El sistema VOR y los ejercicios para entenderlo

Aunque es cierto que sistemas como el VOR o los NDB van camino de desaparecer, aún son sistemas útiles y nos pueden sacar de más de un aprieto. Es más, estas estaciones suelen formar en la actualidad parte de los puntos de ruta o waypoints de la mayoría de las bases de datos de navegación. Aunque ya no se vuele sus emisiones radioélectricas en los modernos aviones comerciales, se siguen volando sus radiales por medio del sistema FMS y el posicionamiento GPS.

El sistema VOR

En el capítulo dedicado al ADF y al VDF ya vimos los términos dedicados a definir los rumbos a la estación o desde la estación. Ahora vamos a ver otro sistema que se hizo muy popular porque no necesita ningún controlador, como el VDF. El sistema VOR Fue desarrollado en EE.UU. y puesto por primera vez en servicio en 1949. El sistema supone una mejora con respecto al ADF. El VOR radia información continua en VHF para informar de los rumbos a (TO) o desde (FROM) la estación. Estos rumbos, que generalmente están referenciados al norte magnético, son popularmente conocidos como radiales. Es similar al ADF, ya que proporciona el rumbo de la aeronave A o DESDE un transmisor en una posición conocida en tierra. Sin embargo, mientras que el equipo ADF mide la dirección de la onda de radio cuando llega a la aeronave, el receptor VOR descodifica en vuelo la dirección de la onda de radio emitida desde el transmisor de tierra.

VOR es un acrónimo para la frase en inglés VHF Omnidirectional Radio Range, que en castellano significa Radiofaro Omnidireccional de Muy Alta Frecuencia. Se trata de una radio ayuda a la navegación que utilizan las aeronaves para seguir en vuelo una ruta preestablecida. Generalmente se encuentra una estación terrestre VOR en cada aeropuerto, además de otras en ruta, que constituyen los denominados "fijos", los puntos sobre los que ha de pasar la ruta seguida por el piloto. Cuando se utilizan dos estaciones VOR se puede calcular la posición del avión de la siguiente manera.

Dos ángulos (Theta) nos dan dos radiales que se cortan. Esto es lo que a veces se conoce como navegación Theta/Theta.

Las frecuencias del VOR

La antena VOR de la estación emite una señal de radiofrecuencia VHF en todas direcciones, que es recibida por el equipo VOR de cualquier aeronave que se encuentre dentro del rango de alcance (máx. unos 320 km a hasta 37.500 pies de altura -11.430 m- sobre la estación) y tenga sintonizada la frecuencia de dicha estación. Dicha frecuencia puede variar (de acuerdo al anexo 10 de la OACI) de 108.00 a 117.95 MHz en intervalos de 50Hz, siendo la señal modulada en AM. De esta forma. 117,95 MHz es la última frecuencia posible del sistema. Normalmente se utilizan frecuencias de 108 a 111,975 para los VOR situados en las áreas terminales (TVOR) y 112 a 117,95 MHz para los VOR de ruta. La señal es lo que se conoce como “line of sight” o línea recta.

El principio de operación de un VOR

Las estaciones VOR transmiten una señal compuesta, consistente en una antena que radia una señal con diferencia de fase, otra con fase variable, identificación de la estación y opcionalmente ATIS o voz. El VOR opera según el principio de "comparación de fase entre señales". La transmisión VOR contiene componentes modulados tanto en frecuencia como en amplitud y está dispuesta de modo que la diferencia de fase entre estas modulaciones sea igual al rumbo magnético de la aeronave al transmisor VOR.

Hay dos tipos de transmisores VOR, Doppler VOR (DVOR) y VOR convencional. Ambos tipos se relacionan con el principio descrito anteriormente en términos simples. Una descripción más técnica de VOR convencional se expone a continuació. La señal transmitida desde la estación VOR consiste en una frecuencia portadora VHF, modulada en amplitud a una velocidad de 30 Hz, y una subportadora modulada en frecuencia a una velocidad de 30 Hz. La modulación de amplitud se produce al rotar el patrón de radiación del transmisor a una velocidad de 30Hz (1.800 RPM).

