Sistemas de Aumentación GNSS

Las constelaciones de GPS y GLONASS no se elaboraron para satisfacer los requisitos estrictos (precisión, integridad, disponibilidad y continuidad) de la navegación por instrumentos (IFR). Una explicación breve del significado de los requisitos operacionales es la siguiente:

• Exactitud. Diferencia entre la posición estimada y la real (medición de errores).
• Integridad. Confianza sobre la información total proporcionada (alertas de no utilización).
• Continuidad. Funcionamiento sin interrupciones no programadas.
• Disponibilidad. Es la parte del tiempo durante la cual el sistema presenta simultáneamente la exactitud, integridad y continuidad requeridas.

Para garantizar que los GNSS actuales cumplan con estos requisitos en todas las fases del vuelo (desde el despegue, en ruta, hasta un aterrizaje de precisión), para el GPS y GLONASS se requiere de diversos grados de aumentación.

Existen tres sistemas de aumentación principales que se han diseñado y normalizado para superar las limitaciones inherentes a los sistemas de posicionamiento basados en satélites:

• Basado en la aeronave (Aircraft Based Augmentation System – ABAS)
• Basado en tierra (Ground Based Augmentation System - GBAS)
• Basado en satélites (Satellite Based Augmentation System – SBAS)

Para aplicaciones en tiempo real, las correcciones de los parámetros de cada satélite de las constelaciones GNSS existentes (GPS y GLONASS) deberán ser transmitidas a los usuarios a través de equipos de radio VHF (GBAS) o si se requiere una amplia cobertura a través de satélites geoestacionarios que emitan pseudocódigos con información de corrección (SBAS).

Aumentación basada en la aeronave (ABAS)

Entre los sistemas que otorgan esta aumentación a los receptores GPS están los sistemas de Receptor con Supervisión Autónoma de la Integridad (RAIM) y la función de Detección de Fallos y Exclusión (FDE). Los ABAS proporcionan la integridad requerida para utilizar el GPS/GNSS como medio único suplementario y principal de navegación durante la salida, en ruta, la llegada y para aproximaciones de precisión y no-precisión.

Aumentación basada en Tierra (GBAS)

GBAS es un término que comprende todos los sistemas de aumentación basadas en estaciones terrestres. Se diferencian de los SBAS en que no dependen de satélites geoestacionarios, debido a que el GBAS no está diseñado para dar servicio sobre amplias regiones geográficas. Más adelante se muestra un gráfico de su funcionamiento. GBAS permite aproximaciones de precisión equivalentes a las CAT-I del antiguo ILS, pero las aproximaciones de precisión no entran dentro de la filosofía PBN, por lo cual este sistema nos e trata en profundidad en este trabajo.. 

Sistema de aumentación regional basada en Tierra (GRAS)

El GRAS (Ground based Regional Augmentation System) tiene como base al GBAS y consiste en una serie de estaciones GBAS desplegadas en un área extensa (incluso continental) interconectadas entre sí por sistemas de telecomunicaciones, permitiendo contar con una aumentación SBAS de carácter regional. Australia es el país más avanzado en estos momentos en el desarrollo e implementación de este tipo de sistemas.

Aumentación basada en Satélites (SBAS)

SBAS es un término que comprende todos los sistemas de aumentación basadas en satélites que están en desarrollo actualmente, más cualquier otro que sea desarrollado en el futuro. Las principales entidades que han desarrollado actualmente sistemas SBAS son los EE. UU. (el WAAS), Europa (el EGNOS), Japón (el MSAS) y Rusia (SDCM). Se encuentran en proceso de desarrollo la India (GAGAN), y en proyecto de China (SNAS) y Latinoamérica (SACCSA). Más adelante se muestra un gráfico explicando su funcionamiento.

Integridad de los sistemas GNSS y RAIM

Integridad, como ya se ha dicho anteriormente, se refiere a la habilidad del sistema para ofrecer al piloto un aviso de fallo (dentro de unos parámetros de tiempo preestablecidos) en el cálculo de la posición de la aeronave. Dependiendo de la fase de vuelo de la que se trate, el tiempo transcurrido entre un fallo del sistema y su presentación al piloto varía. 

En las áreas de aproximación y aterrizaje, donde las operaciones se vuelven críticas por la cercanía de otros aviones y la complejidad de la operación, los tiempos deben de ser mínimos.

REQUIREMENTS	MEASURES OF MINIMUM PERFORMANCE CRITERIA TO MEET REQUIREMENTS
	ACCURACY (95%)		AVAILABILITY	CONTINUITY	INTEGRITY	TIME TO ALERT	COVERAGE**
	Horizontal	Vertical
Oceanic	10 or 4 nm***	N/A	0.99 – 0.99999		1-1x10-7//hr	N/A	N/A
Enroute	2 nm	N/A	0.99 – 0.99999	1-1x10-4/hr to 1-1x10-8/hr	1-1x10-7//hr	5 min.	N/A
Terminal	1 nm	N/A	0.99 – 0.99999	1-1x10-4/hr to 1-1x10-8/hr	1-1x10-7//hr	15 s	N/A
Non Precision Approach	220 m	N/A	0.99 – 0.99999	1-1x10-4/hr to 1-1x10-8/hr	1-1x10-7//hr	10 s	N/A
APV –I	16 m	20 m	0.99 – 0.99999	1-8x10-6/15 s	1-2x10-7 in any approach	10 s	N/A
APV-II	16 m	8 m	0.99 – 0.99999	1-8x10-6/15 s	1-2x10-7 in any approach	6 s	N/A
CAT I	16 m	6 – 4  m	0.99 – 0.99999	1-8x10-6/15 s	1-2x10-7 in any approach	6 s	N/A

From ICAO Annex 10 Vol 1 (Ref. 46) Table 3.7.2.4-1. ICAO is in the process of changing approach definitions of the APV classification and including

LPV-200 as a precision approach.

** Not Specified by ICAO, Annex 10, Vol. 1, Table 3.7.2.4-1, Signal-in-Space Performance Requirements.

*** Depends on the navigation specification (RNP 10 or RNP 4) employed in the oceanic area.

Antes de que los sistemas que aseguran la integridad de los satélites de posicionamiento (WAAS, EGNOS, etc.) fueran desarrollados, era necesario hacer esta operación antes de cada vuelo si se planeaba usar dichos satélites para la navegación, y en concreto para la aproximación al aeropuerto de destino. 

Dependiendo del receptor de abordo con el que se opere, esta operación se puede hacer accediendo a las capacidades de predicción RAIM (Receiver Autonomous Integrity Measurement). La mayoría de los sistemas FMS avanzados disponen de esta función, pero la predicción también se puede consultar a través de páginas web autorizadas. 

La legislación vigente en la mayoría de países requiere que se confirme la integridad del sistema a través de la predicción del receptor embarcado (RAIM), si no se va a usar un sistema WAAS y se planea un vuelo RNAV. La circular AC 90-100 hace referencia a lo anterior si se vuela en los USA, en Europa existe una legislación similar desarrollada por la EASA.

Con receptores embarcados que posean la capacidad WASS, la operación es totalmente diferente. La predicción de la integridad ya no se requiere a no ser que se pierda la capacidad o la cobertura WAAS. Con los receptores WAAS se puede utilizar un sistema GNSS como sistema de navegación primario. Estos receptores, que están certificados bajo normativa TSO c146 en los USA, hacen la comprobación de la integridad de forma interna ay automática. Se busca la comprobación de la posición de la aeronave y cualquier posible fallo del sistema satelital de una forma exhaustiva, ya que la certificación de estos receptores deben permitir aproximaciones con guía vertical mucho más exigentes que las aproximaciones LNAV.

Con la capacidad RAIM se asegura que la solución de posición calculada por los satélites a la vista es correcta, y también se determina con un margen de error extremadamente pequeño, que los límites de protección horizontales (HPL) según la fase de vuelo de la que se trate (2 nm en-route, 1 nm Terminal, or 0.3 nm for non-precision approaches), se pueden cumplir. Estos cálculos son automáticos (autónomos, sin intervención del piloto) y continuos (todo el tiempo), en tanto en cuanto se mantenga la capacidad RAIM. En caso de perder la capacidad RAIM el sistema debe de generar un aviso que informe al piloto sobre este hecho. Cada receptor GNSS puede hacer esto de forma distinta.

La predicción RAIM se basa en la información orbital almacenada en el almanaque de la constelación de satélites. Cuando el piloto selecciona un tiempo de llegada a un destino o waypoint, el sistema determina la posición de los satélites y nos informa de cuantos y cuales van a estar disponibles (a la vista) en el momento de la llegada.

Con esta información, el sistema calcula entonces la distancia geométrica de los satélites con respecto a la posición que ocupara la aeronave en la llegada, y podrá dar un valor de precisión estimado, que informa al piloto de la calidad del cálculo de posicionamiento, o en otras palabras, como de buena va a ser la señal y la posición calculada por los satélites cuando llegue a su destino. 

Existen diferentes algoritmos matemáticos (según los fabricantes de receptores) que sirven para efectuar la comprobación RAIM. Algunos fabricantes utilizan pseudorange measurements con 5 satélites, lo cual confiere una capacidad de detectar un fallo en el sistema. Esto es lo que se conoce como FD o Fault Detection. 

En el ejemplo de abajo se puede apreciar claramente que si combinamos 5 elementos (satélites) tomados de cuatro en cuatro, podemos formar cinco grupos de cuatro elementos. En combinatoria se expresa y se calcula con lo cual produciremos cinco cálculos de posición. En el primer grupo de cuatro satélites (color verde), no se usa el satélite número 5.

Satélites

①②③④❺

①②③❹⑤

①②❸④⑤

①❷③④⑤

❶②③④⑤

Como se puede ver, el último cálculo de posición con los satélites 2, 3, 4 y 5 en color rojo difiere significativamente del resto de cálculos. Sabemos que existe algún error, pero no podríamos decir exactamente cuál de los cuatro es el que produce la deviación. Lo único que sabemos es que el satélite numero 1 no participa en ese cálculo. Existen algoritmos más complejos. Por ejemplo, algunos fabricantes emplean cálculos sobre 6 satélites, con lo que la capacidad se incrementa para poder excluir a uno de ellos en caso de fallo y seguir manteniendo capacidad RAIM. Estamos hablando de lo que se conoce como FDE (Fault Detection and Exclusion). Con esta capacidad se puede detectar, aislar y excluir al satélite que causa errores en el cálculo y a la vez se puede seguir manteniendo la capacidad RAIM.

Resumiendo, se necesitan 4 satélites para definir la posición de una aeronave en vuelo (4 pseudoranges). 5 satélites para identificar que existe un satélite defectuoso en el cálculo, y 6 satélites para identificar y excluir del cálculo al satélite defectuoso. 

La comprobación RAIM calcula cuales son los límites de protección horizontal requeridos y sitúa a la aeronave dentro de un pequeño círculo (EPU) garantizando con una precisión del 99,99999% de fiabilidad, que la aeronave se encuentra realmente dentro de ese pequeño círculo. Estadísticamente hablando se pude decir que la aeronave sufre un riesgo extremadamente pequeño de hallarse fuera de este círculo (1 segundo de tiempo de vuelo entre 10 millones de segundos). La comprobación de los límites de protección horizontales se compara con la requerida en la fase de vuelo que se trate y en caso de ser superados los límites el sistema genera un aviso.

La integridad de los receptores WAAS/EGNOS.

En este caso no se requiere comprobar la integridad por medio de RAIM, a no se r que se pierda esta capacidad de cobertura WAAS/EGNOS. Por este motivo se requiere que estos receptores también cuenten con la capacidad de comprobación RAIM.

Una ventaja adicional de este tipo de receptores si se cuenta con cobertura WAAS/EGNOS, consiste en que además de la comprobación automática anterior, automáticamente se obtiene la comprobación de integridad vertical (VPL Vertical Protection Limit).

Los criterios para las alertas se definen en el plan horizontal y vertical (HAL y VAL), según la aproximación de la que se trate. El sistema alertara al piloto siempre que se excedan los limites (HPL > HAL o VPL > VAL).

Tipo	Guía vertical	HAL	VAL
LNAV	No	0,3 nm	No aplicable
LNAV + V	Si	0,3 nm	No aplicable
LNAV/VNAV	Si	0,3 nm	50 metros
LP	No	40 metros	No aplicable
LPV (250’)	Si	40 metros	50 metros
LPV (200’)	Si	40 metros	35 metros

Existen diferentes clases de mensajes si se exceden los valores predeterminados de alerta HAL y VAL. Por ejemplo, si la aeronave se encuentra en ruta o área terminal, existe un requerimiento con respecto a la protección lateral (HPL) de 2 millas náuticas y 1 milla náutica respectivamente. Para las aproximaciones LNAV este valor es de 0,3 millas náuticas, solo en el plano horizontal. Si el valor que calcula instantánea y continuamente la protección horizontal (lateral) HPL sube a valores por encima de los legalmente permitidos (HAL), el sistema genera una alerta.

En el caso de que se esté efectuando una aproximación con guía vertical y los valores HPL excedan los HAL, pero se mantengan los valores laterales dentro de los legalmente permitidos (por ejemplo 0,3 nm), se pude optar por degradar el tipo de aproximación y considerar una aproximación con valores mínimos más altos, como por ejemplo una aproximación de no precisión LNAV.

Ground-Based Augmentation System (GBAS/LAAS) 

En los USA el nombre que se le da a este Sistema es Local Area Augmentation System (LAAS). El término oficial a nivel mundial para este tipo de navegación es el de GBAS. 

En la ilustración inferior se puede ver en que consiste este sistema.

Tal como se aprecia, la constelación de satélites (GNSS/GPS) manda señales a la aeronave y también a unas estaciones en tierra. Las estaciones en tierra están referenciadas al centro de la tierra conocido como WGS 84. Este es el sistema de coordenadas para la cartografía aeronáutica y para los sistemas de satélites. 

En el hipotético caso de que existiera un error en la señal de los satélites, este error seria captado por las antenas de referencia y corregido en la estación de tierra. Acto seguido la señal corregida sería enviada a la aeronave por una antena especial que emite en VHF.

SBAS/WAAS

De forma parecida a lo que se comentaba apara el GBAS/LAAS, el sistema basado en aumentación por satélite se conoce como WAAS (Wide Area Augmentation System) en los USA. Tal como se parecía en la ilustración inferior, se trata de una red de antenas distribuidas por una zona geográfica muy amplia y que se conectan a una estación en tierra que se encarga de mandar una señal corregida a un satélite geoestacionario, el cual manda la señal a la aeronave.

En la ilustración inferior se muestran algunas áreas de aumentación según el sistema del que se trate, el principio de funcionamiento es equivalente en todos:

• En los USA – WASS
• En Europa – EGNOS (El sistema de satélites es Galileo)
• En India – GAGAN
• En la Federación de Estados Independientes (Rusia) – SDCM
• En Japon – MSAS
• En China - COMPASS