INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL · localizadores y sistemas de navegaciÓn gps para vuelo libre (free flight) tesina que para obtener . el titulo de ingeniero en aeronÁutica . presentan:

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL TICOMÁN

INGENIERÍA AERONÁUTICA

SEMINARIO DE TITULACIÓN

SISTEMAS DE AVIÓNICA

PROPUESTA DE IMPLEMENTACIÓN DE LOCALIZADORES Y SISTEMAS DE NAVEGACIÓN

GPS PARA VUELO LIBRE (FREE FLIGHT)

TESINA QUE PARA OBTENER

EL TITULO DE INGENIERO EN AERONÁUTICA

PRESENTAN:

EDER DIDIER PINEDA DÍAZ

JUAN MANUEL PLATA DOMÍNGUEZ

ASESOR:

M. EN I. RAYMUNDO HERNÁNDEZ BÁRCENAS

MÉXICO, D. F. ENERO 2013

PROPUESTA DE IMPLEMENTACIÓN DE LOCALIZADORES Y SISTEMAS DE NAVEGACIÓN GPS PARA VUELO LIBRE (FREE FLIGHT)


DEDICATORIA

En primer lugar quiero dedicar este gran momento de mi vida a mis padres, Hildeberto Pineda Ochoa y Emelia Díaz Vargas, simplemente han sido los responsables de que me encuentre en este momento de gran felicidad y superación personal. Por su apoyo incondicional tanto moral como económico, ya que no ha sido fácil. Por esto y más no hay mayor recompensa que el haber llegado hasta aquí y poder cumplirles unos de sus más grandes anhelos, el poder otorgarle a sus hijos una carrera profesional.

Estos agradecimientos no solo aplican por haberme otorgado mi carrera profesional, también quiero agradecer por todos esos momentos escolares desde mi niñez, desde los reconocimientos hasta en aquellos momentos que era necesaria su presencia para serles informados de mi mal comportamiento, momentos que si no hubieran estado presentes tal vez ni la educación media superior habría concluido.

Igualmente quiero agradecer a mis dos hermanos, Osberto Aldair Pineda Díaz y Joshmara Mildred Pineda Díaz, que incluso llegaron a ofrecerme su ayuda para entregar a tiempo aquellos proyectos que parecían nunca concluir y eran de vital importancia para aprobar alguna materia.

A mi amigo Juan Manuel Plata Domínguez que al final de la carrera se ha fortalecido nuestra amistad, decidiendo tomar el mismo seminario, logrando poder titularnos al mismo tiempo, cumpliendo uno de nuestros más grandes objetivos.

Por último y con mucho al Instituto Politécnico Nacional, la mejor elección que pude haber tomado para desarrollarme como persona profesional, por sus oportunidades y grandes aspiraciones que me han ofrecido durante todos estos años.

EDER DIDIER PINEDA DIAZ


DEDICATORIA Este trabajo va dedicado para:

A DIOS Primeramente a Dios ya que el me ha acompañado y ayudado durante toda mi vida en cada logro que he tenido, y sobre todo en esta meta a la que he llegado.

A MIS PADRES Ana María Domínguez García y Florencio Plata Becerril por darme la vida y acompañarme en cada momento, apoyándome en cada instante, en cada decisión, por creer en mi y por hacerme una persona de bien gracias a sus consejos, gran amor y cuidado que siempre me han brindado, a ustedes dedico todos mis logros.

A MI HERMANO Por apoyarme y cuidarme siempre, por ser mi amigo y mi compañero de juegos, y por creer en mi durante todos estos años.

A MIS PROFESORES A todos los profesores que me han dado cátedra en algún momento de mi vida, gracias a los cuales he obtenido el conocimiento suficiente para poder llegar a la meta de terminar mis estudios profesionales.

A MIS AMIGOS

A esas personas que me he encontrado a lo largo de todos estos años, que han sido los compañeros de mis mejores y peores momentos, risas, llantos y que estuvieron conmigo todo el tiempo, gracias por acompañarme en este camino, que al final después de tanto esfuerzo valió la pena. Sobre todo Dagheli Gaviña Sánchez, Eder Didier Pineda Díaz, Gabriel Robles Sandoval, Manuel Alejandro Valle Orozco, mil gracias por su amistad.

A MI ASESOR Gracias al M. en I. Raymundo Hernández Bárcenas por todo el apoyo y la comprensión brindados durante todo este curso final, y durante todo este periodo de titulación, en lo personal se lo agradezco de todo el corazón, con mucho cariño y respeto, gracias profesor. Y a todas esas personas que directa o indirectamente han entrado en mi vida, y que gracias a ellas estoy en el lugar que ocupo ahora, y que me han ayudado en mi desarrollo personal y profesional. Gracias a todos por ser parte de mi vida y compartir el momento más importante hasta ahora.

JUAN MANUEL PLATA DOMINGUEZ


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Objetivo

Determinar la viabilidad de una posible implementación de sistemas basados en el GPS (Global Positioning System) para la localización y navegación de aeronaves en vuelo libre (Free Flight), para así presentar una propuesta que lleve a la utilización de estos sistemas y forma de navegar.

Alcance La presente tesina buscar presentar una nueva opción para la localización y navegación de aeronaves a través de implementación de sistemas GPS, haciendo hincapié en las aeronaves relacionadas al vuelo libre (free flight), para que partir de la investigación y análisis de estos sistemas y en base a los posibles resultados que este trabajo pueda arrojar, así como sus ventajas y desventajas, sea posible recabar información e implementar esta nueva forma de navegación aérea.


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Resumen

En la actualidad, la seguridad durante el desempeño de una aeronave es un aspecto fundamental en el desarrollo de la industria aeronáutica. Esto implica perfeccionar herramientas que permitan brindar al usuario un servicio eficiente, con calidad y sobre todo seguro.

Se sabe que el piloto es quien debe llevar a cabo la mayoría de las operaciones de una aeronave, de manera correcta y sin errores; los sistemas de navegación y comunicación tienen gran parte de la responsabilidad de orientarlo a llevar dicha operación a buen puerto. El desarrollo de nuevas tecnologías en estos sistemas permiten reducir cada vez mas la probabilidad de que un piloto se equivoque y por lo tanto también disminuye la posibilidad de un percance de una aeronave durante su operación.

La capacidad y desarrollo de dichos sistemas deben ser estudiados para mantener las operaciones aeronáuticas en los estándares de seguridad mas altos, así como investigar e implementar nuevos elementos que aumenten aun más la seguridad en este negocio.

El presente trabajo estudiara la implementación de nueva tecnología en uno de estos sistemas, proponiendo el uso de un GPS exclusivo para la industria aeronáutica para la localización de aeronaves, facilitando la navegación para los vuelos visuales VFR, vuelo libre (Free Flight), y a su vez aumentar la seguridad de las operaciones aéreas, evitando accidentes o anomalías en las aeronaves. La problemática de este tema radica en la falta de estandarización de un sistema de localización en todas las aeronaves, ya que algunas no cuentan con dicho sistema o de manera deliberada el propietario de la aeronave lo deja fuera de servicio para su conveniencia. El uso de estos dispositivos ayudara al censo de cualquier aeronave que se encuentre operando, sin importar cual sea su función (comercial, privada, militar, riego, etc). De esta manera el GPS cooperara al incremento de la seguridad operacional de las aeronaves y sus servicios.


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Abstract Nowadays, security during one aircraft’s performance is a fundamental aspect on the aviation’s industry development. This implies perfect the tools to offer the user an efficient service, with quality and safety.

It’s known that the pilot is who must carry out almost all the aircraft operations, correctly and without errors, the navigation and communication systems have much of the responsibility by guiding the pilot to take the transaction to fruition. The new technologies development in these systems allows by reducing the pilots mistake and therefore also reduces the possibility of an accident of an aircraft during its operation. The capacity and development of these systems should be studied to maintain aviation operations in the highest safety standards, as well as research and implement new elements to increase security in this business. This project will study the new technology implementation in one of these systems, proposing the use of an exclusive GPS for the aviation industry for aircrafts location, providing navigation for visual flights VFR, Free Flight, and reaching the air operations safety, avoiding accidents or anomalies on aircrafts. The main issue of this project is the no standardization of a tracking system for all aircrafts; some aircrafts don’t have this system or simply the aircraft´s owners put out of service this system for his convenience. The use of these devices will help for the consensus of any aircraft that is operating, no matter what their function (commercial, private, military, irrigation, etc). This way the GPS cooperate to increase safety for aircrafts and its services.


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Antecedentes Hoy en día la aeronáutica es una de las industrias con más demanda a nivel global, esto trae como consecuencia el incremento cada vez mayor de las operaciones y a su vez se tiene un mayor control en la seguridad de cada aeronave. A principios de los años 60 los departamentos de defensa, transporte y la agencia espacial norteamericanas, DoD, DoT y la NASA, buscaban desarrollar un sistema para determinar la posición basada en satélites. El sistema debía cumplir los requisitos de globalidad, abarcando toda la superficie del planeta, con un funcionamiento continuo, sin que le afectaran las condiciones atmosféricas y que fuera altamente dinámico, para posibilitar su uso en la aviación. Por lo que al final se desarrollo el sistema llamado TRANSIT, el cual estaba constituido por una constelación de seis satélites en órbita polar baja, a una altura de 1074 Km. Esta configuración conseguía una cobertura mundial pero no constante. La posibilidad de posicionarse era intermitente, solo se podía acceder a los satélites cada 1.5 h. El cálculo de la posición requería estar siguiendo al satélite durante quince minutos continuamente.

FIGURA 1. CONSTELACIÓN TRANSIT

TRANSIT trabajaba con dos señales en dos frecuencias, para evitar los errores debidos a la perturbación ionosférica. El cálculo de la posición se basaba en la medida continua de la desviación de frecuencia Doppler de la señal recibida y su posterior comparación con tablas y gráficos. Existía un error de cálculo de la posición de alrededor de 250 m.

La investigación realizada en este trabajo propone una nueva forma de navegar utilizando este sistema de satélites como base para transportarse vía GPS en aeronaves en vuelo libre, analizando las ventajas y desventajas de emplear este tipo de tecnología como sistemas de navegación y localización en vuelo.


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Índice

Objetivo I

Alcance I

Resumen II

Abstract III

Antecedentes IV

Índice V

Lista de acrónimos 1

Lista de términos 4

Lista de tablas y figuras 9

Descripción de capítulos 10

Introducción

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1 Navegación, tipos y clasificaciones 14 1.1 Navegación 15 1.2 Tipos de navegación aérea 15 1.3 Navegación aérea

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2 Clasificación de los Vuelos 19 2.1 Vuelos Visuales VFR 20 2.2 Vuelos por Instrumentos IFR 21 2.3 Vuelo libre (Free Flight)

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3 Sistemas de Comunicación durante los vuelos

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3.1 Red de Telecomunicaciones Aeronáuticas (ATN) 29 3.2 Sistemas CNS/ATM 29 3.3 Sistemas de Vigilancia dependiente Automática

(ADS) 30


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3.3.1 ADS-C (ADS por Contrato) 31 3.3.2 ADS-B (ADS Radiodifundido) 32 3.3.3 Modo S Extended Squitter o 1090 33 3.3.4 VDL Modo 4 33 3.4 UAT

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4 Localización de las aeronaves en Vuelo

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4.1 Transponder 36 4.2 Localización de las aeronaves mediante el

sistema ATC, Control del Tráfico Aéreo 38

4.3 Localización de las Aeronaves mediante dispositivos GPS

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5 Sistemas GPS 40 5.1 Sistemas GPS 41 5.2 NAVSTAR GPS 42 5.3 GLONASS Sistema Global de Navegación por

Satélite 44

5.4 Navegación Aérea mediante los Sistemas GPS 45 5.5 Dispositivos GPS 48 5.6 Localizadores GPS

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Propuesta de implementación de Dispositivos GPS en aeronaves para su localización y navegación en Vuelo Libre (Free Flight)

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6.1 Implementación de Dispositivos GPS , “Monopolio”

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6.2 Restricción de los Sistemas GPS por el Departamento de Defensa de los EUA

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6.3 Implementación de dispositivos GPS en las aeronaves para su localización y navegación para vuelo libre

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6.4 Beneficios de la implementación de dispositivos GPS en aeronaves para su localización y navegación en vuelo libre

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7 Sistemas anticolisión 56 7.1 ACAS (Airborne Collision Avoidance System) 57 7.2 Sistema TCAS (Traffic Alert Collision Avoidance

System)

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8 Seguridad Operacional 62 8.1 Aviation Safety 63 8.2 Aviation Security

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Conclusiones y recomendaciones 64

Referencias bibliográficas 66

Apéndices 67


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Lista de acrónimos GPS = Sistema de Posicionamiento Global VFR = Reglas para Vuelos Visuales DoD = Departamento de Defesa DoT = Departamento de Transporte NASA = Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio de los EUA TRANSIT = Constelación de Satélites Norteamericanos IFR = Reglas para Vuelos por Instrumentos ATN = Red de Telecomunicaciones Aeronáuticas CNS/ATM = Sistema de Navegación y Comunicación/Dirección de Tráfico Aéreo ADS = Sistemas de Vigilancia dependiente Automática VDL = Enlace de Datos de Frecuencia ATC = Control del Tráfico Aéreo NAVSTAR = Sistema de Navegaciónn GLONASS = Sistema Global de Navegación por Satélite ACAS = Sistema anti Colisión en el aire TCAS = Sistema anti Colisión por Alertas de Trafico INS = Sistema de Navegación Inercial ADF/NDB = Localizador de Direcciones Automático / Radiofaro No Direccional VOR = Radiofaro Omnidireccional ILS/LLZ = Sistema de Aterrizaje por Instrumentos / Localizador ILS/GS = Sistema de Aterrizaje por Instrumentos / Sendas de Planeo PAPI = Luces Indicadoras de Trayectoria de Aproximación de Precisión VASI = Luces Indicadoras de Pendiente de Aproximación Visual GNSS = Sistema Global de Navegación por Satélite SBAS = Sistema de Aumento Basado en Satélites GBAS = Sistema de Aumento Basado en Tierra ABAS = Sistema de Aumento Basado en Aeronaves VMC = Condiciones Meteorológicas Visuales FL = Nivel de Vuelo ATS = Servicio de Tráfico Aéreo SID = Cartas de Salida Instrumental IAC = Cartas de Aproximación Instrumental ILS = Sistema de Aterrizaje por Instrumentos DME = Equipo Medidor de Distancia NDB = Radiofaro No Direccional


