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Volando a ciegas (III): el inercial y el ILS

17 martes Mar 2015

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Lo malo de iniciar una serie de artículos sobre un mismo tema es que estás obligado a seguir con ella, aunque en este caso la obligación será corta porque éste es el último de los que se refieren a navegación aérea. Vamos a hablar de dos sistemas que utilizan los pilotos en fases del vuelo muy diferentes. El primero de ellos, el navegador inercial, es el sistema perfecto para su uso sobre el océano, porque es totalmente autónomo, es decir que no necesita de ningún equipo externo a la aeronave. El segundo, el ILS, es el que se emplea para realizar el guiado a una pista en condiciones de baja visibilidad.

Entender el inercial es muy sencillo. Empezaremos con un ejemplo: supongamos que viajamos en coche de Madrid a Barcelona (ciudades entre las que hay unos 600 Km) y tras tres horas de viaje nos preguntamos dónde estamos aproximadamente. Sabiendo que nuestra velocidad media es de unos 100 Km/h y que llevamos 3 horas de viaje es fácil suponer que estamos a 300 Km de Madrid, esto es a mitad de camino. La respuesta por tanto es: «debemos de estar llegando a Zaragoza». Quien no haya hecho alguna vez un cálculo similar es que nunca ha viajado en coche.

En la navegación marítima se utiliza desde siempre un sistema parecido: conocido nuestro rumbo y la velocidad aproximada podemos calcular nuestro posición «a estima», que es el nombre que tiene este método. Pero en aviación no usamos la velocidad directamente. En su lugar utilizamos la aceleración para calcular la velocidad y a partir de ahí la posición. Me explico con otro ejemplo: todos hemos visto algún teléfono provisto de acelerómetros, que sirven por ejemplo para girar automáticamente una foto cuando se cambia la posición del teléfono. Supongamos que colgamos un aparato así del techo de un avión. Al acelerar en carrera de despegue veríamos cómo el teléfono va hacia atrás, y con el acelerómetro podríamos saber cuánto aceleramos y qué velocidad alcanzamos. Dejando el teléfono colgado durante todo el vuelo estaríamos midiendo aceleraciones continuamente y calculando velocidades a partir de ellas. Con la velocidad podemos obtener nuestra posición de la misma manera que hacíamos en el coche.

El navegador inercial de los aviones es algo más complicado técnicamente, claro, pero la esencia es la que acabo de explicar. Tienen un problema: que los errores de posición se incrementan con el cuadrado del tiempo transcurrido, por lo que conviene actualizar la posición con frecuencia usando ayudas externas. Es fácil de comprender: un error pequeño nos da una aceleración ligeramente equivocada, por lo que calculamos una velocidad un poco errónea, que nos lleva a una posición que no es del todo correcta. Cuando sigamos calculando, tomaremos esa posición como punto de partida y los nuevos errores se acumularán.

Esto es un inconveniente, pero cuando no hay posibilidad de usar sistemas externos (por ejemplo sobre el océano, donde no hay dónde instalar las ayudas que vimos en artículos anteriores: VOR, DME o NDB) el inercial es lo mejor que tenemos… a excepción de los sistemas de navegación por satélite. Pero hasta que se generalizó el uso del GPS, allá por los años 90, el inercial era el único instrumento que permitía saber la posición en los vuelos transoceánicos.

Ya que mencionamos el GPS, hay que reconocer que los sistemas por satélite han revolucionado la navegación aérea. En la actualidad se emplean junto con todos los sistemas descritos en esta serie de artículos. Pero hay un sistema de navegación del que aún no hemos hablado y que seguirá en uso durante mucho tiempo, a pesar de que las primeras instalaciones datan de la década de 1930. Me refiero al sistema instrumental de ayuda al aterrizaje (Instrument Landing System), más conocido como ILS.

Hasta ahora hemos visto sistemas que permiten saber por dónde volamos, aunque no veamos el mundo exterior, pero ahora se trata de llevar el avión hasta la pista y aunque el GPS tiene excelentes características, no permite esta maniobra, al menos sin equipos auxiliares. El sistema más utilizado para volar hacia la pista sin visibilidad, el ILS, emite una señal que viene modulada de forma distinta según el lugar en el que estemos. Para que sea más fácil de comprender veamos la siguiente imagen, que he tomado, como es costumbre, de Wikipedia.

LLZ

Aquí se ve claro: a la izquierda de la pista recibiremos una señal de 90 Hz mientras que a la derecha captaremos una de 150 Hz. Esto es como si nos pusiéramos unos auriculares y oyéramos un sonido grave si estamos a la izquierda y uno agudo si estamos a la derecha. Cuando los dos sonidos tienen igual intensidad estamos en el centro. El llamado localizador del ILS hace lo mismo, pero electrónicamente, y así sabemos si estamos centrados o no con la pista, y hacia dónde hay que corregir, pero sin necesidad de auriculares ni de sonidos molestos.

Si nos sentáramos en el suelo junto a la pista veríamos algo como lo siguiente:

GSEs la misma idea de antes, exactamente igual, pero ahora las señales nos indican si estamos por encima o por debajo de la llamada senda de planeo. Con los dos subsistemas (localizador y senda) podemos ajustar la trayectoria del avión hasta llegar al punto de contacto con el suelo. Hay además unas balizas para indicar la distancia a la pista, pero creo que no es necesario entrar en más detalle.

El ILS tiene tres distintas categorías. Así, un ILS de categoría I (CAT I) permite descender hasta los 200 pies de altura (unos 60 metros), momento en el que el piloto debe frustrar la aproximación si aún no ve la pista. La CAT II permite descender hasta 100 pies (30 metros) y en cuanto a la CAT III, tiene varias subcategorías y podría llegar a permitir el aterrizaje aun sin ver la pista en ningún momento.

Hay un detalle importante: el ILS instalado en el aeropuerto es de una categoría determinada, pero el equipo del avión puede ser de otra diferente y el piloto por su parte tiene que tener la calificación correspondiente a una categoría que puede o no coincidir con las anteriores. Así, si en un aeropuerto se instala un ILS CAT III, pero nuestro avión sólo está certificado para CAT I el piloto tendrá que frustrar al llegar a los 200 pies de altura. Y si el avión también está certificado para CAT III, pero el piloto sólo tiene CAT I, estaremos en el mismo caso.

Gracias al ILS se puede intentar el aterrizaje con poca visibilidad, aunque sólo hasta cierto límite. En cualquier caso, condiciones de baja visibilidad implican demoras aunque tengamos el mejor ILS, los aviones más equipados y los pilotos más entrenados del mundo porque una vez en tierra el avión tiene que encontrar su camino entre la niebla y eso puede hacerle rodar más despacio, por lo que hay que guardar más distancia entre un avión y el siguiente. La seguridad manda, y aunque podamos volar casi a ciegas aún falta mucho para eliminar el casi.

Volando a ciegas (II): VOR y DME

26 lunes Ene 2015

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En el anterior artículo sobre sistemas de navegación, expliqué cómo funciona un NDB. Es un tipo de radioayuda muy antiguo, que el artículo comparaba con poner una luz en un lugar oscuro. Si tuviéramos un mapa en el que apareciese marcado el lugar de ese punto luminoso podríamos ir de una luz a otra, pero el sistema por sí mismo no ofrece ninguna pista de dónde estamos y necesitaríamos ayudarnos de una brújula para tener una idea de nuestra posición con respecto al punto de referencia. ¿Se podría mejorar esto?

Sí se puede, claro, y se hizo a finales de los años 40 mediante una radioayuda que además es más precisa y menos susceptible a interferencias. Emite en frecuencias más altas que las del NDB, en concreto entre 108 y 111,975 MHz, que corresponden a la banda de VHF, y por eso se conoce como radiofaro omnidireccional de VHF o VOR, acrónimo de VHF Omnidirectional Radio Range. En cuanto a su funcionamiento lo intentaré explicar de forma que sea sencillo de comprender. Técnicamente se trata de medir la diferencia de fase entre dos señales de 30 Hz, una que sirve de referencia y otra obtenida por modulación espacial… pero así no se entiende nada. Vamos con una comparación.

Si el NDB es como una luz fija, el VOR es como un faro cuyo haz vemos girar. La luz se va acercando y durante un instante apunta directamente hacia nosotros, luego se aleja y pasado un rato vuelve a acercarse, nos ilumina de nuevo, se aleja y así sucesivamente. Supongamos que tarda exactamente un minuto en dar una vuelta completa y que el faro está construido de tal manera que cuando el foco apunta hacia el norte se lanza un destello naranja en todas direcciones, que será nuestra señal de referencia. Ahora la cosa es tan fácil como tener un cronómetro a mano. Si vemos el destello naranja en el mismo momento en el que nos ilumina el faro querrá decir que estamos al norte de su posición, mientras que si hay 30 segundos entre el destello y el haz giratorio estaremos al sur, 45 segundos querrá decir que estamos al oeste, etc.

El VOR hace básicamente esto mismo sólo que con señales de radio en lugar de con luz visible. Y además lo hace muy deprisa: nuestro faro imaginario da una vuelta cada minuto, pero un VOR gira nada menos que 30 veces por segundo (1.800 revoluciones por minuto). Si tuviéramos un mapa con la posición del VOR marcada, podríamos saber con precisión en qué dirección estamos con respecto a él. Sólo que saber que nos encontramos al nor-noroeste del VOR es una ayuda, pero no nos da nuestra posición exacta. Volvemos a necesitar más de una radioayuda para conocerla y aunque el VOR tenga algunas ventajas sobre el NDB su uso en la práctica es similar: el avión se dedica a volar de una estación a la siguiente. Pero si usamos el VOR en combinación con el sistema llamado DME la cosa cambia.

DME significa Distance Measurement Equipment, es decir, sistema medidor de distancia. Quien haya leído el artículo que publiqué sobre sistemas de vigilancia y recuerde el funcionamiento de un radar secundario, lo sabe casi todo sobre el DME, porque éste no es más que un radar secundario que funciona al revés: el avión emite una señal (interrogación) y la estación de tierra responde con otra (respuesta). Midiendo el tiempo entre la emisión de la interrogación y la recepción de la respuesta sabemos a qué distancia está el avión del equipo de tierra. Igual que el radar, sólo que en éste la interrogación se emite desde tierra y la respuesta la envía el avión.

Los DME suelen colocarse asociados a un VOR y así ya podemos saber con precisión dónde estamos con respecto a un único punto: el VOR nos da la dirección y el DME la distancia. Los DME funcionan en la banda de UHF, en concreto entre los 960 y los 1215 MHz, pero en los mapas no suele venir este detalle porque cuando el DME está asociado a un VOR existe una tabla que relaciona las frecuencias de ambos. Por ejemplo, a un VOR que emita en 117,1 MHz le corresponde un DME funcionando en 1.142 MHz.

VOREn la imagen vemos como ejemplo un trozo de un mapa de radionavegación en el que aparecen, además del NDB de Valladolid, el VOR/DME del aeropuerto de Villanubla, y el VOR/DME de Zamora, por el que pasan un montón de aerovías. Quienes vivan en Zamora estarán acostumbrados a ver multitud de estelas de aviones en todas direcciones y este mapa explica por qué: es el equivalente a un cruce de varias carreteras, pero en el cielo. Tantos rutas coincidiendo en el mismo punto me han hecho pasar algún que otro momento de apuro cuando he tenido que ejercer como controlador en el sector correspondiente a esta zona del mapa en un día de mucho tráfico.D-VOR_PEK

Imagen de un VOR/DME tomada de Wikipedia

Es apropiado mencionar aquí el TACAN. Es un sistema muy similar al VOR/DME, pero diseñado para uso militar. No obstante, se puede emplear por usuarios civiles, y de hecho en países como Estados Unidos las aerovías suelen estar definidas por un VOR y un TACAN combinados formando lo que se llama un VORTAC. En España sin embargo el TACAN sólo se utiliza en aeródromos militares.

Con todas estas radioayudas ya tenemos una primera idea de cómo se orienta un avión sin ayuda de la vista mientras está en vuelo de crucero, pero ¿y si estamos en mitad del Océano Atlántico? Allí no hay donde instalar una radioayuda; pero para eso hay otros sistemas, de los que ya hablaremos en el próximo artículo de esta serie.

 

Volando a ciegas (I): el ADF y el NDB

28 domingo Dic 2014

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En este blog hay, entre otras muchas cosas, toda una serie de artículos sobre seguridad aeronáutica y buena parte de ellos comienzan con la descripción de un accidente, cosa lógica teniendo en cuenta que así es como se ha conseguido que algo tan poco natural como desplazarse a unos 900 Km/h en un cilindro de metal que se sostiene a más de 10 kilómetros de altura se considere como un hecho normal y no genere una especial preocupación. Durante muchos años la forma de mejorar la seguridad ha sido estudiar accidentes e incidentes en busca de posibles errores a evitar en el futuro, pero ese enfoque está empezando a cambiar. Quien tenga interés lo podrá comprobar pinchando este enlace, que lleva a un documento de Eurocontrol sobre la evolución del concepto de seguridad operacional. Básicamente, se pretende no centrarse tanto en aquello que excepcionalmente falla y fijarse más en lo que funciona correctamente un día tras otro.

Siguiendo esa idea voy a empezar una serie de artículos sobre cómo funcionan los instrumentos que consiguen que los aviones lleguen a destino, porque no hay demasiada divulgación sobre este tema a pesar de que es frecuente la pregunta ¿cómo encuentran los pilotos el aeropuerto al que vuelan cuando está nublado? La respuesta es compleja, porque son muchos los equipos diferentes que se pueden emplear para este fin. Hoy vamos a ver el conocido como NDB, que son las siglas inglesas de Non-directional beacon, es decir radiofaro omnidireccional. Para no complicarnos mucho empezaremos por lo más fácil, que es imaginar un vuelo en condiciones de visibilidad perfecta y hacer un paralelismo con el vuelo instrumental.

Imaginemos que queremos volar en avioneta entre dos aeropuertos en un día claro y sin viento (para ahorrarnos correcciones). Antes del vuelo habremos estudiado nuestro mapa y habremos trazado un plan de vuelo que será algo parecido a lo siguiente: despegamos y volamos hacia el oeste hasta sobrevolar la ermita de San Pancracio (por ejemplo), donde viraremos a rumbo noroeste para, tras diez minutos, sobrevolar el pueblo de, digamos, Miraparriba, donde volveremos a volar hacia el oeste hasta un cruce de carreteras que alcanzaremos en siete minutos… y así de un punto de referencia a otro hasta el final. A esto se le llama vuelo visual o VFR.

Pero ¿qué pasa si es de noche? Ahora la cosa se complica, porque ya no es posible ver nuestras referencias. Una solución podría ser poner una luz en cada uno de estos lugares, pero ¿y si está nublado y estamos por encima de la capa de nubes? En ese caso, en lugar de luz visible podemos utilizar una baliza que emita ondas de radio y en lugar de usar los ojos tendremos que emplear un aparato capaz de detectarlas. La baliza es el NDB y el aparato que detecta su señal es un ADF (Automatic direction finder) y sirve, no sólo para captar las ondas de radio como lo hace un receptor doméstico, sino también para saber de qué dirección proceden las señales.

Con tres puntos de referencia (ya sean visuales o radioayudas) es posible averiguar la propia posición sobre un mapa, pero no necesitamos tanta sutileza: simplemente podemos volar de un punto a otro aprovechando que con nuestro ADF sabemos si tenemos el NDB delante, detrás o a un lado. Todo lo que tenemos que hacer es dirigir el morro del avión al NDB deseado y cuando lo alcancemos apuntar al siguiente, exactamente como cuando usábamos referencias visuales, pero ahora sustituimos la ermita, el pueblo y el cruce de carreteras por distintos NDBs.

Los NDBs vienen marcados en los mapas de radioayudas. Como ejemplo, en la imagen vemos un detalle de un mapa en el que aparece el NDB de Valladolid, que emite en la frecuencia de 342 KHz y tiene como nombre VLD. Junto a las tres letras del nombre viene su codificación en morse y, si sintonizáramos la señal con una radio, eso es lo que oiríamos: las letras V, L y D en morse unas 7 veces por minuto.NDBTambién se podrían utilizar, como si fueran un NDB, las antenas de radio que emitan en onda media (son las emisoras de AM, que emiten entre los 530 y los 1600 KHz aproximadamente, según se ve en el dial de cualquier aparato de radio). Según la Organización Internacional de Aviación Civil, OACI, los NDBs pueden emitir entre 190 y 1750 KHZ y eso incluye las frecuencias de las emisoras comerciales, así que en lugar de sintonizar nuestro ADF en 342 KHZ y volar hacia VLD podríamos sintonizar 729 KHz y volar hacia la antena de Radio Nacional en Valladolid, con la ventaja de que en lugar de oír tres letras en morse podríamos escuchar la radio.

ADFEn la imagen tenemos un ADF: la flecha apunta hacia la estación y en este caso el avión esquematizado en el centro está alineado con la flecha, lo que indica que volamos hacia el NDB. Al montarlo junto a una brújula sabemos además el rumbo, en este caso 340, es decir el nor-noroeste, aproximadamente.

Como curiosidad hay que decir que en el rango de la onda media la propagación de las ondas electromagnéticas es por onda terrestre, es decir que la onda se adapta a la superficie terrestre, de manera que si volamos bajo y hay un monte entre nosotros y la antena sí podremos recibir la señal. Esto no ocurre con otras ayudas que, a cambio, son más precisas.

El NDB es una ayuda para la navegación, muy antigua: se instaló uno por primera vez en los Estados Unidos en 1924, pero sigue en uso aunque haya otras ayudas que nos dan más información como por ejemplo el VOR, pero ése será tema para otro artículo de los 4 o 5 que calculo que formarán esta serie.