2o Cuatrimestre

Radiodeterminación IT

Práctica 6: Sistema ILS. 1

Instrument Landing System (ILS)

1.1

Principios del sistema

El ILS es resultado de los desarrollos que se llevaron a cabo en Alemania y EE.UU. desde los años veinte. La primera demostración de su eficacia se efectu’o en 1937. El aterrizaje de aviones en condiciones de poca visibilidad fue una causa principal de accidentes hasta ese momento. Ha sido parte de los estándares de navegación civiles desde que la ICAO lo incorporó en los mismos en 1947. Se trata de un sistema de control de tierra que permite que un avión sea guiado con precisión durante la aproximación a la pista de aterrizaje y, en algunos casos, a lo largo de la misma. Consta de cuatro partes principales o subsistemas que transmiten información a la aeronave: ∙ un localizador, que da la información de acimut, es decir, que actúa como guía lateral, y consta de varias antenas direccionales (entre 8 y 14) situadas normalmente a unos 300 m del final de la pista. ∙ un transmisor que indica la senda de planeo, glideslope o glide path; estśituado a un lado de la pista y es básicamente la gu’ia vertical del ILS. ∙ hasta tres radiobalizas: la exterior, la intermedia y la interior, situados respectivamente a 7 km, 1 km y 400 del punto de contacto con el suelo de la pista, destinadas a dar información tanto vertical como lateral; están cayendo en desuso y se reemplazan por NDBs o por los datos del DME. ∙ un sistema de iluminación visual. La ICAO define tres márgenes de visibilidad y para cada uno de ellos se define un estándar en la instrumentación de aterrizaje civil: ∙ Categoría I: Aquel sistema de ILS que permite aterrizajes con una visibilidad mínima de 700 m (o 500 m en caso de que haya iluminación de la línea central y zonas de toma de contacto de la pista) y una altura mínima 1 de 60m. En este punto, el piloto debe tener contacto visual claro con la pista. ∙ Categoría II: Visibilidad mínima de 350 m y altura mínima de 30 m. ∙ Categoría III: A Visibilidad mínima de 200m y altura de menos de 30 m (incluyendo una altura nula, es decir, sin altura de decisión). B Visibilidad mínima de 50 m y altura de menos de 15 m (incluyendo sin altura de decisión). C Visibilidad mínima de 0 m y sin altura de decisión. Un sistema de categoría III C es capaz de aterrizar un avión en piloto automático así como de guiarlo a través de la pista 2 . 1.2

Localizador y senda de planeo

El localizador (conocido como LOC en los EE.UU. y como LLZ en Europa) consiste en una agrupación de antenas que transmite a una frecuencia de portadora en el rango de 108.10 a 111.95 MHz 3 , en el que se alojan 40 canales ILS (cada canal tiene una anchura de 50 kHz y solamente las centenas de kHz pares se utilizan: 108.10, 108.15, 108.30, etc.; pero no 108.20, 108.25, 108.40, etc.). Las antenas están agrupadas de manera que se transmiten dos lóbulos simétricos orientados hacia la derecha y hacia la izquierda de la 1A

esta altura en inglés se la denomina ceiling o decision height. España solo disponen de ILS CAT III los aeropuertos de Asturias, Barcelona, Madrid-Barajas, Palma de Mallorca y

2 En

Vigo. 3 Coincide, pues, con la zona del espectro en la que opera el sistema VOR.

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Figure 1: En este figura vemos los dos haces del localizador en azul y amarillo así como los indicadores que han de formar una cruz centrada en el reloj para indicara la posición correcta. También se muestran las radiobalizas exterior e intermedia.

pista. Ambos lóbulos transmiten una señal con la misma portadora: el lóbulo radiado hacia la derecha está modulado por 90 Hz y el lóbulo izquierdo modulado a 150 Hz. Sobre el plano definido por la bisectriz de los dos haces, paralela a la pista, y la vertical, se verifica que ambas modulaciones en amplitud contribuyen igualmente a la señal total. A la derecha de este plano la profundidad de modulación de la señal de 90 Hz es superior a la de 150 Hz y a la izquierda se presenta la situación inversa. Por tanto, la diferencia en la profundidad de modulación (difference in depth of modulation, DDM) se convierte en una medida de la posición lateral del avión. La señal del transmisor de la senda de planeo se basa en el mismo esquema, pero con una portadora en el rango 329 a 335 MHz y con los lóbulos desplazados uno con respecto al otro sobre un plano vertical. Este plano se denomina plano de la senda de planeo y tiene un ángulo de 2.5 a 3.5 grados sobre la horizontal, que es el ángulo de descenso nominal del avión. Esto queda indicado en el panel de mandos del avión en un indicador donde dos agujas marcan cada una la posición relativa a los planos bisectores: las agujas han de estar en posición vertical una y horizontal la otra para que el descenso se realice adecuadamente. Además de la señal de navegación, los localizadores emiten periódicamente una señal de identificación a 1020 Hz con un código Morse, que además permite conocer si el sistema terreno funciona correctamente. El transmisor de la senda de planeo no transmite ning|’un código de identificación, de manera que se depende de la señal del localizador. Las antenas de los localizadores modernos tienen unos lóbulos principales muy direccionales, pero en el caso de los transmisores más antiguos, existen lóbulos traseros que permiten utilizar el mismo sistema para el aterrizaje en el sentido contrario de la pista (backcourse). Si se usa este mecanismo en lugar de tener dos sistemas ILS, uno para cada dirección de aterrizaje, el piloto tendrá que volar en la dirección contraria a la dirección marcada por la aguja ya que la posición relativa de los lóbulos modulados a 90 y a 150 Hz ha cambiado. 1.3

Radiobalizas

Una radiobaliza ILS es un transmisor a 75 MHz cuya antena tiene su lóbulo principal apuntando hacia arriba. Como hemos anticipado más arriba hay tres tipos: ∙ baliza exterior (outer marker, OM), que está localizada a 7.2 km (3.9 nm) del umbral de la pista; emite una señal modulada en un tono de 400 Hz consistente en dos rayas Morse por segundo; se puede combinar con un NDB para crear una radiobaliza exterior de localizador (locator outer marker, LOM); ∙ baliza intermedia (middle marker, MM), que está localizada a 1.1 km (3,500 ft) del comienzo de la 2 of 7

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Figure 2: Ilustración del concepto del Instrument Landing System.

pista y tiene su señal modulada a 1300 Hz consistente en dos pares raya-punto de código Morse cada tres segundos, ∙ baliza interior (inner marker, IM), cuando está instalada, se localiza para que en condiciones de baja visibilidad se indique que se está a punto de cruzar el umbral de la pista; en esta posición un avión normalmente llega a las condiciones mínimas de la Categoría II; la modulación es de a 3000 Hz, emitiendo 6 puntos Morse por segundo; está situado entre 75 y 450 m delante de la pista 4 , ∙ baliza trasera (back marker, BM), que está presente en el caso de utilizarse una línea de descenso por pista inversa de backcourse, y estará situada a una distancia de entre 7 y 11 km de la pista; esta señal está modulada a 400 Hz; un NDB o un sistema DME sule sustituir en muchas ocasiones el BM. Las señales que recibe el piloto cuando el avión atraviesa esta zona son tanto visuales, sobre el control de mandos (luces azul, ámbar y blanca para los OM, MM e IM, respectivamente), como auditivas, según los tonos de modulación indicados y las señales Morse correspondiente. Los diagramas de radiación de las antenas transmisoras tienen una anchura de unos 40 grados en la direcciíon de vuelo y de 170 grados en la dirección perperdicular. Esta anchura permite al piloto conocer la altura a la que se encuentra sobre el suelo, teniendo en cuenta el tiempo que tarda en cruzar el haz y la velocidad del avión. Como hemos dicho más arriba, en la actualidad las radiobalizas interior e intermedia, sobre todo la primera, son raras de encontrar, y también está decreciendo el uso de la radiobaliza exterior. 1.4

Exactitud y fuentes de error

La exactitud del localizador es de 0.1 a 0.5 grados en el sector de ±2.5o , y el rango es de unos 40 km. La exactitud de la senda de planeo es usualmente de 0.1 a 0.2 grados, y el rango es de unos 18 km. La cobertura angular del localizador es de unos ±10o Una fuente de error son las reflexiones no deseadas de la señal. En concreto, las irregularidades del terreno en torno a las antenas pueden provocar fluctuaciones en la señal que dan lugar a oscilaciones en los indicadores. En muchos casos es conveniente aplanar el terreno en torno a un radio de cientos de metros alrededor de las 4 Las posiciones de los OM y MM también varían en realidad, ya que los valores nominales son a veces irrealizables. Sin embargo, el piloto cuenta con la información de su posición según la pista y el aeropuerto.

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antenas transmisoras. También es beneficioso utilizar antenas muy directivas, a costa de que sean de gran tamaño. Además, la señaal se puede ver obstruida por la presencia de edificios altos o de los hangares. Otra limitación del sistema ILS es que solamente apoya descensos rectilíneos. En los años setenta se empezó a trabajar en un sistema mejorado, el MLS, que dado el retraso en su implementación quedo casi desechado frente a la llegada del GPS. No obstante, finalmente se ha instalado y se está instalando en los aeropuertos británicos, dado el retraso en los sistemas GPS aumentados como WAAS en los que se tenía puesta la confianza y los aparatos de British Airways cuentan con instrumentos MLS. Otro sistema alternativo que se usa en aquellos aeropuertos donde resulta dificil o muy costoso instalar sistemas ILS es el sistema de aterrizaje por transpondedores (Transponder Landing System, TLS). Este sistema consiste en enviar señales desde tierra a la aeronave y esperar la respuesta de un transpondedor montado a bordo de la misma. De acuerdo a esa señal se puede detectar desde tierra cuál es la posición exacta del avión y enviar una señal ILS sintetizada de tal manera que se reciba en el avión con las mismas características a las que tendría una señal ILS procedente de un equipo ILS terreno real. Los instrumentos de a bordo no ven la diferencia. Tiene la ventaja de hacer uso de la instrumentación ILS ya disponible en el aparato. La desventaja es que solamente se puede servir a un aparato a la vez.

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Ejercicio

Practíquese con http://www.luizmonteiro.com/Learning_VOR_Sim.aspx el sistema ILS. Como ejercicio optativo, descríbase la forma exacta matemática de la señal ILS.

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Sistema de aterrizaje de microondas (Microwave Landing System, MLS)

El ILS tiene ciertas limitaciones, como hemos explicado en la sección anterior, entre los que destacan un número de canales bastante reducido y un problema de multicamino incrementado por el rango de frecuencias relativamente bajas que usa el sistema. Otro problema es que la senda de planeo es un camino único y rectilíneo de descenso que impide el uso de trayectorias curvas más complejas. Además la mayoría de los equipos de tierra en los años sesenta eran de categoría I. En 1968 se formó un comité especial dentro de la Comisión Radiotécnica para la Aeronáutica (Radio Technical Commission for Aeronautics, RTCA) que representaba tanto a autoridades civiles como militares y que intentó definir los requisitos y las especificaciones de un nuevo sistema de aproximación y aterrizaje. Cuatro años más tarde la ICAO comenzó un proceso de selección. Las propuestas más destacadas fueron una por parte de EE.UU. denominada Time Reference Scanning Beam (TRSB) y una británica llamada Doppler Scan (DS). La propuesta americana fue elegido por encima de la bitánica y el sistema TRSB sería la candidata elegida para ser el MLS, en su nuevo nombre. El rendimiento de ambas propuestas fue semejante en las pruebas realizadas pero pesaron muy a favor del TRSB los tests realizados con el avión Boeing 737 experimental en propiedad de la NASA, mucho más complicadas, frente a las realizadas sobre el DS con el British Aerospace (HS) 748, que resultó ser una aeronave más limitada en cuanto a su capacidad de maniobra. Sin embargo, su futuro nunca se convirtió en presente hasta 2003. En los años 90 su desarrolló se estancó y nunca se llegó a implementar en los aeropuertos, pese a la existencia de un ambicioso plano de implemetación. La irrupción del GPS con su promesa de una gran exactitud en conjunción con los llamados sistemas extendidos o de aumentación como el WAAS (Wide Area Augmentation System) en EE.UU., EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) en Europa y MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System) en Asia (principalmente Japón) motivó que sus planes de instalación aeroportuaria se abandonase. Los sistemas extendidos mencionados no requieren la instalación de ningún equipo de tierra en los aeropuertos, por lo que la implantación de los sistemas MLS se empezó a considerar como una inversión muy alta frente a la alternativa de GPS aumentado. En el año 2003, sin embargo, el aeropuerto londinense de Heathrow invirtió 20 millones de euros en la instación de equipos MLS de tierra. British Aiways empezó a equipar sus aviones con receptores Thales TLS-755 multimodo, que combinan sensores ILS, GPS y MLS. La interficie de uso del receptor MLS se diseño de manera que fuese lo más parecida posible al ILS, con el que los pilotos ya estaban familiarizados.

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Figure 3: La diferencia de tiempos entre dos pasos consecutivos del haz por la posición del avión permite calcular la posición del mismo.

Después de la implantación en Heathrow, muchos otros aeropuertos británicos han incorporado equipos MLS. La NASA tiene un sistema similar, llamado Microwave Scanning Beam Landing System para asistir el aterrizaje de la lanzadera espacial o Space Shuttle. 3.1

Principios del sistema

En el sistema TRSB se utiliza el principio denominado “to-fro”, que se usa como base para cualquier medida angular. La portadora tiene una frecuencia entre 5031.0 y 5090.7 MHz 5 . Dos antenas direccionales producen un barrido a velocidad constante sobre el área de cobertura, una en la dirección de elevación y otra en la de acimut, con haces de valores típicos de anchura de 1.5o y 1o respectivamente. El avión detecta el paso del haz de la antena dos veces en cada ciclo, una cuando viaja hacia la derecha y otra cuando viaja hacia la izquierda 6 . La posición del avión dentro de la zona de cobertura se puede calcular a partir de la diferencia de tiempos entre los dos pasos. Esto se puede comprobar en la figura 3. La relación de tiempos que indica la posición viene dada por 𝑡 = 𝑡B − 𝑡A = 𝑡2 − 𝑡1 + 2(𝜑0 − 𝜑)/𝑉 (1) donde 𝑉 es la velocidad de barrido. 𝑉 = 2 𝜑0 /(𝑡1 − 𝑡0 )

(2)

o

El estándar fijado por la ICAO es de 0.02 /𝜇s. Por lo tanto, podemos poner 𝑉 (𝑇0 − 𝑡) 2 𝑇0 = (𝑡B − 𝑡A ) 𝜑=

(3)

El receptor detecta la presencia del haz móvil de la estación de tierra durante un cierto tiempo en cada pase del mismo por las inmediaciones del avión dado que el ancho de haz es finito. El tiempo de llegada del 5 Cuando se inició el proceso de convocatoria de nuevas alternativas para mejorar el ILS con un nuevo sistema, la característica que estaba claramente definida es que el nuevo sistema debería funcionar en frecuencias de microondas, para minimizar el problema del multicamino o multipath. Las frecuencias más altas producen reflexiones más especulares -el caso extremo es el de la radiación del espectro visible- y por tanto el multicamino se reduce a las direcciones especulares sobre las superficies que actúan con reflectantes. 6 En inglés este comportamiento da lugar al nombre de “to-fro”.

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Figure 4: Geometría del sistema TRSB.

pulso se define como el tiempo medio de ese intervalo de tiempo durante el cual la potencia recibida del haz sobrepasa un cierto umbral predefinido. La estación de acimut está localizada a unos 300 metros del final de la pista. Su haz cubre al menos 40 grados en acimut a cada lado de la línea central de la pista y hasta 20 grados en elevación desde la horizontal, incluyéndola. Su alcance es de 20 millas náuticas (37 km). La información de acimut en el receptor se renueva a una velocidad de 39 Hz. La estación de elevación está colocada a unos 100 metros a un lado de la pista de aterrizaje entre el umbral de la misma y la zona de contacto. Cubre la misma zona angular tanto en acimut como en elevación que el haz de acimut, y tiene el mismo alcance en distancia. El MLS utiliza adicionalmente un sistema DME/P que sustituye las radiobalizas del ILS. A menudo está colocalizado con la estación de acimut. 3.2

Datos adicionales en la señal MLS

Un sistema MLS transmite una señal de datos a través de una antena colocalizada con la estación de acimut. El MLS es un sistema en tiempo compartido o multiplexado temporal que trabaja entre 5031.0 y 5090.7 MHz donde aloja 200 canales de una anchura de 300 kHz. Los datos básicos transmitidos son la identificación de la estación, la localización exactas de las estaciones de acimut, elevación y DME/P, el nivel de calidad del equipo de tierra en ese instante y el canal del DME/P en uso. A veces se incluyen datos adicionales sobre las condiciones meteorológicas. 3.3

Exactitud

Los márgenes de error son mucho más reducidos que los del ILS. Así, tenemos una precisión teórica de 4 m en acimut en el borde de la pista y de 0.6 m en elevación. El DME/P tiene una precisión de 30 metros.

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Ejercicio

Se pide, como ejercicio optativo, proponer y describir un sistema de atterizaje alternativo al ILS y al MLS.

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Table 1: Exactitud del sistema TRSB.

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