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RNAV = Navegación Aérea sin radio ayudas RVSM = Mínima Separación Vertical Reducida FAA = Administración Federal de Aviación ATM = Sistema de Gestión de Tráfico Aéreo RTCA = Comisión Radio Técnica para la Aeronáutica NATS = Servicios de Tráfico Aéreo Nacional FRAP = Proyecto de Rutas Libres en el Espacio EATMP = Plan Europeo de la Gestión del Tránsito Aéreo ANT = Equipo de Navegación Aérea CEATS = Servicios de Tráfico Aéreo de Europa Central CEAC = Conferencia Europea de Aviación Civil ATSC = Servicios de Comunicación del Tránsito Aéreo AOC = Control de las Operaciones Aeronáuticas AAC = Comunicaciones Aeronáuticas Administrativas APC = Comunicaciones Aeronáuticas de los Pasajeros ADS = Sistema de Vigilancia dependiente Automática ADS-B = ADS-Broadcast ADS-C = ADS-Contract ADS-A = ADS-Addressed OACI = Organización de Aviación Civil Internacional SARPs = Practicas Estandar y Recomendadas STDMA = Acceso Multiplexado por División en el Tiempoo Auto-Organizado GSC = Canales Globales para la Navegación LSC = Frecuencias locales para la Navegación UAT = Transceptor de Acceso Universal MOPS = Normas Minimas de Performance Operacional PSR = Radar de Inspección Primario SSR = Radar Secundario de Vigilancia GPRS = Servicio General de Paquetes vía Radio FDMA = Frecuencia de acceso múltiple EIRP = Potencia Isótropa Radiada Equivalente HP = Señales de Precisión Alta SP = Señales de Precisión Estandar MEO = Órbita Terrestre Media USAF GPS = Fuerza Aérea de los Estados Unidos CDMA = Acceso Múltiple por División de Código MS = Estaciones Monitoras MCS = Estaciones de Control Principal


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C/A = Señales Ordinarias/Consecuentes SMS = Servicio de Mensaje Corto SOS = Señal de Socorro RMS = Raíz Media Cuadrática DRMS = Radio de una Circunferencia FMS = Sistema de Gestión de Vuelo TAs = Advertencias de Trafico RAs = Advertencias de Resolución NM = Milla Náutica CPA = Punto más cercano de Aproximación AVSEC = Seguridad de la Aviación MASER = Radiación Simulada de Microondas Amplificadas


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Lista de términos Aeródromo. Área definida de atierra o de agua adecuada para el despliegue, aterrizaje, acuatizaje o movimiento de aeronaves, con instalaciones o servicios mínimos para garantizar la seguridad de su operación. Aeronáutica. Ciencia o disciplina que estudia el comportamiento, diseño y manufactura de aparatos mecánicos capaces de volar, así como el conjunto de las técnicas que permiten el control de aeronaves. La aeronáutica también engloba la aerodinámica, que estudia el movimiento y el comportamiento del aire cuando un objeto se desplaza en su interior, como sucede con los aviones. Aeronave. Cualquier vehículo capaz de transitar con autonomía en el espacio aéreo con personas, carga o correo. Aeropuerto. Aeródromo civil de servicio público, que cuenta con las instalaciones y servicios adecuados para la recepción y despacho de aeronaves, pasajeros, carga y correo del servicio de transporte aéreo regular, del no regular, así como del transporte privado comercial y privado no comercial. Aerovía. Es una ruta designada en el espacio aéreo donde circulan las aeronaves, comprendiendo una ruta nominal y un área de protección. Es el camino virtual predefinido (tanto en altura como en trazado) que sigue una aeronave que sale desde un punto A hasta un punto B. Es la sucesión de puntos de escala regulares o auxiliares, comprendidos en la ruta aérea. Algoritmo. Conjunto de instrucciones que aplicado a un número finito de datos, después de un número finito de iteraciones entrega un resultado. Altímetro. Es un instrumento de medición que indica la diferencia de altitud entre el punto donde se encuentra localizado y un punto de referencia; habitualmente se utiliza para conocer la altura sobre el nivel del mar de un punto. Altitud. Es la distancia vertical a un origen determinado, considerado como nivel cero, para el que se toma el nivel medio del mar. Anemómetro. Un anemómetro es un aparato destinado a medir la velocidad relativa del viento que incide sobre él. Si el anemómetro está fijo colocado en tierra, entonces medirá la velocidad del viento reinante, pero si está colocado en un objeto en movimiento, puede servir para apreciar la velocidad de movimiento relativo del objeto con respecto el viento en calma.


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Aterrizaje. El aterrizaje es la fase final de un vuelo, que se define como el proceso que realiza una aeronave que culmina con el contacto del aparato con la tierra; contacto que se perdió en el momento del despegue para efectuar el vuelo. Es considerada una fase crítica en el conjunto de éste. Aviation Safety. Es la serie de esfuerzos que se realizan en la aviación para asegurar que las aeronaves estén libres de factores técnicos que pueden conducir a daños o pérdidas. Aviation Security (AVSEC). No solo estudia a las aeronaves en sí, sino más bien a la recopilación de información, al estudio de los procedimientos de embarque y al estudio del personal de seguridad de los aeropuertos. Aviónica. Es la aplicación de la electrónica a la aviación. Es un término procedente de la palabra inglesa avionics, formada con la contracción de aviation (aviación) y de electronics (electrónica). Hace referencia a los sistemas electrónicos usados en aeronaves, satélites artificiales y naves espaciales, tanto sistemas de comunicación y navegación como sus indicadores y elementos de manejo o control. Concesionario. Sociedad mercantil constituida conforme a la ley, con permiso de explotar el servicio de transporte aéreo de servicio de pasajeros, carga, correo o una combinación de ellos, así como la explotación de las tarifas registradas y los horarios autorizados por la misma para el servicio. Controlador aéreo. Es la persona encargada de dirigir el tránsito de aeronaves en el espacio aéreo y en los aeropuertos, de modo seguro, ordenado y rápido, autorizando a los pilotos con instrucciones e información necesarias, dentro del espacio aéreo de su jurisdicción, con el objeto de prevenir colisiones, principalmente entre aeronaves y obstáculos en el área de maniobras.

Datum. Es un punto de referencia que se establece en un dibujo de un avión para controlar las superficies críticas desde donde medir y controlar la altura, el ancho y el grosor de un avión. De esta forma se puede balancear el peso de una aeronave.

Ergonomía. Es la disciplina tecnológica que trata del diseño de lugares de trabajo, herramientas y tareas que coinciden con las características fisiológicas, anatómicas, psicológicas en el sistema (humano-máquina-ambiente), para lo cual elabora métodos de estudio de la persona, de la técnica y de la organización. Frecuencia. Numero de ciclos por unidad de tiempo de una onda sonora. Se mide en Hz (Hertz). Un Hertz es un ciclo por segundo). La respuesta en frecuencia en las personas suele ir de 20 a 20.000 Hz.


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Luces PAPI. Es un sistema de luces que se colocan a los costados de la pista de aterrizaje. Consiste en cajas de luces que ofrecen una indicación visual de la posición de un avión sobre la trayectoria de aproximación asociado a una pista de aterrizaje en particular. Luces VASI. Es un sistema de luces al costado de la pista que provee información de guía visual para el aterrizaje durante la aproximación a una pista. Estas luces pueden ser avistadas desde una distancia de hasta 8 km (5 millas) durante el día y desde hasta 32 km (20 millas) o más de noche. Meteorología. La meteorología es la ciencia que se ocupa de los fenómenos que ocurren a corto plazo en las capas bajas de la atmósfera, o sea, donde se desarrolla la vida de plantas y animales. Estudia los cambios atmosféricos que se producen a cada momento, utilizando parámetros como la temperatura del aire, su humedad, la presión atmosférica, el viento o las precipitaciones. El objetivo de la meteorología es predecir el tiempo que va a hacer en 24 o 48 horas y, en menor medida, elaborar un pronóstico del tiempo. Metro. Es la unidad principal de longitud del Sistema Internacional de Unidades. Un metro es la distancia que recorre la luz en el vacío durante un intervalo de 1/299 792 458 de segundo. Su símbolo es m. Milla náutica. Es una unidad de longitud empleada en navegación marítima y aérea. En la actualidad, la definición internacional, adoptada en 1929, es el valor convencional de 1852 m, que es aproximadamente la longitud de un arco de 1' (un minuto, la sesentava parte de un grado) de meridiano terrestre. Monopolio. Es una situación de privilegio legal o fallo de mercado, en el cual existe un productor (monopolista) oferente que posee un gran poder de mercado y es el único en una industria dada que posee un producto, bien, recurso o servicio determinado y diferenciado y solo él lo puede explotar. Navegación aérea. Es el conjunto de técnicas y procedimientos que permiten conducir eficientemente una aeronave a su lugar de destino, asegurando la integridad de los tripulantes, pasajeros, y de los que están en tierra. La navegación aérea se basa en la observación del cielo, del terreno, y de los datos aportados por los instrumentos de vuelo. Norma. Es una regla dirigida a la ordenación del comportamiento humano prescrita por una autoridad cuyo incumplimiento puede llevar aparejado una sanción. Generalmente, impone deberes y confiere derechos. Omnidireccional. Que se puede utilizar en todas las direcciones y sentidos.


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Pista. Área definida en un aeródromo terrestre preparada para el aterrizaje y el despegue de aeronaves. Radar. Es un sistema que usa ondas electromagnéticas para medir distancias, altitudes, direcciones y velocidades de objetos estáticos o móviles como aeronaves, barcos, vehículos motorizados, formaciones meteorológicas y el propio terreno. Su funcionamiento se basa en emitir un impulso de radio, que se refleja en el objetivo y se recibe típicamente en la misma posición del emisor. El uso de ondas electromagnéticas permite detectar objetos más allá del rango de otro tipo de emisiones (luz visible, sonido, etc.). Entre sus ámbitos de aplicación se incluyen la meteorología, el control del tráfico aéreo y terrestre y gran variedad de usos militares. Receptor. el agente (persona o equipo) que recibe el mensaje (señal o código) emitido por un emisor, transmisor o enunciante. Es el destinatario a quien va dirigida la comunicación. Rodaje. Es el trayecto que parte del final de la pista de aterrizaje y conecta con las zonas de hangares y terminal. Dependiendo del país, la terminología para referirse a este camino varía sustancialmente y por eso recibe tantos nombres como pista de carreteo, pista de rodaje, pista de taxeo o calle de rodaje. Usualmente están pavimentadas en asfalto u hormigón. Satélite. Es una nave espacial fabricada en la Tierra o en otro lugar del espacio y enviada en un vehículo de lanzamiento, un tipo de cohete que envía una carga útil al espacio exterior. Los satélites artificiales pueden orbitar alrededor de lunas u objetos naturales del espacio, cometas, asteroides, planetas, estrellas o incluso galaxias. Tras su vida útil, los satélites artificiales pueden quedar orbitando como basura espacial. Señal. Fenómeno generado por algún tipo de fenómeno electromagnético y que es representable por una función matemática continua en la que es variable su amplitud y periodo (representando un dato de información) en función del tiempo. Algunas magnitudes físicas comúnmente portadoras de una señal de este tipo son eléctricas como la intensidad, la tensión y la potencia, pero también pueden ser hidráulicas como la presión, térmicas como la temperatura, mecánicas, etc. Telecomunicaciones. Es una técnica consistente en transmitir un mensaje desde un punto a otro, normalmente con señales, datos, imágenes, voz, sonidos o información de cualquier naturaleza que se efectúa a través de cables, medios ópticos, físicos u otros sistemas electromagnéticos.


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Tiempo de vuelo. Tiempo total transcurrido desde que la aeronave inicia el despegue, hasta finalizar en un aterrizaje o acuatizaje, pasando por las otras etapas de vuelo como son fase de crucero, fase de aproximación, etc. Transmisor. Un transmisor es un equipo que emite una señal, código o mensaje a través de un medio. Para lograr una sesión de comunicación se requiere: un transmisor, un medio y un receptor.

Tubo de Pitot. Instrumento que se utiliza para calcular la presión total, también denominada presión de estancamiento, presión remanente o presión de remanso (suma de la presión estática y de la presión dinámica). Lo inventó el ingeniero francés Henri Pitot en 1732. Lo modificó Henry Darcy, en 1858. Se utiliza mucho para medir la velocidad del viento en aparatos aéreos y para cuantificar las velocidades de aire y gases en aplicaciones industriales.

Ultraligero. Es un avión que no tiene más de dos asientos, una velocidad de pérdida absoluta (con motor y uso de dispositivos hipersustentadores (VS0) de 65 km/h CAS, y un peso máximo de despegue de no más de:

• 300 kg para un avión terrestre, de un solo asiento (monoplaza). • 450 kg para un avión terrestre, de dos asientos (biplaza). • 330 kg para un avión anfibio (hidroavión) o un avión flotante, de un solo asiento. • 495 kg para un avión anfibio o un avión flotante, de dos asientos.

Las alas sustentadoras suelen ser similares a las del aladeltismo; otras son planos rígidos muy delgados, realizados casi siempre con materiales compuestos de alta resistencia (fibra de carbono, fibra de vidrio, etc.).

Visibilidad. Es la cualidad perceptible, que permite ver objetos a una determinada distancia. A menor visibilidad peor se verán objetos a la lejanía, mientras que a mayor visibilidad se verán mejor objetos lejanos. Vuelo libre (Free Flight). Tipo de vuelo que no utiliza ningún control centralizado, elimina la necesidad de control de tránsito aéreo, cayendo toda la responsabilidad en el piloto.


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Lista de tablas

No. Titulo de la tabla Página 1 CLASES DE ESPACIO AEREO 20 2 ETAPAS DE LOS VUELOS INTRUMENTALES 21 3 REGIONES DEL ESPACIO AEREO 23 4 CARACTERISTICAS DEL NAVSTAR GPS 43 5 DIFERENTES GENERACIONES DEL SISTEMA GLONASS 44 6 GENERALIDADES ITRACKPRO AVL 49 7 GENERALIDADES ITRACKPRO LITE 50 8 ESQUEMA DE AVISOS TA/RA 61

Lista de figuras

No. Titulo de la figura Página 1 CONSTELACIÓN TRANSIT IV 2 AVION EN VUELO FREE FLIGHT 13 3 SATÉLITE GPS 18 4 ESQUEMA ESPACIO AEREO FREE FLIGHT 24 5 ESQUEMA ESPACIO AEREO FREE ROUTE 26 6 FUNCIONAMIENTO DEL ADS-C 31 7 FUNCIONAMIENTO ADS-B 33 8 DIAGRAMA TRANSPONDER 36 9 LOCALIZACIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA

TRANSPONDER 37

10 ESQUEMA FUNCIONAMIENTO GPS 45 11 LOCALIZACIÓN DE SEGMENTOS DE CONTROL 46 12 LOCALIZACIÓN SATELITAL 47 13 RECEPTOR GPS 53 14 GPS AERONAUTICO 55 15 TCAS y CPA 59 16 CRITERIO DE RANGOS TCAS 60


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Descripción de capítulos

En el capítulo 1 “Navegación, tipos y clasificaciones”, se define el concepto de navegación, así como las diferentes formas que existen de ejercer esta actividad, desde sus inicios y su forma mas sencilla hasta el tipo mas complejo de navegación y el modo que nos interesa que es la navegación vía satélite.

En el capítulo 2 “Clasificación de los Vuelos” abordamos las clases de vuelos que existen así como sus reglas, explicando los conceptos mas importantes de cada uno de ellos y específicamente se profundiza en el tema del vuelo libre (Free Flight) y sus características.

En el capítulo 3 “Sistemas de Comunicación durante los vuelos” se describen los procedimientos de aplicación de telecomunicaciones aeronáuticas que se diseñaron específicamente para servir de apoyo a los sistemas de comunicación, navegación, vigilancia y gestión tanto de las aeronaves como del tránsito aéreo, así como el funcionamiento de dichos sistemas.

