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El sistema de aterrizaje por traspondedor

Por Despegamos

El sistema de Aterrizaje por Transpondedor (TLS) es un sistema de aterrizaje y aproximación de precisión que ha sido diseñado para su utilización en aeropuertos en los que las irregularidades del terreno impiden la instalación del sistema ILS y puede utilizarse por aeronaves que dispongan de equipamiento ILS instalándoles un transpondedor adicional para así determinar la posición de la aeronave a partir de las señales que emite el transpondedor del avión, mediante la medida del tiempo y el ángulo de llegada por los sensores instalados en tierra. Las correcciones del localizador y de la senda de descenso del sistema, con en el ILS, proporcionan al avión la guía hacia el curso deseado, proporcionando la aproximación hasta la altitud de decisión de la Categoría I.

El funcionamiento del sistema es similar al del ILS convencional, excepto en lo que se refiere al transpondedor adicional instalado a bordo del avión. El equipamiento necesario para su utilización, además del propio del sistema ILS consiste en:

  • Un Indicador de Situación Horizontal (HSI)
  • Un Indicador de Desviación de Curso (CDI)
  • Un transpondedor compatible con Modo 3/A

El transpondedor instalado en tierra determina la posición del avión mediante interrogaciones que se envían al transpondedor de a bordo, midiendo el tiempo transcurrido entre interrogación y respuesta, el ángulo de acimut y el ángulo de elevación. Una vez determinada la posición del avión, se realiza la corrección del localizador y de la senda para guiar al avión al curso seleccionado. La información de guiado se transmite utilizando las señales de los equipos localizador y senda de descenso, utilizando las señales de VHF del localizador y de UHF de la senda, moduladas por los tonos de 90 Hz y 150 Hz, el sistema TLS está constituido por los siguientes componentes:

  • Subsistema de Antena de Interrogación
  • Subsistema de Medida de Elevación
  • Subsistema de Medida de Acimut

La cobertura en Modo 3/A se ha diseñado de forma que el transpondedor pueda responder a las interrogaciones con respuestas que se encuentren dentro del volumen de cobertura estándar, para evitar respuestas indeseadas, el transpondedor emite señales de supresión de lóbulos laterales (SLS) que impiden la llegada de respuestas de transpondedores que se encuentren fuera de esta cobertura. Las señales del interrogador TLS se caracterizan por ser de baja frecuencia de repetición de impulsos y de baja amplitud, para no interferir en el funcionamiento de los Radades de Vigilancia Secundarios (SSR) ni con los sistemas Anticolisión (ACAS).

Antenas de interrogación
En la imagen se muestra el conjunto de Antenas de Interrogación. Cada una de las antenas que constituyen el conjunto se encuentra verticalmente polarizada y disponen de 6 elementos radiantes con un lóbulo de radiación que se elevan +3º por encima del horizonte terrestre. La altura física de cada conjunto de antenas es de aproximadamente 2 metros.

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Antenas de interrogación.

La respuesta del transpondedor en términos de tiempo (TOA) y de ángulo de llegada (AOA) se miden por medio de un interferómetro constituido por cuatro elementos de antena. Considerando la antena inferior como antena de referencia y aplicando las técnicas de medida de fase a las señales recibidas en cada ángulo de llegada de las interrogaciones. La fase ᶲR de los frentes de onda que llegan a una antena, en función de las amplitudes ai y ángulo de fase ᶲi de los frentes de las señales directas y reflejadas, puede determinarse mediante la siguiente expresión:

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El mejor método para obtener la medida exacta de ᶲ1 consiste en reducir la amplitud a2 de la señal reflejada y, para ello, las antenas del conjunto de elevación del TLS se diseñan con un escalón de ganancia -3º a +4º sobre el horizonte del emplazamiento, como se muestra en la figura.

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Antenas de elevación.

El conjunto de antenas de medida de la elevación es de 9 metros de altura y está constituido por cuatro antenas, verticalmente polarizadas, con diez elementos reflectores. El pico del lóbulo principal se orienta a 7º por encima del horizonte. Cada elemento de antena está constituido por un array vertical de 6 longitudes de onda en altura, para reducir la amplitud de las señales reflejadas.

La pendiente en escalón reduce significativamente la amplitud de las reflexiones por debajo del horizonte, ya que un avión en aproximación final de 3º pendiente sobre el horizonte, considerando la superficie plana, recibirá señales reflejadas con un ángulo de reflexión de aproximadamente -3º. Una separación de 6º equivale a una señal de supresión de 12,5 dB, respecto a la señal directa.

Espaciando escalonada y progresivamente cada una de las tres antenas a partir de la antena de referencia, las medidas asociadas a cada una de ellas se van haciendo progresivamente más precisas. Las antenas se denominan Baja, Media y Alta, de acuerdo con su resolución, asociada a la medida del ángulo de llegada, respecto a la antena de referencia.

