El papel de las IRU en las aproximaciones RNP AR

-Ojo, artículo bastante técnico-

Alguna vez me han preguntado por qué en pleno siglo XXI todavía se equipa a los aviones con sistemas de navegación no tan precisos como el GPS. Es una pregunta curiosa, porque si echamos la vista atrás, en la historia de la aviación solo "recientemente" volamos con satélites. Si bien es cierto que estos sistemas, genéricamente llamados GNSS, son realmente precisos, no es menos cierto que el fallo total o parcial nos podría dejar virtualmente "ciegos" en cuanto a capacidades de navegación se refiere.

De los muchos sistemas alternativos que se emplean en aviación para complementar al GNSS, uno de los que mas me gustan es el IRS (hoy en día se le llama IRU o Inertial Reference Unit al sistema completo). Una de las razones por las que el IRS (antiguamente INS) es tan apreciado en aviación, es el hecho de que no requiere ninguna fuente o señal radioeléctrica externa para guiarnos. Son sistemas considerados autónomos. Para ver una explicación detallada de como funcionan estos sistemas se puede ver el post dedicado a ello, aquí.

La contrapartida de un sistema autónomo como el IRS es que la precisión decrece con el tiempo. Inicialmente se dota al sistema con la posición del avión. Esta posición puede venir inicialmente del propio GPS/GNSS o de los datos lat/long de la posición del avión en el aeropuerto antes del despegue. Una vez que se comienza a volar el sistema puede perder precisión a un ritmo máximo especificado por las autoridades de aviación civil. Se solía decir que el ritmo de deriva máximo permitido era de no más de 2 millas náuticas por hora de vuelo. Los modernos IRS son bastante mejores que la regulación, pero aún así también acaban por desviarse con el tiempo. Esta desviación o error de posición se denomina "drift" en inglés.

Los sistemas inerciales sufren de varios errores, pero algunos de ellos se pueden mantener dentro de ciertos límites, ya que una característica de estos sistemas es que se comportan como un péndulo gigantesco que tiene la base localizada en el centro de la tierra. Por esta razón ciertos errores de navegación oscilan dentro de un periodo propio a los péndulos de longitud igual al radio de la Tierra. Esto es, los errores crecen y luego vuelven a decrecer en un periodo de 84,4 minutos. Esto fue descubierto por un gran ingeniero alemán que se llamaba Maximilian Schuler y al periodo se le denominó "Schuler loop" o  "Schuler Tunning". Por cierto no existe una entrada en español sobre Maximilian Schuler en la Wikipedia. El primer Schuler que me aparece cuando lo busco es un futbolista. Los demás Schuler son todos deportistas menos un cirujano. Vergüenza nos debía de dar. En fin.

Gracias a la conocida fórmula del péndulo, se puede calcular fácilmente cual es el periodo de uno de estos con longitud igual al radio medio terrestre (6.378.100 m):

Ver el post dedicado a los principios de navegación inercial para más detalle.

Vamos a ver ahora que es lo que ocurre cuando una avión de última generación utiliza el GPS, pero además está equipado con el sistema IRS. En la ilustración que sigue se puede ver una ruta planteada para volar del punto A al punto B. Nuestro avión despega desde A y según avanza el tiempo, los errores del IRS, que en principio eran cero, se van acumulando en unas oscilaciones del tipo Schuler. Eso es lo que se representa con las líneas sinuosas azules. Cada cierto tiempo, el sistema de gestión de vuelo FMS, que utiliza el GPS en todo momento, va interrogando al sistema IRS de forma que este le devuelve la posición calculada cada vez con más acumulación de errores. Esto es lo que se representa con la línea discontinua de valor "x" creciente.

En un momento dado del vuelo perdemos repentinamente la señal del GPS (o cualquier otro sistema basado en satélites GNSS). Esto se representa con el punto rojo sobre la ruta. Lo que ocurre en ese momento es que el FMS, que ha ido calculando los errores del IRS continuamente, aplica justo en ese momento la posición calculada por el IRS y le sustrae el error "x" en ese momento. A partir de ahí  el sistema IRS queda calibrado con cero error. El proceso vuelve a empezar acumulándose los errores, pero en un breve lapso de tiempo seguramente podamos volver a tener la señal del GPS que nos situará correctamente en ruta. Esta es básicamente la explicación de por qué se autoriza a hacer aproximaciones sin visibilidad con RNP = 0,3 NM en ciertas áreas montañosas (como Innsbruck en Austria - LOWI-) con GPS. Debajo se puede ver una de estas cartas de aproximación (desfasada) que no todas las compañías están autorizadas a volar.

Si el GPS fallara en medio de la aproximación, aún tendríamos el IRS, que durante un breve periodo de tiempo sería suficientemente preciso para poder seguir con la aproximación hasta que podamos recuperar la geometría de la constelación de satélites. Esta es una de las capacidades que deben de tener las aeronaves para poder realizar las denominadas aproximaciones RNP AR dentro del contexto de la PBN.

Para poder efectuar este tipo de aproximaciones la legislación vigente dice que nuestra aeronave debe de contar con:

• Global Navigation Satellite System (GNSS) – Required to begin any RNP AR APCH 
• Inertial Reference Unit (IRU) – Required for any RNP AR APCH with accuracy value less than 0.3 NM or missed approach with RNP less than 1.0 NM 
• Distance Measuring Equipment (DME) – DME/DME updating may serve as reversionary mode where infrastructure and aircraft can provide required missed approach performance 
• VHF Omni-Directional Range (VOR) Stations – The RNAV system may not use VOR updating

Con esta información el piloto puede monitorizar los errores relativos a la navegación, tanto horizontal, como vertical, en sus instrumentos. El error que más le interesa a un piloto es el llamado FTE o Flight Technical Error.

Debajo se pueden ver varios de los errores del sistema, que configuran lo que se conoce como TSE o Total System Error.

El primero de todos es el llamado PDE o Path Definition Error. Queremos ir de A a B, pero en realidad la definición de la ruta no es exacta sobre el terreno (línea discontinua granate). Esto es debido la mayoría de las veces a la base de datos del FMS. El error es tan pequeño que podemos decir hoy en día que es despreciable. Luego tenemos la EPU o Estimated Position Uncertainty (a veces llamado NSE o error de navegación). 

La EPU es la precisión con la que nuestros sensores de navegación logran situar o definir la posición de nuestro avión con relación a la ruta volada. Se suele representar como un círculo alrededor de la posición estimada del avión. Cuanto menor es la precisión de nuestros sensores o radioayudas para la navegación, mayor será la incertidumbre (un círculo mayor). La EPU debe de ser considerada como una nube de puntos de posición posibles, donde sin duda se encontrará nuestro aparato el 95% del tiempo. La EPU nunca debe de llegar a igualar a la RNP en cuyo caso podríamos volar fuera de las fronteras protegidas de nuestra ruta (podríamos chocar contra una montaña en Innsbruck). 

El FTE es el Flight Technical Error y debe de ser considerado como la habilidad del piloto (humano o Auto-Pilot) para poder situar a nuestro avión en la ruta deseada. Podemos monitorizar este dato en nuestras pantallas y nos dice la cantidad de desviación en tiempo real con respecto a la ruta planeada.