Sistema de Vigilancia Dependiente Automática (ADS)

Ojo artículo muy técnico

El sistema de Vigilancia dependiente automática (ADS) o Automatic dependent surveillance (ADS) es un conjunto de aparatos y procedimientos de vigilancia cooperativa para el control del tráfico aéreo. El avión determina su posición mediante un sistema de posicionamiento por satélite (GNSS) y por medio del ADS-B envía periódicamente dicha posición a otras aeronaves próximas y a las estaciones de tierra. A diferencia de los sistemas convencionales de vigilancia, en los que la posición de la aeronave se determina directamente desde la estación de tierra, con el ADS las medidas de posición se realizan a bordo, con la información de navegación, y posteriormente se envían a los centros de vigilancia.

La OACI define el ADS como “una técnica de vigilancia en la que aeronave suministra automáticamente, mediante enlace de datos, información obtenida a partir de los sistemas embarcados de posicionamiento y navegación, incluidas la identificación de la aeronave, posición 4-D y cualquier otra información adicional que sea necesaria”.

Funcionamiento

El ADS es un sistema de vigilancia, por tanto es un medio para que el control aéreo y otros aviones conozcan la posición de las demás aeronaves. Parte del principio que los aviones modernos, gracias a los sistemas de posicionamiento por satélite como GPS, Glonas y Galileo, conocen su posición con mayor precisión que la que proporciona el radar del control aéreo. La idea, por tanto, es que el avión determine su propia posición y que la envíe regularmente por radio.

El termino de vigilancia dependiente quiere reflejar que el sistema se basa en medios instalados en los aviones.

El ADS ofrece la posibilidad de:

Vigilancia basada en tierra. Por ejemplo, vigilancia de aeronaves en vuelo por sistemas terrestres. Esta es una función convencional del ATC, pudiendo complementar de esta forma a las técnicas convencionales como el radar o los informes voz.

Vigilancia del entorno. Por ejemplo, tareas de vigilancia llevadas a cabo desde la propia aeronave basándose en el ADS-B o TIS-B. Esto permitiría presentar a la tripulación directamente la información de vigilancia, mejorando la percepción que se tiene en la cabina del estado del tráfico.

Vigilancia en el aeródromo. Por ejemplo, vigilancia de los vehículos desplazándose en el aeródromo, incluidas las propias aeronaves, llevada a cabo tanto desde la torre propiamente como desde los equipos embarcados, previéndose importantes mejoras respecto a las técnicas convencionales empleadas hasta el momento.

Como se verá, el ADS permite extender el concepto de vigilancia a todas las etapas del vuelo, lo que comúnmente se denomina “gate-to-gate”, desde el primer movimiento de la aeronave en pista, pasando por las distintas fases de vuelo hasta llegar de nuevo a tierra e incluyendo el tramo de rodadura para alcanzar la puerta.

Para implantar este concepto se han definido dos técnicas de envío de información a las estaciones terrestres, el ADS-Broadcast (ADS-B), radiodifundido, y el ADS-Contract o Addressed (ADS-C o ADS-A), por contrato.

Por tanto, hay dos fórmulas de vigilancia dependiente :

ADS-B (Automatic-dependent surveillance-broadcast)
ADS-C (Automatic-dependent surveillance-contract) o ADS-A (Automatic-dependent surveillance-addressed)

El ADS-C funciona en modo conectado, quiere esto decir que hay que establecer una conexión entre el avión y la estación interesada en conocer su posición que, generalmente, será una estación de control aéreo. Conforme al "contrato" que negocian el avión y la estación de control, el primero enviará una sola vez, o periódicamente, su posición. Generalmente el ADS-C se emplea en zonas oceánicas, mediante enlaces vía satélite. Como son enlaces caros, la cadencia de emisión no es alta, por ejemplo la posición se actualiza una vez por minuto o cada diez minutos.

El ADS-B, por el contrario funciona en modo difusión, por tanto no se negocia una conexión. El avión envía regularmente su posición y otras informaciones mediante un sistema de difusión vía radio, conocido como "ADS-B out" a todos los interesados, que generalmente serán las estaciones de control aéreo, pero que también puede tratarse de otros aviones equipados con un receptor (conocido como ADS-B "in"). La cadencia de actualización de la posición depende de qué fase de vuelo se trate, por ejemplo cada 10 segundos en crucero y cada segundo en aproximación.

Por tanto, el ADS-B es algo más que un sistema de vigilancia, puesto que permite que un avión con ADS-B "in" conozca la posición de otras aeronaves que estén próximas, al menos de aquellas que también tengan l'ADS-B, todo ello con una precisión superior a la del sistema TCAS. Además, los mensajes del ADS-B no solamente tratan de la posición (en 3D), sino que difunden más información, como la identificación del avión, su velocidad, rumbo e intenciones (lista de puntos previstos de ruta).

Una de las ventajas del ADS-B es que como los aviones difunden regularmente su posición de modo omnidireccional, no es imprescindible seguirles por radar, basta una estación receptora en tierra para recibir los mensajes (estación en modo S), fórmula bastante más barata que un radar. Por esta razón, el despliegue del ADS-B es una alternativa muy interesante para aquellas zonas que no tienen radar. Si bien, para que ello sea factible habría que obligar a que todos los aviones que navegan por dichas zonas estén equipados de ADS-B.

Sistemas ADS-B (ADS Radiodifundido)

La OACI define el ADS-B como una técnica de vigilancia en la que se transmiten parámetros, tales como la posición, track y velocidad respecto al suelo, mediante un enlace de datos radiodifundido y a intervalos de tiempo específicos de tal modo que puedan ser empleados por cualquier usuario tanto en tierra como en el aire que los requiera.

El ADS-B se basa principalmente en la transmisión frecuente y regular de informes ADS por medio de un enlace de datos radiodifundido. Los informes ADS-B son enviados periódicamente por la aeronave sin intervención alguna de la función terrena. Estos informes pueden ser recibidos y procesados por cualquier receptor en el entorno de la aeronave. En el caso de una unidad terrena de adquisición de datos, el informe ADS-B se procesará junto a otros datos de vigilancia y será empleado tanto para funciones ATM como no-ATM.

El ADS-B ofrece la posibilidad del envío deinformación de vigilancia aire-aire o aire-tierra. La transmisión directa aire-aire conlleva que no sea necesaria la intervención de un segmento terrestre para la realización de las tareas de vigilancia a bordo de la aeronave. Además, el empleo de informes ADS-B procedentes de las aeronaves del entorno permite la presentación en la cabina de una imagen clara del estado del tráfico. Cabe señalar que esta aplicación de vigilancia directa aire-aire es característica del ADS-B y no es ofrecida actualmente por el ADS-C.

Los datos de vigilancia transmitidos por el ADS-B incluyen, entre otros, el identificador de vuelo, la posición, el tiempo, la figura de mérito y la categoría de emisor; aunque también se puede informar del vector terrestre, vector aéreo, maniobras inmediatas de la aeronave, radios de giro, tipo de aeronave o actuaciones esporádicas ante sucesos puntuales.

Los informes ADS-B carecen de acuse de recibo. Por tanto, la aeronave desconoce qué receptores, si es que existe alguno, han recibido y están procesando sus informes, dado que cualquier aeronave o equipo de tierra en el entorno puede recibir y procesar la información.

En este sentido, el ADS está estrechamente vinculado a la transmisión de información de vigilancia de tierra a aire, servicio conocido habitualmente como Traffic Information Service (TIS) o TIS Radiodifundido (TIS-B). En particular, para el caso del TIS-B, la estación terrena encargada de generar el mensaje no tiene conocimiento de qué sistemas están recibiendo su señal, que puede ser procesada por cualquier aeronave o estación convenientemente equipada.

Enlaces de Datos

Actualmente existen tres modos disponibles para implantar el ADS-B, si bien con diferentes grados de estandarización y validación:

La OACI tiene normalizados tres sistemas ADS-B:

el 1090ES ("1090 Mhz Extended Squitter")
el UAT ("Universal Access Transponder")
el VDL modo 4 ("VHF Data Link Mode 4")

El sistema 1090ES es una extensión de los transpondedores radar del Radar Secundario modo S, que emiten en 1090 Mhz. En los aviones equipados con modo S y TCAS, estos transpondedores pueden enviar y recibir mensajes de 56 bits, empleados en el TCAS. La modificación les permite enviar mensajes de 112 bits, suficientes para el ADS-B "out", y eventualmente recibirlos (ADS-B "in"). En tierra, las informaciones ADS-B pueden recibirse bien por un radar modo S, o por una simple antena omnidireccional, bastante más barata. Como casi todos los aviones comerciales están equipados con el TCAS, la solución 1090ES es bastante barata para dichs aviones. La cuestión es diferente para otros aviones, en particular para las avionetas privadas, para los que instalar ADS-B en 1090ES "a partir de cero" cuesta bastante.

La aeronave transmite regularmente mensajes extended squitter conteniendo información tal como la posición o la identificación. Los extended squitters son transmitidos en la frecuencia de respuesta del secundario, 1090 MHz, y pueden ser recibidos por cualquier aeronave o estación de tierra convenientemente equipadas.

En teoría también los vehículos moviéndose por la superficie terrestre podrían transmitir en Modo S Extended Squitter, si bien esta aplicación está mucho menos madura que el equipamiento de la aeronave. Uno de los principales problemas del extended squitter es que las transmisiones pueden ser confundidas con otras funciones del modo S, como la vigilancia elemental o mejorada, o con el ACAS/TCAS, que además operan con los mismos protocolos y formatos de mensaje y en las mismas frecuencias (1030 MHz para las interrogaciones y 1090 para las respuestas).

Los extended squitters son transmitidos a intervalos aleatorios con ciertas tasas medias de transmisión. La transmisión de extended squitters no está sincronizada con las transmisiones del resto de los usuarios.

En particular, se transmite la siguiente información:

Situación de la aeronave: en tierra o en vuelo (esto permite reducir el número de squitters si la aeronave se encuentra rodando en el aeródromo, con la consiguiente reducción en la saturación de frecuencias).
Posición y velocidad (2 veces por segundo).
Mensaje de identificación, que no se prevé que varíe (cada 5 segundos si está moviéndose y cada 10 si está estacionaria).
Mensajes de incidencias en caso de que sean necesarios.

El extended squitter modo S ya ha sido completamente estandarizado por OACI y EUROCAE/RTCA y os documentos pertinentes se han publicado, (SARPs y MOPS), lo que permite cualificar el equipo.

En cuanto a las prestaciones de este sistema, su alcance se establece entre 60 y 100 NM, con una capacidad de 475 aeronaves en un área similar a la de Frankfurt si se emplean técnicas de recepción mejorada.

El sistema UAT intenta paliar el inconveniente del precio. Se trata de un transpondedor concebido específicamente para el ADS-B, tanto "in" como "out", que opera en 978 Mhz. El UAT es un sistema de enlace de datos desarrollado en el marco de los proyectos de I+D del Centro para el Desarrollo de Sistemas Avanzados para la Aviación de la Corporación MITRE en Estados Unidos. Sus creadores esperan que el coste de este tipo de aparatos sea suficientemente asequible para que se instale en todos los aviones privados. Además, cubre una necesidad, también muy americana, como la de permitir implementar el servicio TIS-B (ver más adelante).

El equipo opera en una única frecuencia con una tasa de intercambio de datos de 1 Mbps. La mayoría de los ensayos se llevaron a cabo a una frecuencia de 966 MHz, si bien el equipo es capaz es capaz de funcionar en otras frecuencias (lo cual es una ventaja frente al VDL Modo 4, para el que la asignación de frecuencias puede suponer una restricción). Hay que señalar que la frecuencia anterior se encuentra dentro de la banda del DME, por lo que puede originar problemas de compatibilidad con dicho sistema.

Transpondedor y antena UAT. El principio del UAT se basa en la transmisión cada segundo de un bloque de datos del cual el 20% se reserva para la gestión interna del mismo por parte de las estaciones terrestres y el resto (lo que supone cerca de 3200 "slots") para la transmisión de mensajes ADS-B. Un algoritmo diseñado específicamente evita que diferentes mensajes empleen el mismo "slot". Este enlace de datos no requiere sincronización alguna y permite generar mensajes de 128 o 256 bits, los cuales pueden incluir toda la información requerida en el documento DO-242 de la RTCA

El sistema VDL (VHF Digital Link) modo 4 es simultáneamente un medio de vigilancia y de comunicación que funciona en la banda VHF aéronaútica (108-118 Mhz). En cuanto a la vigilancia, el VDL-4 presta los servicios del ADS-B y del TIS-B. Y en la comunicación el VDL-4 permite como el VDL-2 prestar el servicio de comunicaciones controlador-piloto CPDLC por medio de datos en ver de por voz. Tal como se dijo con respecto al UAT, el VDL modo 4 tiene un coste más asequible que el 1090ES.

El VDL Modo 4 se desarrolló en Suecia a partir del principio STDMA, Acceso Multiplexado por División en el Tiempo Auto-Organizado (Self-Organising Time Division Multiple Access), que consiste en dividir la frecuencia de las comunicaciones en múltiples slots que se asignan a los usuarios equipados para que puedan transmitir.

Con este sistema se pretende dar soporte a un amplio abanico de aplicaciones punto a punto y radiodifundidas, entre las que destaca el ADS-B. Al igual que las SARPs del Modo S, las SARPs del VDL Modo 4 también incluyen compatibilidad con la ATN, de forma que el VDL modo 4 pueda actuar como una subred de la ATN al mismo tiempo que provee informes ADS-B (y otras aplicaciones).

El VDL Modo 4 opera en la banda del Servicio Móvil Aeronáutico (en ruta), banda VHF que se extiende desde los 118,000 MHZ a los 136,975 MHz. Cada canal VDL Modo 4 ocupa 25 kHz, y el sistema opera simultáneamente con un mínimo de dos canales globales (GSC), si bien pueden definirse frecuencias locales (LSC) en función de la densidad de tráfico de cada área. En cada frecuencia y en un segundo se definen 75 slots, cada uno con un tamaño de 256 bits.

Transponedores VDL Modo 4. Básicamente, el VDL Modo 4 se basa en un enlace de datos VHF que emplea una estructura de asignación de "slots" en el tiempo para las comunicaciones. Todas las transmisiones son sincronizadas al comienzo del "slot" de forma que un usuario pueda transmitir un único informe ADS en dicho período. El enlace de datos emplea ciertos protocolos de reserva para gestionar el acceso al medio, lo que permite al transpondedor reservar un "slot" posterior para el siguiente mensaje.

Además, se diseñan para minimizar la eventualidad de que la transmisiones de dos transpondedores se interfieran mutuamente por estar produciéndose en el mismo intervalo de tiempo. Así, cada usuario tiene acceso al mapa de reservas de "slots" y se establece una estación terrestre para coordinar y optimizar el conjunto del sistema, la cual puede cancelar algunos de los "slots" asignados a aeronaves muy distantes en caso de exceso de demanda.

Por todo esto el transpondedor requiere una fuente muy precisa de referencia de tiempos para realizar la sincronización de los distintos "slots". Si bien en las SARPs no se especifica una forma de obtener dicha referencia temporal, los principales desarrollos apuntan a la utilización del GPS, o de GALILEO en un futuro, como el método óptimo para conseguir la sincronización.

Se señala que la principal limitación de este sistema se encuentra en la carencia de frecuencias en las áreas de alta densidad, ya que con una tasa de 75 "slots" por segundo no es suficiente para satisfacer la demanda. Frente a esto, la principal ventaja de este enlace de datos es su alcance, evaluado en diversos ensayos entre 140 y 200 NM.

Sistemas ADS-C

La función o estación terrena establece un contrato en el que se especifican las características de los informes transmitidos por la aeronave tales como el ritmo al que la aeronave transmite la información, el tipo de información enviada y las condiciones en que debe transmitirse la misma. Dicho contrato es iniciado por la función terrena y debe ser ratificado por el equipo ADS embarcado en la aeronave. Durante el vuelo la aeronave puede establecer simultáneamente diversos contratos con diferentes estaciones terrenas, los cuales pueden ser modificados o cancelados a lo largo del vuelo.

Existen tres tipos básicos de contrato:

Periódicos: La aeronave transmite los informes ADS-C a intervalos regulares.
Por evento: La aeronave transmite los informes cuando sucede cierto suceso. Dicho suceso puede ser, por ejemplo, un cambio en altitud o velocidad o una desviación de la ruta prevista.
A demanda: La aeronave transmite un único informe ADS-C como respuesta a una petición del ATC.

Además de los anteriores, una aeronave también puede transmitir en modo de emergencia. Dicho modo es iniciado por los sistemas de abordo y no es realmente un contrato. Así, la aeronave transmite los informes con una tasa de repetición determinada a todas las estaciones terrestres con las que tenga establecido un contrato previo.

