanos cercanos al aeropuerto. Los emplazamientos se pueden ver en los próximos subapartados junto con las estaciones ILS o VOR según corresponda. En la tabla 5-2 se muestran las características de las diferentes estaciones emisoras FM creadas. En ella se pueden comprobar las coordenadas de los emplazamientos, potencia de emisión, ganancias, etc. Comentar que la red FM generada sigue unos datos supuestos, ya que los datos reales son desconocidos. Tabla 5–2. Características de la estaciones FM Nombre Coordenada X Coordenada Y Altura (m) Potencia nominal (KW) Frecuencia (MHz) Ancho de banda de transmisión (kHz) Ganancia (dB) FM1 - 3,371824 40,30326 75 5 101,9 200 7 FM2 - 3,32377 40,25306 75 2,5 107,7 200 6 FM3 - 3,32291 40,23459 75 3 105.7 200 8 FM4 - 3,29277 40,22171 75 5,5 107,3 200 5 FM5 - 3,29194 40,23456 75 1,5 107,9 200 7 FM6 - 3,30546 40,33013 75 1,5 102,6 200 6 FM7 -3,34592 40,32396 75 5 99,1 200 7 FM8 -3,33940 40,20076 75 7 98,0 200 9 FM9 -3.22202 40,15036 75 8 102,8 200 10 FM10 -3.35012 40,2732 75 9 103,5 200 9 El siguiente paso es configurar los diferentes parámetros de las antenas FM. En la tabla 5-2 mostrada arriba se pueden observar la mayoría de estos parámetros. Lo que nos faltaría por ver es el patrón de radiación de las antenas. En la figura 5-5 se muestra dicho patrón de radiación. 43 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 5-5. Patrón de radiación de las antenas emisoras de radio FM En los próximos subapartados se van a realizar varias simulaiciones variando la potencia de transmisión de las distintas estaciones emisoras de FM. Comenzaremos con la potencia indicada en la tabla 5-2 y la iremos multiplicando por diez hasta llegar al orden de los MW. Tras cada estudio de cobertura iremos comprobando las interferencias producidas en los sistemas ILS y VOR. 5.4.1 Interferencias del Sistema ILS En este subapartado vamos a analizar las interferencias producidas por las estaciones emisoras de radio FM sobre el sistema ILS. En la figura 5-6 se pueden observar los emplazamientos de las antenas FM junto con los localizadores ILS. Figura 5-6. Emplazamientos de los localizadores ILS y de las antenas emisoras de radio FM Interferencias en los sistemas de navegación 44 A continuación pasamos a realizar el estudio de cobertura de las estaciones de radio FM utilizando como valor de potencia de transmisión de las antenas el indicado en la tabla 5-2. El resultado se puede ver en la figura 5-7. Aquellas áreas marcadas en color rojo tienen un nivel de señal de unos 52 dBm. En tono anaranjado se muestran las zonas cuyo nivel de señal es de 47 dBm. En color amarillo están coloreadas las zonas del mapa con un nivel de señal igual a 42 dBm. Los tonos verdes cubren aquellas zonas cuyo nivel de señal es aproximadamente 37 dBm. En color verde agua se muestran aquellas zonas cuyo nivel de señal se encuentra en torno a 27 dBm. Las zonas cuyo nivel de señal es de 22 dBm se encuentran marcadas en color azul celeste. En un color azul más ocuro están coloreados aquellos puntos del mapa cuyo nivel de señal FM es de unos 12 dBm. Figura 5-7. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de KW ICS Telecom proporciona una herramienta que permite generar informes de interferencia siguiendo la recomendación SM 1009 de la ITU-R. Para cada localizar ILS vamos a generar su informe correspondiente. Trans generar los informes de los distintos localizadores ILS, obtenemos el mismo resultado para todos: un informe en blanco. Esto significa que en ninguno de los localizadores se están produciendo interferencias. En la figura 5-8 se muestra dicho informe. 45 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 5-8. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM A continuación, incrementamos la potencia de emisión de las estaciones emisoras de radio FM (multiplicamos la potencia anterior por diez) y volvemos a realizar un estudio de cobertura. El resultado de este estudio de cobertura se muestra en la figura 5-9. Aquellas áreas marcadas en color rojo tienen un nivel de señal de unos 62 dBm. En tono anaranjado se muestran las zonas cuyo nivel de señal es de 57 dBm. En color amarillo están coloreadas las zonas del mapa con un nivel de señal igual a 52 dBm. Los tonos verdes cubren aquellas zonas cuyo nivel de señal es aproximadamente 47 dBm. En color verde agua se muestran aquellas zonas cuyo nivel de señal se encuentra en torno a 37 dBm. Las zonas cuyo nivel de señal es de 32 dBm se encuentran marcadas en color azul celeste. En un color azul más ocuro están coloreados aquellos puntos del mapa cuyo nivel de señal FM es de unos 22 dBm. Como podemos observar al multiplicar la potencia de transmisión por 10, también se ha incrementado el nivel de señal en 10 dBm en cada zona. Figura 5-9. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 10 KW Interferencias en los sistemas de navegación 46 Tras la realización de este estudio de cobertura, volvemos a generar los diferentes informes de interferencias para los distintos localizadores ILS y el resultado obtenido vuelve a ser el mismo que en el párrafo anterior. Obtenemos de nuevo un informe en blanco como el mostrado en la figura 5-8. Por la tanto, aunque hemos incrementado la potencia de emisión de las antenas, nuestro sistema ILS sigue siendo inmune a las interferencias que pueden provocar las estaciones emisoras de radio FM. Seguidamente, volvemos a multiplicar la potencia de transmisión de las antenas de radio FM por diez. Ya nos situamos en potencias de emisión del orden de 100 KW. El estudio de cobertura generado se muestra en la figura 5-10. Al multiplicar la potencia por 10, se incrementa el nivel de señal en 10 dBm en cada zona al igual que ocurrió en el estudio anterior. Figura 5-10. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 100 KW De nuevo volvemos a generar los informes de interferencias para los cuatro localizadores ILS obteniendo de nuevo el mismo resultado que en los dos casos anteriores (figura 5-8): informes en blanco. Aunque hemos aumentado la potencia de emisión de las antenas de FM, el sistema ILS sigue siendo inmune a las interferencias que puedan provocar las antenas de FM Para finalizar este subapartado, volvemos a incrementar al potencia de transmisión de las estaciones emisoras de FM, llegando al orden de magnitud de los MW. Al realizar el estudio de cobertura correspondiente, obtenemos el resultado mostrado en la figura 5-11. 47 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 5-11. Estudio de cobertura de las antenas de radio FM para una potencia de transmisión del orden de 1 MW Una vez más, el resultado obtenido es similar al de los casos anteriores. El nivel de señal se ha incrementado en 10 dBm en cada zona y al generar los informes de interferencia de los localizadores ILS nos encontramos con que no se ven afectados por interferencias producidas por los sistemas de radio FM. Como hemos podido comprobar, el sistema ILS del aeropuerto de Madrid es muy robusto frente a las interferencias producidas por los sistemas de radio FM. Pero debemos recordar que la red de estaciones emisoras de FM ha sido un ejemplo que hemos escogido. En el caso de modificar las características de estas estaciones, los resultados de los informes de interferencias obtenidos podrían diferentes. 5.4.2 Interferencias del Sistema VOR Para obtener informes de interferencias del sistema VOR se va a proceder de la misma manera que en el apartado anterior. En primer lugar se muestran los emplazamientos de las distintas antenas emisoras de radio FM y de las antenas VOR. Los emplazamientos son mostrados en la figura 5-12. Cobertura Radar 54 6.1.4 Según su finalidad Dependiendo de la finalidad que tenga un radar, éste puede ser: • Radar de seguimiento: su principal funcionalidad es seguir el movimiento de un blanco. • Radar de búsqueda: explora todo el espacio, o un sector de él, mostrando todos los blancos que aparecen Existen radares con capacidad de funcionar en ambos modos. 6.1.5 Según su frecuencia de trabajo La tabla 6-1 recoge las diferentes bandas de frecuencia reconocidas actualmente. Tabla 6–1. Bandas de frecuencia Nombre de la banda Frecuencias Longitudes de onda Observaciones HF 3-30 MHz 10-100 m Radares de vigilancia costera, vigilancia OTH P < 300 MHz 1 m+ 'P' de "previo", aplicado de forma retrospectiva a los sistemas radar primitivos VHF 50-330 MHz 0.9-6 m Vigilancia a distancias muy elevadas, penetración en el terreno UHF 300-1000 MHz 0.3-1 m Vigilancia a distancias muy elevadas (ej: detección de misiles), penetración en el terreno y a través de la vegetación L 1-2 GHz 15-30 cm Distancias elevadas, control de tráfico en ruta S 2-4 GHz 7.5-15 cm Vigilancia a distancias intermedias. Control de tráfico en terminales. Condiciones meteorológicas a largas distancias C 4-8 GHz 3.75-7.5 cm Seguimiento a distancias elevadas. Meteorología X 8-12 GHz 2.5-3.75 cm Guía de misiles, meteorología, cartografía de resolución media, radares de superficie aeroportuarios. Seguimiento a distancias cortas Ku 12-18 GHz 1.67-2.5 cm Cartografía de alta resolución. Altímetros para satélites K 18-27 GHz 1.11-1.67 cm Absorción del vapor de agua. Se usa para meteorología, 55 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas para detectar nubes. También para control de velocidad de motoristas. Ka 27-40 GHz 0.75-1.11 cm Cartografía de muy alta resolución. Vigilancia de aeropuertos. Usado para accionar cámaras para fotografíar matrículas de coches infractores Q 40-60 GHz 7.5 mm - 5 mm Comunicaciones militares V 50-75 GHz 6.0-4 mm Absorbido por la atmósfera E 60-90 GHz 6.0-3.33 mm Guía de ondas W 75-110 GHz 2.7 - 4.0 mm Se usa como sensor para vehículos autónomos experimentales, meteorología de alta resolución y tratamiento de imágenes. 6.1.6 Según su ámbito de aplicación Según la finalidad con la que se vaya a utilizar el sistema radar, se puede clasificar en: • Militar: radares de detección terrestre, radares de misiles autodirectivos, radares de artillería, radares de satélites para la observación de la Tierra. • Aeronáutico: control de tráfico aéreo, guía de aproximación al aeropuerto, radares de navegación. • Marítimo: radar de navegación, radar anti-colisión. • Meteorológico: detección de precipitaciones (lluvia, nieve, granizo, etc.) • Circulación y seguridad en ruta: control de velocidad de automóviles, radares de asistencia de frenado de urgencia (ACC) • Científico: en satélites para la observación de la Tierra, para ver el nivel de los océanos, encontrar restos arqueológicos, etc. 6.1.7 Otras tecnologías En la actualidad, también existen radares que emplean otras tecnologías. • Radar tridimensional: es capaz de determinar la altura del blanco, además de su posición sobre el plano. • Radar de imágenes laterales o radar de apertura sintética (SAR): permite la obtención de imágenes del terreno similares a fotografías. Funcionan combinando observaciones de un radar con una antena pequeña con complejos algoritmos matemáticos, creando artificialmente la sensación de tener una sola muestra hecha por una antena muy grande. • Radares que operan utilizando la tecnología Ultra Wideband: pueden detectar un humano a través de paredes. Esto se hace posible gracias a que las características reflectivas de los humanos son generalmente mayores que las de los materiales utilizados en la construcción. Sin embargo, como los humanos reflejan mucho menos que el metal, estos sistemas requieren tecnología sofisticada para aislar a los objetivos humanos y luego construir una imagen detallada. Cobertura Radar 56 6.2 Principios de funcionamiento 6.2.1 Reflexión Las ondas electromagnéticas se dispersan cuando hay cambios significativos en las constantes dieléctricas o diamagnéticas. Esto significa que un objetivo sólido en el vacío o en el aire (es decir, un cambio en la densidad atómica entre el objeto y su entorno) producirá dispersión de las ondas de radio, como las del radar. Esto ocurre particularmente en el caso de los materiales conductores como el metal y la fibra de carbono, lo que hace que el radar sea especialmente indicado para la detección de aeronaves. En ocasiones, los aviones militares utilizan materiales con sustancias resistivas y magnéticas que absorben las ondas del radar, reduciendo así el nivel de reflexión. La reflexión de las ondas del radar varía en función de su longitud de onda y de la forma del blanco. Si la longitud de onda es mucho menor que el tamaño del blanco, la onda rebotará del mismo modo que la luz contra un espejo. Si por el contrario es mucho más grande que el tamaño del blanco, lo que ocurres es que este se polariza (separación física de las cargas positivas y negativas) como un dipolo. Cuando las dos escalas son similares pueden darse efectos de resonancia. Los radares actuales emplean longitudes de onda pequeñas (de poco cms o inferiores) que permiten detectar objetos del tamaño de una barra de pan. Las señales de radio de onda corta (3 kHz - 30 MHz) se reflejan en las curvas y aristas, del mismo modo que la luz produce destellos en un trozo de cristal curvo. Para estas longitudes de onda los objetos que más reflejan son aquellos con ángulos de 90º entre las superficies reflectivas. Una estructura que conste de tres superficies que se juntan en una esquina (como la de una caja) siempre reflejará hacia el emisor aquellas ondas que entren por su abertura. Este tipo de reflectores, denominados reflectores de esquina se suelen usar para hacer "visibles" al radar objetos que en otras circunstancias no lo serían (se suelen instalar en barcos para mejorar su detectabilidad y evitar choques). Siguiendo el mismo razonamiento, si se desea que una nave no sea detectada, en su diseño se procurará eliminar estas esquinas interiores, así como superficies y bordes perpendiculares a las posibles direcciones de detección. De ahí el aspecto extraño de los aviones "stealth" (avión furtivo). Todas estas medidas no eliminan por completo la reflexión debido a la difracción, especialmente para longitudes de onda grandes. Otra contramedida habitual es arrojar cables y tiras metálicas cuyo largo es media longitud de onda con la idea de cegar al radar; son efectivas, si bien la dirección hacia la que se reflejan las ondas es aleatoria cuando lo óptimo sería dirigir la reflexión hacia el radar que se quiere evitar. El factor que da la medida de cuánto refleja un objeto las ondas de radio se llama Sección Transversal de Radar o RCS (Radar CrossSection). Figura 6-1. Reflector de esquina 6.2.2 Ecuación Radar Mediante la ecuación radar, podemos calcular la potencia reflejada (Pr) a la antena de recepción 𝑃 L= % 𝑃r∗ 𝐺r∗ 𝐴L∗ 𝜎 ∗%𝐹v (4𝜋){∗%𝑅r {∗%𝑅L { (8) 57 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas donde 𝑃r = potencia transmitida 𝐺r = ganancia de la antena transmisora 𝐴L = apertura efectiva (área) de la antena de recepción 𝜎 = sección transversal radar (RCS) 𝐹 = factor de propagación del patrón 𝑅r % = distancia del transmisor al objetivo 𝑅L % = distancia del objetivo al receptor En el caso común donde el transmisor y el receptor se encuentran en el mismo lugar (𝑅L %= 𝑅r %) y además si consideramos F=1, la ecuación anterior puede simplificarse: 𝑃 L= % 𝑃r∗ 𝐺r∗ 𝐴L∗ 𝜎 (4𝜋){∗%𝑅v (9) donde R es la distancia. Esto significa que la potencia en el receptor se reduce proporcionalmente a la cuarta potencia de la distancia, lo que implica que la potencia reflejada desde el objetivo distante es muy pequeña. F = 1 es una simplificación para el vacío sin interferencia. El factor de propagación engloba los efectos de la propagación multicamino y del shadowing, y depende del entorno en el que se esté propagando las ondas. Es una situación real de los efectos de atenuación en el recorrido deben ser considerados. 6.2.3 Polarización El campo eléctrico de la señal que emite un radar es perpendicular a la dirección de propagación. La dirección de dicho campo determina la polarización de la onda. Los radares usan polarizaciones horizontales, verticales, lineales o circulares en función de la aplicación. La polarización aleatoria es adecuada para detectar superficies irregulares como rocas y se usa en radares de navegación 6.2.4 Centelleo Es una fluctuación en la amplitud de un objetivo sobre la pantalla de un radar. Está estrechamente relacionado con el destello objetivo, un desplazamiento evidente del objetivo de su posición. 6.2.5 Interferencias Los sistemas radar deben hacer frente a la presencia de diferentes tipos de señales indeseadas y conseguir centrarse en el blanco que realmente interesa. Dichas señales espurias pueden tener su origen en fuentes tanto internas como externas y pueden ser de naturaleza pasiva o activa. La capacidad del sistema radar de sobreponerse a la presencia de estas señales define su relación señal/ruido (SNR). Cuanto mayor sea la SNR del sistema, mejor podrá aislar los objetivos reales de las señales de ruido del entorno. Este efecto puede ser causado por un cambio del punto de reflexión eficaz sobre el objetivo, pero también tiene otras causas. Las fluctuaciones pueden ser lentas (exploración a exploración) o rápidas (pulso a pulso). El centelleo y el destello son en realidad dos manifestaciones del mismo fenómeno. Cobertura Radar 58 6.2.6 Ruido Los sistemas radar deben hacer frente a la presencia de diferentes tipos de señales indeseadas y conseguir centrarse en el blanco que realmente interesa. Dichas señales espurias pueden tener su origen en fuentes tanto internas como externas y pueden ser de naturaleza pasiva o activa. La capacidad del sistema radar de sobreponerse a la presencia de estas señales define su SNR. Cuanto mayor sea la SNR del sistema, tanto mejor podrá aislar los objetivos reales de las señales de ruido del entorno. Este efecto puede ser causado por un cambio del punto de reflexión eficaz sobre el objetivo, pero también tiene otras causas. Las fluctuaciones pueden ser lentas (exploración a exploración) o rápidas (pulso a pulso). El centelleo y el destello son en realidad dos manifestaciones del mismo fenómeno. 6.2.7 Clutter Hace referencia a todos aquellos ecos (señales de RF) recibidos por el radar que son, por definición, no deseados. Pueden estar causados por objetos del entorno, el mar, precipitaciones, tormentas de arena, animales (especialmente pájaros), turbulencias atmosféricas y otros efectos atmosféricos como reflexiones ionosféricas y estelas de meteoritos. También puede haber clutter debido a objetos fabricados por el hombre, sin intención de engañar al radar (edificios) o con ella ("chaffs"). Algunas veces el clutter está causado por una longitud excesiva de la guía de onda que conecta el transceptor del radar y la antena. En un radar de tipo Indicador de Posición o PPI (Plan Position Indication) (representación de distancia en función del azimut) con antena giratoria, este clutter se verá como un destello en el centro de la pantalla. En este caso el receptor estaría interpretando ecos de partículas de polvo y señales de RF indeseadas que vagan por la guiaonda. Este tipo de clutter se reduce reajustando el lapso entre el envío del pulso por parte del transmisor y el instante en que se activa la etapa de recepción. La explicación para esto es que la mayor parte de estos brillos están causados por el propio pulso transmitido antes de abandonar la antena. Se puede dar la circunstancia de que una determinada fuente de clutter sea indeseable para una aplicación radar (ej: nubarrones en un radar de defensa aérea) pero positiva para otra (meteorológica). El clutter es considerado una fuente pasiva de interferencias, ya que sólo aparece como respuesta a los pulsos enviados por el radar. Hay bastantes métodos para detectar y neutralizar el clutter. Muchos de ellos se fundamentan en el principio de que el clutter apenas varía entre diferentes barridos del radar. Por tanto, al comparar barridos consecutivos se comprobará que el blanco real se mueve, mientras que los ecos de clutter son estacionarios. El clutter marítimo se puede reducir empleando polarización horizontal, mientras que el de la lluvia se reduce con polarizaciones circulares (nótese que los radares meteorológicos utilizan polarización lineal porque lo que les interesa es precisamente detectar la lluvia). Otros métodos se centran en aumentar la relación señal/clutter. El método de Tasa Constante de Falsas Alarmas o CFAR (Constant False Alarms Rate) es otra técnica basada en el hecho de que los ecos debidos al clutter son mucho más numerosos que los ecos producidos por objetivos de interés. Este método permite mantener un valor constante de la probabilidad de falsa alarma haciendo un promediado adaptativo del nivel real de ruido y ajustando automáticamente la ganancia del receptor. Si bien esto no ayuda cuando el blanco está rodeado por clutter muy fuerte, puede permitir identificar objetivos más o menos claros. En radares actuales este proceso está controlado por software. Es beneficioso en sistemas en los que sea crítico mantener una determinada probabilidad de falsa alarma. Finalmente, también hay clutter originado por la multitrayectoria de la señal de eco de un objetivo válido. Los factores que pueden causar estos caminos múltiples son la reflexión terrestre y las refracciones atmosférica e ionosférica. Este clutter es especialmente molesto, ya que parece moverse y se comporta como si fuera un blanco de interés real, de modo que el radar detecta un objetivo "fantasma" que en realidad no existe. En un escenario típico, un blanco fantasma causado por reflexión terrestre sería interpretado por el radar como un objetivo idéntico al real situado justo por debajo de este. El radar puede intentar unificar los objetivos considerando que el blanco fantasma está a una altura incorrecta o directamente eliminarlo por considerar que está causado por jitter o que su ubicación es físicamente imposible. Una buena opción para minimizar el impacto de este efecto es incorporar al radar un mapa topográfico de los alrededores que ayude a eliminar 59 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas aquellos ecos que se detecten a alturas imposibles (por debajo del nivel del suelo o por encima de una determinada altura). En radares de control de tráfico aéreo actuales se emplean algoritmos para identificar blancos falsos comparando los ecos recibidos con otros adyacentes y calculando la probabilidad de que sea real sobre la base de datos de altura, distancia y tiempo. Figura 6-2. El multitrayecto de la señal hace que el radar detecte blancos falsos 6.2.8 Jamming Se conoce como jamming a aquellas señales externas al sistema radar emitidas en las frecuencias de funcionamiento del mismo y que por tanto enmascaran los objetivos de interés. Puede ser intencionado para funcionar como contramedida electrónica fortuita (por ejemplo, fuerzas amigas cuyos sistemas de comunicaciones usan la misma banda). El jamming está considerado como una fuente activa de interferencias, ya que está originado fuera del sistema radar y en general se trata de señales sin relación alguna con este. El jamming es muy problemático para los radares, pues suele tratarse de señales de mayor potencia que los ecos de interés (hay que tener en cuenta que la señal de interés recorre un camino de ida y vuelta radarobjetivo-radar, mientras que la señal interferente realiza solo un camino de ida). Las fuentes de jamming intencionado pueden por tanto ser efectivas emitiendo con mucha menos potencia que los radares que quieren confundir. La interferencia puede llegar al radar a través de la línea de visión directa ("Mainlobe Jamming" o "jamming de lóbulo principal") o por otros caminos ("Sidelobe Jamming" o "jamming de lóbulos secundarios o laterales"). La única manera de reducir el jamming de lóbulo principal es disminuir el ángulo sólido de dicho lóbulo. Un jamming de lóbulo principal a la misma frecuencia y con la misma polarización que el radar no se puede eliminar completamente. El efecto del jamming de lóbulo lateral se puede atenuar reduciendo los lóbulos laterales del diagrama de radiación de la antena durante la fase de diseño de la misma. Una manera de conseguir esto es emplear arrays de tipo thinned o sparse. El uso de antenas omnidireccionales puede ayudar a identificar e ignorar señales que entran por los lóbulos secundarios. Otras técnicas anti-jamming son el frequency hopping o el uso de una determinada polarización, ya que si la polarización del jamming es diferente a la de la antena su efecto se ve muy reducido. 6.3 Procesado de una señal en un Sistema Radar 6.3.1 Tiempo de tránsito Una forma de medir la distancia entre el radar y un objeto es transmitir un pequeño pulso electromagnético y medir el tiempo que tarda el eco en volver. La distancia será: Cobertura Radar 60 r = % c ∗ t 2 (10) r = distancia estimada c = velocidad de la luz t = tiempo de tránsito Una estimación precisa de la distancia exige una electrónica de elevado rendimiento. La mayor parte los radares usan la misma antena para enviar y recibir, separando la circuitería de transmisión y recepción mediante un circulador o duplexor. Por ello, mientras se está transmitiendo el pulso no se puede recibir ningún eco. Esto determina la llamada "distancia ciega" del radar, por debajo de la cual éste es inútil. Esta distancia viene dada por la ecuación 11. r~•€•‚ = % c ∗ τ 2 (11) r~•€•‚ = distancia ciega c = velocidad de la luz τ = tiempo que se tarda en transmitir un pulso Si se quiere detectar objetos más cercanos hay que transmitir pulsos más cortos. Del mismo modo, a un rango de detección máximo: distancia máxima sin ambigüedad. Si el eco llega cuando se está mandando el siguiente pulso, el receptor no podrá distinguirlo. Para maximizar el rango hay que aumentar el tiempo entre pulsos r„•…†~ = % c ∗ T 2 (12) r„•…†~ = distancia máxima sin ambigüedad c = velocidad de la luz T = Tiempo entre dos pulsos Hay un compromiso entre estos dos factores, siendo difícil combinar detección a corta y a larga distancia: para detectar a corta distancia hay que hacer los pulsos más cortos, lo que implica menor potencia, lo que implica ecos más débiles y por tanto menor alcance. Se puede aumentar la probabilidad de detección mandando pulsos con mayor frecuencia, pero nuevamente, esto acorta la distancia máxima sin ambigüedad. La combinación de T y τ que se elija se llama "patrón de pulsos" del radar. En la actualidad los radares pueden muchas veces cambiar su patrón de pulsos de forma electrónica, ajustando dinámicamente su rango de funcionamiento. Los más modernos funcionan disparando en el mismo ciclo dos pulsos diferentes, uno para detección a larga distancia y otro para distancias cortas. La resolución en distancia y las características de la señal recibida en comparación con el ruido dependen también de la forma del pulso. A menudo este se modula para mejorar su rendimiento gracias a una técnica conocida como "compresión de pulsos". 6.3.2 Modulación en frecuencia Otra forma de estimar distancias en un radar se basa en la modulación en frecuencia. La comparación de la frecuencia de señales es por norma más precisa y sencilla que la comparación de tiempos. Por eso, lo que se hace es emitir una señal (una senoide) a una frecuencia que va variando de forma constante en el tiempo, de modo que cuando llega el eco, su frecuencia será diferente de la de la señal original; comparándolas se puede saber cuánto tiempo ha transcurrido y por tanto cuánta distancia hay hasta el blanco. A mayor desvío en frecuencia mayor distancia. Esta técnica puede emplearse en radares de onda continua (en lugar de a pulsos se transmite todo el tiempo) y 61 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas a menudo se encuentra en altímetros a bordo de aviones. La comparación en frecuencias es similar que la que se usa para medir velocidades. 6.4 Cobertura Radar en el aeropuerto Madrid-Barajas 6.4.1 Estudios teóricos Se puede utilizar ICS Telecom para la optimización de las ubicaciones del radar, dependiendo de la altura del blanco y del área de detección. A continuación se muestran los resultados obtenidos tras la utilización de dicha herramienta en la superficie ocupada por el aeropuerto de Madrid. [19] La figura 6-3 representa el área seleccionada para realizar la simulación de la optimización de la ubicación del radar en el aeropuerto de Madrid. El polígono color fucsia cubre toda la superficie ocupada por el aeropuerto de Barajas. Figura 6-3. Área seleccionada mediante la herramienta ICS para realizar la simulación de cobertura radar Se ha configurado ICS Telecom para detectar una entidad a 500 m sobre el nivel del suelo, con un radar ubicado a 30 m sobre el nivel del suelo. Se utilizarán 25 puntos de prueba para buscar en estos lugares. Las posiciones de radar potencial también se encierran en el polígono dibujado. Las figuras 6-4 y 6-5 muestran mapas porcentuales de los objetivos detectables: si el usuario establece un radar de 30 m de altura en una ubicación que da un porcentaje del 85%, significa que este radar detectará el 85 % de blancos de 500 m de altura dentro del polígono. Para la figura 6-4 está configurada para detectar blancos a 1.000 m de altura y se ha obtenido que en todo el área seleccionada se detectarán el 100% de los blancos. Por otro lado, para obtener la figura 6-5 se han configurado la herramienta para detectar blancos a 500 m. Tras observar el resultado obtenido podemos decir que en todo el área marcada se detectarán el 97% de los blancos que estén a dicha altura. Cobertura Radar 62 Figura 6-4. Simulación de detección radar de blancos a 1.000m de altura Figura 6-5. Simulación de detección radar de blancos a 500m de altura ICS Telecom permite filtrar los porcentajes más altos en los mapas porcentuales obtenidos, para resaltar los mejores lugares donde colocar los radares. En la figura 6-6 se muestra el resultado obtenido tras filtrar los resultados de la figura 6-5. Se obtiene que para un porcentaje en el intervalo 90% - 100% el área cubierta es de 46,62 Km2. 63 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 6-6. Filtrado de mapa porcentual 6.4.2 Simulaciones para el cálculo de cobertura radar Los estudios realizados en el subapartado anterior, eran simplemente análisis teóricos que permite realizar el software ICS Telecom para ayudar a los diseñadores de redes a realizar su trabajo. En este subapartado vamos a analizar el funcionamiento de varios radares situados en el aeropuerto de Madrid. Para ello, vamos a insertar varios transmisores radar en las inmediaciones del aeropuerto para realizar varios estudios de cobertura. En la figura 6-7 se muestran los emplazamientos elegidos para colocar los radares. Figura 6-7. Emplazamientos elegidos para colocar los radares Cobertura Radar 70 Figura 6-16. Informe de interferencia radar con IRF = 0 En la figura 6-16 podemos observar el informe de interferencias obtenido. En la tabla mostrada por el software aparecen varias columnas: Nombre de la antena, frecuencia, ángulo, relación interferencia a ruido, KTBF y umbral. En este caso el valor de la relación interferencia a ruido es de -999,00 dB, lo que significa que en este escenario no hay interferencias. El resultado obtenido tiene sentido, ya que cada antena radar está emitiendo en una frecuencia diferente. Por tanto, da igual el valor que le demos al parámetro IRF, ya que no hay interferencias. Para poder comprobar la función del parámetro IRF, vamos a modificar nuestro escenario y vamos a plantear un caso ficticio en el cual las frecuencias de las antenas radar pasarán a ser las mostradas en la tabla 6-4. Tabla 6–4. Asignación de frecuencias Antena Frecuencia R1 170,00 MHz R2 171,00 MHz R3 172,00 MHz R4 170,00 MHz R5 171,00 MHz R6 172,00 MHz 71 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 6-17. Informe de interferencia radar con IRF = 0 Figura 6-18. Informe de interferencia radar con IRF = 70 Mediante las figuras 6-17 y 6-18 podemos comprobar que a medida que aumentamos el valor de IRF, dismuye la relación interferencia a ruido o I/N. Para el caso de IRF = 0 tenemos un valor de – 82,24 dB y para IRF = 70, I/N toma un valor de -152,24 dB (justamente 70 dB menos). Por tanto a medida que aumentamos el valor de IRF en un punto, conseguimos disminuir el valor de la relación I/N en un dB, esto significa que mientras a mayor valor de IRF, menor valor de inteferencias. Para finalizar este apartado, vamos a realizar un análisis de cobertura incluyendo interferencias. Para ello, vamos a basarnos en los resultados obtenidos en la figura 6-10. En ella, no se tuvieron en cuenta las interferencias. Tras un procesado de éste realizado mediante ICS Telecom, se le añaden las distintas interferencias. El mapa resultante se muestra en la figura 6-19 y los podemos interpretar de la siguiente manera: • Cuando no hay interferencia (lo que significa que ambos mapas de detección son los mismos), entonces se muestra el mapa de detección. • Cuando hay un caso de interferencia, se muestra el valor 255 (color rosa por defecto). Como se puede observar, el mapa de la figura 6-19 es exactamente igual al de la figura 6-11. Lo que implica que no se están produciendo interferencias ninguna. Esto significa que la asignación de las frencuencias de trabajo para las distintas antenas se ha realizado de forma correcta. Cobertura Radar 72 Figura 6-19. Mapa de detección radar sin interferencias Para comprobar cómo sería el resultado mostrado por ICS Telecom en el caso de haber interferencias, vamos a mostrar lo que ocurriría en el escenario ficticio que creamos en párrafos anteriores en el cual R1 y R4 tienen la misma frecuencia asignada, R2 y R4 también y lo mismo para R3 y R6. El resultado se muestra en la figura 620, en ella se puede apreciar como toda la superficie aparece coloreada en color rosa, es decir, en toda ella se están produciendo interferencias. Figura 6-20. Mapa de detección radar con interferencias 73 7 RED SMR l radar de movimiento de superficie (SMR, Surface movement radar) es el sistema de vigilancia de aeropuertos más utilizado en la actualidad. Se emplea para detectar aviones y vehículos en la superficie de un aeropuerto. Los controladores de tráfico aéreo lo usan para complementar las observaciones visuales. También se puede utilizar durante la noche y con baja visibilidad para controlar el movimiento de las aeronaves y los vehículos. [35] [36] [37] [38] [39] [40] [41] [42] [43] SMR hace referencia al radar primario que proporciona cobertura de vigilancia para el (que se define como la utilizada para el despegue, aterrizaje y rodaje de los aviones excluyendo el área de estacionamiento de las aeronaves). Podemos resumir el papel del SMR en los siguientes puntos: • Supervisar el movimiento de aeronaves y vehículos en la zona de maniobra • Proporcionar información de enrutamiento a los pilotos según lo vayan necesitando • Proporcionar asesoramiento y asistencia para el movimiento seguro y eficiente de aeronaves y vehículos en la zona de maniobra Las antenas de SMR se suelen montar en la torre, para que tengan una buena visibilidad de la zona de maniobra (aeródromos muy grandes, como el aeropuerto de Múnich, tiene inclusa una segunda torre de control para su segunda terminal y el propósito de la gestión de la pista de rodaje). El entorno de la superficie terrestre es muy diferente de las altitudes. Aunque actualmente el OACI acepta el nombre de Radar de Movimiento de Superficie, históricamente ha sido conocido por otros nombres como Radar de movimiento terrestre, equipo de detección de superficie de aeropuerto (ASDE)13 e indicador de movimiento de superficie de aeródromo. SMR se presenta típicamente como un breve video, cubierto sobre un mapa de la vista del plano de aeropuerto que muestra características tales como las pistas de aterrizaje y las calles de rodaje, las zonas ajardinadas y los edificios. En la figura 7-1 se muestra un ejemplo de visualización de SMR en una torre de control del aeropuerto de Schiphol (Amsterdam). El SMR puede ser aumentado por indicativos para identificar cada objetivo, y proporcionar advertencias en caso de conflictos potenciales entre las aeronaves en la pista. El sistema SMR también forma un elemento clave dentro del Sistema de Control y Guiado de Movimiento en Superficie Avanzado o A-SMGCS. Este sistema se compone de una combinación de elementos que proporcionan servicios a aeronaves y vehículos con el fin de mantener el rendimiento del aeropuerto bajo todas las condiciones climáticas locales, manteniendo el nivel de seguridad requerido. Se utiliza SMR para proporcionar una alta precisión (unos 7,5 m típicamente), alta tasa de actualización (1 por segundo), alta resolución (menos de 20 m) para la detección de los objetivos del campo de aviación. Para logar eso, SMR utilizar un pulso transmisor muy corto (40 ns). Se utiliza una frecuencia portadora en banda X o banda Ku, y antenas con un haz muy estrecho (aproximadamente 0,25° en azimut). La mayoría de los aeropuertos utilizan la vigilancia dependiente automática (ADS-B). El sistema también decodifica la información SSR, proporcionando así la capacidad de “marcar” el blanco con el signo de llamada del avión. 13 ASDE o Equipo de detección de superficie de Aeropuerto es un equipo de vigilancia diseñado específicamente para detectar aeronaves, tráfico de vehículos y otros objetos, en la superficie de un aeropuerto y a presentar la imagen en una pantalla de torre. Se utiliza para aumentar la observación visual por el personal de la torre de aviones o movimientos de vehículos en las pistas y calles de rodaje. E Red SMR 74 Figura 7-1. Visualización de un sistema SMR en el aeropuerto de Schiphol (Amsterdam) 7.1 El Sistema SMR del aeropuerto Madrid-Barajas En el aeropuerto de Madrid, hay implementado un sistema SMR que consta de dos radares de superficie. Los únicos datos que tenemos de los mismos es que uno de ellos está situado junto a la Terminal 1 en la Torre Sur y el otro de ellos junto a la T4-S en la Torre Norte. Los emplazamientos de estos radares se muestran en la figura 7-2. [19] [44] [45] La tabla 7-1 muestra las características de los radares de superficie del aeropuerto. Además en la figura 7-2 podemos observar la configuración de dichos radares en el software de simulación utilizado. Tabla 7–1. Características de los radares de superficie del aeropuerto de Madrid SMR Localización Frecuencia Potencia 1 Torre Norte 9.200 Hz 250 kW 2 Torre Sur 9.100 Hz 250 kW 75 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 7-2. Emplazamiento de los radaras SMR en el aeropuerto de Madrid Al igual que hemos hecho en apartados anteriores, vamos a utilizar el programa ICS Telecom para realizar estudios de cobertura en los que podamos observar el alcance de los sistemas implementados en el aeropuerto de Barajas. A continuación pasamos a configurar los parámetros de las antenas SMR. En la figura 7-3 podemos observar la configuración de dichos parámetros. Figura 7-3. Parámetros de los SMR del aeropuerto de Madrid ICS Telecom nos permite comprobar el alcance que tiene un sistema SMR para detectar blancos a una altura concreta. La figura 7-3 muestra el alcance de los radares de superficie del aeropuerto de Madrid para detectar Red SMR 76 aeronaves y vehículos a una altura de 1 m. En un caso idílico y deseado por todos, esta cobertura debería llegar a todos los puntos del aeropuerto. Sin embargo en la figura 7-4 podemos ver que esto no es así. Figura 7-4. Estudio de cobertura de los sistemas SMR del aeropuerto de Madrid detectando blancos a 1 m de altura La herramiento utilizada, también nos hace posible conocer las zonas en las que el sistema SMR es capaz de detectar blancos a una determinada altura. Mediante la figura 7-5 se puede observar que en toda la superficie del aeropuerto se pueden detectar aeronaves en un intervalo de altura de 0 a 250 m. Más concretamente, en la supercie que ocupa el aeropuerto, todos los blancos serán interceptados cuando estén a unos 20 m de altura. En la figura 7-6 lo podemos comprobar en más detalle. 77 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 7-5. Estudio de cobertura de los sistemas SMR del aeropuerto de Madrid Figura 7-6. Estudio de cobertura de los sistemas SMR del aeropuerto de Madrid En la figura 7-6 podemos ver que prácticamente toda la superficie del aeropuerto de Madrid está cubierta en color azul, lo que significa que todos los elementos que estén situados a una altura de más de 20 m serán interceptados. El tono azul más oscuro muestra los lugares del aeropuerto en los cuales se interceptan los Red SMR 78 blancos situados a 1 m de altura, es decir, se identifican todos los elementos que están en la superficie del aeropuerto. 79 8 SIMULACIÓN MLAT LAT o multi-lateración es un avanzado sistema de posicionamiento utilizado típicamente en los aeropuertos civiles y militares. El principal propósito de dicho sistema es localizar con exactitud aviones o activos en la superficie del aeropuerto (MSS-A o Multilateration Surveillance System – Airport) o dentro del aérea de maniobra (TMA o Terminal Maneuvering Area) y en-ruta (MSS-W/WAN o Multilateration Surveillance System – Wireless/Wide Area Network) manteniendo una precisión muy alta sin importar las condiciones meteorológicas o de visibilidad. El sistema es superior a SMR/SSR en términos de precisión, especialmente cuando se despliega en aeropuertos con mucho tráfico aéreo donde una mayor precisión es crucial para hacer frente al mayor número de aviones entrantes y salientes. La precisión del sistema MLAT puede ser tan pequeña como 2 m para los activos equipados con transpondedores MLAT y puede operar conjuntamente con los sistema ASR/SMR actualmente desplegados. [46] [47] [48] [49] [50] [51] [52] [53] [54] [55] [56] [57] [58] El sistema de planificación MSS (Multilateration Surveillance System) requiere de tres recursos: • El transpondedor del avión soporta Modo S para permitir la interrogación selectiva. • Dos o más interrogadores desplegados en el aeropuerto • Sensores MSS instalados en el aeropuerto o alrededor de él. Las redes MSS emplean una serie de sensores de tierra, situados en localizaciones estratégicas alrededor del aeropuerto, su terminal de área local o una mayor área que cubre el espacio aéreo circundante más grande. Estos sensores están escuchando continuamente las “respuestas”, normalmente a señales de interrogación transmitidas desde el interrogador MSS local o a un Sistema Radar Secundario (SSR). Dado que cada avión estará a diferentes distancias de cada uno de los sensores, sus respuestas serán recibidas por cada sensor en momentos diferentes. Utilizando avanzadas técnicas de procesamiento informático, estas diferencias individuales de tiempo permiten calcular la posición de una aeronave con precisión tanto en la superficie como en el espacio aéreo circundante. A diferencia de las mediciones de distancia absoluta o ángulo, medir la diferencia en la distancia entre dos estaciones da como resultado un número infinito de posiciones que satisfacen la medida. Cuando se trazan estas posibles posiciones, forman una curva hiperbólica. Para localizar la posición exacta a lo largo de esa curva, la multilateración se basa en múltiples mediciones: una segunda medición tomada a un par de estaciones diferentes producirá una segunda curva, que se interseca con la primera. Cuando se comparan las dos curvas, se revela un pequeño número de posiciones posibles, produciendo una "corrección". 8.1 Métodos de MLAT La tecnología MLAT se basa en uno o en los dos métodos siguientes. 8.1.1 TDOA o Diferencia de los tiempos de llegada Un transmisor de una aeronave radia una señal, ya sea en respuesta a una interrogación o espontáneamente. Entonces se calcula el TDOA en cada sensor para la señal radiada y la posición del avión se resuelve usando la metodología TDOA. M Simulación MLAT 86 [60]. Vamos a considerar el primer caso, 44 sensores, por ser el más desfavorable. Una vez más, vamos a hacer uso de la herramienta ICS Telecom para realizar las diferentes simulaciones. 8.4.1 MSS-A Vamos a realizar un sistema MSS-A. Para ello vamos a colocar 44 sensores MLAT mencionados anteriormente intentando cubrir todas la superficie del aeropuerto y 2 interrogadores. En la figura 8-4, se pueden ver los emplazamientos de los distintos componentes de la red [61]. Para estas simulaciones vamos a utilizar el modelo de propagación ITU-R 525. Además, debido a los requerimientos del sistema el modelo se debe configurar para predecir la cobertura LOS solamente (visión directa). Para todos los sensores se va a definir un umbral individual de -75 dBm y como umbral global 1 dB𝜇V/m. Según el modelo de propagación que hemos elegido, vamos a tener dos situaciones: 1. Si se cumple que la potencia está por encima del 60% del elipsoide del Fresnel, significa que la potencia recibida es ≥ 1 dB𝜇V/m 2. Si por el contrario no se cumple con el 60% del elipsoide de Fresnel la potencia recibirá será igual a 0 dB𝜇V/m. Figura 8-4. Emplazamientos de los sensores e interrogadores del sistema MSS-A Vamos a hacer zoom sobre la figura 8-4 para ver un poco más en detalle la colocación de los distintos sensores MLAT. En la figura 8-5 podemos observar un poco mejor la colocación de los sensores MLAT. 87 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 8-5. Emplazamientos de los sensores e interrogadores del sistema MSS-A Tal y como hemos hecho en los capítulos anterios, el siguiente paso es la configuración de los parámetros de las diferentes antenas. En la figura 8-6 se muestra la configuración de los parámetros de los sensores MLAT y en la figura 8-7 la configuración de los interrogadores. Figura 8-6. Configuración de los parámetros de los sensores MLAT Simulación MLAT 88 Figura 8-7. Configuración de los parámetros de los interrogadores MLAT Tras tener en cuenta todas las consideraciones citadas en el párrafo anterior, procedemos a realizar un análisis de cobertura. Los resultados de éste son los mostrados en la figura 8-8. En color marrón claro se representan aquellas zonas del mapa en las cuales el nivel de señal MLAT está en torno a -27 dBm. Las zonas en tono marrón oscuro tienen un nivel de señal de -31 dBm. En color rojo están marcados aquellos lugares del mapa con un nivel de cobertura MLAT igual a -35 dBm. En tono amarillo están coloreadas las zonas del mapa en las cuales el nivel de señal está situado en torno a -43 dBm. Y por último, los tonos verdosos indican aquellas zonas con un nivel de señal inferior a -47 dBm. 89 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 8-8. Análisis de cobertura del sistema MSS-A Para ver un poco más en detalle el mapa de cobertura vamos a hacer zoom sobre el mapa. El resultado lo podemos observar en la figura 8-9. Figura 8-9. Detalle del análisis de cobertura del sistema MSS-A En la red MSS-A tanto interrogadores como sensores son estáticos. Sin embargo, el transpondedor instalado a bordo del avión es móvil. Por tanto, cada píxel situado en el interior del aeropuerto es un transmisor potencial que debe ser capaz de transmitir la señal a un mínimo de cuatro sensores. ICS Telecom nos permite evaluar el rendimiento de cada ubicación comprobando el perfil de cada píxel en cada uno de los sensores. La manera de evaluar el requisito es predecir la superposición de la cobertura. Por tanto, las ubicaciones con superposiciones superiores a 3 pueden clasificarse como buenas ubicaciones. Simulación MLAT 90 En la figura 8-10 representamos el mapa de cobertura superpuesta del sistema MSS-A, de tal forma que podemos ver el número de sensores que se conectarían en cada punto del mapa a un transpondedor situado en un avión. En azul oscuro están marcadas aquellas zonas en las cuales un transpondedor se conectaría a un único sensor MLAT. En un tono azul más claro están coloreados los puntos del mapa en los que un transpondedor se conectaría a 6 sensores MLAT. Las zonas marcada en turquesa son aquellas ubicaciones desde las cuales un transpondedor se conectaría a 6 sensores MLAT. Marcadas en color verde se muestran aquellas zonas desde las que un tranpondedor podría conectarse hasta con 21 sensores MLAT. Aquellas pequeñas zonas coloreadas en rojo son los puntos del mapa desde los cuales un transpondedor de una aeronave se conectaría a 41 sensores MLAT. Figura 8-10. Análisis del número de sensores que podrían conectarse en cada punto del mapa a un transpondedor situado en una aeronave Como a nosotros lo que nos interesa verdaderamente es saber en cuál de los puntos del mapa estamos conectados a cuatro o más sensores, vamos a realizar un filtrado de los resultados obtenidos en la figura 8-10 obteniendo la figura 8-11. En ella podemos apreciar claramente que en las zonas marcada en verde estamos conectados a más de 4 sensores (zonas óptimas). En naranja aparecen marcadas las zonas en las que la aeronave se conectaría a 4 sensores y en azul estarían las zonas en las que el transpondedor se conecta a menos de 4 sensores. 91 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 8-11. Filtrado para conocer a cuántos sensores se conectaría un transpondedor situado en una aeronave En la figura 8-12 se muestra el mismo resultado que el obtenido en la figura 8-10 pero con un poco más de detalle. Figura 8-12. Detalle del filtrado para conocer a cuántos sensores se conectaría un transpondedor situado en una aeronave Podemos conocer cuál es la superficie exacta cubierta por un número determinado de sensores. La figura 8-13 representa el informe obtenido a partir de la simulación mostrada en la figura 8-11. Según este informe, se puede observar que la superficie total a la que llega nivel de señal del sistema MSS-A es de 83,68 Km2. De ella, al 60,19 % llega señal procedente de más de 4 sensores diferentes. Simulación MLAT 92 Figura 8-13. Informe resumen sobre el sistema MLAT del aeropuerto de Madrid 8.4.2 Predicción del acceso a MSS-A Si suponemos que el diseño de la red MSS-A tiene el siguiente requisito de precisión: • 7,5 m con nivel de confianza del 95 % para las áreas principales • 12 m con nivel de confianza del 99 % para áreas menores Puesto que la herramienta proporcionada por ICS Telecom sólo predice el nivel RMS, se debe calcular el nivel de error RMS utilizando el límite del error y su nivel de confianza perspectiva. • La prestación de error RMS para 7,5 m 95 % es igual a 7,5m/1,96 = 3,82 m • La prestación de error RMS para 12 m 99 % es igual a 12m/2,575 = 4.66 m Los niveles de error RMS anteriores pueden ser utilizados en la paleta de usuario. Donde: • Error RMS: raíz del error cuadrático medio • 1,96 es el factor estadístico de distribución gaussiana para el intervalo de confianza del 95 % • 2,575 es el factor estadístico de distribución gaussiana para el intervalo de confianza del 99 % La tabla 8-1 resume a continuación los factores estadísticos para los requerimientos de los diferentes niveles de confianza. Tabla 8–1. Distribución normal Nivel de confianza 1-%𝛼 𝛼/2 𝑧 (𝛼 2) 90 % 5 % 1,645 95 % 2,5 % 1,96 98 % 1 % 2,33 99 % 0,5 % 2,575 El siguiente paso es proceceder a la realización de una simulación de “Multilateration” utilizando el método “TDOA H”. Tras configurar los parámetros requeridos obtenemos la figura 8-14. En la tabla 8-2 se muestra el significado de cada color de la leyenda de la figura 8-14. 93 Sistemas de Navegación Aérea en el Aeropuerto Adolfo Suárez Madrid-Barajas Figura 8-14. Cálculos de precisión de MLAT TDOA-H Tabla 8–2. Leyenda de la figura 8-14 Color Significado Azul oscuro RMS: 0-4 m o 7,5 con 95% Azul celeste RMS: 4-5 m o 12 m con 99% Verde RMS: 5-10 m Amarillo RMS: 10-20 m Rojo RMS: >20 m Simulación MLAT 94 95 9 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS lo largo de este documento, se ha hecho una revisión de los diferentes sistemas de navegación utilizados en la actualidad dando a conocer sus características y modo de funcionamiento. Además de todo el desarrollo teórico, se han recreado los sistemas en uno de los aeropuertos más importantes del mundo, el aeropuerto de Madrid-Barajas. Debido a su posición estratégica es uno de los aeropuertos con mayor número de pasajeros a nivel mundial. Es por ello, que implementa numerosos sistemas de navegación aérea para conseguir que los vuelos sean los más seguros posibles. Mediante el software ICS Telecomm hemos podido comprobar de una manera visual, las características radio más importantes de los distintos sistemas. Entre los análisis realizados podemos encontrar estudios de cobertura, análisis de interferencia, estudios de mejor servidor, etc. El primer sistema de navegación aérea descrito ha sido ILS, un sistema destinado a ayudar a los pilotos en la fase de aproximación a tierra y aterrizaje de la aeronave. Para el guiado de las aeronaves se utiliza el sistema VOR. Es fundamental que un avión llegue a su destino sin perderse durante el vuelo. El sistema VOR ha sido descrito en el segundo capítulo. Las estaciones de radio FM emiten en la misma banda de frecuencia que los sistemas ILS y VOR. Es por ello que en este documento se ha hecho una pequeña revisión de las interferencias que se pueden producir en los sistemas de navegación aérea provocadas por las antenas de radio FM. En los últimos capítulos de este proyecto se han descrito varios sistemas de posicionamiento: MLAT, SMR y RADAR. Cada uno ellos tiene unas características y un funcionamiento diferente, sin embargo su misión es bastante similar: conocer la posición de las aeronaves en un momento concreto. Todos los sistemas descritos son muy complejos y la descripción hecha aquí ha sido breve. De esta manera el lector puede comprender su funcionamiento de una forma relativamente sencilla. En documentos futuros se puede realizar un análisis más exhaustivo de los mismos, profundizando más en en el funcionamiento de los sistemas e incluso realizando un modelado matemático de ellos. También sería interesante realizar un estudio sobre los nuevos sistemas de navegación que están surgiendo y que con el paso de los años irán sustituyendo a los sistemas actualmente utilizados y descritos en este proyecto. A Referencias 102 11