La interoperabilidad del CPDLC

"Don't text while driving..., do text while flying"

Poner mensajes de texto mientras se conduce es peligroso e ilegal. Está severamente penado y supone un grave riesgo para todos. Sin embargo, poner mensajes mientras se vuela es un procedimiento habitual y es la tendencia de la aviación comercial en el futuro. Estamos hablando del CPDLC.

El FANS o futuro sistema de navegación aérea (que ya se utiliza hoy en día) se basa en el empleo de equipos de aviónica que proporcionan comunicación directa por enlace de datos (data link) entre el piloto y el controlador de tráfico aéreo. Gracias a este sistema, las autorizaciones de ATC, las peticiones de los pilotos y los informes de posición se pueden realizar ya por medio de mensajes de texto en vez de voz. Uno de los grandes problemas con los que se enfrenta este tipo de comunicación es la gran cantidad de estándares y sistemas que operan en la actualidad. La OACI lleva tiempo definiendo los parámetros de interoperabilidad. Debajo se puede ver el caso de los Airbus A320 y Boeing 747.

El equipo necesario en los Airbus A320

En el Airbus A320, el equipo de aviónica para este propósito se basa en un conjunto de subsistemas formado por: una Unidad de Servicios de Tránsito Aéreo (ATSU), una radio VHF Data Link (VDR3) en la bodega de aviónica y dos unidades de control y visualización de enlaces de datos (DCDU) en la cabina de vuelo. Estos dispositivos habilitan a la tripulación para leer y contestar los mensajes desde tierra gracias a lo que se conoce como enlace de datos controlador-piloto o CPDLC en sus siglas en inglés. Debajo se puede ver el equipo necesario en un A320 de forma esquemática y sus interacciones. Uno de los sistemas que intervienen es el ya comentado FMS.  

En el gráfico se puede apreciar la interrelación entre los tres subsistemas (comunicaciones - navegación - interfaz de los pilotos). En el cockpit existe un indicador "ATC MSG" que se ilumina (alerta visual) para indicar a los pilotos actividad a través de mensajes por enlace de datos. La Unidad de Servicios de Tránsito Aéreo (ATSU) es un ordenador construido por Airbus para equipar sus aviones, excepto en los A300/310. La unidad realiza las funciones que generalmente se encuentran en las unidades de gestión de comunicaciones instaladas en otros tipos de aeronaves. Las funciones de enlace de datos se realizan mediante lo que se denomina software de comunicación operacional. Aunque la Unidad de Servicios de Tránsito Aéreo es un ordenador o equipo de aviónica SFE producido por Airbus, el software para este equipo lo suministra la norteamericana Honeywell. El sistema completo utiliza también los dispositivos de navegación habituales, como los ADIRs, FMS, GPS y otros elementos de radio-navegación.

El equipo necesario en los Boeing 747

En este avión, la unidad MCDU es la interfaz primaria. A través de este sistema se puede leer y escribir mensajes. La tecla ATC proporciona acceso a las funciones de enlace de datos ATS. El EICAS proporciona alertas visuales "ATC MESSAGE". El sistema de alerta MAWEA proporciona señales auditivas de baja intensidad sonora. Los aviones más antiguos de la casa Boeing (737, 757, 767 y MD-11) son similares.

¿Por qué un sistema de comunicaciones de texto y no de voz?

Una de las mayores limitaciones en el control del tráfico aéreo actual es la saturación de los canales de comunicación de voz. El 60% de todos los incidentes de hoy en día tienen como un factor importante los problemas de comunicación por radio (VHF). Las comunicaciones de enlace de datos entre controlador y piloto (CPDLC) ayudan a aliviar esta saturación y congestión al proporcionar un medio adicional de comunicación entre tripulaciones aéreas y controladores de tránsito aéreo. En esencia, permite un intercambio rápido de mensajes de texto entre controladores y pilotos. El CPDLC es un sistema de enlace de datos tierra/aire de la red de telecomunicaciones aeronáuticas (ATN o Aeronautical Telecommunications Network). El enlace de datos a través de ATN es un medio de comunicaciones secundario que complementa las comunicaciones por voz en VHF tradicionales, que hoy por hoy siguen siendo el principal medio de comunicación entre controladores y pilotos. Debajo se puede ver el incremento de tráfico aéreo debido a la gran cantidad de operadores en las rutas oceánicas.

