miércoles, 23 de marzo de 2016

RAIM y FDE

-Ojo, artículo muy técnico-

Jesús, uno de los lectores de este blog, me ha hecho unas preguntas interesantes sobre la función FDE (Fault Detection and Exclusion). Tenía la duda de si esto era parte del sistema RAIM o no. La respuesta corta es si (...y no). Depende del fabricante del receptor. En nuestro caso, el Embraer 190 equipado con el sistema Honeywell, si disponemos de esta y de muchas otras capacidades que ahora voy a mostrar.

Artículo de referencia donde se plantean las preguntas:




RAIM

El RAIM quiere decir Receiver autonomous integrity monitoring. Es un tipo de aumentación de la seguridad de la señal del sistema de navegación por satélite (GNSS). Existen muchos otros sistemas que hacen lo mismo, pero el RAIM se engloba dentro de los que se conoce como sistemas embarcados o ABAS (Airborne Based Augmentation System). El RAIM valora la integridad del sistema que nos proporciona el sistema de satélites, como el GPS. Para facilitar las cosas, nos vamos a referir solamente al sistema GPS, aunque existen muchos otros sistemas de posicionamiento global.

En principio se considera que la función RAIM está disponible en cualquier momento y en cualquier parte del mundo si la constelación del GPS está formada al completo por los 24 satélites y todos ellos se encuentran operativos. Si existe degradación del sistema y 23 satélites o menos están operativos, entonces es imperativo comprobar si se dispone de capacidad RAIM por medio de software especializado y aprobado por las autoridades de aviación civil.


El RAIM detecta fallos en las mediciones de pseudodistancia del GPS. Es decir, cuando tenemos más satélites de los mínimos que se necesitan (4) para calcular nuestra posición, los pseudo rangos o pseudosistancias adicionales calculadas por los satélites "extra" deben estar en consonancia con la posición calculada por el mínimo. Un pseudo rango que difiera significativamente del valor esperado (es decir, un valor atípico) puede indicar un fallo del satélite asociado u otro problema de integridad de señal (por ejemplo, la dispersión ionosférica). Tradicionalmente el sistema RAIM utilizaba la detección de fallo (FD) solamente, sin embargo los nuevos receptores GPS que equipan a los modernos aviones comerciales incorporan el sistema detección de fallos y de exclusión (FDE) que les permite seguir funcionando en la presencia de un fallo en el GPS.

El RAIM proporciona supervisión de la integridad del sistema de posicionamiento GPS. Para que un receptor GPS pueda realizar la función de detección de fallos (FD) con el RAIM, se necesitan un mínimo de cinco satélites visibles con una buena geometría. El RAIM tiene diversos tipos de funcionalidades; uno de ellas el la de realizar comprobaciones de coherencia entre todas las soluciones de posición obtenidas con distintos subconjuntos de satélites visibles. El receptor proporciona una alerta al piloto si las comprobaciones de coherencia fallan.

La disponibilidad de la función RAIM es un problema importante en navegación aérea. Debido a la geometría y el mantenimiento de servicios por satélite, el RAIM no siempre está disponible. Esto es porque la antena del receptor capta menos de cinco satélites en algunas ocasiones. Recuérdese que para posicionamiento solo se necesitan 4, pero para el RAIM el mínimo es 5. La disponibilidad de satélites es un indicador de rendimiento del algoritmo RAIM (cuantos más mejor). La disponibilidad es una función de la geometría de la constelación de satélites a la vista y de otras condiciones ambientales, como la ionosfera. 



La detección de fallos y la exclusión

Una versión mejorada del RAIM que se emplea en algunos receptores tiene una función que se conoce como la detección de fallos y la exclusión (FDE). Para poder utilizar esta función se deben de tener un mínimo de seis satélites a la vista, no sólo para detectar un satélite defectuoso (FD), sino también para poder excluirlo de la solución de navegación (FDE). En estas condiciones y aún excluyendo a uno de los satélites la función de navegación puede continuar sin interrupción. 

El objetivo de la detección de fallos es detectar la presencia de un fallo de posicionamiento. Tras la detección de un problema, se efectúa la exclusión del satélite causante del fallo determinando el origen del fallo pero sin identificar necesariamente la fuente individual causante del problema, lo que permite continuar la navegación GNSS sin interrupción. 

Debido a la naturaleza de las órbitas de los satélites (inclinadas 55° con respecto al ecuador), la disponibilidad de RAIM y FDE será ligeramente inferior cuando se opere en latitudes medias y superior para las regiones ecuatoriales. El uso de satélites de múltiples constelaciones GNSS o el uso de satélites SBAS como fuentes adicionales de telemetría pueden mejorar la disponibilidad de la función RAIM.

Predicción de la función RAIM

El sistema de navegación global basado en satélites (GNSS) difiere de los sistemas de navegación tradicionales (fijos en tierra) en que los satélites y las áreas de cobertura degradada están en constante movimiento. Por lo tanto, si un satélite falla o se pone fuera de servicio para mantenimiento, no queda claro inmediatamente qué áreas del espacio aéreo se verán afectadas, si es que las hay. La ubicación y la duración de estas interrupciones de la señal se pueden predecir con la ayuda de análisis por ordenador. Esta información se les pasa a los pilotos durante el proceso de planificación previa del vuelo. Este proceso de predicción sin embargo, no es plenamente representativo de todos los sistemas RAIM que existen en los diferentes modelos de receptores del mercado. Las herramientas de predicción son generalmente muy conservadora y por lo tanto predicen generalmente una disponibilidad inferior a la que realmente uno se va a encontrar en vuelo. De esta forma se proporciona protección para todos los modelos de características más bajas de receptor.

Debido a que el RAIM funciona de forma autónoma, es decir sin la ayuda de señales externas, se requieren mediciones de pseudodistancia redundantes. Para obtener una solución de posición en 3D, se requieren al menos cuatro mediciones. Para detectar un fallo, se requieren al menos 5 mediciones, y para aislar y excluir un fallo, se requieren al menos seis mediciones, sin embargo a menudo se necesitan más mediciones en función de la geometría de los satélites. Típicamente hay de siete a 12 satélites a la vista.


Las comprobaciones de todo esto se efectúan por medio de la estadística con respecto a la medición de pseudodistancia residual (la diferencia entre la medida esperada y la medición observada) y la cantidad de redundancia. Los cálculos estadísticos se comparan con un valor umbral, que se determina en base a los requisitos mínimos para que la probabilidad de falsa alarma (PFA) y el ruido de medida esperado sean mínimos. En los sistemas de aviación, la PFA se fija en 1/15000.

El límite de integridad horizontal (HIL) o el límite de protección horizontal (HPL) es una cifra que representa el radio de un círculo en el que se centra la solución de posición del GPS. Dentro del círculo se garantiza que contenga la verdadera posición del receptor dentro de las especificaciones de la RAIM. (es decir, la PFA y PMD). El HPL se calcula como una función del umbral del RAIM y de la geometría de los satélites en el momento de las mediciones. El HPL se compara con el límite de alarma horizontal (HAL) para determinar si el  RAIM está disponible. El VPL es el límite de protección vertical. Con esta información el círculo se convierte en un cilindro en el que se encuentra el receptor del GPS.

----------------------------- y hasta aquí la teoría-------------------------

En la práctica en el sistema Honeywell del Embraer



Se accede a la página PROG (Progreso del vuelo) apretando el botón en la unidad MCDU


En la parte inferior de la página se puede ver que el GPS es el sistema que se utiliza para fijar la posición de la aeronave. Justo a su lado se puede ver RNP = 1.00 y la EPU =0.00 (valor este último poco realista en vuelo). Para ver una explicación de estos términos se recomienda ir a las entradas de la PBN.


Accediendo al menú de navegación presionando la tecla NAV


Se elije ahora la opción POS SENSORS (Sensores de posición)


Aquí aparecen todos los sensores disponibles, entre ellos contamos con dos sitemas GPS (GPS 1 y GPS2) con las coordenadas actuales.


Presionando la LSK (Line Select Key) correspondiente podremos ver el estatus del sistema


Es estatus del sistema nos muestra que está operativo y nos da los datos de posición, altura y velocidad. Estamos parados en le pista 28 de Zurich. La altura es la elevación de la pista 28. La velocidad es cero. en la LSK 6 RIGHT se puede ver PRED RAIM (La predicción del RAIM).



En esta página le decimos cual va a ser nuestro destino y la ETA (Estimated Time of Arrival). En este caso regresaremos después del vuelo a Zurich y llegaremos a las 1400Z.



Después de unos segundos nos aparecen los intervalos de tiempo cercanos a nuestra ETA en los que tendremos capacidad RAIM.


En nuestro sistema, dentro de lestatus del GPS (Página 2) también tenemos la posibilidad de ver la cantidad de satélites a la vista. Son 8 como se muestra en la pantalla. Además el sistema nos da los cálculos del HINT y del VINT con sus respectivos FOM (Figure of Merit) o rango de tolerancia (lo que en castellano diríamos como más/menos).


En la página de destino RAIM, si lo sabemos, podemos incluso poner el número de satélite de la constelación GPS que está defectuoso. En este caso yo he seleccionado (aleatoriamente) el número 8. Al hacerlo, el sistema lo excluye de los cálculos. Esto es un Fault Exclusion manual. El sistema hace esto automáticamente por nosotros.  


En las pantallas PFD y MFD se pueden ver también muchos datos importantes. En la parte inferior derecha del PFD estoy señalando que nos encontramos en un área terminal con una RNP de 1 MN. En este sitio también aparece una indicación ámbar de precaución (DEGRADED) si se pierde la geometría de los satélites o el cálculo de posición es incorrecto. Esto es el aviso de integridad al piloto que requiere la legislación vigente para poder navegar dentro del concepto RNP de la PBN.



En la pantalla de navegación se ve el símbolo del avión sobre la ruta planificada y los números 0,00R indican que estamos en ese punto sin error ninguno. Por ejemplo, si vemos 0,03L significaría que la posición de nuestro avión se encuentra a 0,03 millas náuticas a la derecha de la ruta (la ruta queda a nuestra izquierda). Esto es lo que se conoce como FTE. Para ver más sobre el tema ir a las entradas de la PBN.

Para prevenir la degradación del sistema, nuestro FMS/GPS también cuenta con una funcionalidad que no se requiere en la legislación vigente, aunque en el futuro probablemente sea obligatoria. Se trata del BARO-Aiding. Esto consiste en utilizar el centro de la tierra (WGS84) como cuarto satélite en caso de que en ese momento solo haya 3 satélites disponibles.  Ver posts del GPS/PBN para mas info.


En conclusión: Se debe de saber la teoría, pero lo que al final cuenta es el modo de operación y saber lo que se lleva instalado en el avión, el tipo de receptor, las capacidades de este y el interfaz. 

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