En el capítulo 4 “Localización de las aeronaves en Vuelo” se extiende la explicación de los sistemas que existen para localizar a las aeronaves durante el trayecto a su destino, se hace hincapié en el mas importante que es el Control de Tráfico Aéreo (ATC) y se explica su funcionamiento como mediante el monitoreo y localización de las aeronaves a través de sensores de radares controla el espacio aéreo. Se explica también la localización de las aeronaves vía GPS y su funcionamiento.

En el capítulo 5 “Sistemas GPS” se detallaran a fondo las características y funcionamiento de este sistema. Aqui se explica como se puede emplear este tipo de sistemas en la navegación aérea. También se hace mención de otro sistema de navegación por satélite como es el GLONASS, sistema ruso que puede innovar en la tecnología GPS.

En el capítulo 6 “Propuesta de implementación de Dispositivos GPS en aeronaves para su localización y navegación en Vuelo Libre (Free Flight)”, como su nombre lo indica, se plantea y desarrolla la idea de implementar este tipo de dispositivos como sistemas de navegación y localización en las aeronaves para vuelo libre.

En el capítulo 7 “Sistemas anticolisión” se describe el funcionamiento de este tipo de sistemas como son el “Airborne Collision Avoidance System” y el sistema “Traffic Alert Collision Avoidance System”, así como su relación con el sistema GPS en dicha propuesta.


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En el capitulo 8 “Seguridad Operacional” se aborda en los conceptos tanto de “Aviation Safety” como “Aviation Security” que son muy importantes en la aeronáutica y su explotación.

Finalmente en “Conclusiones y recomendaciones” se describen los resultados y especificaciones a las cuales se llegaron después del análisis de la propuesta descrita en este texto.


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Introducción

El siglo XX así como lo que va de este, han sido muy importantes en el avance de la ciencia y tecnología humana, los notables descubrimientos y adelantos tecnológicos que han tenido lugar en estos periodos han llegado a beneficiar la calidad de vida y la comodidad del ser humano en todas sus actividades, como la aeronáutica.

Dentro de los notables avances tecnológicos de estos periodos, debe sin lugar a dudas ubicarse en un lugar importantísimo el sistema de posicionamiento global o GPS. Este sistema en si habla de un esfuerzo enorme en su planeación, diseño, fabricación e implementación de componentes eléctricos, electrónicos e informáticos que al unirse crearon un sistema que vino a cambiar la forma de navegar alrededor del mundo para siempre.

Esta tesina presenta una visión general del sistema de posicionamiento global, así como su aplicación a la aviación. En la primera parte se definen y se hacen mención de los orígenes tanto de la navegación así como del propio GPS, que las de este ultimo fueron por una gran necesidad militar de esos tiempos, pasando por su implementación hasta dar una breve descripción de su funcionamiento y su ligada relación a la aeronáutica.

Aunque el sistema de posicionamiento global (GPS) surgió como resultado de la necesidad de las fuerzas armadas de Estados Unidos de América de contar con un sistema de navegación y localización en la tierra, capaz de operar con exactitud, para guiar de manera correcta las sofisticadas armas que se construían en esos tiempos a finales del siglo XX; este sistema alcanzo horizontes y aplicaciones insospechadas hasta que se concesiono su utilización a entidades no militares.

Fue a partir del ingreso al mercado de compañías privadas dedicadas a la tecnología GPS, que proliferan una gran cantidad de receptores que permiten muchos usos, desde la navegación aérea hasta la guía de navegación de vehículos terrestres con extrema precisión.

Actualmente se piensa en lograr llevar a la práctica el concepto de Vuelo Libre de aviación mediante la ayuda del GPS, siendo este el desarrollo de la ultima


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parte del trabajo donde se menciona el estado actual de la navegación aérea y la aplicación de este sistema, además de los objetivos a corto y mediano plazo. También se hace referencia de las leyes y los estrictos márgenes de seguridad a cumplirse por la legislación aérea de Estados Unidos, para el adecuado funcionamiento de estos equipos, asi como las instituciones encargadas de la supervisión de los mismos.

Finalmente se hace mención una de las partes mas importantes del negocio de la aviación, la seguridad tanto operacional como la seguridad personal, esto se relaciona al GPS por su debido funcionamiento para que se asegure que se cumplan dichas partes.

FIGURA 2. AVION EN VUELO FREE FLIGHT


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NAVEGACIÓN, TIPOS Y CLASIFICACIONES

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1.1 Navegación

El concepto de navegación lo podemos definir como un conjunto de técnicas utilizadas para desplazarse entre un punto y otro del espacio, llamados origen y destino, siguiendo una trayectoria dada. Para esto es necesario conocer nuestra posición en cada momento, esto implica poseer la información necesaria y aplicar los procedimientos y algoritmos adecuados para obtener dicha posición. La manera como se obtenga la información requerida determinara el tipo de navegación que está siendo utilizada. Si bien durante mucho tiempo el termino navegación estuvo asociado esencialmente a barcos, el desarrollo de la aviación le agrego una nueva dimensión: además de la posición horizontal (latitud y longitud), se necesita también la altura de la aeronave para garantizar que no se acerca peligrosamente a algún obstáculo. Pero el gran congestionamiento del espacio aéreo en muchas partes del mundo hace necesario agregar otra variable más: el tiempo. El tener disponible un sistema de navegación que permita mantener sincronizadas las operaciones de las aeronaves nos facilita el introducir más aeronaves en el mismo espacio aéreo sin comprometer la seguridad de cada una de ellas. 1.2 Navegación Aérea

A este tipo de navegación la podemos definir como el conjunto de procedimientos y técnicas que nos permiten conducir eficientemente una aeronave a su destino, asegurando la integridad de los tripulantes, pasajeros y de los que están en tierra. Esta se complementa con la observación del cielo, del terreno y de los datos aportados por los instrumentos de vuelo.

La navegación aérea se divide en dos tipos:

• Navegación aérea autónoma • Navegación aérea no autónoma

La navegación aérea autónoma es aquella que no necesita de ninguna infraestructura o información exterior para efectuar un vuelo de manera exitosa.

La navegación aérea no autónoma sí necesita de instalaciones exteriores para poder realizar el vuelo, ya que por sí sola la aeronave no es capaz de navegar. Las instalaciones necesarias para su guiado durante el vuelo reciben el nombre de ayudas a la navegación. Estas ayudas se pueden dividir a su vez dependiendo del tipo de información que transmiten, así como del canal a través del cual lo hacen. Así, las radioayudas pueden ser:

• Ayudas visuales al aterrizaje: son instalaciones que proporcionan señales visuales durante la etapa de aterrizaje de la aeronave. • Radioayudas: Son señales radioeléctricas recibidas a bordo, generalmente emitidas en instalaciones terrestres.


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1.3 Tipos de navegación aérea En las siguientes secciones se presenta una breve descripción de los tipos de navegación aérea más comunes. Navegación visual En este tipo de navegación, el piloto debe identificar visualmente varios puntos de referencia a lo largo de su ruta. De esa manera podrá determinar su posición correcta y hacer las correcciones necesarias en caso de existir desviaciones. Navegación a estima Este tipo de navegación tiene como característica que se parte de una posición previa bien conocida (llamada fix), y estimando el vector velocidad de la aeronave y el tiempo transcurrido, se obtiene (por integración en función del tiempo) la posición actual de la aeronave.

Con la incorporación de algunos instrumentos básicos de ayuda a la navegación aérea, junto con un reloj, se adoptó una técnica más elaborada de navegación: la navegación a estima. En primer lugar, se incorporó la brújula, que sirve para obtener el rumbo magnético (ángulo que forma el eje longitudinal de la aeronave de popa a proa respecto del norte magnético). Por otra parte, considerando la importancia de conocer la altitud de vuelo y la velocidad de los aviones, se incorporó el denominado tubo de Pitot, que permite obtener, mediante medidas de la presión del aire (tanto estática como dinámica), los siguientes datos:

• Altitud (distancia vertical del avión respecto al nivel medio del mar), que se mide con el altímetro. • Velocidad indicada (velocidad del avión respecto del aire), que se determina con el anemómetro. • Grado de ascenso o descenso (velocidad vertical del avión)

Cuando una aeronave tiene que realizar un vuelo con algún fin determinado, éste debe planificarse construyendo, sobre los mapas del terreno, la ruta que se pretende seguir. Como se conocía la velocidad del aparato mediante el anemómetro, se podía estimar el momento en que se alcanzaría el siguiente punto de la ruta, utilizando para ello la ecuación del movimiento uniforme:

Distancia = velocidad x tiempo

No obstante, el final del trayecto podía ser diferente al planificado, debido a tres causas:

• Errores de los instrumentos. • Errores de piloto. • Efecto del viento.


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Tanto los errores debidos a los instrumentos utilizados (brújula, anemómetro y reloj), como los errores humanos, son inherentes a cualquier tipo de navegación, aunque se han reducido sustancialmente con el tiempo.

En la navegación a estima, el problema consiste en determinar la intensidad y dirección del viento para corregir la velocidad medida del anemómetro y obtener la ruta real. Esta situación se conoce como el triangulo de velocidades. Cuando existe viento, la trayectoria real de la aeronave varía respecto de la prevista, de forma que lo que realmente se sigue es una dirección determinada por un ángulo denominado de derrota en vez del rumbo. Dicha derrota se calcula a partir del rumbo y la velocidad indicada de la aeronave, junto con la dirección e intensidad del viento Navegación autónoma La navegación autónoma se realiza sin necesidad de utilizar señales emitidas por transmisores de referencia en la tierra o en el espacio. Se requiere partir de una posición conocida y durante el trayecto es necesario comprobar los resultados cada cierto tiempo usando otro tipo de navegación. La más común de estas es la Navegación inercial, donde se utiliza el Sistema de Navegación Inercial (INS) que consiste en una plataforma con giróscopos que sirve como marco de referencia. Dentro de la plataforma se encuentran unos acelerómetros y giróscopos que permiten medir los cambios de velocidad (tanto traslacional como rotacional) y, mediante integración sucesiva de los datos, obtener la posición de la aeronave y su actitud. Navegación basada en ayudas En este tipo de navegación se cuenta con la asistencia de dispositivos instalados en tierra que asisten como puntos de referencia en la navegación. Pueden funcionar por radio o ser de naturaleza visual. Ayudas de radio (Radioayudas) Las radioayudas se pueden clasificar según el tipo de información que proporcionan: Dirección a un punto fijo: este tipo de ayudas simplemente indica, mediante una aguja, la dirección en la que tendría que volar el piloto para llegar a un punto de referencia dado. A este tipo pertenece el sistema ADF/NDB. Azimutales: el azimut es el ángulo horizontal formado entre un eje de referencia (por ejemplo el vector radioayuda-norte magnético), y el vector radioayuda-aeronave. En esta clasificación entran, entre otros, el VOR y el ILS/LLZ. Cenitales: en este caso se proporciona el ángulo vertical entre el eje de referencia radioayuda-horizonte y el vector radioayuda-aeronave. El ILS/GS es el ejemplo típico.


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Ayudas visuales Utilizadas casi desde los inicios mismos de la aviación, por lo general están asociadas a la operación de aterrizaje: De punto fijo: permiten identificar fácilmente desde lo lejos un punto de referencia importante. Un ejemplo es el faro aeronáutico. De dirección: proporcionan al piloto información valiosa sobre la dirección del viento o el eje de la pista (luces de eje de pista). De elevación: En este caso se indica al piloto el ángulo vertical con el que se aproxima a la pista. Entran en esta categoría los sistemas de luces PAPI, VASI, etc. Navegación por satélite Los últimos avances en la tecnología espacial están generando una revolución en la manera como se realiza la navegación. De hecho, se estima que antes del 2020 los sistemas basados en navegación por satélite sustituirán a casi todos los demás sistemas utilizados actualmente. Estos sistemas reciben el nombre genérico de GNSS (Global Navigation Satellite Systems) porque su cobertura es mundial. Los representantes más importantes son: • GPS • GLONASS • GALILEO • SBAS • GBAS • ABAS

FIGURA 3. SATÉLITE GPS


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CLASIFICACIÓN DE LOS VUELOS

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2.1 Vuelos Visuales, mediante regulaciones VFR (Visual Flight Rules)

Basándose en el Reglamento de Circulación Aérea se establecen las condiciones y normas suficientes para que el piloto pueda dirigir su aeronave, navegar y mantener la separación de seguridad con cualquier obstáculo u otra aeronave con la única ayuda de la observación visual. En todo momento el piloto deberá mantener contacto visual con el terreno, de igual forma se le está permitido utilizar los instrumentos de vuelo a bordo como ayuda y suplemento.

Condiciones de visibilidad

Existen condiciones con las cuales nos es posible realizar un vuelo visual, Condiciones Meteorológicas Visuales (VMC), están detalladas en el Reglamento de Circulación Aérea y dependen de la clase de espacio aéreo:

TABLA 1. CLASES DE ESPACIO AEREO

Espacio aéreo clase A

Espacio aéreo clases B, C, D, E, F y G

El vuelo visual no está permitido.

Visibilidad: 8 kilómetros a FL 100 o por encima, 5 kilómetros por debajo de FL 100.

Distancia horizontal de las nubes: 1500 metros.

Distancia vertical de las nubes: 300 metros.

El propósito de estos requerimientos es garantizar que el vuelo puede realizarse sin que el piloto tenga que acudir a otra referencia que la observación directa del terreno.

Criterios para los Vuelos Visuales

Altitudes mínimas: sobre aglomeraciones de edificios en ciudades, pueblos o lugares habitados o sobre una reunión de personas al aire libre, el vuelo no se efectuará a altura menor de 300 metros sobre el obstáculo más alto situado dentro de un radio de 600 metros desde la aeronave. En cualquier parte distinta de la anterior, el vuelo no se efectuará a altura menor de 150 metros sobre tierra o agua. Altitudes máximas: a menos que lo autorice la autoridad ATS competente, no se realizarán vuelos VFR por encima de nivel de vuelo 200. Los pilotos de ultraligeros no están obligados a mantener contacto por radio con los controladores aéreos, aunque les está prohibido atravesar espacios aéreos controlados, así como despegar o aterrizar desde aeródromos sin permiso previo. Los de aeronaves ligeras operan desde aeródromos. Están generalmente obligados a mantenerse en contacto con los controladores, así como a notificarles su paso por determinados puntos indicados en


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las cartas de navegación aérea. Asimismo, deben atenerse a los procedimientos de salida llegada a los aeródromos que se indican en las mencionadas cartas.

2.2 Vuelos por Instrumentos, mediante regulaciones IFR

IFR, Instrumental Flight Rules, son el conjunto de normas y procedimientos en el Reglamento de Circulación Aérea que regulan el vuelo de aeronaves con base en el uso de instrumentos para la navegación, lo cual implica que no es necesario tener contacto visual con el terreno. El Vuelo por Instrumentos nos permite la operación continua de aeronaves en todo momento incluso cuando el piloto no sea capaz de tener contacto visual y pueda evitar colisiones con otras aeronaves u obstáculos. Por lo que se aplican ciertos criterios de separación entre aeronaves y con el terreno. Para todo vuelo instrumental se requiere la autorización del controlador para cada fase del vuelo. El controlador proporciona rumbo o aerovía, altitud y límite.

Separación entre aeronaves. El controlador aéreo es el responsable, establece la separación mediante el cálculo de tiempo, de las distancias y de las velocidades entre las aeronaves. Estos datos los obtiene mediante la velocidad, la altura, el rumbo o la posición que le transmite el piloto, así como de la pantalla de radar, gracias a un emisor de radio en la aeronave llamado transpondedor. En espacio aéreo no controlado, las separaciones están establecidas mediante las Cartas de Navegación, que indican altitudes mínimas para evitar el terreno y los obstáculos, las altitudes de crucero para evitar la colisión de aeronaves que vuelen en direcciones distintas. Asimismo, en el espacio aéreo no controlado los pilotos deben informar de sus intenciones utilizando una frecuencia específica de radio, para mantener alerta a los otros pilotos.

Meteorología

Una ventaja del vuelo instrumental es la capacidad de volar en Condiciones Meteorológicas Instrumentales (IMC), condiciones que no permiten el vuelo visual. En estas condiciones, el piloto controla su avión atendiendo a la lectura de los instrumentos de vuelo, y confía al controlador su separación respecto de otras aeronaves o el terreno.

TABLA 2. ETAPAS DE LOS VUELOS INTRUMENTALES

Etapa 1 Salida / despegue

Etapa 2 Ruta

Etapa 3 Aproximación

Etapa 4 Llegada / aterrizaje


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Salidas y llegadas instrumentales Las salidas están descritas en las cartas de salida instrumental (SID) y describen las rutas a seguir por la aeronave en función de su destino, desde el Aeropuerto hasta que se incorpora a la Aerovía asignada. Las cartas de llegada instrumental (STAR), detallan la ruta desde que el avión abandona la Aerovía hasta el punto donde inicia la aproximación final a la pista.

Aproximaciones La aproximación a pista se detalla en las llamadas cartas de aproximación instrumental (IAC), que describen la ruta, tanto vertical como horizontal, hasta un punto a partir del cual el piloto debe tener contacto visual con la pista y completar el vuelo sin ayuda de los instrumentos. Dicho punto se denomina mínimo, o Altitud de Decisión. Si en este punto el piloto no tiene contacto visual con la pista, deberá frustrar el aterrizaje, de acuerdo con los procedimientos establecidos en la misma carta, y esperar instrucciones del controlador o bien dirigirse a un aeropuerto alternativo especificado en su plan de vuelo.

Aproximación de precisión Es aquélla en la que el aeropuerto dispone de radioayudas específicas, mediante el Sistema de Aterrizaje por Instrumentos (ILS). Esta radioayuda proporciona al avión, en el tramo final, una guía horizontal y vertical que le permite dirigirse y descender de modo seguro hasta la pista de aterrizaje.

Aproximación de no precisión Las aproximaciones de no precisión se utilizan en aeropuertos o pistas no equipados con ILS. En estos casos, las cartas conducen a la aeronave hasta un punto más o menos cercano y más o menos alineado con la pista, de modo que el piloto completa el aterrizaje de forma visual.

Equipamiento para vuelos por instrumentos:

• Dos emisores/receptores de radio para comunicaciones con los controladores • Dos receptores VOR para contactar con las radioayudas en tierra • Un receptor NDB para contactar con los radiofaros en tierra • Un equipo DME para conocer las distancias con las radioayudas.

2.3 Vuelo libre (Free Flight)

El vuelo libre es un desarrollo del tráfico aéreo, que no utiliza ningún control centralizado, elimina la necesidad de control de tránsito aéreo (ATC), dando toda la responsabilidad al piloto. Las secciones del espacio aéreo se reservan dinámicamente y automáticamente de forma distribuida, mediante comunicación para garantizar la debida separación entre las aeronaves.

El piloto tiene la posibilidad de cambiar de trayectoria en pleno vuelo. Con la ayuda de sistemas informáticos, los pilotos podrán tomar decisiones o trayectorias de vuelo de forma independiente. Por lo que se busca llegar a ser menos dependientes del factor humano y más dependiente de la tecnología.


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En la década de 1970 se desplegó gracias al Departamento de Defensa de EE.UU, el GPS, la industria de la aviación vio la oportunidad de utilizar el GPS para capacidades aéreas potencialmente más eficientes de gestión del tráfico a través de un mayor uso de esta capacidad. Las Regiones se dividen en:

• Transición • Sin restricciones • Restringido. A continuación se muestra una tabla con las diferencias entre estas regiones:

TABLA 3. REGIONES DEL ESPACIO AEREO

Sin restricciones

En esta región habrá muy poca orientación de ATC ya que la densidad aeronave será baja. Los pilotos tienen una gran flexibilidad para ejercer vuelo libre en esta zona. Los pilotos pueden llegar a ajustar su rumbo para evitar las inclemencias del tiempo.

Transición Un poco restringido, sin embargo, los pilotos conservan cierta flexibilidad para ejercer vuelo libre.

Restringido La libertad de la prueba piloto se ha restringido de manera significativa.

Historia del Free Flight (vuelo libre)

A pesar de que la implantación de la Navegación de Área (RNAV) ha permitido a los aviones volar entre dos puntos cualesquiera de una ruta dada sin necesidad de sobrevolar las radioayudas en las cuales se apoya, y la implantación de la RVSM (Reduced Vertical Separation Minimum), ha permitido a su vez generar un 20% de capacidad extra en el espacio aéreo superior gracias a la posibilidad de poder volar seis nuevos niveles de vuelo entre los 29.000 y 41.000 pies, los usuarios del espacio aéreo han seguido presionando para conseguir mayor libertad con objeto de ganar en eficiencia y economía. Fruto de esa presión surgieron dos conceptos muy similares: Free Flight (vuelo libre) y Free Route (ruta libre).

En 1993, el piloto de United Airlines, Bill Cotton, presento ante la FAA un concepto, al que denominó “Free Flight”, que iba dirigido a eliminar las restricciones para volar en el ineficaz sistema de gestión de tráfico aéreo (ATM) norteamericano y cuyo objetivo era dar cabida a una mayor cantidad de tráfico aéreo. En su presentación, llamaba la atención el nivel de


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sofisticación de los sistemas que se estaban instalando a bordo de los aviones, alertaba del desequilibrio que existía con el nivel de desarrollo de los sistemas para la gestión del tráfico aéreo con que contaba entonces el ATC, y aprovechaba para manifestar la existencia de un importante paralelismo entre la protección que proporcionaba el TCAS y el concepto de separación bajo el Free Flight: “que la separación se planifica, desarrolla y completa desde las cabinas de las aeronaves”.

Para averiguar la viabilidad de una propuesta tan novedosa y, en principio, también tan radical, el máximo responsable de la FAA solicitó a la RTCA (Radio Technical Commission for Aeronautics) que llevase a cabo un estudio en profundidad. Este informe se iniciaba destacando la necesidad de cambiar el enfoque de partida del concepto Free Flight, de tal modo, que en una primera fase tendría menos peso la libertad y más la planificación a medio plazo, y dejaba constancia de que “cualquier iniciativa que elimine restricciones representa un paso hacia el Free Flight”, concepto que en ese informe se definía como: “capacidad para operar de forma segura y eficiente bajo reglas de vuelo por instrumentos donde los pilotos tienen la libertad para seleccionar su ruta y velocidad en tiempo real sin necesidad de contactar con el ATC”. También dejaba claro, que a largo plazo el concepto Free Flight no solo sería aplicable a la fase de ruta, sino a todas las fases del vuelo.

FIGURA 4. ESQUEMA ESPACIO AEREO FREE FLIGHT


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En resumen, el concepto Free Flight trata acerca de la posibilidad de poder optimizar la ruta, la velocidad y el nivel de vuelo de una aeronave teniendo en cuenta el viento y la meteorología sin necesidad de una autorización específica del ATC, que intervendría sólo cuando los sistemas automatizados prevean un conflicto.

Se han identificado tres modelos de implantación del concepto que permitirán liberalizar la navegación aérea:

• Modelo basado en el control aéreo (sin delegación) • Modelo basado en la cabina (delegación total) • Modelo compartido (delegación parcial)

Modelo basado en el control aéreo

Básicamente, se trata del esquema operacional actual evolucionado de acuerdo con lo que la proveedora inglesa de servicios de tránsito aéreo, NATS (National Air Traffic Services) identificó durante una serie de simulaciones, como la necesidad de contar con un nuevo elemento en el esquema de trabajo del ATC: un controlador planificador que supervise la demanda a medio plazo de un conjunto de sectores. Lo denominó multi-sector planner, y su misión sería distribuir el tráfico y solucionar conflictos 20 ó 30 minutos antes de que los vuelos entren en el primero de los sectores implicados en sus respectivas rutas.

Modelo basado en la cabina

También conocido como “Operación autónoma”, supone para las aeronaves equipadas con sistemas de navegación, vigilancia y autoprotección adecuados y mientras se encuentren en espacios aéreos designados para operaciones Free Flight, la delegación total en la cabina de vuelo de la responsabilidad para la detección del conflicto y su resolución

Modelo compartido

El objetivo de la delegación parcial, es permitir una mayor flexibilidad en el uso del espacio aéreo disponible. Para conseguirlo, se traslada a la aeronave la responsabilidad operacional de la separación durante maniobras específicas, reduciendo así la carga de trabajo del ATC y aumentando la capacidad del sistema. Con este modelo el controlador mantiene la iniciativa y la autoridad en la gestión de la situación, pero con la particularidad de que quién mejor situado esté para solucionar un conflicto sea quien tome las medidas encaminadas a llevar a cabo la separación con la aeronave implicada. Evidentemente, se estaría hablando de un volumen de espacio aéreo controlado, de aeronaves adecuadamente equipadas y también de normas definidas para el caso.


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Free Route

Con la idea de mejorar la gestión de la capacidad de su espacio aéreo, en el año 1996 cuatro países europeos, Holanda, Alemania, Luxemburgo y Bélgica, junto al centro de control de Maastricht, comenzaron a estudiar la posibilidad de que en una parte de su espacio aéreo superior pudiera permitirse a los pilotos elegir en tiempo real la ruta más conveniente. Se diseñó un programa piloto al que se le conocería a partir de entonces como FRAP (Free Route Airspace Project). De forma casi inmediata recibió el apoyo del Plan europeo ATM (EATMP) y del grupo consultivo de navegación aérea (ANT, Air Navigation Team), respaldo que propiciaría que al año siguiente Dinamarca, Finlandia, Noruega y Suecia lo incorporaran al programa nórdico de armonización. A día de hoy, no se ha producido la implantación de estos programas, aunque se sigue trabajando en ellos. Por otro lado, el concepto FRAP también sería incorporado al proyecto CEATS (Central European Air Traffic Services), siglas que representan la iniciativa de ocho Estados de Europa Central (Austria, República Checa, Croacia, Italia, Hungría, Eslovaquia, Eslovenia y Bosnia Herzegovina), cuyo espacio aéreo superior se gestiona desde un único centro de control instalado en Viena (Austria). Hechos todos ellos que animaron a la Conferencia Europea de Aviación Civil (CEAC) a acordar también su implantación cuando llegue el momento en toda su área.

FIGURA 5. ESQUEMA ESPACIO AEREO FREE ROUTE


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En resumen, “Free Route” es un concepto por el que un piloto podrá, en un determinado bloque del espacio aéreo superior, planificar con libertad su ruta entre un punto de entrada y otro de salida de ese espacio aéreo sin necesidad de tomar como referencia la red de rutas de los servicios de tránsito aéreo (ATS), aunque todos los vuelos estarán sujetos a control de tráfico aéreo.

Los objetivos del programa son:

Incrementar la capacidad del espacio aéreo

• Mejorar la flexibilidad • Conseguir beneficios económicos y operacionales para los usuarios • Optimizar la utilización de los sistemas de a bordo.


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SISTEMAS DE COMUNICACIÓN

DURANTE LOS VUELOS

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3.1 Red de Telecomunicaciones Aeronáuticas (ATN)

La red de telecomunicaciones aeronáuticas incluye aplicaciones y servicios de comunicación que permiten el funcionamiento de las subredes de datos de tierra, aire-tierra y aviónica, mediante la adopción de servicios y protocolos con equipo común de interfaz. La ATN, y sus procedimientos de aplicación, se diseñaron para servir de apoyo a los sistemas de comunicación, navegación, vigilancia y gestión del tránsito aéreo.

La red de telecomunicaciones aeronáuticas proporciona servicios de comunicación de datos a los organismos proveedores de servicios de tránsito aéreo y a las empresas explotadoras de aeronaves para los siguientes servicios de comunicación:

• Comunicaciones de los servicios de tránsito aéreo (ATSC) • Control de las operaciones aeronáuticas (AOC) • Comunicaciones aeronáuticas administrativas (AAC) • Comunicaciones aeronáuticas de los pasajeros (APC)

Al igual la ATN ofrece un servicio de comunicaciones de extremo a extremo fiable, esencial para el suministro de servicios de tránsito aéreo seguros y eficientes entre sistemas de a bordo y sistemas de tierra y los sistemas de tierra múltiples, un servicio de comunicaciones de datos capaz de satisfacer los requisitos de los usuarios en materia de protección y seguridad operacional.

3.2 Sistemas CNS/ATM

Los sistemas de Comunicación, Navegación, Vigilancia / Gestión del Tráfico Aéreo emplean tecnologías digitales, incluyendo sistemas de satélites junto con diversos niveles de automatización.

Teniendo el sistema CNS/ATM las siguientes ventajas:

• Mayor seguridad, disminución de la distancia entre aviones en vuelo. • Se permite la realización de rutas libres, reduciendo el quince por ciento de tiempo de vuelo y de combustible. • Disminución del ruido en las inmediaciones de los aeropuertos gracias a los acercamientos de los aviones en trayectoria curva para aterrizar. • La comunicación se efectúa por medio de transmisión de datos entre el satélite, la computadora del avión y la estación en tierra, semejando a una red como el Internet.

La seguridad en vuelo es controlada mediante el sistema de vigilancia dependiente automática (ADS) y mediante radares que operan en modo S, así las estaciones en tierra y el sistema centralizado de aviónica de la aeronave conocen en todo el momento los datos de ubicación y condiciones de vuelo.


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El sistema CNS / ATM logra reducir los errores de comunicación e interpretación al buscar disminuir al máximo las comunicaciones radiales o por voz entre controladores y pilotos, pues la información está disponible en computadoras que trabajan con datos durante todo el vuelo, apoyándose de la red de telecomunicaciones aeronáuticas.

Otro beneficio de este sistema es la disminución de los problemas de operación en los aeropuertos, al permitir a los aviones realizar aterrizajes de precisión, con un sistema de aterrizaje por microondas disminuyendo el tiempo de sobrevuelo y el ruido en su llegada además de ahorrar combustible.

Existe un solo problema para este sistema, aun no existe un marco legal mundial que reglamente las operaciones del mismo, el cual defina quien lo administrará y se hará responsable de las eventuales fallas.

3.3 Sistemas de Vigilancia dependiente automática (ADS)

Es una técnica de vigilancia que permite a las aeronaves proporcionar automáticamente, mediante enlace de datos, aquellos datos extraídos de sus sistemas de navegación y determinación de la posición instalados a bordo, la identificación de la aeronave, su posición en cuatro dimensiones y otros datos adicionales.