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Como las antenas no pueden eliminar por sí solas todas las reflexiones de las señales y consecuentemente dejan pasar restos de errores de fase de baja frecuencia debidos a las reflexiones de la superficie terrestre, se dispone de un sensor de ángulo de llegada (AOA) que se encarga de medir la fase diferencial entre las dos antenas.
El error resultante de la medida es la diferencia de fase entre ambas y los errores comunes se cancelan en el proceso de medida. El proceso de compensación multitrayecto de las medidas de AOA reduce aún más los efectos de las reflexiones para proporcionar una señal de senda suave. Una vez instalado el sistema se genera un archivo de Compensación Multitrayecto haciendo pasar los datos correlados de AOA con los de un teodolito por un circuito puerta. El teodolito se coloca cerca de la pista de aterrizaje de forma que el visor coincide con la senda de descenso geométrica. Los datos se hacen pasar por el circuito puerta con el sistema operativo y de seguimiento de un avión. El avión realiza distintos niveles de cruces establecidos cercca de la línea central del curso de aproximación y a la altitud de interceptación de la radiobaliza de aproximación, a unos 1600 ft por encima del terreno para una pendiente de la senda de 3º. El conjunto de datos del teodolito adicional se puede utilizar para establecer las dependencias multitrayecto en distancia y acimut y generar un archivo de datos que contiene los datos de compensación, en función de la distancia y acimut, además de la elevación.
Del resultado directo del proceso de compensación multitrayecto del sistema TLS resulta una sensibilidad del desplazamiento simétrico de la senda del 50% más-menos 2% en todos los emplazamientos y una estructura reducida de la pendiente de la senda. En emplazamientos donde existen terrenos elevados bajo la senda de aproximación se produce una pequeña separación angular entre la respuesta directa del transpondedor y la respuesta reflejada. El error de baja frecuencia se puede modelar y compensar con un simple archivo de datos y su correspondiente algoritmo; sin embargo no es práctico realizarlo con el error de alta frecuencia.

La reducción efectiva de este error se consigue añadiendo una segunda antena en una ubicación tal que su error de fase sea opuesto en signo y de módulo semejante. Como esta antena se monta por debajo de la antena de Alta resolución, el resultado se una resolución menor del ángulo de llegada, en relación con el medido por la antena de Media resolución. El error remanente de alta frecuencia varía con el tiempo, debido a su dependencia de la posición de la aeronave, y es tratado esencialmente como ruido en un algoritmo de filtro Kalman.

Estima del seguimiento en elevación del avión
La estima de la elevación inicial se calcula a partir de la resolución de la medida AOA. Esta estima de elevación se puede mejorar aumentando la precisión de las otras dos medidas en las antenas de Alta y Media resolución.
El algoritmo que resuelve la ambigüedad está basado en la determinación de la diferencia mínima entre las estimas del AOA de Baja y Media resolución. Existen múltiples soluciones de elevación potencial de las medidas de Media resolución, pero el mínimo residual entre las de cualquier estima para Media y Baja resoluciones representa el ciclo correcto de la medida de resolución Media. El algoritmo actualmente implementado viene expresado en la siguiente ecuación:

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Con el fin de filtrar el ruido y proporcionar una estima robusta de la pendiente de la senda, los sistemas de Media y Baja resolución son independientes y utilizan un filtro del Kalma con el estado definido por la matriz

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El Δl es el definido en la ecuación anterior. Una vez inicializado el ciclo Medio se aplica la misma resolución de ambigüedad para seleccionar la medida de Alta resolución.

Subsistema de medida de acimut
Las respuestas del tiempo de llegada (TOA) y del ángulo de llegada (AOA) de acimut se miden mediante un interferómetro de tres antenas receptoras como las que se muestran en la figura, utilizando las mismas técnicas de medida de AOA anteriormente descritas en el subsistema de elevación. La antena de la derecha es la antena de referencia, la central la de Baja resolución y la izquierda la de Alta resolución. El sensor de AOA se encuentra detrás de las antenas de Baja y Alta resolución.

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Todas las antenas están verticalmente polarizadas y disponen de seis elementos. La altura total del sistema de antenas es de 2 metros. El lóbulo principal de radiación se encuentra a 3º por encima del horizonte.
Las reflexiones multitrayecto tienen poco efecto sobre la precisión en seguimiento de acimut debido a que los centros de fase de la antena se encuentran a la misma altura por encima del plano de reflexión. Aunque las reflexiones de las superficies verticales de los edificios son atenuadas por el ancho de 3dB del haz de 30º. La reducción principal de esta fuente multitrayecto se consigue colocan el array de antenas cerca del GPI, de forma que las fuentes de reflexión multitrayecto se mantengan en el borde horizontal del diagrama de la antena.
La posición en acimut de la aeronave se establece primero utilizando la técnica DTOA, de medida diferencial del tiempo de llegada, para determinar la posición en un arco hipérbola. Esta medida de posición se emplea para resolver la ambigüedad de la medida de Baja resolución y para establecer la estima del filtro Kalman de seguimiento en la medida de Alta resolución.

Enlace de guiado del avión
Después de calcular la posición estimada en acimut, elevación y distancia e la aeronave se gener el guiado de RF para llevar al avión a la senda de aproximación deseada. El seguimiento en las tres dimensiones viene definido por la matriz:

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Donde las coordenadas x e y son las medida del tiempo y ángulo de llegada, y z la elevación obtenida de la medida AOA. A partir de esa altitud, la trayectoria tridimensional se actualiza con el filtro Kalman y su resultado constituye la estima precisa de la trayectoria completa. Utilizando el método de cálculo tridimensional se puede colocar el array en distintas ubicaciones con respecto al punto de contacto del avión en tierra.
El diagrama de radiación compuesto es una señal modulada en amplitud por los tonos de 90 Hz y 150 Hz que emulan el guiado del ILS. Esta señal modulada se constituye en entrada de los transmisores de senda de descenso y localizador y se utiliza para modular la portadora de frecuencias adecuada y, como señales de guiado en VHF y UHF son señales compuestas, la diferencia en profundidad de modulación (DDM) es inmune a los efectos de degradación por reflexiones multitrayecto, aunque pueden aparecer atenuaciones en la respuesta por enmascaramiento del terreno en emplazamientos específicos. En la figura se muestra el conjunto de antenas de radioenlaces.

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Antenas de enlace.

La estación móvil instalada en el remolque acondicionado contiene los transmisores de interrogación y de guiado, y el ordenador que controla el sistema.
La torre de antenas del radioenlace con las antenas de VHF y UHF tiene nueve metros de altura y la estación alojada en el remolque está climáticamente controlada para el óptimo funcionamiento de los transmisores y ordenadores del sistema.

Parámetros críticos de supervisión
El monitor de integridad (IM) cumple los requisitos establecidos en la Orden Técnica SAE ARP 47543.4 aplicables a los sistemas de navegación instalados a bordo de aeronaves. Los riesgos potenciales que resultan de fallos en el Hardware/Software o en el mismo sistema han sido eliminados con la implementación de sistemas redundantes de autocomprobación. El software del sistema TLS está certificado con nivel B, de acuerdo con la Orden Técnica RTCA DO-178B5.

El nivel de integridad del TLS se cumple con los requisitos establecidos en la tabla C-2 del Anexo 10 de OACI. El supervisor de integridad IM examina las variaciones en el equipo de tierra quue pueden afectar adversamente a la precisión y disponibilidad del guiado del aterrizaje de un avión. El IM se ha diseñado de forma que el guiado cesa en caso de que el equipo se tierra se encuentre degradado o cuando el monitor mismo falla. Para ello dispone de un sistema de autocomprobación que se activa con un bit de pruebas. Este dispositivo se encuentra instalado frente al conjunto de antenas de medida de acimut y de elevación, y transmite una señal de prueba que se utiliza para evaluar la precisión de los sistemas de tiempo de llegada (TOA) y de ángulo de llegada (AOA).

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El sistema disponde de una estación de calibración, como la que se muestra en la figura, que emite la señal de prueba a 1.090 MHz y el conjunto pesa 40 kg y mide 2 metros de altura.

Ventajas del sistema TLS frente al ILS
Las principales ventajas del sistema de aterrizaje por transpondedor (TLS), frente al sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS), son las siguientes:

  • El TLS proporciona señales exactas de senda de descenso en emplazamiento en los que la instalación de un sistema ILS puede ser de coste elevado.
  • La corrección de errores del TLS se obtiene utilizando antenas direccionales.
  • Los efectos de las reflexiones multitrayecto se reducen por medio de un proceso de calibración qie se deriva de una base de datos de desviaciones de los ángulos de llegada de las señales, utilizado durante la operación del sistema para corregir el error inducido por las reflexiones multitrayecto.
  • El impacto operacional de las áreas críticas asociadas a los sensores de acimut y elevación se puede minimizar instalando los equipos del TLS en las proximidades de la pista de vuelo y de las pistas de rodadura.
  • Se puede incorporar fácilmente el cálculo del enlace de guiado para corregir las desviaciones del punto de interceptación de la senda.
  • El ángulo de la senda se determina por medio de la base de datos específica del emplazamiento.

 


Bibliografía: Revista Itavia.

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