Embedded Files
NAVEGACIÓN AÉREA
Es posible que lo primero que nos viene a la cabeza cuando hablamos de navegación sea una embarcación surcando las aguas. Sin embargo, en ingeniería, entendemos por navegación el proceso para determinar la posición de un vehículo y dirigirlo de un punto a otro. Está claro que el vehículo puede ser desde una bicicleta hasta un cohete espacial y, si me apuras un poco, hasta el propio ordenador cuando se sumerge en la red desde donde me estás contemplando.
Voy a tratar de explicar, de una manera sencilla, en qué consiste la navegación aérea desde que aparecieron los primeros sistemas electrónicos. Todo lo aquí expuesto es posible encontrarlo por internet (no digo que no) pero, es posible, que cuando acabes de leer la tan preciada Wikipedia estés peor que al principio. Así es Internet: llenamos muchas páginas y no decimos nada ni importante, ni claro.
Cuando los primeros aviones comenzaron a despegar, para después aterrizar, surgió el problema de navegar. Este problema se solucionó utilizando las técnicas náuticas conocidas por todo el mundo: la brújula, el sextante (para la noche), los mapas y los faros.
¡Vaya! Los faros desde ahí arriba como que no… además sólo se ven de noche; muy complicado. Sí claro, pero se puede hacer algo parecido: Fijar unos puntos en tierra fácilmente detectables por el piloto, como la torre de una iglesia, un monte o la casa del tío Alberto (en estos tiempos los aviones no volaban muy alto) y señalarlos en el mapa. El piloto sigue los puntos haciendo una ruta. Desde tierra se comprueba que el avión sigue esa ruta marcada. Así surgen las rutas de vuelo y los controladores aéreos. Una cosa parecida a lo que se ve en la figura de la derecha.
Tenemos prácticamente solucionado el problema de saber en qué parte del mundo está el avión. Pero, ¿en qué lugar del espacio y a qué velocidad se está desplazando? La solución es el tubo Pitot.
Veamos. La presión, es decir, la cantidad de aire que hay en la atmósfera va disminuyendo a medida que ascendemos. Hay más aire al borde del mar que en la cima de una montaña. Hagamos el siguiente experimento: tomemos una botella vacía y colocamos en su interior una membrana que la divida en dos partes (como se ve en la figura inferior), la colocamos en horizontal con la boca abierta (la de la botella). Subimos a una montaña alta. Como hay menos aire (es como si estuviésemos vaciando la botella) el aire que se encuentra en la zona más interior, la separada por la membrana, tenderá a empujar a la otra zona y la membrana se desplazará. Eso es sencillamente lo que se hace para medir la altitud en un avión.
Pero el tubo Pitot tiene otra parte. Ahora cogemos esa misma botella y comenzamos a correr de forma que la boca de la botella esté en la dirección en que corremos. El aire empuja a la membrana. Así sabemos la velocidad. Esto es básicamente cómo funciona el tubo Pitot que utilizan los aviones para conocer la altitud y la velocidad. La realidad es bastante más compleja, pero para entender un poco el funcionamiento vale. Abajo vemos el esquema de un pitot y su colocación debajo del ala en un avión.
La navegación era bastante complicada: había nubes, borrascas, se hacía de noche… A veces los aviones se perdían y acababan estrellándose. Para los que no llegaban a encontrase se inventó la leyenda del “Triángulo de las Bermudas” y otros cuentos muy bonitos. Todavía hoy en día se siguen contando historias de ovnis y otras peores. ¡Hasta para el desgraciado vuelo MH370! La electrónica ha facilitado mucho la navegación, pero todavía se puede “escapar” y perder un avión, al fin y al cabo un avión no deja de ser una cosa realmente diminuta en comparación con el tamaño de la tierra.