OACI ha identificado al ADS (Vigilancia Dependiente Automática) como el elemento clave en torno al que se construirá el futuro sistema de vigilancia y que posibilitará los cambios requeridos por el Concepto Operacional ATM en general y por cada usuario particular del Sistema de Vigilancia. Por tanto, mediante el empleo del ADS, la aeronave envía la información del mensaje de vigilancia (informe ADS) a otros sistemas por medio del enlace de datos. A diferencia de los sistemas convencionales de vigilancia, en los que la posición de la aeronave se determina directamente desde la estación de tierra, con el ADS las medidas de posición se realizan a bordo a través de la información de navegación y posteriormente se envían a los centros de vigilancia.

La aceptación generalizada del ADS como tendencia futura ha sido posible gracias a las mejoras tecnológicas alcanzadas. Así, la implantación del ADS gracias a enlaces de datos más fiables y sistemas de navegación más precisos, permite proporcionar servicios de vigilancia en áreas no continentales o carentes de cobertura radar. Además, también se obtendrán ventajas en vuelos continentales en ruta, en el área terminal o en la superficie de aeródromo.

En vista de esto, el ADS ofrece la posibilidad de:

- Vigilancia basada en tierra

- Vigilancia del entorno

- Vigilancia en el aeródromo

Como se observa, el ADS permite extender el concepto de vigilancia a todas las etapas del vuelo, lo que comúnmente se denomina “gate-to-gate”, desde el primer movimiento de la


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aeronave en pista, pasando por las distintas fases de vuelo hasta llegar de nuevo a tierra e incluyendo el tramo de rodaje para alcanzar la puerta. Para implantar este concepto se han definido dos técnicas de envío de información a las estaciones terrestres, el ADS-Broadcast (ADS-B), radiodifundido, y el ADS-Contract o Addressed (ADS-C o ADS-A), por contrato.

3.3.1 ADS-C (ADS por Contrato)

El ADS-C implica la transmisión de la posición, identidad y cualquier otra información acerca de la aeronave a una estación terrena. Todas las comunicaciones entre los sistemas terrestres y embarcados son punto a punto, produciéndose un flujo de comunicaciones bidireccional entre el terreno y la aeronave.

FIGURA 6. FUNCIONAMIENTO DEL ADS-C

La función terrena establece un contrato en el que se especifican las características de los informes transmitidos por la aeronave tales como el ritmo al que la aeronave transmite la información, el tipo de información enviada y las condiciones en que debe transmitirse la misma. Dicho contrato es iniciado por la función terrena y debe ser ratificado por el equipo ADS embarcado en la aeronave. Durante el vuelo la aeronave puede establecer simultáneamente diversos contratos con diferentes estaciones terrenas, los cuales pueden ser modificados o cancelados a lo largo del vuelo.


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Existen tres tipos básicos de contrato:

• Periódicos: La aeronave transmite los informes ADS-C a intervalos regulares.

• Por evento: La aeronave transmite los informes cuando sucede cierto suceso. Dicho suceso puede ser, por ejemplo, un cambio en altitud o velocidad o una desviación de la ruta prevista.

• A demanda: La aeronave transmite un único informe ADS-C como respuesta a una petición del ATC.

Además de los anteriores, una aeronave también puede transmitir en modo de emergencia. Dicho modo es iniciado por los sistemas de abordo y no es realmente un contrato. Así, la aeronave transmite los informes con una tasa de repetición determinada a todas las estaciones terrestres con las que tenga establecido un contrato previo. Debido al enlace de datos punto a punto (conexión orientada), la recepción del mensaje ADS-C está garantizada y es fiable a menos que se produzca una pérdida total del enlace de datos, y aún en este caso se notificaría tal circunstancia al emisor. Por tanto, el usuario del ADS-C tiene la certeza de que o bien los datos serán entregados o bien será notificado del posible fallo en las comunicaciones.

Los estándares de OACI establecen como base para fundamentar la implantación del ADS-C la Red de Telecomunicaciones Aeronáuticas, ATN. Así, se prevé que pueda usarse cualquiera de las subredes móviles ATN disponibles para la aeronave y el segmento terrestre, de ahí que este sistema se conozca también como ATN ADS-C. Los estándares empleados para implantar el ADS-C se definen en las SARPs de OACI (Standard and Recommended Practices) en las que se encuentran las normas para aplicar el ADS y las especificaciones para el sistema de comunicaciones ATN y sus subredes. Dichas SARPs presentan la garantía de tener como soporte importantes estándares de la industria.

3.3.2 ADS-B (ADS Radiodifundido)

El ADS-B se basa principalmente en la transmisión frecuente y regular de informes ADS por medio de un enlace de datos radiodifundido. Los informes ADS-B son enviados periódicamente por la aeronave sin intervención alguna de la función terrena. Estos informes pueden ser recibidos y procesados por cualquier receptor en el entorno de la aeronave (ver figura 6). En el caso de una unidad terrena de adquisición de datos, el informe ADS-B se procesará junto a otros datos de vigilancia y será empleado tanto para funciones ATM como no-ATM.

El ADS-B ofrece la posibilidad del envío de información de vigilancia aire-aire o aire-tierra. La transmisión directa aire-aire conlleva que no sea necesaria la intervención de un segmento terrestre para la realización de las tareas de vigilancia a bordo de la aeronave. Además, el empleo de informes ADS-B procedentes de las aeronaves del entorno permite la presentación en la cabina de una imagen clara del estado del tráfico. Cabe señalar que esta aplicación de vigilancia directa aire-aire es característica del ADS-B y no es ofrecida actualmente por el ADS-C.


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FIGURA 7. FUNCIONAMIENTO ADS-B

3.3.3 Modo S Extended Squitter o 1090

Consiste en una extensión del tradicional Modo S del Radar Secundario, habitualmente empleado por el ACAS. Así, la aeronave transmite regularmente mensajes “extended squitter” conteniendo información tal como la posición o la identificación. Los extended squitters son transmitidos en la frecuencia de respuesta del secundario, 1090 MHz, y pueden ser recibidos por cualquier aeronave o estación de tierra convenientemente equipadas. Uno de los principales problemas del extended squitter es que las transmisiones pueden ser confundidas con otras funciones del modo S, como la vigilancia elemental o mejorada, o con el ACAS/TCAS, que además operan con los mismos protocolos y formatos de mensaje y con las mismas frecuencias (1030 MHz para las interrogaciones y 1090 para las respuestas).

Los extended squitters son transmitidos a intervalos aleatorios con ciertas tasas medias de transmisión. La transmisión de extended squitters no está sincronizada con las transmisiones del resto de los usuarios.

3.3.4 VDL Modo 4

El VDL (VHF Digital Link) Modo 4 es un sistema desarrollado en Suecia a partir del principio STDMA, Acceso Multiplexado por División en el Tiempo Auto-Organizado (Self-Organising Time Division Multiple Access), que consiste en dividir la frecuencia de las comunicaciones en múltiples slots que se asignan a los usuarios equipados para que puedan transmitir.


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Con este sistema se pretende dar soporte a un amplio abanico de aplicaciones punto a punto y radiodifundidas, entre las que destaca el ADS-B. Al igual que las SARPs del Modo S, las SARPs del VDL Modo 4 también incluyen compatibilidad con la ATN, de forma que el VDL modo 4 pueda actuar como una subred de la ATN al mismo tiempo que provee informes ADS-B (y otras aplicaciones).

El VDL Modo 4 opera en la banda del Servicio Móvil Aeronáutico (en ruta), banda VHF que se extiende desde los 118,000 MHZ a los 136,975 MHz. Cada canal VDL Modo 4 ocupa 25 kHz, y el sistema opera simultáneamente con un mínimo de dos canales globales (GSC), si bien pueden definirse frecuencias locales (LSC) en función de la densidad de tráfico de cada área. En cada frecuencia y en un segundo se definen 75 slots, cada uno con un tamaño de 256 bits. Básicamente, el VDL Modo 4 se basa en un enlace de datos VHF que emplea una estructura de asignación de “slots” en el tiempo para las comunicaciones.

Todas las transmisiones son sincronizadas al comienzo del “slot” de forma que un usuario pueda transmitir un único informe ADS en dicho período. El enlace de datos emplea ciertos protocolos de reserva para gestionar el acceso al medio, lo que permite al transpondedor reservar un “slot” posterior para el siguiente mensaje.

3.4 UAT

El Universal Access Transceiver (UAT) es un sistema de enlace de datos desarrollado en el marco de los proyectos del Centro para el Desarrollo de Sistemas Avanzados para la Aviación de la Corporación MITRE en Estados Unidos. Prototipos de este sistema se han instalado y ensayado en los primeros experimentos ADS-B de la FAA. El equipo opera en una única frecuencia con una tasa de intercambio de datos de 1 Mbps. La mayoría de los ensayos se llevaron a cabo a una frecuencia de 966 MHz, si bien el equipo es capaz es capaz de funcionar a otras frecuencias (lo cual es una ventaja frente al VDL Modo 4, para el que la asignación de frecuencias puede suponer una restricción). Hay que señalar que la frecuencia anterior se encuentra dentro de la banda del DME, por lo que puede originar problemas de compatibilidad con dicho sistema.

El principio del UAT se basa en la transmisión cada segundo de un bloque de datos del cual el 20% se reserva para la gestión interna del mismo por parte de las estaciones terrestres y el resto (lo que supone cerca de 3200 “slots”) para la transmisión de mensajes ADS-B. Un algoritmo diseñado específicamente evita que diferentes mensajes empleen el mismo “slot”. Este enlace de datos no requiere sincronización alguna y permite generar mensajes de 128 o 256 bits, los cuales pueden incluir toda la información requerida en el documento DO-242 de la RTCA.

Actualmente el UAT está siendo sometido a minuciosos ensayos al otro lado del Atlántico y podría perfectamente convertirse en el enlace de datos seleccionado por la FAA para desarrollar el ADS-B. De hecho, la RTCA trabaja en el desarrollo de MOPS para este sistema (en particular, las especificaciones RTCA DO-282A). A día de hoy OACI sigue igualmente trabajando en su estandarización, encontrándose ya disponible el Manual sobre UAT (Documento 9861 de OACI).


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LOCALIZACIÓN DE LAS AERONAVES EN VUELO

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4.1 Transponder

Es un dispositivo utilizado en telecomunicaciones cuyo nombre viene de la fusión de las palabras inglesas Transmitter (Transmisor) y Responder (Contestador). La función de este equipo en la aeronáutica es la respuesta automática de un mensaje (predeterminado o no) a la recepción de una señal concreta de interrogación de una aeronave a otra cuando estas se encuentran en un espacio aéreo cercano.

Este dispositivo se utiliza principalmente como un nuevo transmisor debido a que recibe una señal en particular a partir de una fuente, entonces amplifica (refuerza) la señal antes de enviarla a un sitio predefinido. Estos dispositivos tienen un gran número de aplicaciones en nuestra vida cotidiana. Algunos de los usos más comunes son: la televisión por satélite, la telefonía por satélite, el control del tráfico aéreo y en los automóviles. También son incorporados en los coches para abrir puertas automáticamente. Es importante mencionar que existen transpondedores activos y transpondedores pasivos.

FIGURA 8. DIAGRAMA TRANSPONDER

Transpondedor activo: Estos dispositivos emiten señales de radio que son seguidos y controlados. Estos también pueden ser dispositivos automáticos que refuerzan las señales recibidas y transmitir a otro lugar. Son empleados en sistemas de localización, navegación o posicionamiento. De manera más concreta, un transpondedor activo es toda cadena de unidades o equipos interconectados en serie en un canal, que modifican y adecuan la señal


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desde el receptor (habitualmente antena receptora) hasta el emisor (habitualmente antena emisora), con el fin de retransmitir la información recibida. En algunos casos se utiliza el término, de manera estrictamente incorrecta, para designar al amplificador de señal que se encuentra justo antes del elemento emisor. En estos sistemas, el transpondedor responde en una frecuencia distinta de en la que fue preguntado, y ambas, la de entrada y la de salida de datos, están predefinidas de antemano.

Los transpondedores pasivos son aquellos elementos que son identificados por escáneres, robots u ordenadores, tales como las tarjetas magnéticas, las tarjetas de crédito, o las etiquetas con forma de espiral que llevan los productos de los grandes almacenes. Para ello es necesario que interactúe con un sensor que decodifique la información que contiene y la transmita al centro de datos. Generalmente, estos transpondedores tienen un alcance muy limitado, del orden de un metro.

FIGURA 9. LOCALIZACIÓN DE COMPONENTES DEL SISTEMA TRANSPONDER

RADAR PRIMARIO Y SECUNDARIO

Existen dos tipos de radar en las estaciones ATC terrestres. El primero, llamado radar de inspección primario (PSR), este radar opera bajo los principios fundamentales del radar recibiendo señales reflejadas de un avión bajo vigilancia o inspección, tiene la función de detectar un blanco proporcionando su distancia y dirección. El segundo llamado radar secundario de inspección (SSR), el cual conversa con los aviones mediante un intercambio


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codificado entre el emisor y el receptor de tierra y el equipo transponder a bordo. Este radar aparte de las funciones de detección y localización, también proporciona la identificación y por medio de un modo particular de interrogación (MODO C) la determinación de altura del blanco. Ambos radares son usados en conjunción para proporcionar una situación completa del tráfico aéreo y proyectarlo en una sencilla pantalla de radar. El SSR interroga al equipo transponder en uno de tres modos posibles. Estos son referidos como interrogaciones en modo “A”, modo “B” y modo “C”. el tipo de interrogación es determinado por el espaciamiento entre pulsos transmitidos por la estación SSR sobre una portadora de 1030 MHz. Cada interrogación contiene un tercer pulso de la misma frecuencia el cual no es transmitido por la estación SSR pero si por una antena omnidireccional localizada en la estación de radar terrestre. Este tercer pulso es transmitido 2 microsegundos después del primer pulso.

4.2 Localización de las aeronaves mediante el sistema ATC, Control del Tráfico Aéreo

El Control del Trafico Aéreo es el encargado de monitorear y localizar a las aeronaves mediante la utilización de dieciséis sensores de radar primario de vigilancia PSR y diecinueve sensores de radar secundario de vigilancia SSR de técnica monopulso, conformando un sistema multiradar, con los cuales se pueden determinar áreas muy extensas de cobertura en el territorio nacional. La información expuesta en una presentación radar puede utilizarla el controlador para proporcionar a las aeronaves identificadas lo siguiente:

• Información relativa a cualquier aeronave o aeronaves que se observe que siguen trayectorias que van a entrar en conflicto con las de las aeronaves identificadas por radar y sugerencias o asesoramiento referentes a medidas evasivas. • Información acerca de la posición del tiempo significativo y, según sea factible, asesoramiento acerca de la mejor manera de navegar cualquiera de esas áreas de fenómenos meteorológicos peligrosos. • Información para ayudar a las aeronaves en su navegación. • Proporcionar servicios de radar necesarios para mejorar la utilización del espacio aéreo, disminuir las demoras. • Proporcionar encaminamiento directo y perfiles de vuelo óptimos, así como para mejorar la seguridad. • Proporcionar guía vectorial radar a las aeronaves que salen, a fin de facilitar una circulación de salida rápida y eficaz y acelerar la subida hasta el nivel de crucero. • Proporcionar guía vectorial radar a las aeronaves en ruta, con el fin de resolver posibles incompatibilidades de tránsito. La información procedente del radar secundario SSR puede ser utilizada por sí sola para la aplicación de separación radar horizontal.

