Radioaltimetro en una aeronave PDF

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como funciona y que hace por nosotros...

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1. 1.1.1. Sistema de Radioaltímetro

En primer lugar, se menciona el sistema de radioaltímetro, el cual es un altímetro que funciona con un sistema radar (Rad Alt) que brinda información sobre la altura de una aeronave respecto a la tierra, esto es, proporciona una lectura absoluta de la distancia que existe entre el avión y la superficie directamente debajo de él, en comparación con los altímetros barométricos, que indican la información de altitud de la aeronave referenciada a un punto determinado, normalmente al nivel del mar. El uso del sistema de radioaltímetro permite tener la separación exacta del avión con el terreno debajo de él, ya sean montañas, desniveles, obstáculos, etcétera. La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) considera que los radioaltímetros (de radar o radioeléctrico) son un componente esencial de los sistemas aeronáuticos de seguridad de la vida humana, incluidos los sistemas de aproximación, de precisión, de aterrizaje, de proximidad al suelo y de prevención de colisiones. Este sistema tiene un valor particular en los sistemas de alarmas de los pilotos que vuelan cerca del terreno y necesitan tomar acciones correctivas en la ruta, así como también, provee a la tripulación un valor preciso de altitud respecto al terreno durante las etapas finales en una aproximación precisa. En la figura 1, se muestra un esquema con la comparación entre la medición de un radioaltímetro y un altímetro barométrico.

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Figura 1. Esquema de comparación de altitudes entre sistema de radioaltímetro y altímetro barométrico (Moir & G Seabridge, 2003). El sistema de radioaltímetro está catalogado dentro de los sistemas que funcionan en el servicio de radionavegación aeronáutica durante todo el vuelo y deben hacerlo sin interferencia perjudicial. En una aeronave el sistema de radioaltímetro en su mayoría está conformado por tres radios idénticos (por cuestiones de redundancia física que aumenta el nivel de confiabilidad del sistema), donde su coexistencia puede lograrse utilizando métodos técnicos y operativos para la reducción de interferencias, para lo cual es necesario documentar las características de utilización del espectro de los sistemas de radioaltímetro y su implantación a nivel mundial. Entre los métodos técnicos y operativos utilizados cuando coexisten tres radioaltímetros se utilizan los siguientes:

Además, se pueden separar las transmisiones por ancho de banda de frecuencia y/o periodo de modulación. La utilización de una o varias de estas opciones hará que el ancho de banda ocupado por una sola aeronave sea superior al ancho de banda que necesita un único radioaltímetro. Ahora bien, el radioaltímetro consta de un transmisor que emite señales (impulsos) de radiofrecuencia hacia el suelo, las cuales se reflejan hacia la aeronave y son captados por el receptor, el equipo a bordo de la aeronave mide el tiempo transcurrido entre la emisión de un impulso y su recepción, posteriormente, el valor de la altitud es desplegado a través del indicador en el panel, con unidades de distancia en su mayoría en pies (ft). En la figura 2, se muestra la imagen del indicador de altitud en un panel de aeronave.

Figura 2. Indicador de altitud (Moir & G Seabridge, 2003). 3

El principio básico de funcionamiento de un radioaltímetro de manera más detallada es el siguiente: El sistema de radar emite una señal de radiofrecuencia hacia el suelo y determina el tiempo en que tarda en regresar la señal reflejada por el terreno; este tiempo es multiplicado por el valor de la velocidad de propagación de la señal, que al ser onda electromagnética que se propaga en el aire es de c, y la velocidad de la luz 3x108[m/s], el resultado de esta operación da un valor con buena aproximación del doble de la distancia al suelo (ida y vuelta de la señal, suponiendo que la señal se propaga en línea recta vertical desde el radar hasta el suelo y desde el suelo hasta el radar, cuyo recorrido es el doble de la altura). Si c es el valor de la velocidad de la señal y h la distancia al suelo, entonces, la señal tarda ∆t

h

un tiempo 2= c en llegar al suelo y otro tanto en regresar, lo que da un tiempo total de

∆t=

c ∆t 2h . c, de donde se deduce que h=

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En la figura 3 se observa el esquema general que representa el cálculo del valor de la altura h.

Figura 3. Esquema general para medir el valor de la altitud h (José J. Zamora, 2017). Por otra parte, desde el punto de vista de los componentes, en el radioaltímetro, el oscilador y modulador entregan las señales necesarias al transmisor y a la antena transmisora, la cual dirige la energía del radar hacia el terreno debajo de la aeronave. La energía reflejada es recibida por la antena receptora y el receptor, el cual pasa la señal al contador de frecuencias, y a su vez modula la señal recibida y entrega la lectura del altímetro de radar al indicador correspondiente (véase figura 4).

Figura 4. Esquema de componentes del sistema de radioaltímetro, proceso de funcionamiento (Moir & G Seabridge, 2003). Adicionalmente, la información se puede presentar en un Sistema Electrónico de Instrumentación de Vuelo (EFIS). En los sistemas modernos, el valor de altitud obtenido por radar se entregará a varios y diferentes sistemas de una aeronave como al Sistema de Gestión de Vuelo (FMS), al Sistema de Alerta de Aproximación al Suelo (TAWS), al autopiloto, al equipo anticolisión, al radar meteorológico y al acelerador automático; así como también se desplegará directamente hacia la tripulación de vuelo. El radioaltímetro (altímetros de radar) usualmente tiene un rango de medida de entre 6 y 6 000 metros (20 y 19 685 pies), sin embargo, en algunos altímetros supera los 15 000 metros (49 213 pies). Por otra parte, el radioaltímetro funciona en la banda de frecuencias de 4200–4400 MHz con un ancho de banda de 196 MHz. En la actualidad se utilizan dos tipos de altímetros: 1° Altímetro que utiliza la modulación en frecuencia de onda continua (FMCW). 2° Altímetro que recurre a la modulación de impulsos. 5

Es importante recordar que a nivel internacional existe un organismo regulador para el uso correcto de las frecuencias dentro del espectro radioeléctrico, si bien, el Instituto Federal de Telecomunicaciones (IFT) es la dependencia federal encargada de este tema en México, éste se basa en las recomendaciones de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) para este tema. Para explicar el funcionamiento del radioaltímetro, la UIT, a través de la recomendación UITR M.2059-0 (02/2014), describe claramente las características técnicas y de funcionamiento y de criterios de protección de altímetros radioeléctricos que utilizan la banda de frecuencias

4200-4400 MHz, del cual se pueden revisar los siguientes puntos. Los radioaltímetros FMCW funcionan en modo transmisión/recepción con antenas de transmisión/recepción distintas, su funcionamiento exige que la señal de la antena transmisora se dirija hacia el suelo, cuando la señal toca el suelo, se refleja en él y vuelve a la antena receptora. El sistema realiza un cálculo de tiempo para determinar la distancia que hay entre la aeronave y el suelo, pues la altitud de la aeronave es proporcional al tiempo que necesita la señal transmitida para realizar el viaje de ida y vuelta. La señal modulada en frecuencia (FM) producida por el transmisor/receptor no puede sintonizarse desde la cabina. El cálculo se basa en el supuesto de que una señal transmitida en la banda 4 200-4 400 MHz volverá en la misma frecuencia, sin embargo, durante el tiempo que le lleva a la señal llegar al suelo y volver, la frecuencia transmisora cambia. La diferencia en las frecuencias de transmisión y recepción (Δf) es directamente proporcional a la altura de la aeronave por encima del suelo y depende de la pendiente exacta de la modulación (lapso–periodo), como se observa en la figura 5.

Figura 5. Diagrama típico de señales transmitidas y recibidas de un radioaltímetro de onda portadora, modulada en frecuencia (UIT-R M.2059-0, 2014). Asimismo, la altitud se calcula determinando la diferencia entre la frecuencia f de la señal 1 reflejada y la frecuencia f de la señal transmitida en el instante t , en que se recibe la 2

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señal reflejada. Esta diferencia de frecuencia ∆f, es directamente proporcional al tiempo Δt, necesario para que la señal reflejada recorra la distancia entre la aeronave y el suelo y vuelva a la aeronave. El periodo de la forma de onda FMCW triangular puede variar en función de la altitud. En cualquier instante se obtiene una señal de batido mezclando la onda transmitida (frecuencia f ) y la onda recibida (frecuencia f ). La frecuencia ∆f de esta señal es igual a: Δf=f – f . 2 1 2 1 Si se conocen Δt o Δf, se puede calcular la altura sobre el terreno con la siguiente fórmula:

Donde: H : altura sobre el terreno (m). 0

c: velocidad de la luz (m/s). Δ : diferencia temporal medida (s). t

Δ : diferencia en frecuencia medida (Hz). f

df/dt: cambio de frecuencia de los transmisores por unidad de tiempo (Hz/s). Al igual que los altímetros FMCW, los altímetros por impulsos facilitan a la aeronave una medida precisa, independiente y absoluta de la distancia mínima entre la superficie de la Tierra y la aeronave. Los radioaltímetros por impulsos típicos, tienen un rango de medición de entre –6 m y 2 500 m (–20 pies a 8 200 pies) y su altitud operativa es de 12 km (39 360 pies). Por otra parte, el radioaltímetro FMCW básico está formado por un sistema «homodino» que muestrea una fracción de la forma de onda ya transmitida y la entrega como referencia al mezclador del receptor, con esta configuración se convierten directamente todas las señales recibidas a un receptor en banda base. Si bien el ancho de banda de procesamiento de la señal puede ser inferior a 100 Hz por segmento de altitud, el ancho de banda global del receptor puede ser de varios MHz, dependiendo del valor de la velocidad de modulación en frecuencia seleccionada y del tiempo de retardo generado por el valor de altitud. Los radioaltímetros más recientes aplican un procesamiento digital a la señal convertida y digitalizada. Este post procesamiento de la señal suele efectuarse en el dominio de frecuencia, para lo que se aplica la señal recibida y convertida a una Transformada Rápida de Fourier (FFT). Una vez efectuada esta transformación, los algoritmos de decisión extraen la información sobre la latitud de la señal adquirida. Los radares FMCW con una duración fija de la forma de onda FMCW triangular miden la distancia hasta el objetivo con una relación lineal de la frecuencia espectral del objetivo (la frecuencia de la señal recibida), dentro de la capacidad de ancho de banda del receptor, el cual suele ser de banda ancha. Cuanto mayor sea la frecuencia espectral del objetivo detectado, mayor será la distancia al objetivo y cuanto menor sea la frecuencia espectral del objetivo en la banda de paso del receptor, menor será la distancia. Los radares FMCW con duración variable de la forma de onda FMCW triangular, miden la distancia hasta el objetivo utilizando la duración del periodo de la forma de onda triangular.

Por tanto, todos los radioaltímetros FMCW determinan la altitud con un análisis espectral o con la duración de la forma de onda FMCW triangular, algunos utilizan la «cuenta de pasos por cero» como método para calcular la frecuencia de señal dominante, mientras que otros utilizan la técnica de procesamiento digital de la FFT y posteriormente aplican algoritmos para extraer de la señal recibida la información sobre la altura. Se entiende entonces que toda interferencia es impredecible y puede afectar a la forma de onda FM lineal, causando así que el radioaltímetro confunda la señal afectada con el terreno, y que éste indique una altitud errónea. En tal caso, cuando la modulación de señales de interferencia se extiende por muchos MHz de ancho de banda al mezclarse con la referencia FM lineal en el mezclador del receptor, se eleva el ruido de fondo del receptor del radar FMCW exponencialmente con la contribución de cada radiador recibido. Es fundamental entender que la modulación en frecuencia con variabilidad lineal hace que una portadora de banda (relativamente estrecha) coincida o se sitúe cerca del extremo de la modulación del altímetro se barra por una cierta fracción de la banda de paso del receptor del radioaltímetro. En cuanto a los radioaltímetros por impulsos, utilizan un impulso de energía de radiofrecuencias transmitido hacia la tierra para medir la altura absoluta por encima del terreno que se encuentra inmediatamente debajo de la aeronave; es decir, se mide la diferencia temporal entre el impulso transmitido y el impulso recibido. Cuando se conoce la velocidad de propagación de la señal electrométrica y ésta es constante, el tiempo es proporcional a la altura de la aeronave. La función del radioaltímetro por impulsos es determinar la distancia o altitud, entre el suelo y la parte inferior de la aeronave, así también puede determinar la velocidad vertical de subida o bajada y emitir una alerta a partir de una altitud determinada. Asimismo, están diseñados como parte de los sistemas de apoyo para el aterrizaje automático y así como de la función de vuelo estacionario automático en helicópteros. El sistema de este altímetro comprende: Un receptor-transmisor. Indicadores de altura integrados o distantes. Diversas configuraciones de antenas. Algunas variantes de altímetros por impulsos tienen la ventaja de poder utilizar una antena para la transmisión y otra para la recepción, por lo tanto, el ancho de haz de una antena, en

el caso de ser de radioaltímetro dedicada debe ser lo suficientemente grande para integrar los ángulos de balanceo y cabeceo normales de la aeronave, lo que causa una variación importante del retardo de retorno. En un altímetro por impulsos, la altura viene determinada por la mitad del producto del c*t tiempo transcurrido y la velocidad de la luz (h= ). 2 Donde: h: es la altitud de la aeronave. c: es la velocidad de la luz. t: es el tiempo transcurrido entre la transmisión y la recepción. Se introduce desde el transmisor una señal de referencia de tiempo para iniciar un generador de rampa de precisión. La rampa de tensión se compara con la rampa de tensión proporcional a la altura indicada. 13

Se ha de utilizar la «altitud operativa» porque todos los radioaltímetros siguen funcionando en modo búsqueda de altitud durante todo el tiempo del vuelo sobre su «rango de altitud indicada». Así, cuando están en modo búsqueda de altitud, éstos son vulnerables a la detección de fuentes de interferencia como falsas altitudes lo que, a su vez, causará reacciones inadecuadas de los sistemas dependientes de la radio altitud, como la alerta de proximidad al suelo, el radar meteorológico, el TCAS, los controles de vuelo y otros sistemas vitales. Todos los radioaltímetros utilizan un diseño de antena que ofrece una ganancia de entre 8 y 13 dBi y una cobertura de entre 35 y 60 grados del punto de 3 dB (potencia mitad) del diagrama de antena, la amplitud de los haces de antena es necesaria por la amplitud de los ángulos de cabeceo y balanceo de las aeronaves en vuelo. El diagrama de antena es básicamente un cono y su polarización es lineal horizontal; sin embargo, la orientación real de la radiación con polarización horizontal en términos de apuntamiento Norte (N), Sur (S), Este (E) y Oeste (O) depende enteramente del vector de vuelo de la aeronave. El que todas las antenas de radioaltímetros tengan que apuntar necesariamente a la superficie de la Tierra hace que el sistema sea vulnerable a todas las posibles fuentes de interferencia durante la aproximación. A causa de su emplazamiento en las aeronaves, las antenas de los altímetros no pueden protegerse ni apantallarse contra las numerosas posibles fuentes de interferencia de la superficie de la Tierra, al contrario, pueden «ver» todas las fuentes de radiación que emanan de los inmuebles y las transmisiones directas de dispositivos que operan al margen de toda estructura.

Para determinar el ancho de banda utilizado por el sistema del radioaltímetro de una aeronave se deben considerar varios factores. En primer lugar, se debe combinar el ancho de banda del impulso modulado con la estabilidad en frecuencia del radioaltímetro. En segundo lugar, debido a que el sistema de radioaltímetro es un sistema crítico para la seguridad de la vida humana y de los bienes materiales, se recomienda utilizar un ancho de banda de corte a –40 dB para determinar el ancho de banda de la señal de transmisión. En tercer lugar, se ha de incluir un factor operativo o de instalación. En una aeronave grande se emplean dos o tres sistemas de altímetros y éstos pueden utilizar un desplazamiento en frecuencia de entre 5 y 10 MHz. Se debe tener en cuenta que el ancho de banda de recepción debe incluir, como mínimo, el ancho de banda del emisor en todas las condiciones operativas y en particular, en caso de deriva por cambio de temperatura. Si una aeronave tiene instalado a bordo más de un radioaltímetro, la frecuencia central no podrá ser siempre 4 300 MHz. En una aeronave con dos o tres radioaltímetros, éstos podrán funcionar con dos o tres frecuencias centrales desplazadas con respecto a 4 300 MHz para evitar interferirse unos a otros, los sistemas de altímetros también pueden tener desplazada la temporización, el periodo o el lapso, de este modo el ancho de banda utilizado por cada aeronave será superior al ancho de banda de cualquiera de los radioaltímetros por separado. Los radioaltímetros por impulsos utilizan técnicas de ensanchamiento del espectro para lograr la precisión necesaria y una integridad de señal que puede utilizar la totalidad del ancho de banda de 200 MHz disponible en la banda 4 200-4 400 MHz. Hay que mencionar que en todo análisis de compatibilidad electromagnética entre radioaltímetros y otros sistemas se deben utilizar criterios de protección para la máxima degradación aceptable del radioaltímetro. Existen tres mecanismos de acoplamiento por interferencia electromagnética primaria entre ellos y las señales de interferencia de otros transmisores: sobrecarga del receptor, desensibilización y generación de altitudes falsas, de igual forma la interferencia dentro y fuera de banda también puede afectar a la calidad de funcionamiento del radioaltímetro.

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Fuentes de consulta • Buckwalter, L. (2010). Avionics Training, Systems, Installation and Troubleshooting. Leesburg, VA, USA. Avionics Communications Inc. • Collinson, R. (2011). Introduction to Avionics Systems. Springer Dordrecht Heidelberg London New York. Springer Science+Business Media B.V. • Crawford, D. R. (1981). A practical guide to airplane performance and design. Torrance, Ca. Crawford Aviation. • Department, C. T. (2018). Starlifter training manual, Volume VI. Marietta, Georgia. Lokheed-Georgia Company. • Kayton , M., & Fried, W. (1997). AVIONICS NAVIGATION SYSTEMS. U.S.A. & CANADA. John Wiley & Sons, Inc. • Lacomme, P., Hardange, J.-P., Marchais, J.-C., & Normant, E. (2001). Air and Spaceborne Radar Systems: An Introduction. Norwich, NY William Andrew Publishing, LLC. • Moir, I., & G Seabridge, A. (2003). Civil Avionics Systems. London and Bury St Edmunds, UK. Professional Engineering Publishing Limited. • Moir, I., & G. Seabridge, A. (2006). Military Avionics Systems. West Sussex PO19 8SQ, England. John Wiley & Sons, Ltd. • Moir, I., & Seabridge, A. (2008). Aircraft Systems, Mechanical, electrical, and avionics subsystems integration. West Sussex PO19 8SQ, England. John Wiley & Sons Ltd. • Moir, I., Seabridge,A., & Jukes, M. (2013). CIVILAVIONICS SYSTEMS. Chichester, West Sussex, PO19 8SQ, United Kingdom. John Wiley & Sons, Ltd. • Sandretto, P. C. (1942). Aeronautical Radio Engineering. New york & London. McGraw-Hill Book Copany, Inc. • Siouris, G. M. (1993). Aerospace Avionics Systems, A modern synthesis. San Ilicgo. C’nliforni. Academic Press, Inc. • SPITZER, C. (2000). The avionics handbook. Williamsburg, Virginia. AvioniCon, Inc.

Lecturas recomendadas • Recomendación UIT-R M.2059-0. (02/2014). Caracter...