Volvamos a navegar. Con la aparición del radar en la segunda guerra mundial las cosas cambian de forma radical, los sistemas se vuelven más fiables (gracias a la electrónica) y se estandariza para todo el planeta. Aparece en Plan de Vuelo y las rutas, donde aparecen los destinos y puntos intermedios como si fueran autopistas del aire. En el siguiente enlace se puede ver una ruta de vuelo real. https:///skyvector.com
NDB y ADF
El primer sistema electrónico de navegación fue el NDB (Non Directional Beacon o Radiofaro no direccional). La idea surge del faro de toda la vida, pero en lugar de emitir luz visible emite luz no visible, es decir, señal de radio. Su funcionamiento es muy simple, emite una señal de radio audible (de unos 400 a 1020 Hz, como una voz más bien grave) y una señal en Morse de tres letras correspondientes a lugar geográfico en que se encuentra. Estos códigos todavía existen, por ejemplo Madrid es MAD, León LEN, etc. En internet se pueden ver todos los códigos. Se denominan códigos IATA que en español es la Asociación Internacional de Transportes Aéreos.
Todo esto se mezcla mediante una modulación en amplitud (en el tema de la modulación no voy a meterme, porque se alarga esto demasiado) a 800 KHz y se envía al aire. Los pilotos reciben la
señal y, en función de la intensidad, saben dónde se encuentran. Como ir escuchando: pi, pitipi, pititipi, es muy aburrido, los pilotos cuando se acercaban a una ciudad sintonizaban con la radio local que era en AM y de la misma frecuencia, así también sabían si se acercaban o se alejaban. Esto me lo contó un piloto que ya se jubiló. ¡Qué tiempos aquellos!
Para saber correctamente a qué distancia está el punto no basta con tener buen oído hace falta un ADF (Automatic Direcctional Finder) que se encarga de detectar las señales e indica el punto donde se encuentra el emisor. Aunque se empezaron a realizar las primeras pruebas durante la Primera Guerra Mundial, su uso se extendió durante la Segunda con el fin de ser más precisos en los bombardeos (véase cómo quedo Alemania después de la guerra).
El funcionamiento del NDB es muy simple. Primero debemos seleccionar la frecuencia de la estación con el NDB que queremos sintonizar. Por ejemplo: LEN, 330 KHz; MAD, 380 KHz, etc.
Si tenemos señal del NDB la punta de la flecha simple indicará la dirección en que se encuentra (ver figura NDB). El círculo exterior nos indica el rumbo que estamos llevando. En la figura llevamos un rumbo de 340⁰ y el NDB se encuentra a 360⁰ o 0⁰ (N). En la figura también se ve una antena emisora de un NDB.
Los grados nos indican la dirección respecto al Norte que será 0⁰, a partir de aquí nos vamos desplazando con los grados en sentido horario y tendremos 90⁰ es el Este, 180⁰ el Sur, 270⁰ el Oeste; es lo que se denomina el Azimut.
Llegados a este punto me gustaría explicar el porqué de las Millas Náuticas. Es muy sencillo. En navegación se utilizan grados sexagesimales para tener la tierra dimensionada que van de 0⁰ a 360⁰, pues bien el minuto en grados sexagesimales es la Milla Náutica que equivale a 1.800 m. En aeronáutica ponemos las iniciales en inglés, como casi todo, y así pondremos NM.
VOR y DME
El siguiente paso es obvio: hay que mejorar lo existente y eso hace el VOR (VHF Omnidirectional Range o Radiofaro Omnidireccional en VHF). Su funcionamiento se basa, como no, en la navegación marina.
Supongamos un faro que tiene una luz que gira 360⁰ a una velocidad fija. Para ser más sencillo supongamos que tarda 60 segundos en dar una vuelta completa y cuando pasa por el 0⁰ (o 360⁰), es decir, cuando enfoca el norte se enciende otra luz que tiene en la parte superior. Si un marinero ve una luz que se ilumina y se apaga sabe que tiene delante un faro de este tipo. Ahora sólo tiene que contar el tiempo que pasa desde que vio el destello y el que tarda en aparecer la luz giratoria. Hace una cuenta sencilla, por ejemplo, 15 segundos son 90⁰ y sabe en qué dirección se encuentra él con relación al faro, en este caso está al Este del faro. Mira las cartas de navegación, busca el faro y se puede situar en el océano. Si en otra dirección ve otro faro es capaz de situarse con mucha más precisión.
Un VOR es lo mismo pero utilizando ondas de radio (Figura superior). La frecuencia de giro es de 30 Hz, es decir, da 30 vueltas al segundo. Es la misma frecuencia del pulso que genera el oscilador que señala el norte, esta señal se modula en frecuencia con una señal de 9.960 Hz. También se introduce la misma señal Morse con el código del VOR, en este caso la señal es distinta al NDB; por ejemplo para León es EON, para Madrid Barajas es BRA, etc. Actualmente la antena que gira se ha sustituido por un grupo de antenas en forma circular que generan la misma señal; eliminando partes móviles se reducen las averías. Los VOR se sitúan, por lo general, en los aeropuertos por lo que su localización es más simple, además, si se va navegando en dirección al VOR de destino se llega al aeropuerto. También existen VOR distribuidos por distintos lugares con el fin de facilitar las líneas de navegación aérea. Por ejemplo, existe un VOR en Zamora, donde no hay ningún aeropuerto, tiene la identificación ZMR y es el punto de referencia de los vuelos de toda la zona.
Con ayuda de Internet podemos ver los VOR que existen en una zona, cerca de donde estamos, normalmente se pueden ver desde la carretera, si vamos en coche. En días despejados y fríos en que vemos las estelas de los aviones, es posible ver el giro de hacen cuando pasan por encima de un VOR. Hoy en día están totalmente operativos y se siguen utilizando, de forma manual, por el propio piloto, o automática, por el piloto automático.
Los aviones disponen de un receptor de VOR similar al del NDB. Su funcionamiento, es similar al NDB y es el siguiente:
- Se selecciona una dirección de navegación, por ejemplo, 30⁰.
- A continuación se sintoniza la frecuencia del primer VOR que tenemos en esa dirección, lógicamente, con ayuda de las cartas de navegación.
- El indicador de desviación (CDI) se desplazará a derecha o izquierda indicándonos la distancia que existe entre nuestra dirección y el VOR sintonizado.
- El TFI indicará TO, si nos acercamos al VOR, o FROM, si nos alejamos.
Normalmente el instrumento es el mismo que para el NDB con la diferencia que para el VOR, se utiliza la flecha doble.
El VOR nos indica dónde se encuentra y si nos acercamos a alejamos de él, en función de la dirección (rumbo o radial) que hayamos seleccionado. Si en lugar seleccionar los 30⁰, esto es, NNE (Nor-Nor-Este) ponemos 270⁰, es decir, O (Oeste). Veríamos la siguiente Figura:
Asociado al VOR existe el DME (Distance Mesure Equipment), similar al ADF pero más complejo. Este equipo que mide distancias es un radar secundario, es decir, es un radar que envía una señal y espera una respuesta.
El DME se encuentra en el mismo equipo que el VOR y sirve para indicar a la nave a qué distancia se encuentra del VOR. El avión envía una serie de pulsos al DME, éste recibe la señal, la analiza e identifica y devuelve otra serie de pulsos. El avión recibe el segundo tren de pulsos, los analiza y, después de un sencillo cálculo (tiempo de ida menos el de vuelta menos tiempo de procesado por velocidad de la luz = distancia) sabe a qué distancia (ojo, en línea recta) se encuentra del VOR. Ahora, como sabemos la altura de vuelo, un sencillo triángulo y “voilá” ya tenemos la distancia en horizontal.
ILS
Los aeropuertos de clasifican en tres categorías en función de la distancia máxima de visibilidad que se permite.
La mayoría de los aeropuertos son de categoría 1. Estos aeropuertos permiten visibilidad como mínimo a 60 m de altura y 800 m en horizontal. La categoría 2 reduce la altitud a 30 m y 300 m en horizontal.
En la categoría 3 encontramos 3 subcategorías hasta llegar a 0 m de visibilidad tanto el altura como en distancia horizontal en la tercera subcategoría.
Para ayudar al aterrizaje en estas tres categorías se utiliza el ILS (Instrumental Landing System) no es un sistema de navegación como los anteriores si no de ayuda al aterrizaje. Algunos lo confunden con un sistema para aterrizar cuando hay niebla, sin embargo, el ILS, actúa siempre. Está formador por tres subsistemas que son:
- Localizador
- Senda de planeo (o descenso)
- Radiobalizas
LOCALIZADOR
Este subsistema se utiliza para situar al avión en el eje de la pista. Veamos cómo son las pistas de aterrizaje (y de despegue, claro).
Lo primero que debemos saber es que tanto para el despegue como para el aterrizaje los aviones se deben situar frente al viento de forma que a la velocidad del avión se sume la del viento en contra de forma que la velocidad del flujo del aire en las alas sea la mayor posible (sobre aerodinámica puedes consultar la sección correspondiente).
Por lo tanto cuando se va a construir una pista se estudian los vientos de la zona para situar la pista en la dirección del viento dominante. Cada pista tendrá dos cabeceras: una en sentido del viento dominante y otra en el sentido contrario, porque el viento tiene la particularidad de soplar en ambos sentidos, principalmente. Ahora se numeran con la dirección del azimut que apuntan, por ejemplo, en León la pista principal apunta al azimut 230⁰, esto es, dirección Sur-Oeste. Esta pista será la 23. El sentido contrario (180⁰ menos) corresponde con el azimut 50⁰ (apuntando al Nor-Este) y será la pista 05. En aeropuertos como el de Madrid-Barajas la cosa se complica porque hay bastantes más pistas, pero la regla es similar (puedes consultarlo en Google maps).
Sigamos con el localizador. En cada cabecera de pista se sitúan las antenas que van a emitir la señal que guiará a los aviones, están formadas por un grupo de 13 antenas que emiten una señal que va desfasándose a de una a otra antena. El proceso es un poco complejo, pero el funcionamiento es muy simple.
En el avión se dispone de otro instrumento (ahora nos vamos dando cuenta de para qué sirven todos los relojes que hay en un avión) similar al del VOR con dos líneas vertical y horizontal. El localizador utiliza la línea vertical e indica al piloto hacia dónde debe girar el avión para estar en línea con la pista.
Si el avión está en el punto 1, es decir, en línea con la pista, la línea vertical estará centrada. Si el avión está en el punto 2, a la derecha de la línea de pista, la línea vertical del instrumento se situará a la izquierda, indicando al piloto que debe girar a la izquierda para conseguir que la aeronave se ponga en línea con la pista. En el punto 3 ocurrirá lo mismo pero hacia la derecha, está más lejos del centro porque el avión está más alejado del eje de pista.
SENDA DE PLANEO
Esta parte del ILS consta de una antena que se sitúa cerca del final de pista, concretamente a 300 m y tiene por misión enviar una señal creando una superficie inclinada de unos 3⁰ con el fin de ayudar al piloto a conseguir un ángulo de descenso adecuado para llegar al final de pista con el avión.
El instrumento a bordo es el mismo que para el localizador, ahora las líneas son horizontales y funcionan igual que para el localizador. Si la línea está por encima de la central significa que el avión está por debajo de la senda de planeo: hay que elevarse. Si la línea está por debajo, el avión está por encima: hay que descender.
RADIOBALIZAS
Emiten una señal que indica al piloto la distancia a que se encuentra de la pista. Son tres, aunque, en la práctica sólo se utilizan dos por lo general. Emiten una vertical (hacia arriba) en forma de abanico.
La primera radiobaliza está a 7 km del umbral de pista y emite una señal de 400 Hz (sonido grave) con pulsos cada 2 segundos.
La radiobaliza intermedia está a 1050 m y emite a 1300 Hz (sonido medio) un punto y una raya (pi, piii, pi, piii). Si existe la tercera baliza emitirá un tono a 3000 Hz (sonido agudo) de sólo puntos con una frecuencia de 6 tonos/seg y estará situada a 400 m del umbral de pista. A esta distancia y altitud estamos por debajo del “punto de decisión” y ya se ven las luces de pista y la propia pista por lo que muchas veces no está operativa.
Además de los sistemas que se han explicado en esta página, existen las luces de pista que indican al piloto la disposición de la pista, su tamaño, umbral y final, anchura, etc. Las más importantes de estas luces son las denominadas de PAPI que indican la altitud ideal para el aterrizaje (“toma”, en lenguaje aeronáutico). En el siguiente gráfico se ve un resumen del funcionamiento de estas luces.
SSR
Otra parte fundamental en la navegación lo forman los Controladores Aéreos que se encargan de dirigir el tráfico aéreo y orientar en las tareas de maniobras, despegues y aterrizajes a los pilotos. Sin ellos sería imposible poder operar en la mayoría de los aeropuertos actuales.
En esta página no voy a explicar el funcionamiento y tareas del los Controladores voy a referirme a una parte del avión que se denomina SSR (Secondary Sourneillance Radar) o, más comúnmente denominado, Transpondedor.
Este sistema está formado por un radar de tipo secundario (ya sabemos, se envía una señal y se recibe una respuesta). El equipo de tierra envía dos pulsos de 0,8 µs (0,000008 s) separados en función del tipo de interrogación:
El avión responderá debidamente con una serie formada por 15 pulsos y un hueco para enviar nuevamente los pulsos. El formato es el siguiente:
F1 y F2 son pulsos para encuadramiento, en resto es un código binario (no muy complejo, pero su decodificación tampoco tiene, aquí, mucha importancia). Cada pulso tiene un ancho de 0,8 µs con una separación entre pulsos de 1,45 µs. El último está a 4,35 µs se denomina SPI y lo activará el piloto de forma voluntaria a petición del controlador.
El código que envía el avión es su identificación y está formada por 4 números del 0 al 7. Esta es su “matrícula”, es decir, con este código el controlador puede saber el tipo de avión, su historial, su ruta e, incluso, el pasaje. Este código, por lo general, no se cambia. En lugares con mucho tráfico pueden coincidir dos códigos, en este caso el controlador manda pulsar al piloto de uno de los dos aviones el botón SPI, en ese momento se ilumina ese avión en la pantalla del controlador, así podrá identificarlo. Conviene, en ese caso, cambiar el código del transpondedor de uno de los aviones.
Existen una serie de códigos restringidos para el transpondedor, algunos de ellos son:
7700
7600
7500
Emergencia general
Emergencia de comunicaciones
Emergencia de secuestro
En navegación aérea también se utiliza en GPS, cómo no, pero hay tantas páginas Web que explican perfectamente cómo funciona este sistema que no es necesario volver a referirme a él. Sólo una cosa. El GPS es un sistema estadounidense utilizado para defensa, es decir, no es libre. Hasta el momento se nos permite “utilizar” el GPS para navegación, pero con límites: la precisión no es milimétrica. Si introducimos una dirección en el GPS de nuestro coche, nos irá indicando el camino con una precisión de unos metros, pero en navegación aérea esta precisión se insuficiente. Vale para guiarnos no para navegar. En aplicaciones militares, tanto estadounidense como de la OTAN, la precisión sí es milimétrica: los misiles guiados por GPS no fallan el blanco (sólo intencionadamente).
Seguimos esperando a la puesta en marcha del sistema de navegación Galileo que es Europeo. Si algún día está plenamente operativo será un sistema de navegación realmente fiable para la navegación aérea.
Google Sites
Report abuse