Debido al enlace de datos punto a punto (conexión orientada), la recepción del mensaje ADS-C está garantizada y es fiable a menos que se produzca una pérdida total del enlace de datos, y aún en este caso se notificaría tal circunstancia al emisor. Por tanto, el usuario del ADS-C tiene la certeza de que o bien los datos serán entregados o bien será notificado del posible fallo en las comunicaciones.

Como ya se ha comentado, los informes ADS-C consisten en un grupo ADS básico al que se le pueden añadir otros grupos opcionales. Dicho grupo básico contiene:

Longitud/Latitud
Altitud
Tiempo
Figura de mérito

En algunos casos también incluye la identificación de la aeronave, si bien ésta no es propiamente parte del grupo básico.

Por su parte, entre los datos opcionales se suele suministrar el perfil proyectado, vector tierra, vector aire, información meteorológica, maniobras previstas y perfil proyectado extendido.

Las primeras implantaciones del ADS-C se han basado en las comunicaciones por satélite como forma de conseguir el enlace de datos, puesto que el principal beneficio del ADS surge en aquellas áreas en las que se carece de infraestructura de vigilancia, por ejemplo áreas oceánicas o continentales con escasa densidad de tráfico y escasez de infraestructuras disponibles en tierra.

Aunque es técnicamente posible que el ADS-C sea usado para proporcionar informes de posición en TMAs muy colapsados y en superficie de aeródromo, el estado actual de los enlaces de datos disponibles hace que no sea por el momento un método factible, puesto que la capacidad es insuficiente para satisfacer los elevados requisitos de velocidad de información impuestos por el TMA y el control en superficie.

Por tanto, no parece probable que el ADS-C sea empleado para el movimiento en superficie en un plazo intermedio, restringiéndose sus aplicaciones a aquellos casos en que se requieran bajas cadencias de refresco de la información (áreas de baja densidad de tráfico).

Finalmente se señala que el ADS-C puede ser implantado al mismo tiempo que otras técnicas de enlace de datos, en particular el CPDLC (Comunicaciones por Enlace de Datos Controlador-Piloto). De hecho, OACI prevé que el ADS-C tenga como principal soporte las comunicacionesvoz y vía enlace de datos controlador-piloto.

Enlace de Datos

Actualmente existen dos implantaciones del ADS-C: el FANS-1/A, desarrollado por la industria aeronáutica, y el ADS-C de OACI, cuyo impulsor es esta última organización.

FANS-1/A

Con este término se hace referencia a los estándares desarrollados por la industria para la implantación del ADS-C. Tiene su origen en el FANS-1, desarrollado por Boeing, y en el AIM-FANS de Airbus, generalmente conocido como FANS-A.

El FANS-1/A se basa en el enlace de datos ACARS (Aircraft Communication Addressing and Reporting System) y puede hacer uso de cualquiera de las subredes móviles del mismo, como satélite, VHF o HF. Se destaca que el ACARS no es un sistema de nueva implantación, sino que lleva más de 20 años en operación, y es habitualmente empleado por las líneas aéreas para diferentes propósitos, puesto que suministra enlaces de datos tierra-tierra y aire-tierra.

Actualmente existen dos proveedores de servicios ACARS: ARINC, que opera en los Estados Unidos y China, y SITA, cuyo principal ámbito de acción es Europa y el resto del mundo.

El FANS-1/A ha sido ampliamente probado por muchos estados y actualmente ya se encuentra operativo en el área del Pacífico Sur.

ADS-C de OACI

Los estándares de OACI establecen como base para fundamentar la implantación del ADS-C la Red de Telecomunicaciones Aeronáuticas, ATN. Así, se prevé que pueda usarse cualquiera de las subredes móviles ATN disponibles para la aeronave y el segmento terrestre, de ahí que este sistema se conozca también como ATN ADS-C. Aunque esta aplicación es bastante similar al FANS-1/A, debe destacarse que no son idénticas.

Por el momento OACI ha definido las siguientes subredes móviles ATN: Satélite (AMSS), VHF (VDL modos 1 y 2), Modo S y HF, si bien está previsto que en un futuro se definan más.

Los estándares empleados para implantar el ADS-C se definen en las SARPs de OACI (Standard and Recommended Practices) en las que se encuentran las normas para aplicar el ADS y las especificaciones para el sistema de comunicaciones ATN y sus subredes. Dichas SARPs presentan la garantía de tener como soporte importantes estándares de la industria como los MOPS (Minimun Operational Performance Standards).

Implementaciones

En los EEUU el ADS-B es el fundamento de su "next generation air transportation system" ("nextGen"). La política de la FAA es utilizar el 1090ES en los vuelos comerciales y el UAT en los demás aviones. La FAA está desplegando (2009) una red de estaciones ADS-B (mixtas 1090ES y UAT) en todo su territorio.
En Europa aún no se ha decidido el soporte físico, pero las pruebas en curso (Eurocontrol, Francia, Alemánia, Bélgica,...) se han centrado en el 1090ES, puesto que basta una ligera modificación del software de los radares modo S para que sirvan como estación receptora ADS-B. El VDL modo 4 se emplea sobre todo en Suecia, y por algunas compañías aéreas. No hay que olvidar que Europa está bien cubierta por radar y la implementación del ADS-B es menos urgente que en los EE.UU.
En China se está instalando un sistema ADS-B que cubre el centro del país, basado en UAT.
En Australia se está instalando el ADS-B en 1090ES, comenzando por las zonas de la costa ( 18 estaciones operativas en diciembre 2008)
La OACI ha normalizado el 1090ES y el VDL modo 4.

Aplicaciones

La primera aplicación es la vigilancia : los datos ADS-B son bastante más precisos que los del radar, puesto que su precisión es la del GNSS. Sin embargo, se cuestiona su integridad, dado que no es suficiente tener una posición precisa, además hay que saber cuando este dato puede ser incorrecto (como consecuencia de parásitos o interferencias, de problemas de recepción del GPS en los aviones, etc.). Un problema complicado es la determinación de la separación entre aviones en el control aéreo. Además, durante un tiempo razonable habrían de coexistir ambos sistemas, radar y ADS-B, puesto que cada uno de ellos tiene diferente precisión e integridad. Finalmente, en las zonas cubiertas por el ADS-B y no cubiertas por radar, los controladores solamente verían los aviones con ADS-B.

Una segunda aplicación del ADS-B, empleando el modo de funcionamiento "in", es el ATSAW (airbone traffic situation awareness), que permite que el piloto tenga una imagen precisa del tráfico aéreo de sus cercanías. Los principales promotores de esta aplicación son los EE.UU, que permitiría, al menos en teoría, un paso hacia el "free flight". En Europa, se considera que el ATSAW es un caso particular del ASAS ("Airborne Separation Assurance System", asistencia a la separación en navegación), un concepto francés retomado por Eurocontrol y la OACI, que va más allá de la visualización del tráfico, considerando, por ejemplo, que los controladores deleguen la separación a los pilotos. Son conceptos teóricos que se están poniendo a prueba en el marco del proyecto europeo [SESAR] de Eurocontrol.

Un problema que tiene el ADS-B "in" es que los pilotos únicamente evn aquellos aviones que estén equipados con ADS-B. Por esta razón la FAA ha desarrollado un servicio titulado TIS-B que permite que la estación de tierra difunda la posición de aquellos aviones que no están equipados con ADS-B pero que se ven desde el radar. Sería algo similar a si los pilotos tuviesen una imagen radar a bordo. Solamente los EE.UU. promueven este servicio, en sustitución del antiguo TIS que se está desmontando y era apreciado por los pilotos.

En paralelo, los EE.UU están desarrollando la aplicación FIS-B (flight information service using ADS-B) que permitirá trasnmitir a los pilotos informaciones meteorológicas y aeronaúticas.

Dado que el ADS-B aporta informaciones más precisas que el TCAS, podría emplearse para mejorar a este último e incluso para concebir un nuevo sistema anticilisión embarcado.

Finalmente, el ADS-B no está encriptado, lo cual implica que cualquiera que disponga de un receptor ADS-B puede seguir el tráfico aéreo, lo cual puede plantear problemas de seguridad. Lo mismo se podría pensar a bordo, como ejemplo de ello en los EE.UU. se está debatiendo la posibilidad que un avion pirateado que conozca el tráfico próximo se dirija hacia otro avión en vuelo.