El sistema de gestión de vuelo FMS

El FMS se puede describir como un complejo sistema integrado que puede ayudar al piloto a tomar la mejor decisión con respecto a muchos parámetros diferentes ya que cuenta con gran cantidad de información proveniente de múltiples sensores y bases de datos internas.

Debajo se puede ver el diagrama de un sistema de gestión de vuelo típico. Los sensores y una gran cantidad de sistemas mandan los inputs al FMC o módulo de cálculo. Este efectúa las operaciones necesarias que son presentadas al piloto de diversas formas. El piloto entonces decide cómo aplicar los resultados al sistema de control de vuelo. Cuanta automatización y de qué forma es algo que veremos más adelante. El diagrama muestra el sistema típico de los Boeing 737-400. La integración con el resto de los sistemas se logrea conectando el módulo de cálculo o FMC con los sistemas de vuelo automático. 

RNAV según la definición en inglés es:

"A method of navigation which permits aircraft operation on any defined flight path within the coverage of referenced navigation aids or within prescribed limits of self contained aids. RNAV operations support navigation in any airspace without the need to fly directly over ground based aids. Aircraft P-RNAV equipment automatically determines aircraft desired flight path by a series of waypoints held in a database".

Básicamente es un equipo capaz de navegar en cualquier dirección dentro del radio de acción de las señales de radioayudas terrestres, satelitales o las internas ("self-contained"), que no son otra cosa que los sistemas autónomos como el INS/IRS o el Doppler. Los sistemas Doppler y el INS son muy antiguos y ya no se utilizan en los aviones comerciales modernos. Además de lo anterior, el FMS puede crear y sobrevolar puntos de posición o puntos de ruta que normalmente están almacenados en una base de datos.

Con esta información el sistema puede calcular cosas tan importantes como el gasto de combustible, la posición, la capacidad de ascenso, la potencia de los motores, etc. Además de esto el sistema puede hacer predicciones basadas en datos introducidos por el piloto y puede, gracias a su base de datos, calcular la posición actual del avión, la distancia y tiempo el tiempo a un punto determinado, etc., etc. Las tres funciones básicas de un moderno sistema de Gestión de Vuelo son:

Navegación

1. Planificación de vuelo
2. Cálculo de performance 

La navegación FMS

La navegación con el FMS puede ser:

• lateral o LNAV (en el plano horizontal)
• vertical o VNAV (en el plano vertical)

En su faceta de gestor de navegación en el plano horizontal, el FMS se basa en la integración de diversos sistemas de aviónica para tratar de contestar a dos preguntas básicas:

1. ¿Dónde estamos?
2. ¿Dónde queremos ir?

La primera pregunta implica poder fijar nuestra posición en el espacio y es requisito indispensable para poder contestar la segunda, pues difícilmente sabremos cómo podemos llegar a algún sitio sin saber de antemano donde estamos en este momento. Nótese que estas dos preguntas son la base de lo que llamamos Planificación de vuelo (Flight Planning) y Navegación. Para poder fijar nuestra posición en el espacio podemos emplear distintos métodos. Podríamos empezar por clasificar estos métodos según el alcance de las radioayuda empleadas.

Sistemas de corto alcance (short range):

• VOR
• DME

Sistemas de largo alcance (Long range):

• IRS
• GPS

Sería posible fijar nuestra posición en el espacio usando muchos otros métodos, como por ejemplo NDB/ADF en corto alcance y LORAN-C, OMEGA, o cualquier otro sistema hiperbólico para largo alcance. Ninguno de estos últimos se usa en los modernos aviones comerciales debido a su baja precisión (NDB) o por resultar obsoletos (OMEGA). Los sistemas de corto alcance dan lugar a la combinación de distintas radioayudas para poder calcular la posición de la aeronave. De esta manera podemos usar:

• VOR/VOR (También llamada navegación Theta-Theta - θ/θ)
• VOR/DME (También llamada navegación Rho-Theta - ρ/θ)
• DME/DME (También llamada navegación Rho-Rho - ρ/ρ)

Estos son los sistemas que usamos en la llamada navegación de área (RNAV) y es por ello por lo que nuestro FMS puede ser considerado como un complejo sistema RNAV. No obstante, el FMS hace uso de muchos otros sistemas como veremos más adelante, por lo que es considerado mucho más que un sistema RNAV. En las ilustraciones que siguen podemos ver las distintas formas re-calcular nuestra posición con sistemas de corto alcance.

La función de navegación lateral del FMS puede hacer cálculos de posición relativos a radioayudas sencillas o combinadas. Con las bases de datos también puede calcular la posición geográfica.

El diagrama polar de radiación de una estación DME se representa por un círculo, pues es omnidireccional. Cuando se usan dos estaciones DME (Rho/Rho navigation) puede existir cierta ambigüedad, ya que a veces existen dos puntos de corte en los círculos que generan dos posiciones distintas. Ver ilustración. La ambigüedad se puede resolver gracias a otros sistemas.

Una de las cosas que más importan a la hora de calcular la posición real de la aeronave, es contar con la mejor geometría posible entre estaciones. En la ilustración inferior se puede ver como el cruce de radiales de dos estaciones VOR (casos A y B representados con hexágonos) puede generar dos áreas muy diferentes de incertidumbre. 

El caso B genera un área muy grande de incertidumbre al cortar los radiales seleccionados con un ángulo diferente a 90°. El caso A es el mejor posible ya que ambos radiales se cruzan ortogonalmente (90°), el error en este caso es el menor posible. En la navegación con estaciones DME (representadas por cuadrados) la situación con menos error de posición también sería un cruce ortogonal de dos estaciones DME (caso C). La estación DME tiene menos errores intrínsecos que la estación VOR. El área coloreada es la incertidumbre debida al error de la radio ayuda utilizada y la forma de obtener la posición.

El sistema FMS está diseñado para poder calcular la posición con las geometrías correctas. Por ejemplo, cuando usamos dos estaciones VOR podríamos cruzar radiales en cualquier punto (B), pero solo hay una posición donde el área de error es mínima (A). El sistema VOR/VOR no se utiliza normalmente como modo de calcular la posición del avión, ya que los errores son muy altos. 

En su lugar, los modernos aviones comerciales suelen utilizar una combinación DME/DME cuando sea posible. Con este sistema de cálculo de posición se obtienen mínimos errores (el GPS es todavía más preciso). Según la legislación en vigor (OACI) la precisión del VOR depende de su principio de funcionamiento (puede ser convencional o Doppler -mucho más precisa-), pero en ningún caso debe de ser mayor de +/-5°, mientras que el sistema DME según la misma legislación, el error debe de ser un máximo de ½ milla náutica o 3% lo que sea mayor.

Si la precisión es buena el piloto puede ordenar al FMS que calcule cualquier otro tipo de ruta alternativa, incluso podemos volar de forma paralela sin ningún tipo de problema, es lo que se conoce como OFFSET, tal como se ve en la ilustración. Esta técnica de volar OFFSET es muy útil cuando la ruta principal que queremos volar se encuentra saturada de tráfico. En el sistema de gestión de vuelo de un moderno avión comercial puede crear rutas mediante la inserción de los conocidos waypoints o puntos de ruta. 

Estos pueden ser introducidos manualmente por los pilotos o bien cargados como datos desde la base de datos de la compañía o cualquier otra base de datos disponible. El formato para introducir los waypoints es diferente en función del tipo de waypoint que se desee crear, pero todos están basados en la filosofía P/B/D (Place/Bearing/Distance). Este suele ser el método estándar para definir un punto de ruta. El sistema es muy flexible ya que no posibilita poder crear waypoints siempre y cuando le digamos al sistema el lugar, el rumbo y la distancia. Si el waypoint es un aeropuerto o cualquier otro waypoint que se encuentre en la base de datos del gestor de vuelo, entonces basta con escribir su identificación. En el caso de los aeropuertos esta identificación consiste en el código ICAO de cuatro letras (LSZH para Zurich, LEMD para Madrid, etc.).

Si deseamos crear un waypoint que no se encuentre en la base de datos del sistema entonces podemos hacerlo de varias formas diferentes. Se puede introducir su latitud y longitud en caso de que la sepamos o bien se puede recurrir al típico formato P/B/D antes comentado. En la ilustración inferior se puede ver una ruta directa entre dos puntos gracias a los waypoints creados con radioayudas convencionales. El waypoint 1 toma la frecuencia del VOR/DME Alpha (114.0) como lugar "place", el radial 180 como "bearing" y 20 millas náuticas como "distance". 

La línea magenta muestra como la ruta calculada por el FMS es mucho más corta con esta técnica si la comparamos con la ruta convencional de estación en estación. El primer waypoint es de color magenta sólido porque es el primero de todos los que pretendemos volar. En la ilustración siguiente se pueden ver los cálculos que produce el FMS para determinar la posición del avión con respecto a la estación (distancias y ángulos).El waypoint creado es la estrella de cuatro puntas azul. En este caso, este waypoint está definido por la estación y los cálculos son realizados automáticamente por el FMS.

Estos cálculos se pueden realizar con cualquier tipo de estación o cualquier waypoint. Nuestro waypoint de referencia no tiene por qué ser necesariamente una estación VOR para poder volar un radial determinado. Podremos volar incluso un radial desde un aeropuerto, por ejemplo. Cuando el avión vuela radiales FMS en vez de VOR, evita los errores inherentes asociados a estos transmisores.

El sistema de posicionamiento global (GPS) o el cálculo de posición DME/DME junto con el sistema IRS es muchísimo más exacto que el de la navegación VOR. Por este motivo el FMS produce un cálculo de posición basado en un algoritmo matemático que contempla todos estos sistemas, pero que pondera al GPS más que al resto. 

El resultado es la obtención de un fijo con una exactitud extraordinaria. En la ilustración inferior se muestra el tamaño del error (área gris) que se produce volando una sola estación VOR de forma convencional con un sistema de navegación de área tradicional. Como se puede apreciar el error máximo se obtiene al volar directamente hacia un waypoint desplazado 100 NM. Incluso en el mejor de los casos si volamos hacia el VOR siguiendo el radial 090° (TO) tendremos un error que se incrementa de forma considerable con la distancia a la estación (+/- 5.5 NM a lo largo del radial 180°). Recuérdese que el error del sistema VOR dependiendo de si se trata de un VOR convencional o de un VOR del tipo Doppler (más moderno) este entorno a los +/-5° según la legislación. Esto no es aceptable en un sistema moderno donde la precisión es fundamental.

Para evitar estos errores, un FMS moderno trata a la estación VOR simplemente como si fueran un waypoint (todos los VOR se encuentran en la base de datos del FMS) y de esta forma no se vuelan las emisiones de VHF que se emiten desde la estación. La aviónica del sistema simplemente vuela “radiales virtuales” creados por el sistema de gestión de vuelo (FMS). Estos “radiales” virtuales son el resultado de calcular la posición casi exacta del avión con respecto a la estación-waypoint. 

El resultado es que podremos volar estos radiales de forma casi milimétrica incluso a grandes distancias. Otra ventaja de volar radiales creados por el FMS es que estos no sufren de ningún tipo de anomalía basada en la emisión de la estación o cualquier otro tipo de errores propios de la navegación VOR (Escaloping, reflection, etc.).

Otros libros del Blog: