aviónica y sistemas de navegación

Transcripción

4º Ingeniero Aeronáutico
AVIÓNICA Y SISTEMAS DE
NAVEGACIÓN
Pfr. Fco. Rogelio Palomo Pinto
Curso 2006/2007
CAPÍTULO V. AYUDAS A LA NAVEGACIÓN
- Tema 1: Introducción a la Navegación Aérea
- Tema 2: Navegación a la Estima: Doppler, Inercial, Navegadores Integrados
- Tema 3: Radionavegación Largo Alcance: LORAN C, NavSat
- Tema 4: Radionavegación Corto Alcance: ADF/NDB, VOR/DME, ILS/MLS
- Tema 5: Gestión de Ruta
Bibliografía:
- Avionics Navigation Systems, 2nd Ed., M.Kayton, W.R.Fried, Wiley
- Sistemas de Navegación, del compás magnético a la navegación por satélite, A.Corbasi,
McGraw Hill
CAPÍTULO V.
Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Aviónica de Navegación Aérea:
–Computador de Navegación
–Clasificación por Algoritmo de Cálculo
–Clasificación por Autonomía del Sensor

Sistemas de Referencia en Navegación Aérea:
–Coordenadas Geográficas
–Proyecciones de Lambert y Mercator
–Coordenadas Astronómicas
–Tiempo Universal Coordinado
–Relojes Atómicos

Medidas Básicas de Navegación:
–Rumbo y Curso Verdadero
–Velocidad Horizontal
–Altitud y Velocidad Vertical

Posicionamiento:
–Posicionamiento por Pilotaje
–Intersección de Radiales Radioeléctricos
–Diferencia de Tiempos en Recepción de Señal
–Medida de Distancia en Radial por Retardo
–Medida de Distancia en Radial por Eco Activo
–Posicionamiento Astronómico

Curso:
–Cómputos de Curso
CAPÍTULO V.

Aviónica de Navegación Aérea:
–
Computador de Navegación
La Navegación Aérea es la determinación en todo instante del Vector de Estado de Navegación, (X(t),Y(t),Z(t),Vx(t),Vy(t),Vz(t)), de una aeronave
respecto a un sistema de referencia externo convenido como “Absoluto”. El problema de la Navegación Aérea tiene cuatro elementos:
1. La determinación de un sistema de referencia inercial para posición y tiempo: Sistema de Referencia Absoluto
2. La medición de las componentes de velocidad (horizontal y vertical) y de su dirección (rumbo y curso): Sensores de Velocidad y Rumbo.
3. La medición precisa y continua del tiempo y de la posición respecto al Sistema de Referencia Absoluto: Sensores de Posicionamiento
4. El cálculo continuo de la trayectoria propia y su correlación con el Sistema de Referencia Absoluto: Computador de Navegación
En el dibujo se presenta el diagrama de bloques de un navegador totalmente general. El Navegador emplea tres tipos de datos de sensores:
-Datos de Posición Absoluta obtenidos de RadioAyudas, de Cartografía Radar/IR y de Satélite
-Datos de Estima obtenidos de Sensores Autónomos como el Doppler, el Inercial y los sensores de Datos Aéreos
-Datos de Posición Angular (Declinación, Ascensión Recta) de un astro de referencia (típico en navegación espacial).
El Computador de Navegación combina los datos de sensores para obtener una solución de la posición, velocidad y orientación de la aeronave.
La mejor estimación de posición se envía al bloque de Cómputos de Curso. En este bloque se registran sucesivamente las estimaciones más
probables de Estado de Navegación para generar la Trayectoria Estimada. Esa Trayectoria Estimada se corrige periódicamente cotejando puntos de paso estimados con puntos de paso del Plan de Vuelo, almacenados en la base de datos del Plan de Vuelo. El resultado se envía a un
presentador de datos (típicamente el display multifuncional del Flight Management System, FMS), superpuesto a una imagen cartográfica sintética tomada de la base de datos cartográfica.
CAPÍTULO V.

Clasificación de Aviónica Navegación Aérea::
–
Clasificación por Algoritmo de Cálculo
Los sistemas de aviónica para navegación aérea suponen una panoplia de tecnologías muy diversas. Convencionalmente se clasifican según
el grado de autonomía respecto a una estación en tierra y según el tipo de algoritmo de cálculo. Según el algoritmo de cómputo de navegación:
1.

Sistemas de Navegación por Posicionamiento: miden el vector de estado sin referencia a la trayectoria ya recorrida:
Navegación por Radio: se organiza como una red de transmisores y/o receptores de frecuencia bien establecida, en el suelo, en satélites o
en otros vehículos. El navegador aerotransportado detecta las transmisiones y computa su posición relativa a las posiciones conocidas de
las estaciones en el sistema de referencia absoluto. La velocidad de la aeronave se obtiene a partir del desplazamiento Doppler en frecuencia de la señal recibida de las estaciones o mediante una secuencia de medidas de posición y tiempo.

Navegación Astronómica: La posición se determina midiendo la elevación (“declinación”) y el azimut (“ascensión recta”) de varios astros
relativas al sistema de referencia absoluto, en instantes bien determinados. En aeronaves la navegación astronómica suele ser un medio
pasivo de corrección de errores para navegadores de estima (combinación navegador inercial/navegador estelar en satélites en naves espaciales y aeronaves de vuelo a gran altura).

Navegación por Correlación Cartográfica: También conocida como pilotaje. La posición se
fija por correlación entre una base de datos del terreno y una imagen del terreno. La imagen
es visual o se toma con el radar cartográfico, el radar altímetro o con un sensor de imagen
de IR. Esta navegación es típica en misiles para la fase de crucero (TERrain COntour Matching, TERCOM) o de aproximación (Digital Scene Matching Area Correlation, DSMAC).
2.
Sistemas de Navegación a la Estima (Dead Reckoning): obtienen el vector de estado a partir de una serie continua de medidas relativas a una posición inicial. Los navegadores a la estima deben ser reiniciados (“refrescados”) periódicamente porque acumulan errores. Es típico
que operen en coordinación con un sistema de posiciónamiento que genera ocasionalmente
el refresco de datos. Hay dos tipos de medidas de estima:

Rumbo de la aeronave y Velocidad o Aceleración. El rumbo puede medirse con la brújula
giroscópica o con brújulas magnéticas, mientra que la velocidad puede obtenerse de sensores de datos de aire o del sensor doppler. El vector de aceleración se mide con sensores
inerciales.

Emisiones de estaciones de radio de onda continua (CW, por ejemplo el sistema Omega). Actualmente no se usan en navegación aérea. Las emisiones CW crean líneas de curso ambiguas, resolviéndose la ambigüedad mediante datos de posiciones anteriores.
CAPÍTULO V.

Clasificación Aviónica Navegación Aérea:
–
Clasificación por Autonomía del Sensor
Según el grado de autonomía del sensor respecto a una estación en tierra:
Sistemas Autónomos: Estos sistemas se definen por la ausencia de una instalación externa que proporcione señales de referencia. A su vez
se clasifican en Pasivos y Activos según emitan o no señales. Entre los sistemas autónomos pasivos están las brújulas magnética y giroscópica,
el Navegador Inercial, los Correladores de Área por cartografía infrarroja (IR-DSMAC), y los Seguidores de Estrellas (Star Trackers). Entre los
Activos se encuentran el Navegador Doppler, los correladores de área por cartografía radar (Radar DSMAC, TERCOM).
Sistemas No Autónomos: RadioAyudas. Todas las radioayudas calculan la posición de la aeronave a partir de señales/datos transmitidos por
una o varias emisoras específicas. Entre ellas tenemos radioayudas de Senda de Aproximación (Instrument Landing System, Microwave Landing System), de Corto/Medio Alcance, también llamadas ayudas de aerovía (VHF Omnidirectional Range/Distance Measurement Equipment,
VOR/DME y Automatic Direction Finder /Non Directional Beacon, ADF/NDB) y de largo alcance, bien sobre emisoras terrestres (LOng Range Navigation, LORAN) o sobre emisoras en satélites (Global Positioning System, GPS).
Sistemas bajo Control de Tierra: Radares ATC y Radioenlaces Aeronáuticos. En estos sistemas la navegación casi se confunde con el guiado
desde tierra. Hay un intercambio de señales entre la aeronave y la instalación de navegación. La trayectoria de la aeronave es seguida mediante
radar a lo largo de las fases de su vuelo (radares de control de tráfico, Air TrafficControl, ATC, de ruta, de aproximación y de superficie) y el piloto recibe indicaciones precisas de rumbo y actuación por parte del control de tierra mediante radioenlaces de datos como la Aeronautical Telecommunication Network (ATN) o los canales de voz en VHF y HF.
Acelerómetros sobre
Plataforma Inercial
Estación VOR/DME
Constelación GPS/NAVSTAR
Posición de Control de Tráfico Aéreo
CAPÍTULO V.

–
Coordenadas Geográficas
El sistema de coordenadas espaciales básico para Navegación Aérea es ECEF (Earth Centered, Earth Fixed), ejes y1,y2,y3 en la figura, con origen en el centro de la Tierra, eje y3 a lo largo del eje de rotación terrestre, y1 en el meridiano de Greenwich rotando con la Tierra. La navegación por satélite usa a menudo coordenadas ECEF para calcular la posición del satélite (efemérides).
El planeta Tierra no es una esfera perfecta; usar coordenadas estrictamente esféricas no es apropiado para navegación de precisión. Estrictamente la forma de la Tierra es muy complicada. Por convenio internacional se aproxima por un elipsoide de revolución, siendo el modelo actual
el WGS-84 (World Geodetic System 1984), con semieje mayor de 6.378,137 km y semieje menor de 6.356,752. Las coordenadas geodésicas
de azimut de deriva (Geodetic Wander Azimuth) se refieren , localmente, al WGS-84; z3 apunta radialmente (“hacia arriba”) y z2 apunta en un
ángulo α característico, al Éste del Norte Verdadero. Ninguno de los dos ejes apuntan al Norte o al Este. Estas coordenadas son las más
usadas en navegación inercial.
Las coordenadas de plano tangente se trazan en un plano tangente a un meridiano; z3 es siempre ortogonal al plano tangente (y por tanto localmente paralela a un radio terrestre) y z2 marca la dirección local paralela al meridiano. Estas coordenadas son naturales a la navegación visual a baja altura, donde se puede suponer el modelo de tierra plana.
Las coordenadas planas globales forman una rejilla de coordenadas sobre un plano. Una rejilla muy
usada es la UTM (Universal Transverse Mercator). Las coordenadas UTM dividen la carta en 60 zonas de 6º Longitud, cada una de ellas con una proyección Mercator específica. Cada zona se subdivide en 20 segmentos de 8º de Latitud. Las coordenadas de rejilla solo son válidas
para navegación aérea de corto alcance, no para navegación aérea global.
CAPÍTULO V.

–
Proyecciones de Mercator y Lambert
La proyección de Mercator es conforme:
preserva los ángulos entre líneas de referencia
(meridianos y paralelos). Los paralelos y meridianos se transforman en líneas rectas, formando una rejilla cuadrangular. No puede mostrar,
por construcción, las zonas polares. En Navegación se denomina Loxodrómica o Línea de
Rumbo Constante a una línea que cruza todos
los meridianos con el mismo ángulo. En un mapa de Mercator las líneas rectas son loxodrómicas,de ahí su importancia para la Navegación.
La proyección cónica conforme de Lambert también es conforme. Por construcción sólo muestra uno de los polos. Los paralelos se mantienen
como circunferencias y los meridianos se transforman en rectas. En Navegación la distancia más corta entre dos puntos sobre la Tierra se conoce como Ortodrómica (un segmento de un Círculo Máximo si se viaja en dirección Norte-Sur o un segmento de Paralelo si se viaja en
dirección Este-Oeste). Un círculo máximo es una circunferencia sobre la superficie Terrestre con el mismo perímetro que ésta, dividiéndola en
dos hemisferios (como el Ecuador). La proyección de Lambert se usa mucho para pilotaje porque las líneas rectas sobre ella se aproximan
razonablemente bien por ortodrómicas. Ninguna proyección plana de la superficie de una esfera tiene total fidelidad.
Si se vuela a baja altitud es una aproximación muy
útil. Si el vuelo es a gran altitud (u orbital) hay que
acudir a modelos digitales de la superficie terrestre
referidos al WGS-84, reservando las proyecciones
para visualizaciones en pantalla.
CAPÍTULO V.

–
Coordenadas Astronómicas
En Navegación Aérea a gran altura, Navegación Suborbital y Navegación Espacial se emplean las coordenadas astronómicas. Las estrellas pueden tomarse como puntos fijos en el espacio y por tanto se pueden emplear como referencias de navegación. Para los propósitos de Navegación,
se considera que las estrellas están situadas en el interior de una esfera geocéntrica de radio infinito llamada Esfera Celeste. La proyección de
las líneas de latitud y longitud de la Tierra sobre la Esfera Celeste establecen una rejilla de coordenadas sobre la que se define la posición de cada estrella (astrometría). La intersección de la Esfera Celeste y el Ecuador se denomina Ecuador Celeste. El meridiano de referencia respecto a
la Esfera Celeste se conoce como meridiano de Aries (en la constelación de Piscis) y es el meridiano que pasa por el punto de Aries, definido como el punto donde se corta el plano que contiene al Ecuador Celeste y el plano de eclíptica (el plano formado por la órbita de la Tierra). El ángulo
medido desde el Ecuador Celeste a lo largo del meridiano que pasa por la estrella se llama Declinación (o latitud estelar). El ángulo medido, en
sentido antihorario, desde el punto de Aries a lo largo del Ecuador Celeste hasta el punto donde el meridiano de la estrella corta al Ecuador se
llama Ascensión Recta (o longitud estelar, o ángulo de hora sideral).
Para Navegación Interplanetaria se emplean las mismas coordenadas ya que, por ahora, se trata de una navegación guiada desde Tierra. Una
sonda interplanetaria se mueve, sobre la Esfera Celeste, de modo similar a un cometa (tanto en trayectoria como
en velocidad) y por tanto se localiza geográficamente igual que éste, dando su ascensión recta y declinación instantáneas. Esas coordenadas son alimentadas al radar de seguimiento en Control
de Misión, en la Tierra, que resolverá la distancia radial. Actualmente hay dos grupos de estaciones de seguimiento, NASA, Deep Space Network, DSP) y ESA (European Space
TRACK, ESTRACK). NASA cuenta con antenas en Pasadena, Cal. USA, Canberra, Australia y Robledo de Chavela, España, formando un triángulo esférico de modo que
siempre haya línea de mira con la nave no importa cómo se mueva la Tierra.
La ESA está montando su DSP y a finales de 2006 están operativas las estaciones de seguimiento de Cebreros, España y New Norcia, Australia, alquilando
temporalmente la estación de NASA Pasadena para completar su triángulo.
CAPÍTULO V.

–
Tiempo Universal Coordinado
Una norma de tiempo define las Zonas Horarias en la Tierra y el Reloj de Referencia respecto al que todos los demás deben sincronizarse. Históricamente el reloj de referencia han sido las efemérides de estrellas visibles y del Sol. En 1884 se estableció la norma GMT (Greenwich Mean
Time) que marcaba la división de zonas horarias de la Tierra a partir del paso del Sol por el meridiano de Greenwich. El tiempo GMT comienza
a contarse desde el mediodía solar. Hoy se ha sustituido por UT1 (Tiempo Astronómico Universal), que toma como Reloj de Referencia las efemérides de radiogalaxias remotas, detectadas mediante radiotelescopios, para una precisión de 1 microsegundo.
En Navegación Aérea se usa el más preciso Tiempo Universal Coordinado (Universal Coordinated Time, UTC). La norma UTC no depende de
efemérides astronómicas o de medidas respecto a un meridiano local. El Reloj de Referencia es la media de varios relojes atómicos de la máximaprecisión (hoy relojes de fuente de cesio, en unos años relojes de mercurio monoatómico) mantenidos en diferentes laboratorios de todo el
mundo, coordinados y promediados por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (Bureau International des Poids et Measures, BIPM, en Sevrés, Paris). UTC comienza a contarse desde la medianoche. En España la hora UTC está mantenida por el Real Observatorio de la Marina, en
San Fernando, Cádiz.
Como la rotación de la Tierra se está ralentizando, UTC debe sincronizarse periódicamente con UT1. Los segundos de resincronización de UTC
con UT1 se denominan segundos intercalares (“leap seconds”).
La señal de tiempo UTC para Navegación Aérea se distribuye por tres procedimientos:
1.
Distribución por Emisoras de Radio AM o Radio CW: Onda Corta (de 1.5 a 20 MHz), WWV,
WWVH (EE.UU.), CHU (Canadá), RWM (Rusia), BPM (China), YVTO (Venezuela), HD2IOA
(Ecuador), LOL (Argentina), HLA (Corea del Sur), ATA (India), VNG (Australia), EBC (España).
Onda Larga (50 a 170 KHz) WWB (EE.UU.), DFC77 (Alemania), MSF (Gran Bretaña), JJY (Japón), HBG (Suiza), TDF (Francia). La señal de LORAN-C (100 KHz) da cobertura global.
2.
Distribución por GPS: los satélites GPS cuentan con relojes atómicos coordinados con la
señal UTC enviada por Control de Tierra. La señal horaria es distribuida dentro del mensaje
de navegación GPS radiado por cada satélite.
3.
Distribución por Internet: Protocolo de nivel de aplicación NTP (Network Time Protocol),
norma RFC 1305, organizado en al menos tres estratos de ordenadores servidores. Stratum 0 son relojes atómicos, señal de Radio UTC o señal GPS, conectados directamente al
Stratum 1. El resto de Strata son cadenas de servidores (de mayor a menor precisión, de
menor a mayor tráfico) para la distribución del paquete de 64 bits o NTP TimeStamp.
CAPÍTULO V.

–
Relojes Atómicos
Cualquier reloj se compone de un oscilador y de un contador. El reloj más
usual a bordo emplea un Oscilador de Cuarzo. Sin embargo el Patrón de
Tiempos es un reloj atómico. El oscilador es la onda electromagnética
asociada a la transición cuántica entre dos niveles en un átomo. Así, en el
reloj atómico de cesio se emplean átomos de Cs-133 porque tienen un
electrón de valencia único. El spin de ese electron se traduce en un campo
magnético denominado campo hiperfino. El núcleo Cs-133, dotado de su
propio spin, se alinea en el campo hiperfino de modo paralelo (estado F=3) o
antiparalelo (estado F=4)
En un horno se calienta vapor de Cs-133 para generar un haz. Los átomos en
F=3 son seleccionados para entrar en una cavidad resonante de microondas
donde son excitados. Esa cavidad está iluminada por radiación RF proveniente de un emisor de microondas. La máxima cantidad de transiciones al
estado F=4 se consigue cuando la frecuencia de la radiación RF es
9.19263770 GHz, una constante de la Naturaleza. El máximo de átomos en
estado F=4 es detectado y empleado por un servocontrol para mantener sintonizada la cavidad a la frecuencia resonante.
La radiación a la frecuencia de resonancia hiperfina se mide en una antena y
es el patrón de frecuencia empleado para sincronizar un oscilador de cuarzo
de alta precisión que es sobre el que actúan los divisores de frecuencia (contadores) para llevar la escala temporal a fracciones de segundo. La precisión
típica de un reloj de haz de Cesio como el Agilent 5701 es σ=10-14 s (o <1 s
en 106 años), mantenida durante varios días. Sobre principios similares (resonancias atómicas en RF u ópticas) funcionan los relojes atómicos de Rubidio (s= 10-12 seg pero miniaturizable porque el Rb-87 es líquido) , los masers activos de hidrógeno (σ=10-15 seg, operan como un laser RF) y los relojes atómicos de átomo de mercurio enfriado por láser (s=10-18 Hz durante
varios días, aún experimentales). Existe un importante esfuerzo industrial por
miniaturizarlos (reloj atómico en un chip) lo que, esencialmente, supone miniaturizar la estructura de confinamiento y resonancia de la especie atómica
(“the physics package”).
Agilent 5701A
Reloj Atómico
de Haz de Cs-133
CAPÍTULO V.

Medidas Básicas de Navegación V/|V | :
–
Rumbo y Curso Verdadero
Se denomina Rumbo (Heading) al ángulo, en sentido horario, entre una referencia de
Norte y el morro de la aeronave. Si la referencia es el Norte Geográfico o Norte Verdadero (True North), el ángulo mide el Rumbo Verdadero (True Heading). Si la referencia
es el Norte Magnético (Magnetic North), el ángulo mide el Rumbo Magnético.
El Norte Geográfico se mide mediante un GiroCompás o referencia giroscópica de Rumbo del AHRS (Attitude & Heading Reference System). El Norte Magnético se mide mediante un magnetómetro de precisión en la brújula magnética o FDU (Flux Detector Unit).
El Rumbo Verdadero y el Rumbo Magnético se relacionan entre sí por la Variación Magnética (VAR) local, que es el ángulo entre el TN y el MN en la zona de vuelo. Las cartas
aeronáuticas registran la VAR de cada zona (VAR+ o VAR Este y VAR- o VAR Oeste):
TH=MH+VAR
El Curso es el ángulo, en sentido horario entre una referencia de Norte y la dirección de
movimiento de la aeronave. En inglés se habla de Course para referirse al Curso Previsto (en el Plan de Vuelo) y de Track (el Curso Real). El Curso y el Rumbo no coinciden
por causa del viento. ElGCurso (Track) marca la dirección y sentido del vector de velocidad respecto al suelo VGS .
El triángulo de navegación de la aeronave se compone de tres vectores:
Vector del Avión: Velocidad Verdadera (TAS) en la dirección del Rumbo (Heading)
del morro
Vector del Viento: Velocidad y Dirección del Viento
Vector de Curso: Velocidad sobre el Suelo (Ground Speed) en la dirección
del Curso (Track)
de tal forma que Vector Curso=Vector Rumbo + Vector Viento.
CAPÍTULO V.

Medidas Básicas de Navegación Vx ,Vy :
–
Velocidad Horizontal
G
Existen dos velocidades del avión: respecto al aire y respecto al suelo. La Navegación Aérea necesita de VGS , la velocidad respecto al suelo. Si
la aeronave dispone de sensor Doppler, éste mide directamente la velocidad respecto al suelo. Si la medida de velocidad se realiza mediante
datos de aire hay que realizar correcciones usando datos meteorológicos enviados por Control de Tráfico Aéreo.
La velocidad respecto al aire se mide con un sensor de presión, el Anemómetro. Consta de un tubo Pitot y un Puerto y funciona según el principio de Bernouilli: la suma de la presión dinámica y la presión estática es constante. El pitot se orienta al frente y mide la presion total (estática y
y dinámica) y el puerto va en un costado para medir sólo la estática. La diferencia entre la presión dinámica y la estática es proporcional a la velocidad indicada del avión respecto al aire (IAS, Indicated Air Speed). Se denomina velocidad calibrada (CAS, Calibrated Air Speed) a la IAS sin
los errores debidos a la ubicación de las sondas barométricas en el fuselaje. Se denomina Velocidad Equivalente (Equivalente Air Speed, EAS)
a la CAS corregida por los efectos de compresibilidad del aire (relevantes por encima de 250 nudos). Se llama Velocidad Verdadera (True Air
Speed, TAS) a la EAS corregida por los cambios de densidad del aire debidos a la altitud. Para obtener la TAS es necesario medir la temperatura del aire a fin de ajustarla según la fórmula (T en Kelvin):
G
⎛ T ⎞
TAS = EAS ⎜
⎟
⎝ 288 ⎠
2.128055
G
G
G
VGS = VTAS + VVIENTO
La velocidad respecto del suelo VGS se calcula sumándole a la TAS la velocidad
esperada del viento. La velocidad del viento no se puede medir desde una aeronave en movimiento relativo a éste, por lo que se trabaja con una predicción a partir del refresco periódico de datos meteorológicos radiados por Control
G de Tráfico en
tierra (mensajes NOTAM). De aquí se concluye que la medida de V desde datos
GS
de aire vendrá afectada de errores.
Triángulo del Viento
Cadena de Sensores de Datos de
Aire
CAPÍTULO V.

Medidas Básicas de Navegación Z ,Vz :
–
Altitud y Velocidad Vertical
La posición de una aeronave en el espacio necesita de 3 coordenadas espaciales: la altura y la posición sobre el mapa.La altitud de vuelo del
avión se determina midiendo en cada instante, a bordo, la presión atmosférica mediante el altímetro barométrico. Como respaldo se tiene el altímetro radar. El altímetro barométrico es un barómetro que transforma los datos de presión estática en indicación de altitud. Dependiendo de
la referencia de presión utilizada, el altímetro barométrico proporciona un tipo de altitud:
1.
Referencia de 1013 Hpa (presión de isóbara normalizada a nivel del mar, en HectoPascales o milibares), el dato de altitud se llama NIVEL
DE VUELO (Flight Level, FL). Esta referencia, o reglaje, se usa cuando el avión está o asciende por encima de la capa de libre circulación
(o Nivel de Transición, FL250 a 25.000 ft).
2.
Referencia de isóbara real a nivel del mar (código de radio QNH, medida en Hpa) para ese día y esa zona: el dato es la altitud verdadera y
se mide en pies. Es el reglaje cuando el avión está o desciende por debajo del nivel de transición del aeropuerto, por ejemplo en despegues
y aterrizajes.
3.
Referencia de isóbara real que pasa por el aeropuerto (código de radio QFE, en Hpa) para ese día, se habla de altura verdadera y se mide
en pies. Marca cero en aterrizaje y despegue.
La diferencia entre la altitud medida (reglaje QNH) y la altura medida (reglaje QFE) da la elevación del aeropuerto. La relación entre el nivel de
vuelo (FL) y la altitud medida (reglaje QNH) es:
FL = Altitud en Cientos de Pies + (1013 - QNH) ⋅ 0.267
Lo normal es que existan dos altímetros barométricos a bordo: uno con reglaje
de nivel del mar (1013 Hpa) y el otro con el reglaje QNH facilitado por el controlador en tierra. El primero informa al piloto del nivel de vuelo y se incluye en la
respuesta modo C de secundario. El segundo informa al piloto de la altitud verdadera y sirve para maniobras seguras de despegue y aterrizaje.
Existe otro barómetro que lee la señal de presión estática, el Variometro. Indica al piloto la velocidad vertical y su sentido (régimen
de subida/ascenso). La unidad del régimen de subida (Rate of Climb,
ROC) o régimen de bajada (Rate of Descent, ROD) es
pies por minuto (ft/min). Como respaldo, se puede inferir
de las lecturas del radar altímetro y del sensor Doppler.
CAPÍTULO V.

Posicionamiento X,Y:
–
Posicionamiento por Pilotaje
El Posicionamiento por Pilotaje se fundamenta en el cotejo entre referencias del terreno (medidas en tiempo real) e hitos en las cartas de navegación. Toma su nombre de la navegación VFR (Visual Flight Rules) siguiendo el terreno (navegación de travesía VFR típica de los ultraligeros).
Se puede obtener un vector completo de navegación a partir del dato de rumbo magnético, datos de aire (Z, VTAS), predicción meteorológica
(Vviento) y referencias del terreno (X,Y desde hitos en la Carta Geográfica). Será una solución de navegación poco precisa pero a menudo
suficiente en VFR.
La técnica de Pilotaje se vuelve precisa cuando la correlación entre hitos de la carta y referencias del terreno se realiza cotejando una base de
datos cartográfica de alta precisión y medidas cartográficas realizadas con el radar cartográfico (DSMAC) o con el radar altímetro (TERCOM).
Para aproximación se puede usar una correlación con imagen cartográfica infrarroja (IR-DSMAC). Se habla de Pilotaje Radar o Pilotaje Infrarrojo y estaremos ante Posicionamiento por Pilotaje Todo Tiempo o IFR (Instrumental Flight Rules).
En pilotaje Radar manual el piloto corrige su rumbo observando la imagen cartográfica radar.
La escala de los puntos de referencia es diferente a la visual debido a la estrechez del arco
de visión del radar y a la resolución. Se emplea una secuencia de modos de radar. En primer
lugar se opera en modo cartográfico de apertura real para rastrear un sector angular y radial
amplio, con poco detalle. A continuación pasa al modo de afinado doppler o DBS para aumentar la resolución alrededor del punto de referencia posible. Por último opera un modo SAR de
identifícación de la referencia y para cotejo cartográfico preciso (típicamente se pueden idenitificar edificios). El radar proporciona medidas angulares y de distancia precisas por lo que
es posible determinar X,Y sobre una carta geográfica electrónica.
En pilotaje Radar semiautomático, se designa un punto de referencia (PR) en la imagen radar. La computadora de navegación genera un distancia y ángulo de azimut previstos y se enfoca el radar en modo SAR hacia el PR. El radar mide la distancia y azimut reales y se genera
un error respecto a la posición prevista que sirve para refrescar al
navegador inercial.
Si la identificación del PR es automática mediante correlación con
una base de datos se habla de DSMAC (Digital Scene Matching
Area Correlation). En aproximación de alta precisión se emplea
una DSMAC con una imagen IR del punto de
referencia,cotejándola con una imagen IR
obtenida dela escena mediante un sensor de
IR a bordo.
CAPÍTULO V.

–
Intersección de Radiales Radioeléctricas
Rumbo RadioGoniométrico: Ángulo que forma la dirección de propagación de una señal de radio con el eje longitudinal del avión. El rumbo
es medido a partir de la diferencia de fase o de tiempo de llegada de varias antenas en el fuselaje. A la línea imaginaria que une la emisora externa con la aeronave y que tiene como dirección el Rumbo RadioGoniométrico se la denomina radial. La intersección de dos radiales se denomina “fix” y determina una posición sobre un plano. La posición X,Y se traslada a una carta aeronáutica y se tiene una lectura de posición.
La técnica de intersección de radiales se emplea en la navegación por ADF (Automatic Direction Finder, o RadioCompás) a partir de la señales de radiobalizas NDB (Non Directional Beacon), cartografiadas en las cartas aeronáuticas.
Concepto de Radial y Rumbo
Radiogoniométrico
Concepto de Radial y Rumbo
por Diferencia de Fase
Determinación de Posición
por Intersección de Radiales
(“Fix”)
Rumbo por Diferencia de Fase: El receptor a bordo tiene una antena única y hay dos emisoras en tierra situadas en el mismo punto geográfico (cartografiado en las cartas aeronáuticas). Esas emisoras se denominan Par de Emisoras desfasadas (o Pareja de Fase para abreviar) y
emiten señal de onda continua (CW).El receptor mide la diferencia de fase entre las dos señales de onda continua recibidas. La línea imaginaria que une las dos emisoras y la aeronave también se llama radial. En este caso la diferencia de fase se traduce en un ángulo entre la posición de 0º de fase y la posición de la fase medida, llamado Rumbo por Diferencia de Fase (o Rumbo Radial). La intersección de dos radiales
determina la posición de la aeronave. Es el método empleado para navegación Omega (en desuso) y para navegación VOR (Vhf Omnidirectional Range) si no hay equipo de medición de distancias DME, (Distance Equipment Measurement).
CAPÍTULO V.

–
Diferencia de Tiempos de Recepción de Señal
Intersección de Líneas de Diferencia de Tiempo Constante: El receptor de a bordo mide la diferencia en tiempo de llegada de dos pulsos provenientes de dos emisoras diferentes. La señal enviada por una emisora es un tren de pulsos, típicamente separados 0.1 segundos entre sí. Para resolver la diferencia en tiempo de llegada entre dos pulsos de emisoras diferentes se necesita que el reloj de a bordo tenga una precisión de
unmicrosegundo al menos. En la carta de navegación están cartografiadas las posiciones de las estaciones emisoras y las curvas de diferencia
de tiempo constante para cada par de estaciones. Esas curvas tienen la forma de hipérbolas. A partir de la diferencia de tiempos de llegada medida se localiza todas las hipérbolas que cumplen la relación:
d A − d B = c(TA − TB ) = cTAB
La posición del receptor se determina por intersección de las hipérbolas que cumplen la relación. Son necesarias al menos dos parejas de estaciones para poder fijar una posición hiperbólica (“hyperbolic fix”). Es la técnica usada por los sistemas de navegación de largo alcance DECCA
(obsoleto) y LORAN (en su modalidad LORAN-C, empleado como medida de posición de respaldo a la medida GPS).
CAPÍTULO V.

–
Medida de Distancia en Radial por Retardo
Trigonometría Esférica de Distancia Radial: El receptor a bordo mide el instante de llegada, Tr, respecto a su propio reloj. En la señal recibida
viene codificado el instante de emisión,Te y la posición de la emisora (efemérides si es un satélite). La distancia al emisor es simplemente el producto de la diferencia de tiempos, (Tr-Te) por la velocidad de la señal, c. Conocida la posición de la emisora se determina que el receptor está en
algún punto de una circunferencia de radio c(Tr-Te) centrada en la emisora terrestre (dentro del horizonte radio) o en algún punto de una esfera
de radio c(Tr-Te) centrada en la emisora en órbita. La posición se obtiene tomando medidas de distancia a varias emisoras y calculando el punto
de intersección de sus circunferencias (emisoras terrestres dentro del horizonte radio) o de sus esferas (emisoras en línea de mira en el espacio).
La medida directa de la distancia D, para una emisora satélite situado a 18-25.000 Km y un error de posición inferior a 1 m, exige al reloj de a
bordo una precisión de ~10-12 s, es decir, exige un reloj atómico de la máxima precisión a bordo. Este requisito no es viable para un precio asequible del receptor por lo que se trabaja con pseudodistancias. Una pseudodistancia es equivalente a una distancia calculada por tiempo de llegada
más un error debido a imprecisiones en la medida temporal.
El transmisor contiene uno o varios relojes atómicos de gran precisión (10-13 s de deriva) mientras que el receptor dispone de un reloj de cuarzo
(10-6 a 10-9 s de deriva). La computadora de navegación resuelve los errores de sincronización y deriva del reloj de a bordo mediante medidas
redundantes de distancia. En el caso de emisora en satélite, la geometría esférica determina que bastan tres emisoras para localizar la aeronave; sin embargo se emplean lecturas de cuatro o más para reducir el tamaño del error de la pseudodistancia.
Medida de Distancia por
Tiempo de Llegada:
c(Tr − Te ) = D
PseudoDistancia:
c(Tr − Te ) + c∆T = D + δ
CAPÍTULO V.

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Medida de Distancia en Radial por Eco Activo
Intersección de Circunferencias de distancia: El receptor embarcado mide el retraso temporal entre la emisión de un pulso y la recepción de
su eco devuelto por un transponder en tierra ( principio del radar secundario). El transponder se identifica y al estar en tierra es posible resolver
su posición cartográfica. A partir de los datos de una única estación transponder, la aeronave puede determinar que se halla sobre una circunferencia centrada en la posición de la radioayuda.Tomando datos de otra estación transpondedora se puede fijar la posición por intersección de
dos circunferencias. El transponder se llama DME (Distance Measurement Equipment) y se habla de posicionamiento DME/DME.
El DME permite otros dos métodos de posicionamiento: el rumbo al transponder se puede obtener como Rumbo Radiogoniométrico (transponder aislado, no es un método corriente porque las antenas DME no suelen ser directivas) o como Rumbo de Fase (transponder solidario a una
emisora Pareja de Fase). La distancia al transponder se obtiene midiendo la fase del eco respecto a la señal emitida, como en el radar.Para hacer esos cálculos es necesario conocer la velocidad de propagación de la señal (se supone c) y el retraso en la respuesta del transponder.
Con los datos de rumbo y distancia radial se tiene determinada la posición de la aeronave en coordenadas cilíndricas (Distancia, Rumbo) centradas en el transponder. Conociendo la altura de vuelo, se trasladan el par de coordenadas cilíndricas a la cartografía para determinar la posición X,Y de la aeronave.
En DME es necesario utilizar un buen reloj en el receptor. Los tiempos de propagación (ida del pulso Tx, vuelta del eco Rx) son inferiores
al milisegundo, con lo que el reloj ha de tener una estabilidad en el rango de los microsegundos. Los DME se instalan junto con el VOR para poder tener dos métodos redundantes de posición (la intersección de radiales VOR y la Intersección de circunferencias DME).
En la figura, cuando el avíón está en la
vertical del DME la distancia medida es
1 milla náutica. Cuando no está en la vertical (nivel de vuelo 6100 AGL o 6100 pies
sobre el nivel del mar, 1848 m), el receptor DME mide la distancia radial al transponder DME en tierra. En la ilustración la
antena DME está en el centro de una estación VOR, de modo que se calcula el
Rumbo de Fase.
Detalle de una estación VOR/DME. Las antenas VOR
están en el techo plano y en el cono central. El transponder DME está en el cono central
CAPÍTULO V.

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Posicionamiento Astronómico
Utilizando un telescopio de coincidencia (i.e., un sextante, un seguidor estelar o un telescopio de meridiano), se mide el Angulo de Horizonte, H,
que es el ángulo que forma la estrella con el horizonte local al telescopio. La declinación de la estrella es el ángulo complementario, 90º-H. Mediante un cronómetro de precisión se anota la hora de la observación. Consultando una base de datos de efemérides se averigua dónde se halla, a esa hora, la Posición Geográfica (PG) de la estrella sobre la Superficie Esférica de Referencia (típicamente la superficie terrestre). El punto
PG ,o punto de declinación nula, resulta de la intersección de la Superficie Terrestre con la línea que une el centro de la Tierra con la Estrella.
Sobre la superficie esférica de la Tierra se puede trasladar el ángulo de declinación a un arco de círculo máximo o arco de declinación. Ese arco
se inicia en la posición del observador y termina en el PG. Tomando el PG como centro y el arco de declinación como radio de una circunferencia, se tiene que la posición del observador estará en algún punto de esa circunferencia (llamada Círculo de Posición).Realizando tres observaciones de tres estrellas diferentes se tendrán tres Círculos de Posición. La intersección de tres Círculos de Posición determinan la posición del
observador sobre la Tierra. El error típico de posición sobre la Tierra es de de 300 metros (aunque se puede reducir
a menos de la mitad con telescopios de precisión y a fracciones de milímetro usando radiotelescopios).
Si la Esfera de Referencia no es la superficie de la Tierra sino la Esfera Celeste sólo se puede resolver la
orientación del vehículo debido a que el radio de la Esfera Celeste es infinito. La distancia radial entre el objeto espacial y la superficie terrestre se mide mediante el radar de seguimiento de Control de Misión. El
posicionamiento astronómico se usa para Navegación Aérea Estratosférica, Orbital e Interplanetaria.

aviónica y sistemas de navegación

Transcripción

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