La aproximación SBAS a modo de ILS en Airbus

Gracias a los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) la navegación aeronáutica ha evolucionado significativamente en los últimos 25 años. Aunque el ILS (Sistema de aterrizaje por instrumentos) sigue siendo el medio principal para aproximaciones de precisión, ahora tenemos nuevas tecnologías de navegación por satélite para realizar aproximaciones similares. La mayoría de fabricantes de aviones han integrado estas nuevas tecnologías con una interfaz similar al ILS. Lo que se ha tratado de hacer es sacar el máximo provecho de la experiencia operativa con el ILS. Airbus tiene esta nueva función de aviónica en las familias A320 y A330 y la llama sistema aumentado de aterrizaje basado en satélite (SLS).

Esta función permite a los pilotos realizar aproximaciones "directas" utilizando posicionamiento satelital en aeropuertos, incluso en condiciones de baja visibilidad. El SLS entró en servicio por primera vez en Europa con el A350 en 2015 después de que Airbus fuera pionera en el desarrollo e introducción de aproximaciones CATI con el apoyo de la Agencia de la UE para el Programa Espacial (EuSPA), anteriormente conocida como Agencia Europea del GNSS (GSA), y la Comisión Europea. El SLS también está disponible en la familia A220.

Facilitar el acceso de aproximación de precisión a aeropuertos secundarios

La capacidad SLS mejora las operaciones de las aerolíneas al permitir aproximaciones estables, especialmente en aeropuertos que actualmente no cuentan con medios de aproximación de precisión; en las pistas principales como una reserva en caso que el ILS no funcione (por ejemplo, durante el mantenimiento), o en aeropuertos alternativos en caso de desvío.

A menudo, son los aeropuertos secundarios los que tienen menos probabilidades de tener una cantidad de tráfico suficiente como para justificar el coste de instalar equipos ILS. Por el contrario, el ILS suele estar presente en los aeropuertos principales para permitir un seguimiento preciso de la trayectoria de aproximación hasta la altura de decisión de la pista, y es especialmente útil con mal tiempo o cuando hay obstáculos. Ahora, con la capacidad SLS en la aeronave y la cobertura de una señal aumentada (SBAS) desde el espacio, la aeronave también puede realizar aproximaciones CATI similares al ILS en condiciones de baja visibilidad en los aeropuertos secundarios.

Aproximación SLS

Gracias a que el diseño de la función SLS se integró completamente en la arquitectura de las pantallas EFIS, se hizo de forma que fuera algo sencillo de interpretar para el piloto. El resultado es que con el SLS, los pilotos no tienen que cambiar la forma en que vuelan la aeronave porque la simbología de guía que se presenta en la "Pantalla de vuelo principal", el PFD, muestra las mismas indicaciones a las que ya están acostumbrados para una aproximación ILS.

Los símbolos de color magenta para la indicación de la desviación lateral y vertical (debajo y al lado del indicador de actitud del piloto, respectivamente) son idénticos al equivalente del ILS, como se puede apreciar en la ilustración del PFD a continuación. Además, en la parte superior del PFD y durante una aproximación SLS, los pilotos ven las mismas indicaciones de estado en los modos de guía tal cual aparecen en los ILS "G/S" ('Glide Slope' vertical) y "LOC" ('Localizador' horizontal), en azul. cuando está armado o verde cuando está activo.

La simbología es similar al ILS muy fácil de usar para pilotos. El diagrama muestra las similitudes entre los símbolos del modo ILS y el SLS en el PFD de un Airbus.

Para hacer la vida más sencilla a los pilotos, existen otros sistemas de aterrizaje opcionales que proporcionan la misma simbología lateral y vertical magenta, con las conocidas notificaciones LOC y G/S en el PFD. Estos sistemas incluyen el GBAS Landing System (GLS) y el FMS Landing System (FLS) para aproximaciones de no precisión (por ejemplo, utilizando VOR, DME, NDB y LOC solamente). Al tener presentaciones similares, todas estas aproximaciones forman colectivamente un grupo llamado “xLS” en terminología de Airbus.

Posicionamiento aumentado por satélites SBAS

A través de la antena GPS de la aeronave, su receptor multimodo (MMR) capta datos de los satélites GPS, conocidos en este contexto aeronáutico como “Sistema Global de Navegación por Satélite” (GNSS). Además de esas fuentes de posicionamiento, el MMR también recibe correcciones de superpuestas de los "Sistemas de aumento basados ​​en satélites" (SBAS), que transmiten su señal a través de satélites geoestacionarios. Una de las razones por las que las correcciones son necesarias para aproximaciones precisas es contrarrestar los posibles errores de posición inducidos por la ionosfera. Otra razón es monitorizar y confirmar continuamente la integridad general de la señal GPS.

SBAS-EGNOS El diagrama que muestra la arquitectura de la constelación de satélites GPS y SBAS. A la izquierda, se ve la medición del error sobre un continente por estaciones terrestres y el envío por una estación terrestre maestra a un satélite geoestacionario. A la derecha, el satélite geoestacionario envía la corrección del GPS a los usuarios, como un avión equipado con un receptor SBAS.

El MMR de la aeronave también calcula en tiempo real la guía horizontal y vertical precisa que se transmite a las pantallas de vuelo electrónicas y al piloto automático. Además, esto permite que el piloto automático guíe la aeronave a lo largo de la trayectoria calculada, que se puede monitorizar en las pantallas de los pilotos.

Alternativamente, el piloto puede "volar a mano" la aeronave siguiendo los símbolos de guía magenta laterales y verticales generados por el SLS (ver el diagrama a continuación). De esta manera, el SLS proporciona a la aeronave información de posición aumentada por satélite precisa en tiempo real para dar orientación tanto al piloto humano como al piloto automático en los ejes lateral y vertical. Esto es lo que se conoce como vuelo con "rendimiento de localizador y guía vertical" ​​(LPV).

Las aproximaciones SLS evitan la dependencia de la altitud barométrica o el ILS basado en tierra

Una aproximación RNP (RNP APCH) con mínimos LPV (es decir, utilizando SLS) tiene la ventaja de no depender de la altitud barométrica convencional ni de la calibración por compensación de la temperatura. A diferencia de las aproximaciones RNP tradicionales que utilizan LNAV/VNAV, así como con las "aproximaciones que no son de precisión" convencionales que se ven afectadas por las variaciones en la altitud barométrica y la temperatura.

Afortunadamente con el SLS, dado que su guía vertical ya no es barométrica sino geométrica, e independientemente de las condiciones meteorológicas, el segmento de aproximación final de la aeronave está siempre en la misma posición en el espacio. Esto es una gran ventaja, que situa a una aproximación LPV como "equivalente a una aproximación de precisión", con mínimos CATI .

Los pilotos han comentado que los datos satelitales digitales del SLS pueden ser más resistentes que una señal de radio analógica ILS CATI, porque con el SLS, la posición de la aeronave en relación con la trayectoria siempre está disponible. Mientras que con el ILS, al ser terrestre y basado en radio, a veces puede ser susceptible a una falsa señal de localizador (representado por 'LOC' en el PFD) o los lóbulos laterales de la senda de planeo (indicado por 'G/S'), así como a interferencias que afectan al ILS, como las que se podrían dar en las "áreas protegidas". No obstante, el ILS basado en ondas de radio VHF sigue siendo, por el momento, el único medio certificado para que un avión comercial realice una aproximación CAT2 o un "aterrizaje automático" CAT3B con rodaje automático posterior.

Requisitos previos/habilitadores para el SBAS

Si bien la operación es en gran medida transparente para los pilotos, detrás de todo esto existe una gran variedad de cosas que tuvieron que crearse para que el SLS existiera: Aviónica mejorada a bordo. Esta debe incorporar las nuevas funciones para admitir las señales del SLS. Se debe contar con: un "receptor multimodo" (MMR), que albergue la función SLS; el sistema de gestión de vuelo (FMS), que aloja en su base de datos de navegación cada procedimiento SLS para cada pista/aeropuerto; el sistema computerizado de advertencia (FWC) y el piloto automático (AP). El FMS de la casa Honeywell y el de Thales ya se han certificado para su uso con la función SBAS.

Cobertura del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS). 

Son constelaciones de satélites espaciales controlados por civiles que proporcionan datos de posicionamiento y tiempo. Ejemplos de GNSS son Galileo en Europa, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) NAVSTAR de EE. UU. y el Sistema de Navegación por Satélite BeiDou de China. Hoy en día, todos los aviones de Airbus están equipados para utilizar la constelación GPS para el posicionamiento y la navegación.

En Europa tenemos la "Cobertura de Sistemas de Aumento Basada ​​en Satélites" (SBAS), que es conocida como el “Servicio Europeo de Superposición de Navegación Geoestacionaria” (EGNOS). Los satélites SBAS mejoran la precisión y fiabilidad de la información GNSS al corregir cualquier error de señal inducido por la ionosfera y al proporcionar información sobre la integridad de sus señales. Para el espacio aéreo de EE. UU., el aumento SBAS es proporcionado por el "Sistema de aumento de área amplia" (WAAS) y en India por "GPS Aided GEO Augmented Navigation" (GAGAN). Se siguen desplegando otros satélites SBAS en Japón, Australia/Nueva Zelanda y China, y también se están desarrollando para Corea del Sur y África.

El diagrama que muestra los componentes de la función principal del A320 SLS.

El SBAS ha sido ampliamente utilizado en la aviación comercial para dar soporte a la “navegación de área” (RNAV) en navegación lateral en ruta en lugar de las balizas de radar secundario de vigilancia (SSR) tradicionales basadas en tierra, especialmente en los Estados Unidos. Esto ha logrado proporcionar datos de posición más precisos para el controlador de tránsito aéreo, a través de la tecnología ADS-B (vigilancia dependiente automática - transmisión), exigida en los EE. UU. a partir de 2020. Ahora se estäa llevando el SBAS al siguiente nivel, para proporcionar orientación vertical en aproximaciones hasta CATI con mínimos de 200 pies.

Adopción mundial de las aproximaciones SLS y LPV

Para cualquier pista, es necesario que exista un procedimiento de aproximación SLS/LPV personalizado si un operador desea realizar una aproximación SLS en tal aeropuerto. Además, este procedimiento LPV personalizado primero debe ser evaluado, diseñado y aprobado por las autoridades de aviación locales, docuomentado/publicado, y también preprogramado en la base de datos de aproximación FMS de la aeronave, antes de que cualquier aeronave pueda realizar un aterrizaje SLS.

La aceptación de tales aproximaciones LPV aprobadas está aumentando rápidamente en todo el mundo. En los EE. UU., la disponibilidad de LPV es muy alta, desde marzo de 2022, había más de 4.100 aproximaciones LPV para casi 2.000 aeropuertos. Esto se ha logrado gracias a que el continente de los EE. UU. disfruta de una cobertura de aumento satelital WAAS/SBAS casi ininterrumpida de costa a costa.

El diagrama que muestra la cobertura mundial de SBAS.

Mientras tanto, en Europa, a mayo de 2022, solo había 750 procedimientos LPV operativos con otros 500 previstos a corto/medio plazo.

Con estos y otros avances paralelos, es probable que las aproximaciones SLS CATI con LPV se conviertan en la norma en toda la Unión Europea para 2030, teniendo prioridad sobre las operaciones ILS Cat 1. Esto se desprende de la publicación de la Comisión Europea de 2018 dobde se habla de un "reglamento de implementación" que establece los requisitos de uso del espacio aéreo para los proveedores de servicios de navegación aérea, para proporcionar servicios para todas las operaciones basadas en la "navegación basada en el rendimiento" (PBN), es decir. usando navegación por satélite, excepto para aproximaciones de precisión Cat 2 y Cat 3, que continuarán usando ILS.

Breve historia de SBAS

El SBAS se desarrolló originalmente en los EE. UU. para respaldar su programa Sistema de aumento de área amplia (WAAS). El WAAS se introdujo en los EE. UU. a principios de la década de 2000 principalmente para satisfacer las necesidades de la aviación general. En ese momento, el enfoque no se extendía a la aviación comercial principal, ya que el ILS estaba muy extendido en los aeropuertos frecuentados por aviones más grandes. Sin embargo, la llegada del equivalente (EGNOS) a Europa había empujado a la aviación comercial y a Airbus a reconsiderar el SBAS, lo que llevó a su adopción para el programa A350 con el fin de introducirlo desde el comienzo -Entrada en Servicio (EIS)-.

El SBAS también se consideró para otros programas de Airbus, sin embargo, los costes de desarrollo de aviónica requeridos fueron significativos. No obstante, el despliegue de procedimientos SBAS se aceleró en toda Europa a mediados de la década de 2010, con capacidades que permitían incluso el rendimiento CATI. La DGAC de Francia decidió eliminar el ILS CATI en aeropuertos secundarios y reemplazarlos exclusivamente por procedimientos SBAS, es decir, procedimientos LPV, que luego serían facilitados en aviones Airbus gracias a la función SLS.

Posteriormente, en 2016, Airbus buscó oportunidades para lanzarlo en el A320 y el A330, ya que sería beneficioso incorporar una capacidad de aproximación de precisión equivalente a CATI en cualquier aeropuerto sin infraestructura ILS en tierra. El equipo de gestión del tráfico aéreo (ATM) de Airbus respondió a una licitación de la UE para desarrollarlo en el A320. La luz verde se obtuvo debidamente en 2017 para el lanzamiento del SLS en el A320 y el A330. El desarrollo posterior llevó alrededor de tres años y medio y continuó a pesar de la desaceleración por la pandemia de Covid. La certificación EASA se obtuvo en el A320 en octubre de 2021, con la primera entrega en mayo de 2022.

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Definiciones\Glosario:

CAT1/2/3 = La aproximación de categoría de precisión define la precisión en términos de "altura de decisión" y "alcance visual en la pista". (“CAT3” es la más precisa de estas categorías).

ILS = Sistema de aterrizaje por instrumentos es un sistema que funciona mediante el envío de un haz de radio VHF desde la pista, con aeronaves que lo interceptan para ser guiadas en una "pendiente de planeo" continua hacia la pista.

MMR = Multi-Mode Receiver es un sistema de aviónica de navegación que incorpora señales de múltiples tipos de sistemas de navegación y aterrizaje, incluidos GPS, SBAS, SLS, FLS, VOR/MKR, ILS, y los integra en una sola presentación, usando la combinación de señales para verificar la exactitud de otras. Esto permite que una aeronave de transporte aéreo utilice la forma de navegación más ventajosa, sin tener que agregar equipo adicional, independientemente del lugar del mundo en el que opere la aeronave. Cada avión de Airbus está equipado con dos ordenadores MMR.

LNAV/VNAV = Estas aproximaciones directas fueron el primer tipo de aproximación GPS que tenía guía vertical. 

LNAV = Navegación Lateral. Este es un término utilizado para referirse al guiado de la posición lateral de la aeronave mediante GPS/GNSS. 

VNAV = Navegación Vertical. Esto se refiere a la guía vertical basada en la altitud barométrica de la aeronave. 

Mínimos LNAV/VNAV superiores a 250 pies por encima del punto de contacto para la mayoría de las aproximaciones. (Los mínimos de aproximación SLS pueden ser aún más bajos debido a la mayor precisión).

RNP APCH: Las aproximaciones RNP están habilitadas por GNSS. La aviónica moderna puede proporcionar guía tanto lateral como vertical a lo largo de una trayectoria definida cuando se publica como una aproximación RNP. Estas aproximaciones se describen mediante una serie de puntos de ruta, tramos que conectan los puntos de ruta y cualquier restricción de velocidad y altitud requerida en ese procedimiento. Esta información se mantiene en la base de datos de navegación de la aeronave.

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Para saber mäas sobre el tema:

https://www.bubok.es/libros/261787/Conceptos-RNAVRNP-y-PBN