TCAS/ACAS y Transponder

El TCAS (Traffic Collision Avoidance System) es el sistema que se diseñó para poder determinar el rumbo, altitud y distancia de otros aviones cercanos equipados con transponder modo S. La palabra ACAS significa airborne collision avoidance system y representa el concepto general en el que se encuentra el sistema TCAS. Simplificando las cosas se puede decir que el concepto ACAS abarca todos los diferentes sistemas TCAS que los fabricantes ofrecen en el mercado.

El TCAS monitoriza continuamente el tráfico potencialmente peligroso. El TCAS predice los movimientos basado en cálculos de velocidad, altitud y posición y genera un aviso en caso de que exista peligro de colisión. Para facilitar la labor del piloto el TCAS genera señales para guiar la maniobra evasiva. Es posible coordinar los movimientos evasivos con los otros aviones si estos están equipados con transponder modo S.

En el EMBRAER 170-190 el diseño del interfaz con el TCAS es extremadamente sencillo. La presentación se produce en el mapa del MFD y en caso de fallo del MFD se puede ver también la información en el PFD. Los avisos de resolución (Resolution advisories) se indican en la parte central del PFD y en el variómetro. En la ilustración que se muestra a continuación se puede apreciar la parte central del PFD donde se puede ver el área verde rectangular que es el área sin peligro a la que hay que dirigirse para evitar el choque. Nótese que el símbolo del FPA (Flight Path Angle tratado en otro post) se encuentra precisamente dentro de ese rectángulo verde. Al mismo tiempo el variómetro en la parte derecha nos indica el grado de ascenso que debemos de conseguir para evitar el conflicto. El procedimiento siempre es el mismo, se trata de desconectar el piloto automático y volar manualmente para tratar de mantener la aguja en la indicación verde. La parte roja significa riesgo alto de colisión.

En el siguiente vídeo se puede ver el simulador del EMBRAER 190 y como se muestra la información al copiloto. Se puede ver ene l mapa un circulo amarillo que indica la proximidad de un avión, que más tarde se convierte en un cuadrado rojo.

La interfaz desde la unidad MCDU es muy sencilla. Todo el manejo del TCAS se efectúa desde la pagina RADIO de la unidad. Esto se puede ver en la ilustración que sigue.

En la página de opciones se accede a un segundo menú donde se pueden seleccionar diferentes cosas, como por ejemplo su integración con el sistema ADS-B (Para leer más sobre ADS-B y FANS ir al artículo del blog aquí) , el test para comprobar la integridad del sistemas, etc.

El principio de operación del TCAS se basa en el principio de funcionamiento del transponder, o lo que es lo mismo, del radar secundario. En este tipo de sistemas siempre existe un interrogador y un elemento que responde a la interrogación. El principio del transponder es sencillo, se lanza una señal radioeléctrica en forma de pregunta digital. Esta señal se recibe en el avión que evalúa la señal y acto seguido genera una respuesta. Como se aprecia en las ilustraciones el interrogador siempre lanza la pregunta en una frecuencia de 1030 MHz y el avión que la recibe en esa frecuencia genera una respuesta en los 1090 MHz.

En la ilustración de abajo se puede ver el principio de operación del radar secundario.



Esto es lo que normalmente ocurre cuando funciona nuestro transponder para propósitos de identificación ATC. El Interrogador es la estación terrestre y nosotros respondemos a las preguntas. El controlador ve un punto o una traza en la pantalla generado por el rebote de una señal del sistema de radar primario (la antena parabólica en la ilustración de arriba) y junto a esa señal, el radar secundario es el que ofrece la información asociada al punto. en la foto que sigue se ve la traza (que nos indica el rumbo que sigue la aeronave) y la información asociada: identificación del avión (ID), la altitud, la velocidad y el equipamiento.

En el sistema TCAS es nuestro avión el que se convierte en interrogador y los otros aviones los que responden a nuestras preguntas, de la misma forma otro avión puede preguntarnos (interrogarnos) y entonces nosotros respondemos. Por lo tanto el sistema TCAS es totalmente independiente del control de tráfico aéreo, o si se prefiere el TCAS es un ATC embarcado.

El EMBRAER 170-190, como la mayoría de los aviones comerciales modernos, está equipado con dos transponders, pero el sistema TCAS solo utiliza uno de ellos (puede ser cualquiera de los dos) mientras que el otro actúa de reserva. Nuestro avión puede interrogar a otros aviones equipados con transponder mode A, mode C y mode S, aparatos sin transponder no aparecerán en nuestra pantalla.

Las capacidades de detección del TCAS dependen del tipo de transponder embarcado en las otras aeronaves. Si la otra aeronave no esta equipada con transponder entonces no podemos "verla". Las aeronaves equipadas con otro transponder modo S coordinan las maniobras evasivas automáticamente. Aeronaves equipadas con el modo A solo generan TA. No hay información de altura, solo rumbo.

Cada avión cuando se construye tiene un código ICAO propio para propósitos de identificación (Aircraft ID), este código viene a ser como una dirección de correo electrónico, que es única e identifica a su propietario. Con este código se transmite la pregunta digital y la altitud entre otros muchos parámetros. La pregunta seria algo así como ¿cual es la distancia entre tú y yo?


Como la señal viaja a la velocidad de la luz podremos saber la distancia si sabemos el tiempo que ha tardado la señal en ir hasta el objetivo y volver en forma de respuesta. Con esta información nuestro ordenador generara unas indicaciones que podremos ver en pantalla. Los códigos de colores de los aviones que nos rodean son los que se pueden ver en la ilustración. En otros modelos de aviones se pueden encontrar iconos de color blanco para "other Traffic" y para "Proximate traffic", siendo la forma exactamente igual (rombo).

La señal que se genera cuando respondemos a una interrogación es en realidad una serie o secuencia de pulsos radioeléctricos que contienen una información determinada. Para entender como funciona la señal nos referiremos a la forma más sencilla, que es la que se produce cuando usamos el transponder en la unidad MCDU. Después de recibir por parte de los controladores ATC la tradicional fraseología “SQUAWK 2573” insertamos estos números en la pagina de RADIO en la unidad MCDU (en el panel de control del transponder en otros aviones). Si el transponder esta activo inmediatamente comienza a transmitir esta información. Dicha información se encuentra contenida dentro de un par de pulsos radioeléctricos conocidos como marco (frames), que sirven para indicar a los controladores el tipo de transponder que estamos usando. En el transponder modo A (alpha, solo identificación) existe una separación entre pulsos (frames) de 8 microsegundos. En el transponder modo C (Charlie, identificación y altura) los frames están separados por una distancia de 21 microsegundos.

Dentro de estos pares de pulsos viaja el resto de la información que se utiliza para ver nuestra posición y altura en las pantallas del RADAR ATC. En la ilustración inferior se puede ver la cantidad total de pulsos que viajan dentro de los dos frames y con los que se puede generar códigos del orden de 8 elevado a la cuarta potencia (84=4096 códigos diferentes de cuatro dígitos). Dentro de los frames se encuentran 12 pulsos con los que podemos formar combinaciones de números. Recuérdese que los valores que se pueden insertar en el transponder varían de 0 a 7, siendo este un sistema octal (en base 8) o en otras palabras calculado en función de 8 dígitos solamente. Es decir, cualquier pulso intermedio dentro de los frame puede tomar valores 4, 2 o 1. Con estos valores podemos construir todos los dígitos de un sistema en base 8. (4+2+1=7) (4+2=6) (4+1=5) (4=4) (2+1=3) (2=2) (1=1) Ausencia de señal=0. A continuación se muestra la estructura de pulsos que conforma la señal.

Los pulsos dentro de los "frames" son 12 en grupos de tres, que nos ayudaran a generar cualquier combinación de números dentro de las 4096 posibles. Nótese que los pulsos no son correlativos dentro de los frame, sino que se alternan para crear los diferentes números. Tal como se muestra en la ilustración siguiente.

Cuando ATC nos pide pulsar el botón de IDENT (identificación), lo que en realidad ocurre es que estamos generando un pulso extra al final de la combinación de pulsos, con lo que los controladores pueden ver en pantalla nuestra posición claramente. Este pulso extra hace que nuestra posición sea resaltada sobre el fondo durante unos segundos.

Los mensajes que genera el sistema TCAS son los que se pueden ver en la tabla.

El sistema TCAS genera aviso basados en el tiempo y en la rapidez de acercamiento que tendría una aeronave al penetrar un área virtual que rodea nuestro avión. En la ilustración inferior se ve un avión detrás del nuestro (está muy cerca), pero que no genera peligro porque se desplaza muy despacio considerando el movimiento relativo al nuestro. Los aviones que vienen de frente se acercan mucho más rápido y son un peligro potencial. 

Si el intruso penetra en el área exterior, se genera un aviso de trafico (representado por un circulo ámbar en nuestra pantalla o lo que es lo mismo, de 35 a 45 segundos a un punto de posible contacto). Si el intruso penetra en el área de 20 a 30 segundos se genera un aviso de resolución representado por un cuadrado rojo.

Es importante darse cuenta de que el TCAS no puede detectar otros usuarios sin transponder.

Instalación básica del TCAS

El sistema se compone de 3 elementos básicos:

• Computador: Centraliza, calcula y gestiona las funciones de vigilancia, rastreo, detección, maniobras evasivas y generación de avisos entre otros.
• Antenas: Dispone de dos antenas, independientes a la antena del transpondedor, situadas una en la parte superior y otra en la parte inferior de la aeronave.
• Panel de control: Interface entre el piloto y el sistema. Consta de una pantalla donde se muestran los tráficos detectados (en aviones modernos este dispositivo está integrado en la pantalla de navegación conocida como glass cockpit. Además consta de botones para seleccionar diferentes modos de funcionamiento, variar el rango y diferentes opciones de mostrar la información.

Además cabe destacar que este sistema también va conectado al altímetro, al radioaltímetro y si está disponible con el Modo-S. En la ilustración inferior se puede ver un diagrama clásico y sus componentes principales .

Indicaciones 

Las indicaciones clásicas del TCAS se pueden ver a continuación en un variómetro tradicional. La flecha junto al símbolo indica que el intruso está ascendiendo o descendiendo. Los números nos dicen la altura relativa con respecto a nosotros. En la imagen del variómetro se muestra un tráfico ascendiendo que se encuentra por encima de nosotros 1.100 pies. Los números son positivos y se encuentran por encima del símbolo cuando el intruso está por encima de nuestro avión. En caso contrario los números se encuentran situados debajo del símbolo y son negativos.

El  ordenador del sistema TCAS calcula el tiempo hasta el CPA (Closest point of Approach), que es el punto donde los dos aviones se van a encontrar en su punto de mayor proximidad (puede haber contacto -colisión- o no). 

Es el grado de acercamiento lo que realmente importa. En la ilustración inferior se muestran dos tráficos que vuelan hacia nosotros. En el caso del C-130 Hercules, al tratarse de un turbohélice y ser más lento, el ordenador del TCAS lo considera nivelado a nuestra misma altura y nos dice que pasará por nuestra izquierda, pero lo representa como un diamante solido en blanco, menos peligroso que el Boeing 707. 

El Boeing 707 se aproxima desde abajo, pero es un avión más rápido y su grado de aproximación en cuanto a distancia y altitud lo hacen más peligroso (circulo amarillo). En la imagen de abajo se muestran dos A320 y como el ordenador de abordo le indica al de la izquierda que suba para evitar el conflicto con el otro que viene en vuelo nivelado.

Para evitar falsos avisos, sobre todo en las cercanías de los aeropuertos muy congestionados, el sistema TCAS incorpora un algoritmo matemático complejo que por medio de la lógica considera no problemáticos a los aviones que se encuentran en las proximidades, pero cerca del suelo.

El panel tradicional de control se muestra a continuación.

En el panel de control se pude seleccionar la opción de que el avión escanee a nivel (+/- 2.700 pies), por encima hasta los 9.700 pies (para el ascenso) o por debajo hasta los 9.700 pies (para el descenso).

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