La mínima separación radar horizontal aplicable será:

• 8 NM entre aeronaves operando en las UTA • NM entre aeronaves operando dentro de las áreas de Control Terminal


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4.3 Localización de las Aeronaves mediante dispositivos GPS

El sistema de localización GPS proporciona seguimiento en tiempo real de los activos móviles, de las aeronaves a las personas. Se compone de un receptor GPS y un módem inalámbrico que transmite datos a través de teléfono, radio o GPS.

Algunos localizadores GPS no puede tener un módem inalámbrico y sólo puede recibir las posiciones que están almacenados en su memoria, en cuyo caso se pierde la aplicación en tiempo real, pero las posiciones todavía se puede descargar desde el localizador GPS en un ordenador con los mapas, lo que nos permite analizar la información en un momento posterior.

El localizador GPS nos permite analizar esta información y tomar decisiones de negocio que pueden ahorrar dinero, mediante la reducción del consumo de combustible, logrando averiguar cuál es la mejor ruta para llevar a cabo según nuestros destinos.

El localizador GPS, tiene que ser alimentado por una batería interna, la cual puede durar desde unas horas hasta varios días.

Existen diferentes Sistemas de Gestión utilizados para el análisis del comportamiento o desempeño de las aeronaves, su funcionamiento se basa en la utilización de un localizador GPS programado para enviar datos cada pocos segundos o minutos, proporcionando al usuario información en tiempo real, permitiendo actuar de manera inmediata a problemas inesperados. El módem localizador GPS se programa en formato GPRS, que es mucho menos caro que el SMS.

Toda esta información se almacena en los servidores. La información recogida por el localizador GPS posteriormente puede ser analizada por un software de gestión de flota, pudiendo ser de forma remota, logrando identificar el performance de las aeronaves, el incremento o decremento de los consumos de combustible mediante el análisis de los tiempos de los vuelos, logrando así analizar el desgaste de los motores de las aeronaves durante los vuelos.


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SISTEMAS GPS

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5.1 Sistemas GPS

El sistema de posicionamiento global (GPS) consiste en un conjunto de satélites que permiten determinar la posición de las aeronaves, las 24 horas del día, en cualquier lugar del globo y en cualquier condición climatológica. El GPS cuenta con un grupo de 24 satélites que circundan la Tierra y envían señales de radio a su superficie. El sistema GPS esta compuesto por tres elementos distintos, denominados segmentos. El primer segmento, formado por los satélites, es llamado “segmento espacial”. El segundo segmento que comprende las estaciones de control, se denomina “segmento de control”. El tercero corresponde a los receptores GPS y se conoce como “segmento del usuario”. Los cuales serán explicados con detalle en los próximos subcapítulos.

Las principales ventajas del GPS son:

• La precisión • Es de gran utilidad en todo el planeta ya que es una aplicación global • La fidelidad de la señal es de alta calidad.

Los satélites que están posicionados en órbita transmiten de forma muy precisa, la posición satelital y la información del tiempo. El receptor decodifica esta información y calcula la posición relativa para el satélite. Si el receptor esta en movimiento, entonces estas características deben ser incluidas para resultados mas precisos. Usando la información de mas de un satélite se obtiene más precisión. Esta precisión últimamente esta basada en relojes atómicos sumamente precisos en cada satélite.

Los satélites transmiten señales satelitales en 2 bandas de frecuencias que son: el enlace numero uno o L1 a 1575.42 MHz y el enlace numero dos o L2 a una frecuencia de 1227.6 MHz. Como se observa las frecuencias de transmisión de las señales son demasiado altas; cabe resaltar que esto no se debe solo a la dificultad que se presenta a cualquier país enemigo para intervenirla o interferirla, si no que a su vez entre mayor frecuencia se tiene mayor energía tiene la señal y considerando, la enorme distancia que tienen que viajar desde el espacio hacia los receptores atravesando la atmósfera en su totalidad, esta elevada frecuencia se hace conveniente para tener la mínima interferencia y alteración de la señal posibles, causada por razones atmosféricas o geográficas.

Estas señales son transmitidas utilizando técnicas de dispersión espectrales, empleando dos diferentes códigos de transmisión, uno de ellos es el denominado código C/A; el cual está inmerso en la señal L1 a una frecuencia de 1.023 MHz y uno de 10.23 MHz denominado código de precisión o código P sobre ambas señales L1 y L2. Cada uno de los satélites puede ser utilizado para determinar la distancia entre el satélite y el receptor del usuario. Sin embargo es el código P, el que se encuentra en forma encriptada y es aprovechable solo para aquellos usuarios autorizados que poseen o conocen la forma de decodificarlo. Esta forma de ocultar el código P, fue ideado con fines de seguridad para evitar que un país enemigo utilice el sistema como guía de un arma en contra de Estados Unidos y le permita alcanzar blancos especiales con elevada precisión. Cuando el código P se encuentra en forma encriptada es denominado código Y, en algunas publicaciones es llamado código P.


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Configuración

Los satélites se encuentran en órbita circular intermedia a 19.100 kilómetros de altura con una inclinación de 64,8 grados y un período de 11 horas y 15 minutos. La órbita llamada GLONASS facilita el uso en latitudes altas, a diferencia de las señales GPS que pueden presentar problemas.

La constelación opera en tres planos orbitales, con 8 satélites espaciados uniformemente en cada uno. Una constelación completamente operativa con cobertura global se compone de 24 satélites. Para conseguir una posición fija, el receptor debe estar en el intervalo de al menos cuatro satélites, tres de los cuales se utilizarán para determinar la ubicación del usuario y el cuarto para sincronizar los relojes del receptor.

Señales

Estos sistemas transmiten dos tipos de señales: una señal de precisión estándar (SP) y una señal de precisión alta (HP). Todos los satélites GLONASS transmitir el mismo código que su señal SP; sin embargo, cada uno transmite en una frecuencia diferente, utilizando una frecuencia de acceso múltiple de 15 canales (FDMA), técnica que abarca ambos lados de 1602,0 MHz, conocida como la banda L1. La frecuencia central es de 1602 MHz + n × 0,5625 MHz, donde n es el número de un satélite de canal de frecuencia. Las señales se transmiten en un cono de 38 ° a una EIRP entre 25 a 27 dBW (316 a 500 vatios).

La señal de HP se transmite en cuadratura de fase con la señal de SP, compartiendo eficazmente la misma onda portadora que la señal SP, pero con un ancho de banda de diez veces mayor que la señal SP. Las señales de L2 utilizan el mismo FDMA que las señales de la banda L1, pero transmiten a 1246 MHz con la frecuencia central determinada por la ecuación 1246 MHz + n × 0,4375 MHz, donde n abarca el mismo intervalo que para L1.

5.2 NAVSTAR GPS

El Sistema de Posicionamiento Global NAVSTAR GPS es operado por la Fuerza Aérea de los EE.UU. y está gestionado por el Programa Conjunto en el Espacio y Sistemas de Misiles Center en la Base de la Fuerza Aérea de Los Ángeles, California. Proporciona información de navegación de alta precisión a las fuerzas militares en todo el mundo. Actualmente este sistema ha sido adoptado y utilizado por un número creciente de productos comerciales.

El segmento espacial GPS consta de seis planos orbitales, los cuales a su vez requieren un mínimo de cuatro satélites respectivamente, para poder operar. El segmento de control GPS consta de cinco estaciones de monitoreo: Hawaii, Kwajalein, Isla Ascensión, Diego García, Colorado Springs y la estación de control principal está localizada en Schriever AFB en Colorado.


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TABLA 4. CARACTERISTICAS DEL NAVSTAR GPS

Navigation Signal Timing and Ranging Global Positioning System DESCRIPCION

Numero de Satélites

24 Activos, 4 Respaldo

Geometría 6 planos, 4 satélites cada uno Orbita MEO - 20,200 km (10,900 nmi) circular, 55°

inclinación (Block I satellites orbited at 63° inclination)

Periodo Orbita 12 horas Cobertura Mundial Capacidad

Operacional Inicial

1993 Diciembre 8

Capacidad Operacional

Tota

1995 Abril 27

Gestionado por: USAF NAVSTAR GPS Joint Program Office, Space and Missile Systems Center

Operado por: USAF 50th Space Wing

Existen cuatro generaciones del satélite GPS:

• Bloque I

Los satélites se utilizaron para probar los principios del sistema, y las lecciones aprendidas en estos 11 satélites fueron incorporadas a los bloques posteriores.

• Bloque II / IIA

Son los satélites que forman la constelación actual.

• Bloque IIR

Esta generación se desplegara a partir de que la generación actual finalice su vida útil.

• Bloque IIF

Generación de satélites que será utilizada para las operaciones de reposición y mantenimiento


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5.3 Sistema Global de Navegación por Satélite (GLONASS)

Es un sistema de radio-navegación basado en satélites operado por las Fuerzas de Defensa Aeroespacial del gobierno de Rusia. Se complementa y ofrece una alternativa al sistema GPS de los Estados Unidos y es el único sistema alternativo de navegación en funcionamiento con una cobertura mundial y de precisión comparable. El desarrollo de GLONASS comenzó en la Unión Soviética en el año de 1976.

El primer satélite llamado GLONASS tenía el propósito de proporcionar a los submarinos de misiles balísticos un método exacto para la colocación de sus proyectiles. Los 31 satélites Tsiklon restantes se pusieron en marcha entre los años de 1967 y 1978. El principal problema con el sistema es que requiere de varias horas de observación por la estación receptora para fijar una posición, lo que es inutilizable para la navegación de algunas organizaciones. Existen tres generaciones del Sistema GLONASS, las cuales son las siguientes:

TABLA 5. DIFERENTES GENERACIONES DEL SISTEMA GLONASS

GLONASS (1982)

En la primera generación los satélites eran los vehículos de 3-ejes estabilizados, con un peso promedio de 1.250 kg y estaban equipados con un sistema de propulsión para permitir la reubicación dentro de la constelación. Con el tiempo pasaron a Bloquéame IIa, a IIb y a vehículos IIV.

GLONASS M (2003)

Los satélites Glonass-M se desarrollaron a partir de 1990 y por primera vez en 2003. Estos satélites tienen una vida útil sustancialmente mayor de siete años y pesan un poco más de 1.480 kg. Tienen aproximadamente 2,4 m de diámetro y 3,7 m de alto, con una luz de panel solar de 7,2 m y una capacidad de generación de energía eléctrica de 1600 vatios en el lanzamiento. La estructura de carga de popa cuenta con 12 antenas primarias para transmisiones de banda L.

GLONASS K (2011)

Los satélites del GLONASS-K mejoran sustancialmente con respecto a los de la generación anterior, son los primeros no presurizados, cuentan con una masa mucho menor de 750 kg. Tiene una vida útil de 10 años, en comparación con el tiempo de vida de 7 años de los GLONASS-M. Proporcionan nuevas señales, como las CDMA en la bandas L3 y en la bandas L5, que utilizan modulación similar al GPS modernizado


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FIGURA 10. ESQUEMA FUNCIONAMIENTO GPS

5.4 Navegación Aérea mediante los sistemas GPS El sistema de navegación GPS comprende a la comunicación GPS entre las aeronaves, a las estaciones de control para la navegación, y esta conformado y estructurado por tres segmentos, los cuales son los siguientes:

• El segmento de Control

• El segmento de Espacio

• El segmento de Usuario

Segmento de Control

Esta conformado por las Estaciones Monitoras MS, por las Estaciones de Control Principal MCS, los GA’s y por los PCS. Los cuales tienen la siguiente funcionalidad:

Se tienen 5 Estaciones Monitoras encargadas de recoger y dar el seguimiento de los datos de distancia de los satélites según su campo visual. Cada una de estas estaciones puede cubrir hasta 11 satélites diferentes

Se cuenta con una Estación de Control Principal que procesa los datos de distancia de los satélites, determina sus orbitas y actualiza los mensajes de navegación para cada uno de los satélites.


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Los mensajes actualizados de navegación son transmitidos por los GA’s a cada uno de los satélites. Los mensajes de navegación contienen información del reloj del satélite, datos de efeméride del satélite, información de estado del satélite y los datos del camino de propagación de las señales

Los PCS apoyan el prelanzamiento de los satélites, realizan las pruebas de compatibilidad y en ocasiones actúan como otro GA.

El segmento de control esta conformado por una estación maestra, por las estaciones de monitoreo y por las antenas terrestres de control. Igualmente esta compuesta por la estación de compatibilidad prelanzamiento , por un equipo de grabación y un registro de seguridad de datos, dicha estación esta encargada de garantizar que los nuevos satélites sean capaces de operar en los estándares ya establecidos, para garantizar la continuidad del sistema.

Las estaciones de monitoreo vigilan a todos los satélites, recolectando información de cada uno de estos, observando su funcionamiento. Esta información es transmitida a su vez a la estación maestra, mediante un sistema de comunicación independiente del mismo GPS.

FIGURA 11. LOCALIZACIÓN DE SEGMENTOS DE CONTROL

Segmento del Espacio

El segmento espacial esta formado por una constelación de 24 satélites, circundan la Tierra a 20200 kilómetros de altitud y forman 6 orbitas diferentes con 4 satélites en cada una. Hay algunos satélites de reserva para casos de emergencia.

Cada orbita tiene una inclinación de 55° respecto al ecuador, sabiendo que están separadas 60° unas de otras. Cada satélite efectúa una vuelta completa alrededor de la Tierra cada 12


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horas, siguiendo, el mismo recorrido todos los días. Cada satélite transmite, de manera permanente, un mensaje de navegación indicando su posición orbital así como la hora exacta de la emisión de dicho mensaje. También se transmite un informe que proporciona la posición y el estado operativo de cada satélite. Dicho informe permite a los receptores GPS poder localizar todos los demás satélites a partir de la detección de uno de ellos.

FIGURA 12. LOCALIZACIÓN SATELITAL

Segmento de Usuarios

El segmento del usuario esta conformado especialmente por receptores diseñados para recibir, decodificar y procesar señales de tipo GPS. Los receptores pueden llegar a estar aislados o integrados a otros sistemas, dependiendo de la aplicación para la que han sido diseñados, ya sea para la navegación, actitud durante el vuelo , posicionamiento de las aeronaves o incluso para la vigilancia.

El receptor GPS puede estimar en tiempo real su posición global, velocidad e información de la hora a partir de las señales recibidas de por lo menos cuatro satélites. Los receptores GPS vienen en varios tamaños, formas y precios, dependiendo de su desempeño y de la aplicación específica prevista. El sistema de posicionamiento global (GPS) proporciona la siguiente información de posición:

•Latitud •Longitud •Altitud •Tiempo • Velocidad


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5.5 Dispositivos GPS

Los receptores GPS reciben la información precisa de la hora y la posición del satélite. Exactamente, recibe dos tipos de datos, los datos del Almanaque, que consiste en una serie de parámetros generales sobre la ubicación y la operatividad de cada satélite en relación al resto de satélites de la red, esta información puede ser recibida desde cualquier satélite, y una vez el receptor GPS tiene la información del último Almanaque recibido y la hora precisa, sabe donde buscar los satélites en el espacio; la otra serie de datos, también conocida como Efemérides, hace referencia a los datos precisos, únicamente, del satélite que está siendo captado por el receptor GPS, son parámetros orbitales exclusivos de ese satélite y se utilizan para calcular la distancia exacta del receptor al satélite.

Cuando el receptor ha captado la señal de al menos tres satélites, calcula su propia posición en la Tierra mediante la triangulación de la posición de los satélites captados, y nos presentan los datos de Longitud, Latitud y Altitud calculados. Los receptores GPS pueden recibir la señal de más de tres satélites para calcular su posición, cuantas más señales reciben, más exacto es el cálculo de posición. La antena del receptor es una antena omnidireccional con una ganancia de 3 dB. Esta antena se conecta al amplificador frontal del receptor con un cable coaxial normal. Existen dos tipos de receptores GPS: Los Receptores Secuénciales usan un canal único para detectar la señal C/A (Coarse/Acquisition) y moverse de un satélite al otro mientras recogen información. Tienen menos circuitos y por lo tanto son más baratos y consumen menos potencia. Los Receptores Paralelos (también conocidos como receptores continuos) pueden monitorear varios satélites simultáneamente. Son muy valiosos para el mapeo (cartografía), vigilancia y propósitos científicos. La detección paralela de las señales del satélite no solo es útil por el hecho que se evita interrumpir la medición de la señal, sino que la comparación de un canal con otro permite identificar posibles desviaciones de canal. 5.6 Localizadores GPS iTrackPro AVL Sistema basado en tecnología GPS/GPRS desarrollado y diseñado especialmente para rastreo vehicular y manejo de flotas en tiempo real. Cuenta con un módulo GPS incorporado que permite obtener los datos de posición con precisión y utilizar su módulo GSM para transmitir los datos a un servidor o teléfono celular predeterminado. Su memoria interna permite almacenar las coordenadas de GPS cuando no hay cobertura de GPRS o en determinados intervalos de tiempo configurados por el usuario.


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TABLA 6. GENERALIDADES ITRACKPRO AVL Principales Funcionalidades Características ● Comunicación en SMS y GPRS TCP/UDP. ● Rastreo a demanda. ● Localización en su teléfono celular. ● Monitoreo por intervalos de tiempos. ● Escuchas telefónicas remota (opcional). ● Almacenamiento fuera de cobertura. ● Capacidad de datalogger, almacenamiento de 130.000 puntos de localización (opcional). ● Sensor de movimiento incorporado pa ra ahorro de energía. ● Botón de pánico. ● Alerta de movimiento. ● Configuración de geocercas. ● Alerta de batería con poca carga. ● Alerta de exceso de velocidad. ● Corte de motor remoto

● Alimentación: +9V a +36VDC / 1.5A. ● Batería de back up: 850mAh. ● Consumo de energía: 28mA/h. ● Dimensiones: 104mm x 62mm x 24mm. ● Peso: 450g. ● Temperatura de operación: -20º hasta 55º C. ● Humedad: 5% hasta 95%. ● Frecuencia: QuadBand GSM 850/900/1800/1900Mhz. ● Módulo GPS: último GPS SIRF-Star III chipset. ● Sensibilidad del GPS: -158Db. ● Frecuencia GPS: L1, 1575.42 MHz . ● Canales: 20 canales all-in-view tracking. ● Precisión de Posición: 10 metros, 2D RMS. ● Precisión de Velocidad: 0.1 m/s. ● Datum por defecto: WGS-84. ● Límite de altitud: 18,000 metros (60,000 pies) max. ● Led: 2 leds para mostrar el estado de GPS/GSM. ● Memoria Flash: 8 MB. ● Botón: Un botón de SOS. ● Interface: 5 entradas digitales, 5 salidas digitales y 2 entradas análogas


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iTrackPro LITE Sistema que trabaja con redes existentes de GPRS/SMS y satélites GPS, este producto puede localizar y monitorear objetivos remotos a través de SMS o Internet.

TABLA 7. GENERALIDADES ITRACKPRO LITE Principales

Funcionalidades Características

● Posicionamiento y Rastreo Vehicular. ● Corte remote del combustible y motor. ● Vista del recorrido del vehículo. ● Historial del vehículo. ● KM/Distancia. ● Anti robo y asalto. ● Monitoreo vehicular y del conductor. ● Despacho vía SMS.

● Posicionamiento GPS Personal o de Vehículo y manejo de flotas. ● Corte de combustible o de encendido vía remota. ● Plataforma de rastreo online en tiempo real sin costo. ● Uso mundial ● Frecuencia: GSM 900/1800/1900MHz ● Chip GPS de alta sensibilidad, de alta tecnología avanzada. ● Posicionamiento preciso incluso cuando la señal es débil y cubierta por los alrededores. ● Excelente performance en espacios limitados como calles estrechas en ciudades de alto tráfico. ● Compacto y de fácil instalación oculta. ● Bajo consumo de energía. ● Recepción rápida de la señal GPS. ● Soporta modos SMS y GPRS. ● Soporta Alarmas y monitoreo remoto (opcional). ● Soporta SMS y rastreo y posicionamiento vía internet. ● Monitoreo y rastreo secreto del vehículo. ● Posicionamiento a través de un celular vía SMS. ● Función pánico (SOS, opcional).


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Propuesta de implementación de Dispositivos GPS en

aeronaves para su localización y navegación en Vuelo Libre

(Free Flight)

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6.1 Implementación de Dispositivos GPS, “Monopolio”

Para evaluar la eficiencia de una tecnología es indispensable compararla con otra de similares características. Con el sistema de posicionamiento global GPS, de fabricación estadounidense, los usuarios no han tenido esta oportunidad. El GPS, es la herramienta que nos permite saber, con precisión, dónde estamos, hacia donde vamos, mediante la utilización de satélites, los cuales son propiedad de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos, teniendo ellos el control de dichos sistemas, y pudiendo ser modificados y manipulados si así lo requieren. Actualmente en el mercado no existe otra forma de localización global, por lo que no existe competencia alguna para dicha organización. La única forma de eliminar esta dependencia es creando un sistema propio que se convierta en una alternativa, teniendo nuestros propios satélites, nuestra propia tecnología, resultando demasiado costoso y no redituable para cualquier organización.

6.2 Restricción de los Sistemas GPS por el departamento de Defensa de los EE.UU.

Control y política del GPS

El GPS esta totalmente realizado, financiado y controlado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD). Este organismo es el único que decide la implantación del GPS y controla el funcionamiento del sistema, con la coordinación del Departamento de transportes americano (DoT). La política del GPS figura en el Plan Federal de Radionavegación y es publicado conjuntamente por el DoD y el DoT. El objeto del FPR es garantizar que se alcanzan los objetivos de los dos departamentos gubernamentales americanos y que no existe duplicación de las instalaciones. Se firmó un documento entre el DoD y la FAA, para que el GPS pudiera ser utilizado por todas las compañías aéreas del mundo. Dicho acuerdo también estipula que las características, y de modo especial la precisión de las señales de GPS, no pueden modificarse sin la aprobación de la FAA. La única excepción es en caso de conflicto; entonces, el presidente de los Estados Unidos puede decidir degradar la precisión proporcionada por el SPS en la medida que juzgue aceptable para mantener la seguridad de su país.

Teniendo en cuenta que la concepción inicial de este sistema era hacer un uso militar del mismo, por lo que los receptores que podemos encontrar en el mercado son para uso civil, y quedan sujetos a una degradación de precisión que oscila de los 15 a los 100 metros RMS o 2 DRMS según la interpretación del Departamento de Defensa de los EE.UU., quien gestiona y proporciona este servicio. Esta degradación queda regulada por el Programa de Disponibilidad Selectiva del Departamento de Defensa de los EE.UU., introduciendo un error en la transmisión de la posición para los receptores de uso civil. Con la finalidad de mantener una ventaja estratégica durante las operaciones militares que lo requieran.


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6.3 Implementación de dispositivos GPS en las aeronaves para su localización y navegación para vuelo libre

A continuación se describen los posibles procedimientos para la instalación del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) en aeronaves para así obtener la aprobación de aeronavegabilidad para utilizarlo como medio de navegación aérea en rutas de vuelo libre (Free Flight) y navegación por área (RNAV).

Los procedimientos para la aprobación de la instalación de equipos GPS se encuentran diferenciados de acuerdo al tipo de equipo, a la interconexión con los sistemas de a bordo, al tipo de aeronave y tipo de operación de la misma, según se indica a continuación:

• La instalación y el cableado deberán ser efectuados siguiendo las instrucciones emitidas por el fabricante del equipo. Esta deberá realizarse en un Taller Aeronáutico habilitado con la categoría correspondiente de acuerdo a la aeronave a la cual se le instalará el equipo. • La instalación en la aeronave puede realizarse de acuerdo a los procedimientos establecidos en la AC 43.13-1 y la AC 43.13-2, ambas circulares de la FAA. • Se deberá realizar un suplemento al Manual de Vuelo, el cual deberá estar firmado por el Representante Técnico del taller, o por el de la empresa de Transporte Aéreo, en el cual se especificaran los procedimientos para el buen fuincionamiento de dicho dispositivo. • Se deberá instalar una placa que indique: "GPS para VFR solamente, GPS para uso como sistema suplementario”. • La autoridad aeronáutica (DGAC) podrá en cualquier momento, efectuar una inspección de la instalación y realizar los ensayos funcionales que considere necesarios.

FIGURA 13. RECEPTOR GPS


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6.4 Beneficios de la implementación de dispositivos GPS en aeronaves para su localización y navegación en vuelo libre

Anteriormente se mencionaron las utilidades que se tienen en un GPS, ahora hablaremos de las ventajas que traerá consigo la implementación de los dispositivos GPS en aeronaves como medio de navegación.

Para obtener provecho de la búsqueda continua de una ruta optimizada es crucial una adecuada coordinación entre los diferentes actores implicados. Los elementos que han permitido la optimización operativa y técnica de este proyecto han sido la flexibilidad de la Gestión de Tráfico Aéreo (ATM), y la plena explotación de las comunicaciones por enlace de datos entre la sede de la aerolínea y la aeronave, para apoyar el cambio de ruta en pleno vuelo mediante la utilización de los sistemas GPS, facilitado a la tripulación en sus decisiones.

El proceso de optimización mejora la flexibilidad para cambiar las rutas y aspectos de la trayectoria del vuelo como son las desviaciones verticales y de velocidad.

Comunicados Importantes

Para demostrar el gran impacto de los sistemas GPS mediante su utilización en vuelos libres, se han publicado resultados favorables de nuevas rutas para vuelos de Portugal a Marruecos, emitidos por la aerolínea Portuguesa TAP. Estas nuevas rutas producen un ahorro de tiempo promedio de 2 minutos y 32 segundos por vuelo y una reducción de 167 kg en el consumo de combustible, con la consiguiente disminución de 526 kg de emisiones de CO2. Esto representa un ahorro promedio de alrededor de 213 euros por cada vuelo.

Según otro comunicado emitido por la Organización Europea para la Seguridad de la Navegación Aérea revelan que esta práctica para los vuelos específicamente de Suecia a Dinamarca supondrá un ahorro total de combustible de aproximadamente 13.800 toneladas al año, según los cálculos teóricos basados en los modelos estándar de Eurocontrol. Además, supondrá una reducción en las emisiones de CO2 de los aviones de unas 43.600 toneladas anuales, una cantidad que equivaldría a la media de emisiones de CO2 de 31.210 coches.

Las aerolíneas Naviair y LFV, han demostrado a su vez por sus cálculos realizados que la implementación de estos nuevos sistemas permitirá un ahorro medio de 1,3% en combustible y tiempos de vuelo.

En consecuencia, la necesidad de que los aviones llevasen una cantidad extra de combustible, se vera positivamente afectada. Con este nuevo concepto, cada avión podrá despegar con una pequeña cantidad menos de combustible a bordo, lo que reducirá su peso y, en consecuencia, también su consumo de combustible durante el viaje. A su vez al reducir los pesos de despegue, los asientos disponibles se verán en aumento.

http://www.tendencias21.net/La-optimizacion-de-rutas-transoceanicas-reduce-el-consumo-de-combustible_a9952.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Eurocontrol


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Mediante el ahorro de combustible en cada vuelo será relativamente pequeño, el ahorro total para 1, 000,000 de vuelos cada año sí será muy importante, y tendrá efectos positivos en el medioambiente

Aunque a partir de ahora serán los pilotos los que proyecten las rutas de vuelo más directas, se seguirán proporcionando los servicios de tráfico aéreo, además de asegurarse de que los niveles de seguridad en vuelo sigan siendo los óptimos.

Entre las ventajas que nos arrojaría este sistema están:

- El GPS fácilmente puede reemplazar a la brújula, comúnmente usada por los pilotos para lograr orientarse en vuelo. - El GPS resulta más exacto y rápido que la brújula. - Las funciones de memoria del GPS nos permite grabar y recuperar posteriormente los datos de un vuelo. - No se necesitarían checar estaciones en tierra - Se obtendría la orientación en tiempo real

FIGURA 14. GPS AERONAUTICO


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SISTEMAS ANTICOLISIÓN

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7.1 ACAS (Airborne Collision Avoidance System)

El sistema ACAS (Airborne Collision Avoidance System) es un sistema autónomo de la aeronave que funciona independientemente de los equipos de navegación y radioayudas utilizadas para los servicios de transito aéreo. Este sistema esta basado en las señales transmitidas por el transponder de radar secundario de vigilancia (SSR). Una vez que la señal es recibida por el transponder de una aeronave próxima, esta envía una respuesta. Mientras se envían interrogaciones y se reciben las respuestas transmitidas a 1060 MHz, el ordenador del ACAS calcula la distancia a la que se encuentran las aeronaves y gracias a las antenas direccionales se determina la dirección de las mismas. Si el transponder de la aeronave proporciona también datos de altitud, el sistema presenta en pantalla la altitud relativa e indica si esta subiendo o descendiendo. La principal característica de ACAS es que funciona de acuerdo a criterios de tiempo y no de distancia. De las distintas respuestas sucesivas, ACAS calcula el tiempo para alcanzar el punto de aproximación mas cercano con el intruso (CPA, Closet Point of Approach), dividiendo la distancia por la velocidad de acercamiento. Este valor en tiempo es el principal parámetro para emitir las alertas, dependiendo de su valor el tipo de alerta. Si la aeronave transmite su altitud, ACAS calcula también el tiempo para alcanzar la misma altitud. Los elementos básicos que componen el sistema ACAS son: • Ordenador: Encargado de centralizar las funciones de vigilancia, rastreo, detección, determinación de maniobras evasivas y generación de avisos. • Panel de control: Es un selector de 3 posiciones: "Stand-by" (apagado);"TA only" (sólo se emiten TAs); "Automatic" o "TA/RA" (operación normal ACAS). • Dos antenas: Situadas en la parte superior e inferior de la aeronave. Antenas que se encuentran separadas de la antena del transpondedor. • Conexión con el transpondedor Modo S. • Conexión con el altímetro • Conexión con el radioaltímetro • Altavoces y pantallas. El sistema no está conectado al piloto automático ni al FMS (Flight Management System), por lo que el sistema ACAS permanece independiente del resto de funciones en caso de fallo de estos sistemas. La lógica utilizada en el ACAS analiza los datos relativos a las aeronaves intrusas y la propia aeronave, decidiendo si corresponde generar avisos, y de ser así, generar los avisos correspondientes.


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El sistema ACAS puede proporcionar dos tipos de avisos • Avisos de Tráfico (TAs, Traffic Advisories), que ofrecen información al piloto sobre la presencia de una determinada aeronave intrusa, que constituye una amenaza posible y le alerta para que esté preparado para un potencial aviso de resolución. • Avisos de Resolución (RAs, Resolution Advisories), que ofrece información al piloto recomendando una maniobra de evasión, destinada a proporcionar separación respecto a las amenazas o bien, una restricción en las maniobras con el fin de mantener la separación actual. Cuando la aeronave intrusa está equipada también con ACAS, los sistemas ACAS de ambas aeronaves coordinan sus avisos de resolución (RAs) a través del enlace de datos del Modo S. Tipos de ACAS Atendiendo a la capacidad de generar diferentes tipos de avisos, los sistemas ACAS se pueden clasificar como: • ACAS I. Sistema ACAS que proporciona avisos de tráfico (TA), pero no tiene capacidad para generar avisos de resolución (RA). OACI no tiene planificada su implantación internacional.

• ACAS II. Sistema ACAS que proporciona avisos de resolución (RA) en el plano vertical, además de avisos de tráfico (TA).

• ACAS III. Sistema ACAS que proporciona avisos de resolución (RA) en los planos vertical y horizontal, además de avisos de tráfico (TA).

Actualmente sólo el sistema TCAS, desarrollado por tres fabricantes estadounidenses, cumple los estándares ACAS de la OACI (TCAS I los de ACAS I y TCAS II los de las SARPs ACAS II).

7.2 Sistema TCAS (Traffic Alert Collision Avoidance System)

El sistema TCAS (Traffic Alert Collision Avoidance System) es un sistema incorporado a la mayoría de las aeronaves en la actualidad. Este sistema alerta sobre tráficos cercanos a los pilotos con el fin de evitar, como su propio nombre indica, colisiones y accidentes. Podemos dividir el TCAS en tres partes:

• Un procesador que analiza la situación y calcula si existe o no riesgo de colisión (en caso de riesgo calcularía la maniobra evasiva pertinente).

• Antenas propias (normalmente 2) más las compartidas con otros sistemas.

• El panel de control que incluye la representación gráfica de la situación y la interface entre piloto y equipo. Además el sistema va conectado a altímetros, radioaltímetros y al transponder.


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Para entender el funcionamiento del TCAS es necesario comprender el principio de operación de los transponder activos y radares secundarios de vigilancia. Estos sistemas establecen comunicaciones electrónicas entre dos aeronaves o entre una aeronave y un centro de control en tierra. Sin entrar en detalles podríamos decir que para ello el transponder que hace la primera emisión codifica una interrogación predefinida en forma de pulsos modulados en amplitud y la emite en 1030 MHz y que el transponder receptor es capaz de interpretar y contestar automáticamente con el mismo método pero a una frecuencia de 1090 MHz. Las interrogaciones que hace el transponder emisor tienen como respuesta alguna información que otro equipo del avión requiere. En base a estas frecuencias establece un cálculo de distancia, según la siguiente fórmula:

Distancia = Tiempo transcurrido / 12,35 mseg por NM

Si existiera riesgo de colisión el sistema TCAS podría actuar de diferentes maneras según el tipo: Si el sistema instalado es TCAS I (primera generación) advertirá del riesgo; si el sistema es TCAS II advertirá de riesgo y además propondrá una maniobra evasiva en el plano vertical (ascienda o descienda) opuesta en cada avión. Actualmente se ha paralizado el desarrollo del TCAS III que propone también evasión en el plano horizontal.

La marcación relativa del intruso se obtiene gracias a la direccionabilidad de al menos una de sus antenas. En TCAS I posee dos antenas, una superior direccional y otra inferior omnidireccional. Para mayor precisión, TCAS II y TCAS III ambas antenas son direccionales. La antena direccional en el TCAS es una antena de 4 elementos, la direccionalidad se consigue introduciendo un retraso determinado en la fase de la señal enviada por cada uno de los 4 elementos. Cuando se recibe la respuesta del intruso, la diferencia de fase en la señal recibida entre dos pares de elementos de la antena, sirve para determinar la marcación relativa de la aeronave. Si el intruso se aproxima por la derecha de la aeronave el TCAS calcula la diferencia de fase entre estos elementos. La relación entre las dos diferencias de fase representa la marcación relativa del tráfico intruso.

FIGURA 15. TCAS y CPA

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El procesador TCAS constituye el cerebro del sistema, se encarga de realizar la función inicial de vigilancia del espacio aéreo circundante a la aeronave. El alcance máximo del área de vigilancia oscila en el plano horizontal entre 30 - 40 NM y en plano vertical alrededor de 9900 fts. Una vez que el procesador identifica un problema, sigue al intruso, evalúa el riesgo para la aeronave realiza un análisis y da una solución para resolver el conflicto. El espacio aéreo protegido dentro del cual, el procesador, generará avisos es como una burbuja que rodea la aeronave. El tamaño de esta burbuja dependerá de la velocidad y rumbo de las aeronaves en conflicto aunque el elemento clave será el tiempo que falta hasta alcanzar el CPA (Closest Point of Aproach ó punto de máxima proximidad). Este punto es el que el TCAS tratará de evitar puesto que si se sobrepasa las aeronaves van a colisionar.

El procesador establece dos niveles de protección TAU (Tiempo estimado para alcanzar CPA) que son los siguientes:

Nivel 1: El tráfico se encuentra a unos 30 a 45 seg. del CPA y se generan únicamente avisos de tráfico tanto visuales como acústicos pues es considerado solamente un intruso.

Nivel 2: El tráfico se encuentra a unos 20 a 30 seg. del CPA y al considerarle esta vez como un peligro se generan avisos visuales y acústicos de resolución.

FIGURA 16. CRITERIO DE RANGOS TCAS.

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Como mencionamos anteriormente el TCAS dará dos tipos de avisos bien definidos:

TA (Traffic Advisories): Tráfico cercano

RA (Resolution Advisories): Órdenes de evasión

Estos avisos no serán generados por todos los tipos de TCAS puesto que a medida que avanzó la tecnología se fueron desarrollando más características en el sistema. Según los modos de Transponders se tendrán tipos distintos de TCAS:

TCAS I: Constituye nivel básico. Proporciona solamente TA (Traffic Advisores). Necesita al menos transponder Modo A.

TCAS II: Proporciona TA (Traffic Advisores) y RA (Resolution Advisories). Las resoluciones solo serán en plano vertical – ascenso y descenso-. Puede generar resolución coordinadas hasta para 3 tráficos intrusos a la vez. El TCAS II en ambas aeronaves proporciona resolución coordinada.

TCAS III: Proporciona TA y RA en plano vertical y horizontal. En fase de desarrollo y prueba.

Los avisos de TA y RA se producen de forma visual y auditiva. Como se verá más adelante hay diversas formas de mostrar el aviso de tráfico. Está estandarizado que en forma visual la simbología de tráfico según su importancia y urgencia en el tratamiento:

La aeronave no significa amenaza. Tráfico superior a 1200 fts. (350 mts.) y 6 NM.

Intruso próximo dentro de 1200 fts. y 6 NM. Sin amenaza de colisión.

TA: Con alarma de tráfico audible (TRAFFIC-TRAFFIC)

RA: Alarma de resolución. Recomienda la resolución en cada caso.

TABLA 8. ESQUEMA DE AVISOS TA/RA

En lo que respecta a los avisos sonoros será el mismo para alertar el tráfico cercano y en lo que respecta a la resolución dependerá de la maniobra a efectuar según cada caso.

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SEGURIDAD EN LA AVIACIÓN

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8.1 Aviation Safety

La seguridad aérea se refiere a los esfuerzos que se realizan para asegurar que las aeronaves estén libres de factores que pueden conducir a daños o pérdidas. Por lo que se han desarrollado programas de mantenimiento detallados para evitar y/o detectar los problemas antes de que sean lo suficientemente graves como para poner en peligro la capacidad de un avión para volar con seguridad. En dichos programas de mantenimiento los trabajadores de línea pueden detectar rápidamente los problemas técnicos de las aeronaves sin tener que buscar a través de miles de páginas de manuales, lo que facilita la operación y reduce a su vez las pérdidas de tiempo intolerables. Otro factor que se ha tomado en consideración para lograr y asegurar la seguridad de la aviación es la implementación de sistemas en las aeronaves diseñados con copias de seguridad dobles o triples, o redundantes.

Existen programas que contemplan a los factores humanos, muchos de los cuales son pilotos o mecánicos, se centran en el diseño de la cabina de vuelo, la psicología cognitiva, el rendimiento humano, fisiología, percepción visual, la ergonomía y el diseño de la interfaz humano-computadora.

8.2 Aviation Security (AVSEC)

La seguridad aérea es sólo uno de los componentes que pueden afectar a la seguridad del pasajero. No solo estudia a las aeronaves en sí, sino más bien a la recopilación de información, al estudio de los procedimientos de embarque y al estudio del personal de seguridad de los aeropuertos.

La unidad AVSEC está encargada del desarrollo de las regulaciones de seguridad de la aviación, herramientas que son implementada por los Estados para auditar e inspeccionar a los operadores aéreos, operadores de aeropuertos, empresas de seguridad, empresas de asistencia en tierra y poseedores de acuerdos de áreas de uso exclusivo. Una de las principales funciones de la unidad AVSEC es el desarrollo de guías y procedimientos sobre: el Programa Nacional de Seguridad, Programa de Seguridad de los Aeropuertos, Programa de Seguridad de los Operadores Aéreos, Programa Nacional de Instrucción AVSEC, Programa Nacional de Control de Calidad y los Planes de Contingencia, el Programa modelo de seguridad de los operadores aéreos y el Programa nacional de contingencias aeroportuarias.

La organización de la seguridad aérea es también responsable de desarrollar las regulaciones sobre el transporte sin riesgos de mercancías peligrosas, derivada del anexo 18 de OACI, herramienta que es implementada para auditar e inspeccionar a los operadores aéreos, operadores de aeropuertos, agencias de carga y expedidores.

La unidad AVSEC está comprometida y busca permanentemente desarrollar estrategias que contribuyan al desarrollo aeronáutico y a brindar asistencia en seguridad de la aviación.


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CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES


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Conclusiones y recomendaciones A través de los capítulos anteriores se describió y analizo el funcionamiento de los sistemas GPS, así como la posible implementación en aeronaves para su uso en navegación. A continuación se muestran las conclusiones de dicha investigación, así como las posibles ventajas y desventajas que implicaría el uso de dicho dispositivo en las aeronaves. Cabe mencionar que el sistema GPS es una herramienta que complementa muchas aplicaciones y sirve para una infinidad de cosas, especialmente en el ámbito de la navegación. La alta precisión, la seguridad del sistema y la velocidad a la que opera son todas ventajas respecto a los medios de navegación que existían antes. Incluso los errores que se pueden cometer en los cálculos se corrigen con GPS diferencial y los satélites redundantes. Parece un sistema sin fallos y que solo presenta beneficio, pero tiene un pequeño inconveniente, el precio tan elevado. Por cada satélite que se pone en órbita, que se fabrica y que se diseña se requieren muchos millones de dólares: su fabricación está entre 70 y 100 millones de dólares y el lanzamiento son otros $50 millones. La inversión que se hace en estos proyectos es notable, pero no es duradera. Cada satélite que se pone en órbita del sistema GPS se estimó que tuviese una vida de 4.5 años, pero han aguantado algunos incluso 5 años más de lo esperado, todo esto para la generación I de GPS, ya que en la generación II se consiguió elevar la duración esperada a 7.5 años. A lo largo de las décadas se han ido mejorando los satélites que se ponían en órbita. La primera generación es desde 1978 a 1985 y pesaban 845kg. La segunda generación contaba con satélites el doble de pesados y la constelación era ligeramente diferente. Se incorporaron los relojes atómicos y los paneles solares que llevan tienen una capacidad más alta que los del bloque 1. Lo que se aspira en el futuro con la tercera generación de satélites es una frecuencia portadora nueva para uso civil para determinar la posición con una precisión todavía más alta. También se pretende cambiar los relojes atómicos por relojes de hidrógeno MASER (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation). A partir del 2014 se empezarán a poner en órbita los satélites de la tercera generación con estas innovaciones. Es una tecnología que seguirá progresando, a pesar de estar ya muy avanzada, para prestar un servicio, sin duda alguna, es de mucha ayuda tanto en aeronáutica como en muchos lados mas. Respecto al monopolio la solución propuesta para que los vuelos comerciales que navegan con sistemas satelitales no sean afectados por los conflictos políticos o militares internacionales, está en la creación de un sistema civil al margen del actual GPS y GLONASS, que en esencia son sistemas de aeronavegación militares, sólo que la señal es distorsionada adrede para su utilización en la aviación civil, además del alto precio que esto supondría.


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Referencias Libros - Lawrence Letham (2001), “GPS fácil, Uso del sistema de posicionamiento global”, España, 2001 - Paul Correia, “Guía práctica del GPS”, Canada, 2000 - Aerospace America 2001, 39, 6 (15) “Space mission model: 2001-2010”

- Martínez Rosique, Juan Antonio y Fuster Escuder, José Miguel, “El Sistema de Posicionamiento Global (GPS).“ Internet - Andrada, M. Aeropuertos españoles y navegación aérea. Galileo el sistema europeo espacial de navegación por satélite, http://www.iies/teleco/publicac/bit127/especial3.htm, 2001 - Seguridad de aviación AVSEC, http://www.cocesna.org/subpagina.php?id=263&lng=0 - Aviation Safety and Aviation Security, http://www.boeing.com/commercial/news/feature/safety.html - Aviation safety, http://www.tc.gc.ca/eng/civilaviation/opssvs/aviationsafety-menu.htm - Aviation security, http://www.tc.gc.ca/eng/security-menu.htm - Funcionamiento GPS, http://www.cartrackgps.com/gps.html - U.S. national aviation standard for the global positioning system standard positioning service http://www.faa.gov/documentLibrary/media/Order/6880.1.pdf - ACAS , http://www.seguridadaerea.es/NR/rdonlyres/5120FFF1-00BA-4048-A8A8-36A04B4F552A/1793/acas2.pdf

http://www.cocesna.org/subpagina.php?id=263&lng=0

http://www.boeing.com/commercial/news/feature/safety.html

http://www.tc.gc.ca/eng/civilaviation/opssvs/aviationsafety-menu.htm

http://www.tc.gc.ca/eng/security-menu.htm

http://www.cartrackgps.com/gps.html


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APÉNDICES


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Apéndice A

Regulación GPS de la FAA - Ver en disco

Apéndice B

Regulación GPS de la SCT – Ver en disco

Apéndice C

Regulación GPS mundial – ver en disco

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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL · localizadores y sistemas de navegaciÓn gps para vuelo libre (free flight) tesina que para obtener . el titulo de ingeniero en aeronÁutica . presentan: