El sistema DME

El propósito de DME es medir la distancia de las aeronaves desde una posición en tierra conocida. La distancia se mide a partir del conocimiento del tiempo necesario para que los pulsos de radar viajen entre la aeronave y la instalación DME en tierra. El DME se usa principalmente junto con el VOR para saber la posición de la aeronave (fixing), pero también se usa para la separación en ruta, la aproximación a los aeropuertos, evitación del espacio aéreo protegido, las esperas y el cálculo de la velocidad sobre tierra (GS o Ground Speed).

El DME no solo se usa para medir la distancia directa en millas náuticas desde la aeronave a una estación en tierra. La distancia directa se conoce como “SLANT RANGE” en inglés, pero el DME puede ser usado conjuntamente con una estación VOR o puede trabajar conjuntamente con otras estaciones DME para calcular posicionamiento de la aeronave, creación de waypoints, velocidad sobre tierra y tiempo restante hasta la estación. Los modernos sistemas FMS pueden transformar la distancia directa en distancia sobre tierra.

Principio de funcionamiento

El principio sobre el que se asienta el DME es parecido al del radar secundario. Un interrogador (el avión) manda una señal a una estación en tierra que actúa como transpondedor. La señal que se envía a la estación es un par de pulsos separados por un intervalo de tiempo definido en la frecuencia de UHF (entre 962 y 1213 MHz). Después de un pequeño retraso de unos 50 microsegundos, necesario para el procesamiento de la señal, el par de pulsos es devuelto al avión con la misma separación entre pulsos, pero a una frecuencia distinta (+/- 63 MHz).

El equipo DME de la aeronave, que es el INTERROGADOR, transmite una serie de pulsos en pares. El intervalo de tiempo entre los dos pulsos en pares es constante, pero el intervalo de tiempo entre pares de pulsos (t) se varía aleatoriamente. Esta frecuencia aleatoria de pares de pulsos se denomina RANDOM o PRF JITTERED.

 

La instalación de tierra DME conocida como TRANSPONDER (contracción de transmitter y responder) recibe los pares de pulsos de la aeronave y responde después de un breve retraso (normalmente 50 µsecs) con pares de pulsos en una frecuencia de 63 MHz eliminada de la frecuencia INTERROGADORA (aeronave). El uso de pares de pulsos permite que el DME rechace pulsos individuales de otras fuentes que de lo contrario causarían interferencias.

 

La fórmula para calacular la distancia en millas náuticas es R = (timpo - retraso)/12,36, siendo 12,36 lo que se conoce como milla radar, pues es la cantidad de microsegundos que le lleva a una transmisión de radio vijar ida y vuelta una milla náutica.

El receptor de la aeronave detecta todas las respuestas del transpondedor DME, tanto las destinadas a otras aeronaves como las destinadas a la propia aeronave. El receptor busca pares de respuesta que se producen aproximadamente en el mismo intervalo de tiempo después de cada par de pulsos transmitido. 

El PRF aleatorio o con fluctuaciones asegura que no haya dos aviones que transmitan pares de pulsos con el mismo patrón, por lo que las respuestas destinadas a otros aviones no coinciden con el patrón de transmisiones de nuestro avión y, por lo tanto, se ignoran. Una compuerta en el receptor "se bloquea" en el intervalo de tiempo correspondiente al retraso entre el tiempo de transmisión y el tiempo de recepción de las respuestas del transpondedor. La distancia se mide a partir de este intervalo de tiempo.

En la ilustración de arriba se ha simplificado la señal. Cada pulso en realidad representa un par. El interrogador es azul y manda los pares de pulsos como se puede ver. El equipo de tierra responde en rojo a todos los aviones. 

 

Los pares de pulsos que no coinciden con los enviados más el retraso típico de los DME no son nuestros.

El sistema “entiende” que el patrón de pulsos es el generado por nosotros y se bloquea solo para nuestros pares de pulsos ignorando el resto.

Hasta que se logre el bloqueo, el receptor DME busca desde cero nm hasta la distancia máxima (300 nm) utilizando un PRF alto. Esta búsqueda se indica mediante la exploración de números en el indicador clásico, posiblemente con una barra visible que cruza los dígitos. Una vez que se ha producido el bloqueo, el PRF se reduce, lo que reduce la carga en la estación terrestre y, por lo tanto, permite el servicio de más aviones. 

Un interrogador DME típico opera inicialmente a 150 pares de pulsos por segundo (pps) en el modo de BÚSQUEDA y 22.5 pps en el modo de seguimiento (LOCK-ON). Algunos interrogadores DME reducen su velocidad de búsqueda a 60 pps después del equivalente a 15.000 pares de pulsos. Esto es después de 100 segundos para un DME con una tasa de búsqueda inicial de 150 pps.

Modo de memoria

Si la respuesta del transpondedor, detectada en la aeronave, cae por debajo de un valor preestablecido, el equipo en vuelo pasará al modo de memoria durante aproximadamente 10 segundos. Durante este período, la distancia seguirá mostrándose aumentando o disminuyendo a la última tasa de cambio conocida.

Saturación de la estación

El equipo de tierra DME normalmente está limitado a 2.700 pares de pulsos por segundo y, por lo tanto, solo puede dar servicio a unos 100 aviones simultáneamente. Si más de 100 aviones interrogan la estación terrestre, limitará la sensibilidad de su receptor y responderá a las 100 interrogaciones más intensas.

Existe ya una nueva generación de transpondedores de alta potencia y alta capacidad que no están sujetos a las mismas limitaciones.

Frecuencias DME

El DME transmite en la banda UHF usando frecuencias entre 962 y 1213 MHz. los interrogadores DME a bordo transmiten y reciben en uno de los 252 canales. Para cada canal, las frecuencias de transmisión y recepción están separadas por 63 MHz.

De los 252 canales, hay 126 canales X y 126 canales diferenciados entre X e Y por las frecuencias que se utilizan y por el espaciado entre los pulsos en cada par de pulsos. Las frecuencias tierra-aire y aire-tierra asignadas a los canales X e Y se muestran en el siguiente diagrama.

 

Localización de frecuencias en los canales X e Y

Emparejamiento de frecuencia

DME proporciona una línea de posición de rango circular y solo cuando se combina con otra línea de posición se conoce la posición fija de la aeronave. DME se usa comúnmente junto con VOR, ILS y MLS, y para facilitar el uso de las ayudas de navegación juntas, los canales DME están emparejados en frecuencia. El emparejamiento de frecuencia permite al piloto seleccionar una frecuencia como medio para obtener el uso de dos nav. SIDA. 

Por ejemplo, al configurar la frecuencia para obtener un VOR, el selector de canal DME cambiará automáticamente a las frecuencias apropiadas para un DME en el mismo sitio que el VOR. Esto permite obtener rango y demora desde el mismo punto.

Lo ideal es que las instalaciones de VOR y DME estén ubicadas conjuntamente (ambas antenas en la misma posición), pero a veces esto no es posible. Se dice que las ayudas están "asociadas" y se emparejarán en frecuencia siempre que estén ubicadas conjuntamente o dentro de los siguientes límites para la separación aérea:

• 100 pies cuando está diseñado para ser usado dentro de un área terminal
• 2000 pies cuando estén destinados para uso en ruta.

Las instalaciones asociadas tienen distintivos de llamada idénticos. Las instalaciones, que tienen la misma ubicación, pero están demasiado alejadas para asociarse, serán emparejadas por frecuencia. Sus distintivos de llamada tendrán las mismas dos primeras letras. La última letra de un identificador será Z.

El VOR también puede emparejarse con TACAN, que es una ayuda UHF que proporciona alcance y orientación a las aeronaves militares. 

El elemento de medición de distancia del TACAN es idéntico al DME, por lo que las aeronaves civiles pueden obtener el rango (solo) de TACAN. El TACAN puede emparejarse con un VOR en el mismo sitio y, en este caso, se puede seleccionar la frecuencia VOR para obtener el uso de ambas ayudas. Si no hay VOR en la ubicación del TACAN, se mostrará una frecuencia VOR "fantasma" que permitirá el acceso. Por ejemplo, para el TACAN en Rota, cerca de Jerez, se muestra una frecuencia de 108.6 MHz.

Alcance del DME

Como el DME opera en la banda UHF, la recepción de las transmisiones de impulsos solo son posibles dentro de la "línea de visión". La distancia máxima está dada por la fórmula:

donde h1 es la elevación del transpondedor y h2 es la altitud del avión

Algunos equipos aerotransportados solo pueden mostrar un rango de 200 nm, mientras que los equipos más modernos se extienden a 300 nm.

Precisión del DME

DME es generalmente más preciso que VOR o ADF. El error total del sistema diseñado no debe exceder de ± ½ nm o el 3% de la distancia medida, hasta un rango de inclinación de 200 nm. 

Errores de DME

El único error significativo se produce cuando la distancia de inclinación (slant) se confunde con la distancia en el plano. Este error es máximo sobre el DME cuando la lectura corresponderá a la altura de la aeronave.

Algunas preguntas interesantes

¿Por qué nuestro receptor en el avión no se confunde con los ecos de nuestras propias transmisiones?

Los reflejos o ecos de las transmisiones desde las nubes o desde el suelo no son un problema ya que el receptor está sintonizado a una frecuencia de 63 MHz diferente de la transmitida.

 

¿Por qué DME transmite pares de pulsos?

Los receptores embarcados y terrestres solo reconocen los pulsos en pares y, por lo tanto, pueden rechazar los pulsos de otras fuentes que podrían causar interferencia.

¿Por qué el transpondedor DME no se activa por reflexiones de sus propias transmisiones?

El receptor de tierra también está sintonizado a una frecuencia que difiere en 63 MHz de la del transmisor de tierra.

Algunos DME calculan y muestran Groundspeed GS) y Time-to-Station. ¿Puede esta información ser considerada precisa?

La velocidad sobre el terreno y el tiempo hasta la estación se calculan a partir de la distancia “slant” en pendiente o inclinada que cambia constantemente. Los datos mostrados serán inexactos cuando esté cerca de la estación DME, debido a la diferencia entre la distancia vertical y la medida sobre tierra. Los datos deben ignorarse si la aeronave no vuela directamente hacia o desde la estación.

En resumen

El DME puede ser usado conjuntamente con una estación VOR o puede trabajar conjuntamente con otras estaciones DME para calcular posicionamiento de la aeronave, creación de waypoints, velocidad sobre tierra y tiempo restante hasta la estación. Los modernos sistemas FMS pueden transformar la distancia directa (slant) en distancia aérea/terrestre.

El principio sobre el que se asienta el DME es parecido al del radar secundario. Un interrogador (el avión) manda una señal a una estación en tierra que actúa como transpondedor. La señal que se envía a la estación es un par de pulsos separados por un intervalo de tiempo definido en la frecuencia de UHF (entre 962 y 1213 MHz). Después de un pequeño retraso de unos 50 microsegundos, necesario para el procesamiento de la señal, el par de pulsos es devuelto al avión con la misma separación entre pulsos, pero a una frecuencia distinta (± 63 MHz).

El cálculo de la distancia a la estación es procesado usando la conocida formula: Distancia = Velocidad x Tiempo.

Como las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz (aprox. 300.000 Km por segundo o más cómodamente para nuestros propósitos 300 m cada micro segundo 1μsec = 10^-9) y sabemos el retraso que sufre en el procesamiento de la señal, entonces el retraso debido al tiempo que tarda la señal en alcanzar la aeronave desde la estación en tierra, puede ser convertido en distancia. El calculador de a bordo utiliza la conocida como milla radar o “RADAR MILE” en inglés, que corresponde al tiempo (12,36 microsegundos) que tarda una onda electromagnética en viajar una milla desde la aeronave e inmediatamente (una vez reflejada por algún elemento) de vuelta a la aeronave.

Si por ejemplo la señal de radio tarda un intervalo de tiempo de 60 micro segundos desde que fue transmitida hasta ser recibida de vuelta, entonces la distancia a la estación son aproximadamente unas 0,81NM o unos 5000 ft.

(60-50)/12,36 ≈ 0,81

El DME puede servir también para calcular la altura de la aeronave si se interroga a la estación en tierra desde la vertical. La distancia que nos da el DME en ese momento puede ser multiplicada por 6080 y obtendremos la distancia en pies (ft). 1Nm ≈ 6080 ft.

 

El DME es muy preciso y provee una información continua de distancia. El DME es un sistema activo, ya que a diferencia de la señal GPS, es el avión el que interroga.

Una de las limitaciones del equipo es que las estaciones DME solo pueden servir a unos 100 aviones a la vez. Precisamente la razón por la que el sistema usa pares de pulsos es para reconocer que efectivamente se está tratando de dar una señal valida. Si el receptor de la aeronave recibiera un solo pulso seria tratado como una señal espuria e inmediatamente rechazado con el fin de evitar interferencias. Por otro lado, los sistemas DME se usan a grandes distancias. Los DME de largo alcance (mayor potencia de emisión) pueden alcanzar las 200 NM.

Otra limitación importante es la causada por la curvatura de la tierra. La transmisión del DME es UHF, por lo que la señal viaja en línea recta, casi sin sufrir refracción debido a la atmosfera. El alcance de la señal teniendo en cuenta la curvatura terrestre dependería de la altura de la antena transmisora y de la altura de la aeronave. En los antiguos sistemas DME la precisión decrecía si se usaban en vuelos paralelos tal como se muestra en la ilustración inferior.

 

Hoy en día con los modernos ordenadores de abordo ya no existe este problema. Otro problema típico de los antiguos sistemas era el cálculo de la velocidad sobre el suelo y el tiempo a la estación. En un vuelo circular los cálculos eran incorrectos, tal como se muestra en la ilustración inferior. Estos cálculos hoy en día están corregidos en los modernos aviones equipados con FMS

 

En la tabla inferior se muestra cómo pueden compartir frecuencia e indicativo de identificación las estaciones VOR/DME.

 

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