miércoles, 1 de junio de 2016

Teoría del FMS: Flight Management system o Gestor de vuelo (I)


Ojo, este es un artículo muy técnico que solo será de utilidad si se han leído los posts anteriores relacionados con el tema. En este post haremos una introducción a las diversas funciones que componen un sistema de gestión de vuelo.

Para ello nos centraremos en la funcionalidad básica y las relaciones que son fundamentales para entender el sistema de gestión de vuelo y su papel en las operaciones de la aeronave.

Claramente, existe una gran diversidad en la puesta en práctica de estos complejos sistemas por parte de los diversos fabricantes, por lo que aquí solo se harán consideraciones de carácter general.


1.- Introducción general

El gestor de vuelo es un sistema muy complejo y en constante evolución. Se espera que en el futuro las funciones básicas como se describe aquí ganen todavía más en complejidad e interacción con el resto de los sistemas de la aeronave incluso cuando esta todavía se halle en tierra. El estado real de la aeronave y la trayectoria calculada por el FMS (tanto en el aire como en el suelo) servirá para proporcionar conciencia situacional estratégica para la evitación de conflictos en el futuro sistema de Gestión de Tráfico aéreo.

La transmisión de datos automática de las trayectorias optimizadas y preferidas por el usuario dará lugar a una operación de la aeronave mucho más eficiente. La plena puesta en práctica del concepto PBN y la utilización de la navegación basada en RNP aumentará la capacidad del espacio aéreo. Los métodos innovadores de la industria para comunicar y presentar la información del FMS ayudarán a la tripulación en la construcción del plan de facilitando la operaciones y disminuyendo los tiempos entre vuelos. Claramente, el FMS es un sistema clave en el avance hacia los conceptos contenidos en el futuro espacio aéreo CNS.

1.1- Introducción al FMS


El sistema de gestión de vuelo consiste generalmente en una combinación de dos unidades, una unidad de computación o cálculo (Flight Management Computer) y otra unidad de control y monitorización (Control Display Unit a veces llamada también MCDU o Multifunction Control Display Unit ). La unidad de cálculo puede ser un dispositivo independiente (FMC o Flight Management Computer) o puede estar integrado formando parte de otras unidades. Este es el caso de la familia Embraer E-Jet, en la que esta unidad de cálculo forma parte de las llamadas MAU o Modular Avionic Units. Dicha unidad o módulo integrado está interconectado con varios interfaces de aviónica por medio de buses de datos.

La unidad MCDU es la interfaz primaria entre el piloto y la unidad de cálculo para la entrada de datos y monitorización de la información almacenada. Los fabricantes pueden ofrecer multitud de diseños diferentes, pero en el fondo todos estos sistemas ofrecen las mismas o parecidas capacidades funcionales, las cuales pasamos a revisar.

Los gestores de vuelo ofrecen al piloto la fuente principal de navegación, planificación del vuelo, optimización y determinación de rutas, así como la navegación y la gestión y modificación de la ruta volada y/o sus alternativas. Las funciones principales están interrelacionadas y pueden clasificarse como: navegación, planificación del vuelo, predicción de la trayectoria, cálculo de las actuaciones del avión y guiado de la aeronave.

Para poder llevar a cabo todas estas funciones, el FMS está interconectado con diferentes sistemas de aviónica. Tal como se comenta más arriba, estas conexiones dependen en gran medida del diseño de cada fabricante y de la categoría del avión, pero en general suelen ser:

Sensores de navegación y radios
  • Sistemas inerciales o de referencia INS/IRS
  • Radioayudas para la navegación
  • Sistema de datos del aire (ADS)
Pantallas
  • Principal o PFD
  • Navegación o ND
  • Datos del motor o EICAS
  • Sistema de control de vuelo
  • Sistemas de motor y combustile
  • Sistemas de vigilancia
  • Sistemas de conexión de datos


Hoy en día los niveles de complejidad y las capacidades de los sistemas de gestión de vuelo varían enormemente. Todo depende de las necesidades y del nivel que se requiera para una aeronave en particular. Por poner un ejemplo, no es lo mismo un avión con capacidad transoceánica que un pequeño reactor regional. En el primero se debe de tener en cuenta los llamados “Step increments” (subidas adicionales en crucero de largo recorrido al ir pesando menos la aeronave por quemar su combustible) y en el segundo esto no es necesario debido al corto alcance. En su versión más sofisticada, los gestores de vuelo dotados de sensores de navegación complejos pueden calcular, gestionar y navegar automáticamente rutas 4D (latitud, longitud, altura y tiempo). Los gestores de vuelo menos sofisticados tienden a desaparecer por dos motivos: el primero es el incremento de las restricciones de vuelo tanto en separación vertical como lateral. El segundo motivo es el avance imparable de la tecnología, que posibilita una mayor y más barata integración de funcionalidades complejas en aviones que antes eran simplemente de uso recreativo. 


Con sus características y su papel en la gestión del vuelo el sistema FMS se ha convertido en una parte fundamental del concepto futuro que se ha planteado en el espacio CNS/ATM, la puesta en práctica de los conceptos de navegación PBN (espacio aéreo con RNP muy reducidas), comunicaciones CPDLC y Data link, trayectorias predefinidas, gestión de flujo y tiempo, etc, etc.

1.2.- Fundamentos del FMS


La funcionalidad central de un sistema de gestión de vuelo es precisamente la construcción y subsecuente uso de un plan de vuelo cuatridimensional, con trayectorias específicas definidas por tramos que incluyen restricciones e imponen limitaciones a las capacidades de la aeronave. Para poder crear este espacio cuatridimensional, la predicción de la trayectoria de la aeronave debe de estar en armonía y encajar con el propio plan de vuelo de forma que cada tramo quede consolidado con total seguridad a lo largo de la ruta definida. La función de navegación es la encargada de proveer el estado dinámico actual de la aeronave para poder ser usado por el resto de las funciones. El guiado en el plano horizontal y vertical junto con las características de aviso utilizan el estado actual de la aeronave para proveer referencias e información suplementaria relativa a la trayectoria de la aeronave. 

  • La función de navegación: es responsable de la determinación del estado y posición actual de la aeronave.
  • La función del plan de vuelo: permite a la tripulación establecer una ruta para la aeronave.
  • La función de la predicción de la trayectoria: es la responsable del cálculo de la predicción del perfil de la aeronave a lo largo de una ruta específica.
  • La función de actuaciones de la aeronave: provee a la tripulación con información relativa al desempeño del avión y sus capacidades para adquirir una altura determinada, las velocidades de despegue, así como otro tipo de información relativa a la optimización del perfil de la ruta.
  • La función de guiado: es la responsable de producir las señales y las órdenes para que la aeronave se capaz de seguir los perfiles verticales y horizontales previamente calculados.

Dependiendo de la cantidad de inputs/outputs, estas funciones se pueden mostrar en diversas partes del cockpit. 

En general, existen dos bases de datos que forman el corazón del sistema de gestión. Estas bases de datos son la dedicada a navegación (Navigation database), que debe de ser puesta al día cada cierto tiempo (en ciclos al igual que las cartas y mapas) y la dedicada a las características y actuaciones de la aeronave (Performance database). En la base de datos de actuaciones se tienen en cuenta cosas como por ejemplo las variantes de motorización, las variantes de la estructura de la aeronave que puedan afectar a la resistencia al avance, etc.

La base de datos de navegación contiene todo lo relativo a cuestiones de navegación, como por ejemplo: aeropuertos, radioayudas, puntos de ruta específicos (waypoints), aerovías y procedimientos de áreas terminales junto con las restricciones impuestas por la filosofía PBN y los valores RNP específicos de cada tramo o área. 

El propósito de la base de datos es doble, por una parte provee a la función de navegación con la información pertinente sobre la localización de la aeronave, las frecuencias de radio, la elevación y la clase de radioayudas basadas en tierra con la información asociada. Esta información es necesaria para la selección automática de frecuencias (AUTO-TUNNING) y el procesado automático de selección de frecuencias de radioayudas con la mejor geometría posible (distancia, rumbo o desviación de la ruta). Esto ayudara a posicionar a la aeronave en el espacio. 

Por otra parte esta funcionalidad provee al plan de vuelo información específica relativa a los aeropuertos, las aerovías, las llegadas, aproximaciones y salidas estandarizadas, tramos predefinidos en las áreas terminales y en ruta con puntos específicos. En suma, toda una serie de herramientas que permiten construir una ruta determinada en muy poco tiempo. Para saber más sobre la construcción de estos tramos se recomienda leer el protocolo ARINC 424, que es el formato estándar con el que se codifican estos en las bases de datos. Por su parte la base de datos de actuaciones del avión contiene datos del modelo de avión y del modelo de motor con todas sus características técnicas y capacidades, como resistencia al avance, consumo específico, potencia, envolvente de vuelo, velocidades optimas y máximas, altitudes, límites de potencia, y una gran cantidad de datos relativos a la optimización táctica del vuelo, como por ejemplo la capacidad de cálculo para volar una altura mayor teniendo en cuenta los vientos reinantes en varias capas de la atmósfera, etc.

La figura muestra las relaciones entre las bases de datos y las funcionalidades



1.2.1.- Navegación


La función de navegación dentro del FMS calcula el estado y posición actual de la aeronave (generalmente en coordenadas geodésicas WGS84) basándose en una serie de cálculos estadísticos o mezcla de diferentes sensores que miden de forma redundante datos de posición y velocidad. El estado actual de la aeronave consiste en:

  • Posición tridimensional (latitud, longitud y altura)
  • Vector velocidad
  • Capacidad de ascenso
  • Altura
  • Ángulo de derrota, rumbo y rumbo corregido
  • Vector del viento
  • Cálculo de incertidumbre (EPU o Estimation Position Uncertainty)
  • Tiempo

La función de navegación está diseñada para operar con una combinación autónoma de varios sensores de posición y receptores de radioayudas diferentes. La actualización de la posición es automática por medio de los receptores de radioayudas y sirve para calibrar los cálculos de posición y velocidad de los sensores autónomos, que de otra forma podrían degradarse con el paso del tiempo. Esto mantiene una certidumbre sobre la verdadera posición de la aeronave, reduciendo el valor de la EPU. Si el cálculo de la posición por medio de DME, VOR o GPS fuese interrumpido temporalmente, la precisión de la navegación todavía se mantendría dentro de unos límites razonables por un espacio de tiempo considerable. Esta capacidad resulta vital para poder operar en ambientes RNAV-RNP, donde se pueden efectuar aproximaciones guiadas y completarlas a pesar de que en medio de la aproximación pueda fallar una fuente primaria de posicionamiento como por ejemplo el GPS. El típico paquete de navegación consiste en:

Sensores autónomos
  • Sistema inercial de referencia (IRS)
  • Sistema de datos del aire
Receptores de navegación
  • DME
  • VOR/LOC
  • GPS

El uso de varios sistemas es a la vez se utiliza para comprobar el estado de todos ellos y para dar fiabilidad a las señales sin procesar recibidas a través de los receptores de las radioayudas, esto asegura además la integridad de la solución final de posición del gestor de vuelo.

1.2.1.1.- Actuaciones de navegación


La función de navegación debe de cumplir con la normativa DO-236, que permite operar en ambientes RNP y debe de ser capaz de poder calcular la EPU, para asegurar que la posición verdadera de la aeronave se encuentra el 95% del tiempo donde el sistema dice que está. La EPU se calcula en base a los errores característicos de cada sensor usado en la solución final de la posición y también en función de la variabilidad de cada sensor particular con respecto a los demás. El valor RNP para un espacio aéreo particular se define como el requisito mínimo de precisión permisible para poder volar en dicho espacio aéreo. Existen unos valores especificados por defecto en la base de datos de navegación y que se basan en la fase de vuelo en la se encuentra la aeronave. Estos datos se pueden modificar a por los pilotos a petición de ATC. Si el valor de la EPU creciera por encima de unos valores mínimos de seguridad hasta igualar la RNP para un espacio aéreo determinado, se generaría una señal de aviso a la tripulación. El diagrama que sigue muestra los valores de la RNP predeterminados en la base de datos.


Los cálculos de la EPU se hacen en función de la precisión de las radioayudas utilizadas para calcular la posición de la aeronave. Si e un momento dado, la solución final de posición fuera calculada con dos estaciones VOR (Theta/Theta navigation), la EPU o región de incertidumbre generada por ambas estaciones sería algo así como lo que se muestra a continuación.



Como puede verse en el diagrama, la posición de incertidumbre estimada (EPU) depende del error característico del sistema de navegación particular que se utilice, así como el posicionamiento geométrico de la ayudas a la navegación. Otros sensores de navegación, como el sistema inercial de referencia, tienen características de error que son dependientes del tiempo. Para saber más sobre el EPU y otros errores de los sistemas de navegación y sus características se recomienda leer el documento RTCA DO-236 o en versión más entendible leer los posts dedicados a esto en este mismo Blog. 


1.2.1.2.- Gestión de los receptores de navegación


Existe una variedad de receptores de navegación que requieren diferentes niveles de gestión por parte del FMS para poder obtener un cálculo adecuado de la solución de la posición en cada instante del vuelo.

El GPS

El receptor del GPS manda los datos directamente al FMS sin que este haga ninguna gestión adicional. EL FMS recibe datos de posición, velocidad y tiempo y no se efectúan correcciones de ninguna clase. Típicamente, el FMS proveerá una posición inicial almacenada en la memoria para poder reducir el tiempo de adquisición de la señal satelital. En algunos modelos de FMS también se puede calcular el tiempo estimado de llegada al IAF (Initial Approach Fix), lo cual resulta muy útil para poder predecir la capacidad RAIM. Esto es a veces conocido en inglés con el nombre de PRAIM (Predictive Receiver Autonomus Integrity Monitor). Para obtener más información de cómo se efectúa el interfaz entre el GPS y el FMS, se recomienda leer el protocolo ARINC 743.

Radioayudas o VHF-Navaids (VOR/DME/ILS)

Estos receptores deben de ser sintonizados con la frecuencia correcta para poder recibir la señal. La tripulación puede sintonizar estas radioayudas de forma manual, pero la funcionalidad de navegación del FMS se puede encargar de hacerlo por nosotros. Esto es lo que se denomina AUTO-TUNNING. El FMS (sabiendo la posición del avión) se encarga de seleccionar de su base de datos las ayudas a la navegación que se encuentren más cercanas y con la mejor geometría posible. El criterio de selección se hace en base a:

Radioayudas que se encuentren dentro del radio de acción del plan de vuelo cuando este se encuentre activo

Las estaciones DME más próximas a la posición actual de la aeronave, teniendo en cuenta la clase de DME para la altitud y dentro de un rango específico (típicamente 200 MN).

Estaciones VOR con capacidad DME (VOR/DME) dentro de una distancia razonable para que la EPU no se dispare (típicamente unas 25 MN).

Instalaciones de ILS si se ha seleccionado una aproximación instrumental de este tipo en el plan de vuelo.

Las estaciones DME proveen información de distancia (Rho) y las estaciones VOR proveen información de rumbo (Theta), por lo que para poder fijar la posición dela avión en un punto se necesitará una combinación mínima como la que se muestra a continuación.


El aparejamiento de señales para obtener una solución de posición se basa en la geometría necesaria para minimizar la EPU causada por la llamada GDOP o Geometric Dilution of Precision o degradación de la precisión por causas geométricas. Como se aprecia en la imagen superior, el FMS obtiene la posición del avión por medio de dos distancias (DME/DME o Rho/Rho navigation), una combinación de distancia con otra de rumbo (DME/VOR o Rho/Theta navigation) o una combinación de dos rumbos (VOR/VOR o Theta/Theta navigation).


Para el cálculo de las distancias DME, el FMS obtiene el llamado SLANT RANGE o distancia inclinada (desde la aeronave a la estación en tierra), para luego procesar la señal y corregir errores al calcular una distancia en la tierra. La clase de estaciones que se utilizan, el alcance de su señal, la elevación, declinación y la categoría a la que pertenecen son datos almacenados dentro de la base de datos de navegación. Dependiendo de la estación que se trate, las interrogaciones a las estaciones pueden verse limitadas, así por ejemplo, existen estaciones DME que solo pueden ser interrogadas una vez, otras más capaces admiten una cantidad de cinco interrogaciones o más. Por norma general, los receptores VOR solo aceptan una sola interrogación. Para saber más sobre estas cosas se recomienda la lectura del protocolo ARINC 709 (DME), 711 (VOR) y 710 (ILS/LOC).

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