Para poder aumentar las capacidades de las rutas se ha acortado la separación entre aeronaves. El ejemplo que se muestra arriba es la nueva separación 30/30. Un incremento de aeronaves en la ruta multiplica la necesidad de más comunicaciones. En estas condiciones la radio por voz se satura. Simplemente no hay espectro electromagnético suficiente para poder utilizar más frecuencias radiofónicas. El espectro radioeléctrico está considerado como un recurso limitado y existe una férrea regulación sobre quién tiene derecho a utilizar una banda de frecuencias determinada.

Los comienzos del CPDLC

Nos tenemos que remontar a finales de los 70. En aquella época empezó a funcionar el ACARS. En aviación, ACARS es un acrónimo (aircraft communications addressing and reporting system) que significa sistema de comunicaciones y notificaciones de la aeronave. Es un sistema de enlace de datos digital para la transmisión de mensajes cortos entre las aeronaves y las estaciones terrestres a través de la banda aérea de HF o VHF o también por satélite. El protocolo de comunicaciones fue diseñado por ARINC y se puso en práctica en 1978 utilizando el formato del Telex. El ACARS fue un sistema muy flexible desde el principio. Se utilizaba entre la compañía aérea y su flota de aviones para mantener una rápida comunicación y saber no solo si el avión había despegado o aterrizado o en que fase de vuelo se encontraba, sino también en qué condiciones llegaba una aeronave a su destino. Una vez aterrizada, los equipos de mantenimiento pueden operar sabiendo de antemano que problemas trae la aeronave. Este sistema se sigue utilizando hoy en día y cada vez tienen más capacidades.  

¿Qué sistemas CPDLC operan en la actualidad?

Existen muchas siglas que se relacionan en este sistema de comunicaciones y confunden al que se inicia en su estudio. A veces se habla del FANS-1 y otras veces del FANS-A. Simplificando mucho, aunque los protocolos de fabricación sean iguales, se puede decir que FANS-1 es la solución de Boeing y FANS-A es la solución de Airbus para este sistema. En realidad los dos sistemas son muy parecidos. Como se puede ver en la ilustración que sigue, los dos mayores fabricantes de aviones empezaron a fabricar estos sistemas y hoy en día la interoperabilidad hace que llamemos a estos dos sistemas FANS 1/A. 

Los principales estándares de la industria que describen el funcionamiento de los productos FANS-1/A son ARINC 622 y EUROCAE ED-100/RTCA DO-258. Estos son los protocolos utilizados para todos los productos independientemente de quién sea el constructor. Aunque existe una versiones mejorada de este sistema, llamada FANS-1/A+, su uso en el espacio aéreo continental es muy limitado. Debajo se puede ver un mapa con el uso de este sistema en Europa en 2018 (fuente Eurocontrol). 

¿Qué tiene que ver el CPDLC con el iD4?

Además de los claros beneficios operacionales ofrecidos a diario por el CPDLC (mensajes sin ambigüedad, claros y concisos, un segundo canal de comunicación, carga de trabajo compartida, etc, etc), esta tecnología también ofrece un gran potencial para futuras innovaciones, como las llamadas operaciones i4D (estado inicial de operación en cuatro dimensiones -Lat, Long, Altitud y Tiempo-).

¿En qué forma beneficia este sistema a las aerolíneas?

• Más capacidad de ATC y menos retrasos
• Mejor servicio debido a una mayor capacidad de ATC: ¡se estima que la tasa de equipamiento de CPDLC del 75% genera + 11% de capacidad de ATC!
• Mitigación de incidentes por pérdida de comunicaciones (LOST VHF COM) y los subsecuentes vuelos de intercepción por parte de la Fuerza Aérea (los famosos scramble o reacción inmediata de los pilotos militares de alerta 24H).

...y ojo, algo importante: el uso de los servicios de enlace de datos será obligatorio por encima de FL 285 a partir del 5 de febrero de 2020.

Beneficios de CPDLC para pilotos

• Reducción de la carga de trabajo en comunicaciones VHF 
• Más tiempo para concentrarse en otras tareas esenciales
• Mensajes claros sin riesgo de malentendidos
• Mitigación de micrófonos inoperativos o frecuencias bloqueadas
• Se evitan o reducen las transmisiones simultáneas
• Mejora de la seguridad gracias a la reducción del riesgo de incidentes atribuibles  a problemas de comunicación
• Ascenso/descenso continuo y DCT solo disponibles a través de CPDLC en situaciones de VHF saturadas
• Mejora de las comunicaciones diarias entre controladores y pilotos

Beneficios para los controladores aéreos

• Mayor capacidad de cajeros automáticos
• Permite más tiempo para pensar y resolver otros posibles conflictos.
• Reducción de la carga de trabajo de comunicaciones VHF
• Mensajes claros sin riesgo de malentendidos
• Canales de comunicación de voz VHF menos saturados, menos "SAY AGAIN"

Ejemplos de enlace de datos y mensajes de ATC: 

• Compruebe el micrófono
• Código/identificador SSR Squawk
• Frecuencia de contacto
• Continuar el vuelo directo a un punto fuera de AOI
• Ir a un punto a través de varios puntos de ruta.
• Autorizado a un punto a través de varios puntos
• Autorizado a volar una ruta completa
• Mantener velocidad (mayor/menor)
• Nivel de vuelo aceptado
• Nivel de vuelo preferido/Top of Descent
• Subir/bajar a FL para llegar por tiempo o distancia
• Subir/bajar a FL para cruzar un punto en FL o por debajo/por encima

Los pilotos también puede responder a las instrucciones ATC mediante un enlace de datos y solicitar enrutamientos desde el ATC.

Sistemas de enlace de datos - estándares de interoperabilidad

El enlace de datos (data link) es el término genérico que abarca diferentes tipos de sistemas de enlace de datos y subredes. La arquitectura de un sistema de enlace de datos básicamente puede dividirse en dos partes:

1. Aplicaciones - Funcionalidades que habilitan servicios a los usuarios
2. Infraestructura - redes y subredes que conectan (por enlaces u otros medios) las diferentes aplicaciones.

Aunque suene raro, esto es lo mismo que hacemos a diario con otras cosas que nos son más familiares, como por ejemplo VoIP (Voice-over IP), E.mail-over-WiFi, Facebook-over-4G LTE, etc. En el caso del sistema del que hablamos: FANS-over-Inmarsat Classic Aero SATCOM por ejemplo.

Tipos de aplicaciones: 

1. ATS Facilities Notification (AFN)/Context Management (CM) - Proporciona capacidad inicial de "inicio de sesión" manual para los pilotos, admite transferencias automatizadas de comunicaciones entre instalaciones ATS.
2. Automatic Dependent Surveillance – Contract (ADS‐C) - Permite a los proveedores de servicios ATS establecer "contratos" con la aviónica para la transmisión de informes individuales, periódicos y/o basados en eventos. Proporciona funciones de informe de posición, seguridad de separación, monitorización de conformidad de ruta y sincronización de trayectoria.
3. Controller‐Pilot Data Link Communications (CPDLC) - Proporciona mensajes predefinidos para la solicitud y envío de autorizaciones e informes, incluidos mensajes de texto libre. Este sistema es mucho mejor cuando se integra con el gestor de vuelo (FMC) o la aviónica de navegación equivalente para permitir la carga de rutas autorizadas, validación de la base de datos de navegación y capacidades similares.