El diagrama polar creado se describe como un LIMACON. Este patrón de radiación es similar a un cardioide, excepto que la amplitud no cae a cero en el valor mínimo.

Se puede ver que la fase de la modulación de la señal de rotación es diferente en diferentes rumbos, por lo que se conoce a esta señal como “varifase”. Las modulaciones de frecuencia en la subportadora serán recibidas en la misma fase por aeronaves equidistantes al transmisor y, por lo tanto, proporciona la señal de referencia. La diferencia de fase es igual a la dirección magnética de la onda de radio cuando sale del transmisor. Esta dirección magnética en un sentido de salida se denomina "radial". El transmisor VOR envía radiales en todas las direcciones.

El avión al este del VOR está recibiendo la señal con más fuerza. El LIMACON apunta a la aeronave.
El LIMACON ha rotado 90º. Señal de intensidad media.
El avión recibe la intensidad mínima.
El LIMACON ha rotado otros 90º y ahora el avión detecta una señal media.
Una vez más el LIMACON está apuntando a la aeronave y esta detecta una máxima intensidad.

El VOR Doppler

En la imagen superior se compara un DVOR (Doppler VOR) a la izquierda y un CVOR (Conventional VOR). Ambos tuenen asociada una estación DME. Ambos son funcionales, ya que proporcionan información válida del VOR y del DME, pero un VOR Doppler es claramente superior debido a su mayor precisión de rumbo y a la reducción de errores inducidos por el terreno y los rebotes y reflexiones de las transmisiones, a diferencia del antiguo diseño del CVOR de la década de 1950. La ligera diferencia en el alcance oblicuo del DME causada por la altura de la antena es insignificante en operaciones reales y no tiene ningún impacto práctico en la precisión.

El VOR convencional es propenso a la inexactitud debido a los reflejos de las transmisiones desde el terreno y los objetos hechos por el hombre cerca del transmisor. Estas reflexiones distorsionan el diagrama polar del Limacon y hacen que la amplitud no aumente ni disminuya de la manera prevista a medida que gira el LIMACON. El error resultante en el rumbo recibido se denomina “Site error”.

El Doppler VOR soluciona en gran medida este problema al invertir los roles de los componentes AM y FM. El componente modulado en amplitud es ahora la señal de referencia y, como se requiere que sea el mismo en todos los rumbos, ya no es necesario el diagrama polar del Limacon. El componente FM ahora se convierte en la señal de fase variable y, para lograr una fase diferente en diferentes rumbos, se aplica la técnica Doppler. La señal de fase variable está en la frecuencia de la subportadora y se transmite a su vez por cada una de las 50 antenas situadas en un patrón circular alrededor de la antena central que transmite la señal de referencia de AM.

Debido a que la distancia entre el punto de transmisión y el receptor de la aeronave aumenta y disminuye a medida que se conmutan las antenas, se observa un cambio Doppler. El sistema parece estar girando a 30 Hz (1.800 RPM) y la FM inducida por el efecto Doppler tiene una fase diferente en diferentes rumbos. Para resumir las diferencias entre Doppler y VOR convencional en términos del propósito de los componentes de AM y FM:

Con los Doppler VOR se reducen en gran medida los errores debidos a obstáculos y edificios. Los puntos claves a recordar sobre esta radio ayuda son los siguientes:

La potencia de transmisión es responsable del alcance de la señal. El alcance es proporcional a la raíz cuadrada de la potencia con la que se transmite la señal. Por poner un ejemplo, los VOR que se usan en las aerovías en ruta transmiten con una potencia de unos 200 vatios y tienen un alcance de unas 200 nm. Los VOR que se utilizan en las áreas terminales tienen una potencia de 50 vatios, que les confiere un alcance de unas 100 millas náuticas.

La señal que se transmite es limitada por el horizonte (en inglés "Line of Sight Limitation"), esto quiere decir que la señal viaja a la velocidad de la luz en línea recta. En la práctica no resulta una línea de transmisión realmente recta, pues la señal tiende a curvarse ligeramente hacia abajo (siguiendo la curvatura terrestre) por los efectos de refracción y difracción creados por la atmósfera terrestre. En general se admite la línea recta como dirección de propagación para cálculos de distancia y tiempo. La propagación se ve limitada por obstáculos y la distancia a la que se puede recibir la transmisión está en función de la altura del transmisor y la altura de la aeronave. La distancia se puede calcular con la siguiente formula:

Donde h1 es la altura de la aeronave en pies sobre el nivel del mar y h2 es la altura en pies sobre el nivel del mar de la antena VOR transmisora.

