Indicador de dirección (DF direction finder y ADF automatic direction finder)

El equipo indicador de dirección (llamado radiogoniómetro) detecta las ondas de radio entrantes cuando llegan a la aeronave y un instrumento mide su dirección en relación con el eje longitudinal (el morro) de la aeronave. Por ejemplo, una onda de radio que llega en línea con el ala derecha tiene una dirección 090º relativa con respecto al avión.

En la ilustración superior se puede ver un instrumento alineado con el eje longitudinal del avión (RBI) que muestra una indicación (300°) a la estación. La dirección de la onda de radio se puede mostrar en un indicador de rumbo relativo (RBI) o se puede mostrar en un indicador orientado con rumbo magnético, conocido como indicador de radio magnético (RMI). En el RMI, la indicación es el rumbo magnético a la estación. Este rumbo se conoce como QDM. 

Rumbo magnético + rumbo relativo = QDM (rumbo magnético a la estación).

Balizas no direccionales (NDB)

La fuente de las ondas de radio utilizadas por el DF/ADF es normalmente una baliza sin dirección (NDB o non directional beacon) que transmite en todas las direcciones, como su nombre indica. La siguiente es una lista de características de los NDBs:

• Bandas de frecuencia - LF y MF
• Frecuencias: 190 kHz a 1750 kHz (más comúnmente 200-500 kHz)
• Propagación: por onda de superficie (Nota: las ondas SKY pueden causar interferencias)
• Utilizado en navegación en ruta, también como orientación y en las áreas terminales con localizadores (NDB de baja potencia).
• Potencia: de 25 vatios a 10 kilovatios (Nota: la distancia alcanzada es proporcional a la raíz cuadrada de la potencia)
• Alcance: 10 nm (localizador) a 500 nm (máximo para un NDB en ruta)
• Identificación: 2 o 3 letras morse auditivas (Nota: las emisiones pueden llevar ATIS u otras transmisiones de voz)
• Tipo de Emisión amplitud modulada y/o no modulada.
• El equipo ADF también puede indicar rumbos y direcciones utilizando las emisiones de estaciones de radio comerciales, pero se debe tener cuidado porque:
• La ubicación exacta del transmisor puede no ser conocida.
• Los NOTAM no avisan si la estación deja de emitir.
• La señal de radio que se recibe puede provenir de otra estación relé, cuya ubicación puede no corresponder a la identificación de la estación.
• Las estaciones de radio comercial no tienen una identificación en código morse.

El principio de funcionamiento de un DF

El equipo DF embarcado encuentra la dirección de la onda de radio entrante desde una estación NDB utilizando una combinación de antena de cuadro o LOOP (bucle) en inglés y una antena de dirección (SENSE). La antena de cuadro que debe su nombre a la forma, es en realidad un dipolo plegado en forma cuadrada. Es lo que se conoce como una antena direccional, es decir, tiene un mayor rendimiento si está orientada al transmisor. Como la transmisión desde el NDB está polarizada verticalmente, son las secciones verticales de la antena de cuadro las que están diseñadas para captar la onda de radio.

Cuando el plano de la antena es paralelo a la onda de radio entrante, una sección vertical del bucle estará más cerca del NDB que la otra. La onda de radio, por lo tanto, pasa las secciones verticales en diferentes puntos de su ciclo. Esto crea una diferencia de fase entre los voltajes generados en las secciones verticales y la diferencia de voltaje crea un flujo de corriente en el núcleo.

En la imagen de arriba se muestra una antena circular cerrada (loop) con el mínimo y el máximo de señal. Debajo se muestra el máximo y el mínimo mismo con una antena de cuadro y dos secciones verticales.

 

Cuando la antena recibe la onda lateralmente (paralela) se induce un voltaje diferencial en las dos secciones verticales de la antena. Si la onda pasa de forma perpendicular (a 90°) no existe una diferencia de potencial y no hay inducción. Cuando el plano del bucle es perpendicular a la onda de radio entrante, la diferencia de fase y el flujo de corriente resultante son nulos. El flujo de corriente (intensidad de la señal) varía de acuerdo con la dirección de la onda de radio con respecto al bucle, con dos direcciones en las que el flujo es máximo y dos direcciones en las que es cero. 

El diagrama polar de la antena de bucle es una figura de ocho. La ambigüedad de esta antena de cuadro o loop se resuelve al agregar una antena sensorial (sense) que es omnidireccional y, por lo tanto, tiene un diagrama polar circular. La intensidad de la señal de la antena de detección es igual al valor máximo de la antena de cuadro y, por lo tanto, cuando se combinan las señales de las antenas de cuadro y la de detección, se produce un diagrama polar tipo CARDIOIDE. La palabra cardioide hace referencia a la forma de corazón que se crea combinando las dos antenas. Un diagrama de radiación cardioide se caracteriza por tener un eje orientado hacia delante, con un nulo en la parte de detrás. Un diagrama cardioide se compone sumando el diagrama de radiación de una antena omnidireccional (un monopolo) con el diagrama de radiación de un dipolo o antena de cuadro, desfasado en 90º. El eje del cardioide rota cuando rota el eje del patrón de la antena de bucle. La ventaja del cardioide es que solo tiene una dirección para intensidad de señal cero, lo que se conoce como una posición nula.

Loop + Sense = Cardioide

La antena de cuadro y la aguja en el indicador del DF giran por medio del mismo sistema. La posición nula del cardioide se usa para determinar la dirección correcta de la onda de radio entrante. En otras palabras, la aguja del indicador busca el cero. Cuando la operación de buscar el cero se realiza moviendo la antena manualmente estamos hablando de un sistema muy antiguo. Generalmente a este sistema se le conoce como DF. Si el proceso de búsqueda es automático entonces nos estamos refiriendo a un ADF. Cuando se vuela dentro del llamado cono de silencio (donde no hay señal) la indicación no es válida. La aguja suele dar vueltas sin marcar un rumbo hasta que se abandona este cono.

El vuelo sobre el cono de silencio depende de varios factores: Velocidad del avión, altura y ángulo del cono.

 

La pregunta típica en cualquier examen para la obtención del título de piloto sería: ¿Cuánto tiempo estaríamos dentro del cono de silencio si volamos a 5000 pies de altura a 100 nudos y el ángulo ө es 50°? Los cálculos del tiempo en el cono de silencio son sencillos si se emplea un poco de trigonometría básica usando la tangente del ángulo A, tal como se muestra debajo.

 

Teoría de la antena de cuadro fija o radiogoniómetro automático

El equipo moderno de ADF reemplaza la vieja antena giratoria redonda o de cuadro (loop) con un par de bobinas fijas en el plano trasversal separadas 90º de otras situadas en el plano longitudinal de la aeronave. El flujo de corriente, creado por la onda de radio a medida que pasa por las bobinas, establece un campo magnético a medida que pasa a través de las secundarias cerca del indicador (goniómetro) en el esquema de debajo.

La bobina secundaria o goniómetro, que es accionada por el motor, tiene una búsqueda nula (busca el cero o ausencia de señal) y no tendrá ninguna tensión inducida cuando se encuentre a 90º del campo magnético. Hay dos posiciones nulas, pero esta ambigüedad se resuelve utilizando la antena sensorial de dirección. El motor que acciona el rotor también acciona la aguja del ADF en el indicador.

Estación emisora NDB

La estación emisora NDB (Non Directional Beacon) es una estación de radiodifusión en AM, que emite en un rango de frecuencias de 190 KHz a 1750 KHz. La antena de la emisora NDB presenta un patrón de radiación omnidireccional, es decir, radia la misma potencia en todas las direcciones (salvo en su vertical, donde presenta un nulo). 

Son instalaciones baratas de mantener, pero muy antiguas, datan de los años 20 y se las ha dado en llamar radiofaros porque su señal indicaba al avión hacia donde debía volar en travesías de muy larga distancia. Al ser una onda terrestre, estas estaciones suelen tener un gran alcance (unos 500 km), lo cual es mucho más de lo que proporciona un VOR a baja altitud. Solo se suelen utilizar en caso de que los demás sistemas no se encuentren operativos. La potencia suele variar desde los 20 W hasta varios KW. La señal de un NDB es un código Morse de dos o tres letras (su identificación).

Unidad de control ADF típica

Hay muchos tipos de equipos ADF en uso y el siguiente es solo un ejemplo de una gran variedad de unidades de control. Se trata de una radio receptora de AM.

Las posiciones en el interruptor de función son los siguientes:

1. APAGADO: el ADF no está en uso, el equipo está apagado
2. ADF: las antenas de detección (sense) y de cuadro (loop) están en funcionamiento. El ADF debe dar una indicación continua del rumbo a la estación que ha sido sintonizada.
3. ANT: el sensor de antena solo está en uso. Esta posición se utiliza para la sintonización y la identificación de la estación. La calidad de audio debería ser mejor que en la posición ADF. Esta posición del interruptor puede denominarse REC (recibir), OMNI o SENSE.
4. BFO: la posición del oscilador de frecuencia se usa para escuchar transmisiones no moduladas.

Las emisiones de NDB designadas como A2A o A3E se modulan en amplitud con una señal de audio. La señal de audio se detecta en el receptor y se puede escuchar por los auriculares o el altavoz. Sin embargo, algunos NDB transmiten ondas de radio no moduladas y, como las emisiones no contienen señal de audio, no hay nada que detectar ni nada que escuchar. Para estos NDB, se debe crear una señal de audio en el receptor y esto se logra mezclando con la onda de radio recibida una señal producida dentro del receptor del ADF que difiere en frecuencia de la del NDB en una cantidad que se encuentra dentro del rango de audio para un ser humano. 

Por ejemplo, al mezclar una frecuencia producida internamente de 299 kHz con una frecuencia NDB de 300 kHz, se crea una frecuencia de 1 kHz. La señal producida internamente proviene del BEAT FREQUENCY OSCILLATOR (BFO), que debe estar encendido para escuchar las transmisiones no moduladas. El interruptor BFO puede a veces ser etiquetado como VOICE/CW siendo CW la posición del BFO encendido (ON).

Uso del interruptor BFO

Se debe tener en cuenta que las transmisiones N0N A1A se interrumpen para producir la identificación morse mediante la supresión de la onda portadora. Esto puede hacer que la aguja del ADF oscile. Ver dibujo debajo.

Como se aprecia en la ilustración anterior, las identificaciones en los NDB A2A son señales moduladas en amplitud y no existe interrupción de la señal 

Para obtener un rumbo con el ADF

• Verificar que la aeronave esté dentro de la cobertura nominal del NDB.
• Subir la ganancia.
• Seleccionar la frecuencia.
• Seleccionar "ANT" (antena sensora)
• Seleccionar BFO según sea necesario. Nota: Se recomienda que el BFO se encienda primero para verificar si hay interferencias, incluso cuando sea necesario apagarlo posteriormente para la identificación de un NDB modulado.
• Verificar la identificación.
• Seleccionar ADF.
• Anotar, rumbo, tiempo y rumbo (si se ha obtenido el rumbo relativo)

Rumbo relativo + rumbo magnético = rumbo magnético al NDB. Nota: El rumbo de la brújula requiere corrección por desviación y, si se requiere un rumbo verdadero, también se debe aplicar la corrección por declinación en la aeronave.

 Los factores que afectan el alcance útil de un NDB

1. POTENCIA DE TRANSMISIÓN El aumento de potencia da lugar a un mayor alcance, por lo que los NDB potentes que funcionan a 10 kilovatios pueden alcanzar distancias de hasta 500 nm. Se considera que la distancia es proporcional a la raíz cuadrada de la potencia y, por lo tanto, duplicar la distancia de una onda NDB requiere cuatro veces más potencia.
2. FRECUENCIA La distancia de la onda de superficie aumenta a medida que la frecuencia disminuye debido a que se reduce la atenuación.
3. TIPO DE TERRENO La distancia útil se ve afectada por las diferentes tasas de atenuación que se producen en diferentes superficies. La distancia máxima se logrará cuando la onda de radio pasa sobre el agua y se reduce en gran medida cuando la superficie sea suelo seco o arena.
4. TIPO DE EMISIÓN Para una potencia de transmisión dada, el alcance de un NDB sin modular será mayor que el alcance de un NDB modulado.
5. INTERFERENCIA MUTUA Más de un NDB puede estar transmitiendo en una frecuencia determinada (o cerca de esa frecuencia) y esto puede conducir a interferencias mutuas. Para evitar los problemas resultantes, que incluyen errores en los rumbos, los NDB no deben utilizarse más allá de su alcance máximo publicado, denominado "Cobertura operacional designada" (DOC). El DOC tiene en cuenta la intensidad de la señal de la interferencia, así como la intensidad de la señal del NDB deseado. A diferencia del VOR y el DME, el DOC para un NDB es válido en cualquier altitud, ya que el alcance no se limita a la línea de visión. El DOC es válido solo para las horas diurnas, ya que durante la noche las ondas del cielo (SKYWAVES) amplían el alcance de algún NDB no deseado. El DOC de un NDB se encuentra en el AIP. En el Reino Unido, el error máximo dentro del DOC para un NDB es de ± 5º durante las horas diurnas.

Las limitaciones de ADF

Los siguientes factores pueden afectar el rendimiento y la integridad del sistema NDB/ADF:

1. INTERFERENCIA ESTÁTICA Todos los tipos de precipitaciones y tormentas con aparato eléctrico pueden causar interferencias estáticas que pueden reducir el alcance efectivo y provocar la indicación inexacta de rumbos.

2. INTERFERENCIA DE LA ESTACIÓN (tal como se comentó más arriba) La mejor protección contra la interferencia es garantizar que la aeronave se encuentre dentro de la Cobertura operacional designada del NDB. Incluso dentro de este rango, cuando se opera en la noche o durante las horas del crepúsculo, pueden ocurrir interferencias. Es esencial que el distintivo de llamada del NDB sintonizado se verifique positivamente y que el volumen se suba regularmente para verificar si se está produciendo una interferencia.

3. EFECTO NOCTURNO Por definición, el efecto nocturno se refiere a problemas que ocurren cuando se reciben ondas celestes (Skywaves) desde el NDB sintonizado. El ADF está diseñado para usar solo la onda terrestre polarizada verticalmente y la onda contaminada al venir desde el cielo causará errores en los rumbos indicados y la aguja del ADF oscilará. Esto ocurre porque:

(i) La onda celeste está en la misma frecuencia que la onda terrestre, pero llega fuera de fase. Esto provoca el desvanecimiento de la señal (fade out).

(ii) La onda celeste, habiendo sido refractada por la capa ionizada, ya no está polarizada verticalmente, por lo que puede inducir voltajes en las partes horizontales de la antena de cuadro. La distorsión resultante del diagrama polar cardioide da como resultado errores en los rumbos indicados.

La onda que viene de arriba pasa por la parte de la antena de cuadro que no está preparada para captarla.

4. EFECTO DE MONTAÑA (MULTIPATH) Los sistemas ADF pueden estar sujetos a errores causados por la reflexión y la refracción de la señal en áreas montañosas.

La llamada “Spacewave” es aquella que no llega directa del transmisor. Si una onda reflejada llega con una diferencia de fase de 180º, la señal puede quedar cancelada.

5. REFRACCIÓN DE LA COSTA Cuando una onda de radio de un NDB cruza la costa, tiende a refractarse desde la normal a la costa.

 

Esto ocurre porque las ondas de radio viajan más rápido sobre el mar que sobre la tierra. La cantidad de refracción dependerá de:

(i) el ángulo en que la onda de radio cruza la costa. El error aumenta a medida que el ángulo se vuelve más agudo.

(ii) La naturaleza de la superficie terrestre. La atenuación es mayor en superficies arenosas y secas, por lo que la refracción costera en una costa desértica sería mayor.

Para la misma cantidad de refracción, el error en términos de la distancia entre la posición del avión y la línea de posición falsa será mayor cuando el NDB se encuentre muy al interior comparado con un NDB más cercano a la costa

 

6. FALTA DE UN DISPOSITIVO DE ADVERTENCIA DE FALLO A diferencia de las ayudas a la navegación más modernas, el equipo básico del ADF no tiene un indicador de apagado u otro dispositivo de advertencia de fallo. Existe el riesgo de que los pilotos puedan seguir siguiendo la aguja del ADF después de que un NDB haya fallado. Se logra cierta protección contra esto al monitorear continuamente la señal de identificación de audio.

 

7. ERROR DE CUADRANTE Este error se debe a los reflejos de la onda de radio entrante en las alas y el fuselaje de la aeronave. El nombre del error viene dado porque tiene valores máximos en los rumbos relativos a los cuadrantes 045°, 135°, 225° y 315°. Los circuitos modernos de ADF incluyen correcciones de errores cuadrantes, por lo que hoy en día rara vez se tiene en cuenta este error.

 

8. ERROR DE INCLINACIÓN (DIP) Las antenas ADF están diseñadas para detectar la señal polarizada verticalmente desde el NDB por medio de sus secciones verticales. Sin embargo, cuando la aeronave alabea, también se inclinan las secciones verticales de la antena y se distorsiona el diagrama polar cardioide. El pequeño error resultante en el rumbo desaparece cuando las alas se nivelan de nuevo.

Nota: La precisión del rumbo en un del ADF es de unos 6°.

Tiempo y distancia al NDB

Se puede calcular el tiempo y la distancia por medio de cálculos sencillos. Las siguientes fórmulas se basan en la regla 1 en 60 y, por lo tanto, proporcionan solo respuestas aproximadas:

 

 

La presentación del ADF/NDB

A la hora de navegar un ADF se puede hacer con diferentes instrumentos. Debajo se muestran los más usuales.

 

Intentar seguir la indicación de la aguja en todo momento con viento cruzado da lugar a la maniobra que se puede ver a continuación se denomina “Homing” en inglés y es indeseable porque es más larga que si voláramos directamente. Para evitar esto se debe de corregir la indicación y aproar el morro del avión al viento.

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