En el diagrama que sigue se puede ver la arquitectura.
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La figura que sigue proporciona una descripción general de un sistema de enlace de datos, incluidas las subredes. Si bien todas las aeronaves con capacidad de enlace de datos tienen acceso al enlace de datos VHF, no todas las aeronaves tienen acceso a satélites adicionales y/o capacidad de enlace de datos HF. Del mismo modo, no todos los CSP (Communication service provider) tienen capacidad de enlace de datos HF. Algunos ANSP (Air navigation service provider) no requieren ni permiten el uso de algunas de las subredes (por ejemplo, SATCOM).

El gráfico que sigue muestra diferentes sistemas de tierra ATSU's y sistemas de aeronaves que son interoperables. Se asigna un designador a cada tipo de sistema ATSU y de enlace de datos de la aeronave. Una sola aeronave o una sola ATSU pueden emplear múltiples tipos de sistemas de enlace de datos. Lo ideal está representado por el avión que vuela arriba del gráfico, que puede operar con cualquier ATSU al estar equipado con toda la aviónica correspondiente, pero esto no siempre es el caso. 

Clave para entender el gráfico: 

• ACARS - Aircraft communications addressing and reporting system. Si este sistema se encuentra instalado en ambos, aeronave y ATSU, se denomina ACARS ATS. Esta aplicacion ATS provee autorizaciones de salida (DCL), autorizaciones oceánicas (OCL) y enlace de datos: servicio automático de información de terminal (D-ATIS) gracias al ACARS. 
• ADS - Automatic dependent surveillance (término genérico para el ADS-C) 
• ADS-B - Automatic dependent surveillance – broadcast 
• ADS-C - Automatic dependent surveillance – contract 
• AFN - ATS facilities notification 
• ANSP - Air navigation service provider 
• AOC - Aeronautical operational control 
• ATN - Aeronautical telecommunication network 
• ATS - Air traffic service 
• ATSU - ATS unit 
• ATSU AOC - Las instalaciones de control operacional aeronáutico (AOC) del operador permite a un ATSU recibir informes de posición de puntos de ruta en formato ICAO desde una aeronave equipada con FMC WPR 
• ATSU CFRS - El sistema centralizado de informes de puntos de ruta (CFRS) de gestión de vuelo del proveedor de servicios de comunicación (CSP) permite a un ATSU recibir informes de posición de puntos de ruta en formato ICAO desde cualquier avión equipado con FMC WPR 
• ATSU CADS - El sistema ADS-C centralizado (CADS) de un CSP permite que una ATSU sin FANS 1/A tenga la capacidad de recibir informes ADS-C de cualquier avión equipado con FANS 1/A, FANS 1/A+ o FANS 1/A ADS-C. 
• CADS - Centralized ADS-C system 
• CFRS - Centralized FMC waypoint reporting system 
• CSP - Communication service provider 
• FANS - Future air navigation system 
• FANS 1/A - Futuro sistema de navegación aérea: inicial, según lo definido por RTCA DO-258A/EUROCAE ED-100A, o estándares anteriores que definieron la capacidad FANS 1/A. Nota.— FANS 1/A generalmente significa que el sistema de enlace de datos en una aeronave, el sistema de tierra ATSU y la prestación del servicio de comunicaciones cumplen con la norma. En ciertos casos, se hace referencia específica a un tipo particular de aeronave FANS 1/A de la siguiente manera: una). FANS 1/A + significa que la aeronave cumple completamente con la Revisión A de la norma, que incluye un monitor de latencia de mensajes; y b) FANS 1/A ADS-C significa que la aeronave cumple con las aplicaciones AFN y ADS-C, pero no incluye la aplicación CPDLC. 
• FMC WPR - Flight management computer waypoint position reporting. Un sistema instalado en el avión. La aplicación ATS genera y envía informes de posición de puntos de ruta por medio del s istema de gestión de vuelo y el ACARS. 

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