La llamada Designated Operational Coverage (DOC) se emplea para denominar el área de cobertura donde se puede sintonizar una estación VOR específica. No es infrecuente que la misma frecuencia pueda ser utilizada por otra estación cercana. Dos estaciones con la misma frecuencia pueden ser confundidas dando lugar a errores de navegación y a interferencias entre ambas. Las interferencias entre dos estaciones VOR cercanas puede dar lugar a los siguientes errores:

Identificación errónea (Garbled identification)
Errores de rumbo Bearing or range errors
Incapacidad de recibir la señal para navegar correctamente.
Recepción de la señal errónea Acquiring the wrong signal

Para prevenir estos errores el piloto no debe de intentar el uso de la estación VOR más allá de la DOC publicada, en la que se especifica el alcance y la altura donde se asegura la calidad de la señal.

Nota: El DOC para una estación VOR en particular puede ser muy inferior al alcance teórico calculado con la formula "line-of-sight" que se ha visto más arriba.

En cuanto a la naturaleza del terreno que se encuentra en las cercanías de la estación, el AIP avisa de los posibles errores de propagación causados por edificios u otros obstáculos. En cualquier caso, estos errores no deberían de superar 1º ya que cada estación cuenta con un elemento de monitorización de la señal.

Los errores de propagación son debidos en su mayoría a la naturaleza irregular del terreno entre transmisor y aeronave. Estas irregularidades pueden crear indicaciones oscilantes en el dial de abordo. La aguja puede moverse de forma lenta (bends) o de forma rápida (scallopings).

Los VOR convencionales, llamados "CVORs" o simplemente "VORs" constan de:

un transmisor de VHF,
un sistema de antena y
una estación de monitorización

El transmisor VHF

El transmisor VOR produce la señal portadora que se reenvía al sistema para producir la fase variable. Además, la portadora está modulada con:

la identificación de la estación (código Morse de 3 letras a 1020 Hz),
la fase de referencia (30 Hz FM en una subportadora de 9960 Hz) y
la señal de voz opcional (por ejemplo, ATIS).
La potencia transmitida se ajusta al área de cobertura designada y varía de 20 a 100 vatios. La tecnología de transmisor utilizada para los VOR es la misma que para otros transmisores de VHF.

Sistema de antena

El sistema de antena de un VOR consiste en una antena dipolo horizontal con un diagrama de radiación en forma de 8 y un sistema de antena polidireccional con un diagrama de radiación circular. La superposición de los dos diagramas produce un diagrama con forma cardioide, que es comparable al diagrama cardioide producido por el sistema de antena de un ADF, excepto que en su valor mínimo no existe el nulo.

El diagrama de radiación vertical es comparable al de una estación NDB y también presenta un "cono de silencio". El Anexo 10 de la OACI establece la precisión con una elevación a 40 ° (± 50 ° desde la vertical). En consecuencia, la información radial por encima de 40 ° puede estar fuera de la tolerancia esperada y no se detecta ninguna señal por encima de la estación

Los sistemas VOR tienen también un área donde la señal se pierde. Es el conocido cono de silencio. El vuelo sobre el cono de silencio depende de varios factores: Velocidad del avión, altura y ángulo del cono.

La pregunta típica en cualquier examen para la obtención del título de piloto sería: ¿Cuánto tiempo estaríamos dentro del cono de silencio si volamos a 5000 pies de altura a 100 nudos y el ángulo ө es 50°? Los cálculos del tiempo en el cono de silencio son sencillos si se emplea un poco de trigonometría básica usando la tangente del ángulo A, tal como se muestra debajo.

Estación de monitorización

Las estaciones de monitorización aseguran una calidad de señal adecuada para mejorar la integridad del sistema VOR. Están ubicados cerca de las estaciones VOR, estas estaciones monitorizan:

Potencia y modulación de las señales transmitidas (se dispara la alarma al 15% de la señal).
caída de voltaje en el sitio de monitorización,
información del rumbo (se dispara la alarma a 1 ° en el sitio de monitorización).

Si uno de los criterios mencionados anteriormente no se cumple o la estación de monitorización falla, se transmite una señal de advertencia a un punto de control y Los componentes de identificación y navegación son cancelados y no se pueden utilizar para navegar.

Resumen sobre el VOR:

Las frecuencias son VHF (en la línea de visión) y van de 108 a 117.95 MHz.
Se clasifica como una señal A9W en la OACI
Tiene 2 ó 3 letras (al menos durante 30 segundos) en código morse para su identificación, o en su defecto voz.
La estación VOR transmite radiales
Casi todas las estaciones VOR transmiten QDR (magnético). Algunas solo QTE si la variación (declinación) magnética es muy grande.
Cuando se encuentra juntos (co-located) un VOR y una estación DME se pueden utilizar para saber la posición del avión (fixing) gracias a la información Rho (ρ) distancia y Theta (θ) rumbo.
La señal puede tener hasta cuatro modulaciones:
AM
FM
IDENT (AM)
BROADCAST (ATIS)
La señal está polarizada verticalmente.
No existe el efecto nocturno (la máxima frecuencia de propagación de una onda celeste es 30 MHz.)
El principio de operación se basa en la comparación de fases para dar un rumbo.
El diagrama polar es un LIMACOM
La precisión de la señal del VOR es de +/- 5º el 95% del tiempo
El VOR no sufre de problemas relacionados con la declinación magnética.

El equipo de a bordo

El equipo a bordo de la aeronave para la navegación VOR consiste en un receptor de radio, una unidad de control, una antena y un indicador. Debajo se muestran los instrumentos típicos montados en los aviones convencionales.

CDI (course deviation indicator) con OBS (Omni bearing selector)

Aguja VOR en un HSI (Horizontal Situation Indicator)

Aguja VOR enun RMI (Radio Magnetic Indicator)

Los aviones que están equipados con sistemas EFIS tienen la misma información que los instrumentos clásicos, pero se muestra en pantallas de tubo o LCD.

Debajo se pueden ver los pasos para obtener un radial con el sistema OBS. Al seleccionar un radial determinado, perpendicularmente a dicho radial se divide el espacio en dos zonas: TO y FROM.

Centrar el indicador CDI en el instrumento nos dice que estamos volando en el radial seleccionado.

La regla de oro para la navegación VOR:

Volar siempre hacia la estación con indicación TO y volar desde la estación con indicación FROM. Hacerlo incorrectamente puede hacer que nos perdamos.

Los sistemas VOR se utilizaban en su día para definir rutas. Debajo se puede ver una ilustración en la que dos VOR (A y B), con un error máximo de 7,5º son utilizados para definir un pasillo (airway) de 10 nm de ancho. ¿A qué distancia máxima podemos situar estas dos estaciones sin salirnos de los límites? Debajo se puede ver la solución aplicando una simple regla 60:1.

Si en 60 nm son 7,5 nm entonces 5 nm serán (60 x 5):7,5 = 40 nm. La distancia total entre los dos VOR son 80 nm.

Un problema típico con el VOR

Imaginemos una estación VOR en la posición 25ºS 15ºW e imaginemos que nuestro avión está volando en la posición 35ºS 15ºW. La variación (declinación) magnética en la posición donde se encuentra el VOR es 15ºW. La pregunta es sencilla, ¿en qué radial de dicho VOR se encuentra en ese momento nuestro avión? Para ilustrarlo y hacerlo un poco más sencillo he puesto el gráfico que sigue.

Para poder ver qué es lo que ocurre debemos tener en cuenta que:

las estaciones VOR (menos las situadas muy al Norte) se encuentran orientadas al Norte Magnético (MN).
nuestro avión y la estación VOR se encuentran en el mismo meridiano (círculo máximo)

La solución es obvia al darse cuenta de que el meridiano que pasa por el TN (True North) también coincide con uno de los radiales del VOR, tal como se muestra en la ilustración: