miércoles, 21 de septiembre de 2016

Sistema de aterrizaje por microondas (MLS)

Hoy comento en plan muy sencillo un sistema muy complejo, que podría haber sido revolucionario, pero que no acabó por implantarse.

El Microwave Landing system (MLS) es un excelente sistema de aterrizaje de precisión que funciona en cualquier condición meteorológica. En un principio estaba previsto que este sistema reemplazara o complementara a los sistemas de aterrizaje por instrumentos (ILS). El MLS se empezó a desarrollar en los 70.

Como tantas y tantas tecnologías, el MLS ha tenido la mala suerte de haber sido desarrollado en una época de transición en la que el ILS, aunque antiguo, era lo suficientemente bueno como para seguir siendo utilizado. Cuando el MLS se empezó a instalar en la década de 1990, los sistemas GPS/WAAS estaban ya siendo desarrollados e implantados en muchos sitios. Es una auténtica pena, pues el MLS es una tecnología excelente y muy bien pensada, que simplemente llegó muy tarde. 

Hoy en día los sistemas de posicionamiento por satélite (GPS, GLONASS, etc.) ofrecen el mismo nivel de precisión que el MLS, pero sin la necesidad de instalar el equipo en el aeropuerto. El GPS/WAAS reduce drásticamente el costo de la operación en aterrizaje de precisión, y desde su introducción en Norteamérica se han ido desmantelando la mayoría de los sistemas MLS existentes. El sistema GNSS  por excelencia (GPS) provee aproximaciones con localizador y guía vertical' (LPV) basados ​​en amplias zonas de cobertura con integridad de la señal (WAAS). Este sistema proporcionar una guía vertical comparable al ILS de Categoría 1 y hoy en día ya supera al número de aproximaciones ILS en los aeropuertos estadounidenses.


Pero para ser justos no debemos de comparar al MLS con el sistema de posicionamiento global, sino con su rival (el ILS) al que debería de haber reemplazado ya hace muchos años. Con respecto al ILS, el MLS tiene una gran serie de ventajas operativas, incluyendo una amplia selección de canales para evitar saturación e interferencias con otros aeropuertos cercanos, excelente rendimiento en todo tipo de condiciones meteorológicas, unas instalaciones relativamente sencillas y pequeñas para poder ser instaladas en los aeropuertos. Además de esto el MLS ofrece amplias áreas de cobertura con ángulos verticales y horizontales suficientes como para poder permitir una aproximación muy amplia (y múltiple) desde varias posiciones. 

Desventajas del sistema ILS:

  • Sólo tiene 40 canales disponibles en todo el mundo.
  • Las coberturas en acimut y senda de descenso son fijas y estrechas. Como resultado, las aeronaves
  • deben de ser separadas por el control de trafico produciendose los típicos retrasos de aterrizaje secuenciados (uno de trás de otro).
  • No existen procedimientos especiales para distintos tipos de aviones, helicópteros aeronaves lentas, y de despegue y aterrizaje vertical (STOL).
  • El ILS no puede estar situado en zonas agrestes o montañosas y requiere de grandes extensiones de terreno. Se debe de planificar el terreno para minimizar la interferencia con las emisiones del localizador y senda de planeo.
  • Los vehículos, aeronaves en pista de rodaje, avionetas a baja altura y edificios tienen que ser mantenidos a gran distancia de las antenas de transmisión para minimizar errores y desviaciones en el localizador y la senda de planeo.


El sistema de aterrizaje por microondas (MLS) tiene las siguientes características:

  • Tiene 200 canales disponibles en todo el mundo.
  • La cobertura en azimut es de al menos ± 40 ° a uno y otro lado de la línea central de la pista (QDM) y la senda de descenso (glideslope) se puede seleccionar entre valores de 0,9° a 20°
  • La distancia de utilización es de entre 20-30 nm a partir desde el sitio donde se instale el MLS.
  • No hay problemas con las transmisiones traseras (back-course en el ILS); El MLS tiene un sistema de transmisión secundario que se encarga de proporcionar guiado en procedimientos de salida en caso de motor y al aire. Este guiado en el sentido de la pista es de ± 20° a ambos lados de la pista y hasta 15° en la elevación a una distancia de 10 mn y una altura de 10.000 pies.
  • El MLS opera en la banda SHF, de 5031 - 5090 MHz. Esto le permite estar situado en zonas agrestes sin tener que nivelar el terreno. 
  • No existen errores de desviación del curso y senda de planeo causados ​​por aeronaves, vehículos y edificios porque el haz de exploración del MLS puede ser interrumpido y por lo tanto evita los reflejos.
  • Debido a su mayor cobertura, las aeronaves pueden elegir el nivel de azimut y elevación que deseen. Esto aumenta la capacidad y utilización de la pista, además de ser muy beneficioso para helicópteros y aviones STOL. 
  • El MLS permite aproximaciones desde cualquier dirección, aproximaciones incluso curvas y aproximaciones múltiples.
  • Puede servir a más de una pista al mismo tiempo.
  • El MLS tiene un DME incorporado.
  • El MLS es compatible tanto con con los instrumentos de localizador convencional y senda que ya tenga instalados la aeronave, como con los sistemas EFIS, los sistemas de piloto automático y equipos de navegación de área existentes en el mercado.
  • El MLS provee indicaciones precisas y positivas en el aterrizaje automático con monitorización continua e indicaciones de funcionamiento correcto/incorrecto (bandera roja) en las agujas del localizador y senda de planeo.
  • El prefijo de identificación del MLS es una "M" seguida de dos letras.
  • El objetivo del MLS era que todos los aviones fueran equipados para operar con criterios Cat III


Los componentes del sistema


Se pueden distinguir cinco partes que forman el sistema completo:

  • Aproximación en azimut - calculada desde la antena de azimut.
  • Azimut trasero - calculada desde la antena de azimut trasera.
  • Aproximación en elevación - calculada desde la antena de elevación.
  • Cálculo de distancia - elaborado desde la estación DME (DME/P).
  • Transferencia de datos - forma parte de la transmisión desde la antena en azimut.


Área de cobertura


En la ilustración que sigue se puede ver el área de cobertura. Comparada con la del ILS este área permite aproximaciones des de cualquier dirección dentro de las distancias y ángulos que se pueden ver aquí.

La pista se encuentra en el centro del área de cobertura. La distancia puede llegar a ser de 30 millas náuticas en algunos casos. Permite aproximaciones pronunciadas (steep approaches) como las de London City.


Principio de operación del sistema


Este sistema se diseño con la ayuda de la tecnología RADAR para poder paliar los defectos y limitaciones del sistema ILS. El MLS opera en la banda S (Super High Frequency), de 5031 MHz a 5090 MHz. El principio es bastante sencillo de entender. Una estación en tierra transmite un haz electromagnético (una emisión de ondas de radio) que barre a un ritmo específico un área del espacio de izquierda a derecha (azimut) y otro haz de arriba a bajo (elevación). El principio de operación se basa en algo muy complejo que tiene el rimbombante nombre de "Time Division Multiplexing (TDM)", donde los transmisores de la señal sólo usan una frecuencia que se utiliza en un solo canal, pero las transmisiones desde los diferentes ángulos y los datos de los equipos de tierra están sincronizados de forma que se alternan las emisiones y así se asegura que las operaciones estén libres de interferencias al usar una única frecuencia de radio.


La localización en azimut


Esta técnica se denomina en inglés "Time referenced scanning beam" (TRSB). Midiendo el tiempo entre las señales recibidas ("hits" o momento en el que la emisión de radio toca la aeronave), el receptor de abordo es capaz de calcular la posición relativa dentro del área de cobertura. El barrido del haz de radio se denomina TO y FRO (de las preposiciones inglesas "a" o "hacia" y "desde") según venga de un lado o de otro. La ilustración que sigue ilustra este punto.


Cuando las señales TO y FRO se encuentran separadas en un determinado momento, el avión se encuentra exactamente en una posición concreta con respecto al eje central de la pista. No existe ambigüedad, ya que cualquier posición ofrece una distancia entre pulsos que es única. Combinando esta información con la detección en elevación y un cálculo de distancia por medio de una estación DME, el sistema ofrece una posición tridimensional de gran precisión. Además de esta posición calculada, se manada a la aeronave una información específica por medio de un sistema de enlace de datos digital. Para asegurar la integridad y seguridad del sistema en caso de degradación, existe una estación de monitorización de la señal.  

Como se puede apreciar, la separación entre pulsos indica la posición de la aeronave con respecto a la línea central de la pista. no existe ambigüedad. La emisión en elevación funciona de forma parecida.


En el gráfico animado que sigue se puede ver una aeronave que es "tocada" dos veces (primero TO y luego FRO) por la emisión en azimut. La posición del avión es el intervalo de tiempo entre los dos pulsos TO y FRO.

localización en acimut. El TRSB se utiliza en acimut y elevación de la siguiente manera: el azimut de la aeronave se utiliza para calcular la posición en relación con la línea central de la pista mediante la medición del intervalo de tiempo en microsegundos entre la recepción los haces de exploración "TO" y "FRO" . El haz comienza a barrer desde un extremo de su cobertura total y viaja a una velocidad uniforme hasta el otro extremo de su cobertura. A continuación, inicia su "vuelta" para volver a escanear de nuevo y llegar a su posición inicial. El intervalo de tiempo entre la recepción del pulso "TO" y el pulso "FRO" es proporcional a la posición angular de la aeronave en relación con la línea central de la pista. El piloto puede optar por volar la línea de la pista en un curso (QDM) o una trayectoria de aproximación que seleccione de forma predeterminada en número de grados ± con respecto a la dirección de la pista. Esto se hace por medio del panel de control de abordo.

Las estaciones terrestres


Existe un haz electrónico que barre en el plano horizontal. El volumen de cobertura de la estación de acimut MLS transmite datos sobre uno de los 200 canales dentro de la gama de frecuencias de 5031 a 5091 MHz y se encuentra normalmente situada cerca a unos 1000 pies (300 m) más allá del extremo final de la pista, pero hay una considerable flexibilidad en la selección de posibles sitios. Por ejemplo, para operaciones intermedias y de elevación, el transmisor de azimut se puede instalar con el transmisor de elevación. La cobertura de azimut se extiende: Literalmente, al menos 40 grados a cada lado de la línea central de la pista en una configuración estándar. La cobertura tiene un ángulo de 15 grados y 20.000 pies (6 km), y la distancia es de por lo menos 20 millas náuticas (37 km).

Antena de escaneo en azimut con una antena DME a su izquierda. 

La guía de elevación. 


La estación de elevación transmite señales sobre la misma frecuencia que la estación de azimut. Una sola frecuencia en tiempo compartido. Está normalmente situada a unos 400 pies al lado de la pista, entre el umbral de la pista y la zona de toma de contacto. La cobertura de la elevación se proporciona en el mismo espacio aéreo que las señales de guía de azimut: por lo menos a 15 grados y en distancias de por lo menos a 20 millas náuticas (37 km)



La medición dela distancia y la precisión del sistema


El MLS dispone de un sistema de medición de la distancia de precisión. Utiliza equipos de medida (DME/P), que funciona de la misma manera que la navegación convencional DME, pero hay algunas diferencias técnicas. El transpondedor opera en la banda de frecuencia de 962 MHz a 1.105 MHz y la aeronave responde al interrogador. La precisión MLS DME/P está mejorada para ser consistente con la precisión proporcionada por las estaciones de azimut y de elevación del MLS.

De acuerdo con el Anexo 10 de la OACI, el sistema MLS debe d e tener una precisión lateral (el 95% del tiempo) de:


  • Más menos 7 metros en azimut (unos 0,16° convertido a un valor angular)
  • Más menos 0,7 metros en elevación


Las comunicaciones de datos


La transmisión de datos puede incluir tanto palabras básicas como auxiliares de datos. Todas las instalaciones de MLS transmiten datos básicos. Cuando sea necesario, los datos auxiliares pueden ser transmitidos. Los datos se transmiten dentro de los sectores de cobertura por medio de la antena de azimut del MLS (y azimut posterior cuando sea necesario).

Los datos representativos incluyen:

  • Identificación de la estación
  • ubicación exacta en acimut
  • elevación
  • estaciones DME/P (para funciones de procesamiento de receptor MLS)
  • nivel de rendimiento de los equipos de tierra
  • Canal DME y estado

La identificación del MLS es una designación de cuatro letras, empezando con la letra M. Se transmite en Código Morse Internacional por lo menos seis veces por minuto por medio de la antena de azimut de aproximación (acimut delantero y trasero).

Contenido de datos auxiliares: Los datos representativos incluyen:


  • Posición 3-D del MLS
  • Coordenadas de punto de referencia
  • Condiciones de la pista y del tiempo (por ejemplo, RVR, techo, ajuste del altímetro, viento, estela turbulenta, cizalladura del viento).


El equipo de abordo


Estos equipos son capaces de recibir y procesar las señales de la estación terrestre del MLS. Para poder permitir el uso de aproximaciones curvas se necesita un sistema de Gestión de Vuelo (FMS) dotado de una base de datos, con el fin de poder comparar la posición real del avión con la trayectoria calculada en dicha base de datos. Los sistemas actuales combinan en un solo receptor las señales del GPS, el MLS y las tradicionales señales de VHF. Se les suele denominar "Receptores MMR" o "Multi-Mode Receiver". Este tipo de receptores se basa en circuitos específicos de radio frecuencia (RF) para las diferentes bandas de señales. AL ser recibidas son transformadas a frecuencias más bajas (más utilizables). Entonces se efectúa una transformación digital seguida de un procesamiento llamado demodulación y análisis de la señal llevado a cabo por medio de un software específico (SDR o Specific Defined Radio).

Las pantallas donde aparece la indicación del MLS son básicamente las mismas en las que se usa en el ILS. Las barras de desviación guían al piloto en su trayectoria de forma similar a como lo hace un ILS.

  

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