avionica sistemas de navegacion

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4º Ingeniero Aeronáutico AVIÓNICA Y SISTEMAS DE NAVEGACIÓN Pfr. Fco. Rogelio Palomo Pinto Curso 2006/2007

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4º Ingeniero Aeronáutico

AVIÓNICA Y SISTEMAS DE NAVEGACIÓN

Pfr. Fco. Rogelio Palomo Pinto

Curso 2006/2007

- 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. AYUDAS A LA NAVEGACIÓN

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.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

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 aeronaverespecto 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 Absoluto2. 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 Posicionamiento4. El cálculo continuo de la trayectoria propia y su correlación con el Sistema de Referencia Absoluto: Computador de NavegaciónEn 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 pun-tos 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 sin-tética tomada de la base de datos cartográfica.

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

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 segúnel 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 oen 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 fre-cuencia 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 astrosrelativas al sistema de referencia absoluto, en instantes bien determinados. En aeronaves la navegación astronómica suele ser un mediopasivo de corrección de errores para navegadores de estima (combinación navegador inercial/navegador estelar en satélites en naves es-paciales y aeronaves de vuelo a gran altura).

2. Sistemas de Navegación a la Estima (Dead Reckoning): obtienen el vector de estado a par-tir de una serie continua de medidas relativas a una posición inicial. Los navegadores a la es-tima deben ser reiniciados (“refrescados”) periódicamente porque acumulan errores. Es típicoque operen en coordinación con un sistema de posiciónamiento que genera ocasionalmenteel refresco de datos. Hay dos tipos de medidas de estima:

Rumbo de la aeronave y Velocidad o Aceleración. El rumbo puede medirse con la brújulagiroscópica o con brújulas magnéticas, mientra que la velocidad puede obtenerse de sen-sores 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). Ac-tualmente no se usan en navegación aérea. Las emisiones CW crean líneas de curso ambi-guas, resolviéndose la ambigüedad mediante datos de posiciones anteriores.

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 imagenes 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 Mat-ching, TERCOM) o de aproximación (Digital Scene Matching Area Correlation, DSMAC).

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

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 vezse 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 losActivos 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 poruna o varias emisoras específicas. Entre ellas tenemos radioayudas de Senda de Aproximación (Instrument Landing System, Microwave Lan-ding 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 Na-vigation, 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 pilo-to recibe indicaciones precisas de rumbo y actuación por parte del control de tierra mediante radioenlaces de datos como la Aeronautical Teleco-mmunication Network (ATN) o los canales de voz en VHF y HF.

Acelerómetros sobrePlataforma Inercial Estación VOR/DME Constelación GPS/NAVSTAR Posición de Control de Tráfico Aéreo

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Sistemas de Referencia en Navegación Aérea:– 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 ori-gen 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 navega-ción 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. Estricta-mente la forma de la Tierra es muy complicada. Por convenio internacional se aproxima por un elipsoide de revolución, siendo el modelo actualel 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 unángulo 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 lo-calmente paralela a un radio terrestre) y z2 marca la dirección local paralela al meridiano. Estas coordenadas son naturales a la navegación vi-sual 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 muyusada es la UTM (Universal Transverse Mercator). Las coordenadas UTM dividen la carta en 60 zo-nas de 6º Longitud, cada una de ellas con una proyección Mercator específica. Cada zona se sub-divide 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.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Sistemas de Referencia en Navegación Aérea:– Proyecciones de Mercator y Lambert

La proyección de Mercator es conforme:preserva los ángulos entre líneas de referencia(meridianos y paralelos). Los paralelos y meri-dianos se transforman en líneas rectas, forman-do una rejilla cuadrangular. No puede mostrar, por construcción, las zonas polares. En Nave-gación se denomina Loxodrómica o Línea de Rumbo Constante a una línea que cruza todoslos meridianos con el mismo ángulo. En un ma-pa de Mercator las líneas rectas son loxodrómi-cas,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 co-noce 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.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Sistemas de Referencia en Navegación Aérea:– Coordenadas Astronómicas

En Navegación Aérea a gran altura, Navegación Suborbital y Navegación Espacial se emplean las coordenadas astronómicas. Las estrellas pue-den 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 ca-da 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 co-mo 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 ángulomedido desde el Ecuador Celeste a lo largo del meridiano que pasa por la estrella se llama Declinación (o latitud estelar). El ángulo medido, ensentido antihorario, desde el punto de Aries a lo largo del Ecuador Celeste hasta el punto donde el meridiano de la estrella corta al Ecuador sellama 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. Unasonda interplanetaria se mueve, sobre la Esfera Celeste, de modo similar a un cometa (tanto en trayectoria comoen velocidad) y por tanto se localiza geográficamente igual que éste, dando su ascensión recta y de-clinación instantáneas. Esas coordenadas son alimentadas al radar de seguimiento en Controlde Misión, en la Tierra, que resolverá la distancia radial. Actualmente hay dos grupos de es-taciones de seguimiento, NASA, Deep Space Network, DSP) y ESA (European SpaceTRACK, ESTRACK). NASA cuenta con antenas en Pasadena, Cal. USA, Canberra, Aus-tralia 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 esta-ciones de seguimiento de Cebreros, España y New Norcia, Australia, alquilandotemporalmente la estación de NASA Pasadena para completar su triángulo.

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Sistemas de Referencia en Navegación Aérea:– 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. Histó-ricamente 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 comienzaa contarse desde el mediodía solar. Hoy se ha sustituido por UT1 (Tiempo Astronómico Universal), que toma como Reloj de Referencia las efe-mérides 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 deefemérides astronómicas o de medidas respecto a un meridiano local. El Reloj de Referencia es la media de varios relojes atómicos de la máxi-maprecisión (hoy relojes de fuente de cesio, en unos años relojes de mercurio monoatómico) mantenidos en diferentes laboratorios de todo elmundo, coordinados y promediados por la Oficina Internacional de Pesas y Medidas (Bureau International des Poids et Measures, BIPM, en Se-vrés, Paris). UTC comienza a contarse desde la medianoche. En España la hora UTC está mantenida por el Real Observatorio de la Marina, enSan 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 (Ja-pón), 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. Stra-tum 0 son relojes atómicos, señal de Radio UTC o señal GPS, conectados directamente alStratum 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.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Sistemas de Referencia en Navegación Aérea:– 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 prove-niente 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 sin-tonizada 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 (con-tadores) 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 (re-sonancias atómicas en RF u ópticas) funcionan los relojes atómicos de Ru-bidio (s= 10-12 seg pero miniaturizable porque el Rb-87 es líquido) , los ma-sers activos de hidrógeno (σ=10-15 seg, operan como un laser RF) y los re-lojes 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 mi-niaturizar la estructura de confinamiento y resonancia de la especie atómica (“the physics package”).

Agilent 5701A

Reloj Atómico de Haz de Cs-133

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

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 Verda-dero (True North), el ángulo mide el Rumbo Verdadero (True Heading). Si la referenciaes el Norte Magnético (Magnetic North), el ángulo mide el Rumbo Magnético.El Norte Geográfico se mide mediante un GiroCompás o referencia giroscópica de Rum-bo del AHRS (Attitude & Heading Reference System). El Norte Magnético se mide me-diante 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 Mag-nética (VAR) local, que es el ángulo entre el TN y el MN en la zona de vuelo. Las cartasaeronáuticas 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 Previs-to (en el Plan de Vuelo) y de Track (el Curso Real). El Curso y el Rumbo no coinciden por causa del viento. El Curso (Track) marca la dirección y sentido del vector de veloci-dad respecto al suelo .

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 VientoVector de Curso: Velocidad sobre el Suelo (Ground Speed) en la dirección

del Curso (Track)

de tal forma que Vector Curso=Vector Rumbo + Vector Viento.

GSV

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Medidas Básicas de Navegación Vx ,Vy :– Velocidad Horizontal

Triángulo del Viento

Cadena de Sensores de Datos de Aire

GS TAS VIENTOV V V= +

Existen dos velocidades del avión: respecto al aire y respecto al suelo. La Navegación Aérea necesita de , la velocidad respecto al suelo. Sila aeronave dispone de sensor Doppler, éste mide directamente la velocidad respecto al suelo. Si la medida de velocidad se realiza mediantedatos 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 princi-pio 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 yy 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 ve-locidad indicada del avión respecto al aire (IAS, Indicated Air Speed). Se denomina velocidad calibrada (CAS, Calibrated Air Speed) a la IAS sinlos 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 AirSpeed, TAS) a la EAS corregida por los cambios de densidad del aire debidos a la altitud. Para obtener la TAS es necesario medir la tempera-tura del aire a fin de ajustarla según la fórmula (T en Kelvin):

GSV

2.128055

288TTAS EAS ⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

GSVLa velocidad respecto del suelo se calcula sumándole a la TAS la velocidad esperada del viento. La velocidad del viento no se puede medir desde una aero-nave en movimiento relativo a éste, por lo que se trabaja con una predicción a par-tir del refresco periódico de datos meteorológicos radiados por Control de Tráfico entierra (mensajes NOTAM). De aquí se concluye que la medida de desde datosde aire vendrá afectada de errores. GSV

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

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 delavión se determina midiendo en cada instante, a bordo, la presión atmosférica mediante el altímetro barométrico. Como respaldo se tiene el al-tímetro 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 despeguesy 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 mideen 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 devuelo (FL) y la altitud medida (reglaje QNH) es: 0.267QNH)-(1013PiesdeCientosen AltitudFL ⋅+=

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 contro-lador 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 ver-dadera y sirve para maniobras seguras de despegue y aterrizaje.

Existe otro barómetro que lee la señal de presión estática, el Vario-metro. 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 inferirde las lecturas del radar altímetro y del sensor Doppler.

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

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 nave-gación. 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 Infrarro-jo 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 aumen-tar la resolución alrededor del punto de referencia posible. Por último opera un modo SAR deidentifícación de la referencia y para cotejo cartográfico preciso (típicamente se pueden iden-itificar 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 ra-dar. La computadora de navegación genera un distancia y ángulo de azimut previstos y se en-foca 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 empleauna DSMAC con una imagen IR del punto de referencia,cotejándola con una imagen IR obtenida dela escena mediante un sensor deIR a bordo.

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Posicionamiento X,Y:– 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 ex-terna con la aeronave y que tiene como dirección el Rumbo RadioGoniométrico se la denomina radial. La intersección de dos radiales se deno-mina “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 seña-les de radiobalizas NDB (Non Directional Beacon), cartografiadas en las cartas aeronáuticas.

Concepto de Radial y Rumbo Radiogoniométrico

Rumbo por Diferencia de Fase: El receptor a bordo tiene una antena única y hay dos emisoras en tierra situadas en el mismo punto geográ-fico (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 imagina-ria 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 posi-ción de 0º de fase y la posición de la fase medida, llamado Rumbo por Diferencia de Fase (o Rumbo Radial). La intersección de dos radialesdetermina la posición de la aeronave. Es el método empleado para navegación Omega (en desuso) y para navegación VOR (Vhf Omnidirec-tional Range) si no hay equipo de medición de distancias DME, (Distance Equipment Measurement).

Concepto de Radial y Rumbopor Diferencia de Fase

Determinación de Posición por Intersección de Radiales

(“Fix”)

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Posicionamiento X,Y:– 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 pro-venientes de dos emisoras diferentes. La señal enviada por una emisora es un tren de pulsos, típicamente separados 0.1 segundos entre sí. Pa-ra resolver la diferencia en tiempo de llegada entre dos pulsos de emisoras diferentes se necesita que el reloj de a bordo tenga una precisión deunmicrosegundo 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 me-dida se localiza todas las hipérbolas que cumplen la relación:

La posición del receptor se determina por intersección de las hipérbolas que cumplen la relación. Son necesarias al menos dos parejas de esta-ciones 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).

( )A B A B ABd d c T T cT− = − =

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Posicionamiento X,Y:– 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 recibidaviene codificado el instante de emisión,Te y la posición de la emisora (efemérides si es un satélite). La distancia al emisor es simplemente el pro-ducto 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 enalgún punto de una circunferencia de radio c(Tr-Te) centrada en la emisora terrestre (dentro del horizonte radio) o en algún punto de una esferade radio c(Tr-Te) centrada en la emisora en órbita. La posición se obtiene tomando medidas de distancia a varias emisoras y calculando el puntode 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 abordo 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 asequi-ble del receptor por lo que se trabaja con pseudodistancias. Una pseudodistancia es equivalente a una distancia calculada por tiempo de llegadamás 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 medidasredundantes de distancia. En el caso de emisora en satélite, la geometría esférica determina que bastan tres emisoras para localizar la aerona-ve; 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:

( )r ec T T D− =

PseudoDistancia:( )r ec T T c T D δ− + ∆ = +

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Posicionamiento X,Y:– 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 circunfe-rencia 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 (transpon-der 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 ha-cer 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) cen-tradas en el transponder. Conociendo la altura de vuelo, se trasladan el par de coordenadas cilíndricas a la cartografía para determinar la posi-ción 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 inferioresal 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 po-der 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 es1 milla náutica. Cuando no está en la ver-tical (nivel de vuelo 6100 AGL o 6100 piessobre el nivel del mar, 1848 m), el recep-tor DME mide la distancia radial al trans-ponder DME en tierra. En la ilustración laantena DME está en el centro de una es-tación 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 trans-

ponder DME está en el cono central

CAPÍTULO V.Tema 1 Introducción a la Navegación Aérea

Posicionamiento X,Y:– 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. Me-diante un cronómetro de precisión se anota la hora de la observación. Consultando una base de datos de efemérides se averigua dónde se ha-lla, a esa hora, la Posición Geográfica (PG) de la estrella sobre la Superficie Esférica de Referencia (típicamente la superficie terrestre). El puntoPG ,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 arcose 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 circunferen-cia, se tiene que la posición del observador estará en algún punto de esa circunferencia (llamada Círculo de Posición).Realizando tres observa-ciones 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 reducira 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 ob-jeto espacial y la superficie terrestre se mide mediante el radar de seguimiento de Control de Misión. Elposicionamiento astronómico se usa para Navegación Aérea Estratosférica, Orbital e Interplanetaria.