NATHALIE SOFÍA RAMÍREZ SÁNCHEZ NOHORA MARCELA REYES QUINTANA PRESENTADO POR:

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1 PROTOTIPO DE MAPA DE RIESGO IONOSFERICO COMO SOPORTE PARA EL DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE GBAS, PRECISIÓN DE APROXIMACIÓN CATEGORÍA I DE UNA REGIÓN COLOMBIANA PRESENTADO POR: NATHALIE SOFÍA RAMÍREZ SÁNCHEZ NOHORA MARCELA REYES QUINTANA UNIDAD ADMINISTRATIVA ESPECIAL DE AERONÁUTICA CIVIL CENTRO DE ESTUDIOS AERONÁUTICOS BOGOTÁ D.C Página

2 PROTOTIPO DE MAPA DE RIESGO IONOSFERICO COMO SOPORTE PARA EL DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE GBAS, PRECISIÓN DE APROXIMACIÓN CATEGORÍA I DE UNA REGIÓN COLOMBIANA PRESENTADO POR: NATHALIE SOFÍA RAMÍREZ SÁNCHEZ NOHORA MARCELA REYES QUINTANA PASANTÍA ASESORES: INGENIERO ANDRÉS CARDENAS CONTRERAS INGENIERO JUAN CARLOS NARVÁEZ GÓMEZ INGENIERO JAIRO BARRIENTOS ROJAS UNIDAD ADMINISTRATIVA ESPECIAL DE AERONÁUTICA CIVIL CENTRO DE ESTUDIOS AERONÁUTICOS BOGOTÁ D.C Página

3 CONTENIDO 1. ANTECEDENTES JUSTIFICACIÓN OBJETIVOS General Específicos SISTEMAS GNSS Descripción Segmentos GPS Descripción Segmentos Calculo de Posición Fuentes de Error SISTEMAS DE AUMENTACIÓN GBAS (GROUND BASED AUGMENTATION SYSTEM) Arquitectura CNS/ATM Aproximación PERTURBACIONES SOLARES Manchas Solares LA ATMÓSFERA Composición y Clasificación LA IONÓSFERA DE LA TIERRA Composición y Clasificación Anomalía Ecuatorial MODELO INTERNACIONAL DE REFERENCIA DE LA IONOSFERA (IRI) KRINGING CONTENIDO TOTAL DE ELECTRONES (TEC) EN COLOMBIA Página

4 3. CONCLUSIONES RECOMENDACIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS Página

5 LISTA DE TABLAS Tabla 1. Tabla de frecuencias. Coordenadas de la zona de interés Tabla 2. Coordenadas de la zona de interés Tabla 3. Aeropuertos de Colombia Tabla 4. Rz 12 para los años del análisis Tabla 5. Número de manchas solares diario Tabla 6. TEC por horas del 17/02/2010 de la estación de Santa Marta Tabla 7. TEC por horas del 08/02/2010 de la estación de Bogotá Tabla 8. TEC por horas del 08/02/2010 de la estación de Leticia Tabla 9. Factibilidad GBAS Página

6 LISTA DE FIGURAS Figura 1. Cronograma del Plano de Acción del Plan de Navegación Aérea Nacional... 9 Figura 2. Capacidad Vs Demanda, noviembre 2009 en el aeropuerto Eldorado Figura 3. GNSS, Representación En La Actualidad Figura 4. Segmentos del GPS Figura 5. Frecuencias en las cuales trabaja el GPS Figura 6. Estaciones de monitorio GPS Figura 7. Determinación de un punto en GPS Figura 8. Arquitectura GBAS Figura 9. Capas de la atmosfera Figura 10. Capas de la ionosfera Figura 11. Slan tec (STEC) Figura 12. Modelo de la capa de la ionosfera Figura 13. Representación de los VTEC distribución obtenida usando LPIM-modip para el día 70, Figura 14. Zona de interés Figura 15. Mapa de los aeropuertos de Colombia Figura 16. Variación TEC 17/02/ Figura 17. Variación TEC 08/02/ Figura 18. Variación TEC 08/02/ Figura 19. Variación del TEC de Santa Marta 08/02/ Figura 20. Variación del TEC de Bogotá 08/02/ Figura 21. Variación del TEC de Leticia 08/02/ Figura 22. Grillado de un 1 x Figura 23. Mapa TEC con datos IRI Figura 24. Mapa TEC con datos IRI en 3D Figura 25. Encabezado de formato RINEX Figura 26. Archivos *tec Figura 27. Parámetros de control de kriging Figura 28. Mapa TEC con datos reales Figura 29. Mapa TEC con datos reales en 3D Figura 30. Comportamiento VTEC estación Bogotá, días 6, 7, 8, 9 y 10 de febrero del Figura 31. Comportamiento del promedio VTEC estación Bogotá, días 6, 7, 8, 9 y 10 de febrero del Figura 32. Variación VTEC de los datos tomados de la estación permanente de Bogotá Figura 33. Mapa TEC con datos reales Figura 34. Mapa TEC con datos reales en 3D Página

7 Figura 35. Mapa TEC con datos IRI Figura 36. Mapa TEC con datos IRI en 3D Página

8 INTRODUCCIÓN La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI o ICAO, correspondiente a International Civil Aviation Organization) en 1980 reconoce las limitaciones de los sistemas actuales de navegación aérea y la necesidad de mejorarlos para cubrir las necesidades de la aviación en el siglo XXI. En 1983 la OACI establece un comité especial denominado por sus siglas en ingles Future Air Navigation System (FANS) para estudiar, identificar y fijar nuevos conceptos y tecnologías que permita una evolución coordinada de los sistemas de navegación aérea en los siguientes 25 años. Debido a lo anterior, la OACI introduce mejoras para satisfacer la demanda creciente de tráfico aéreo con la aprobación a nivel mundial del concepto CNS/ATM (Communication Navigation Surveillance/Air Traffic Management) en la 10 a conferencia de navegación aérea de la OACI (Montreal, 1991) con el respaldo de la Asociación de Transporte Aéreo Internacional (IATA correspondiente a Air Transport Association). Se recomendó principalmente la implantación progresiva a nivel mundial de un nuevo concepto de sistema CNS/ATM basado principalmente en satélites. [Seminario Taller Avanzado GNSS San José de Costa Rica, 2009] Dado lo anterior, Colombia debe cumplir con los estándares internacionales de navegación aérea establecidos por la OACI debido a que firmó el Convenio de Chicago el 7 de diciembre de 1944, en el cual el país aprobó su adhesión al Convenio sobre Aviación Civil Internacional mediante la Ley 12 del 23 de Octubre de De igual forma se deben cumplir los objetivos planteados en el Plan Nacional de Navegación Aérea, en donde se identifica como uno de los retos la solución al crecimiento del tráfico aéreo a nivel mundial. Se establece como solución el concepto CNS/ATM, que se define como un sistema de Comunicación, Navegación y Vigilancia que emplea tecnología digital, incluyendo constelaciones de satélites cuya aplicación actúa como soporte de un sistema de gestión de tráfico aéreo Una solución por parte de la OACI para el incremento de tráfico aéreo es el concepto CNS/ATM, en cuanto a la navegación son los sistemas globales de navegación por satélite (Global Navigation Satellite Systems GNSS, concepto creado por la OACI en 1991 para realizar una interoperabilidad en todos los sistemas de navegación por satélites actuales y futuros ), que es un sistema mundial que determina la posición y el tiempo para un punto determinado sobre la superficie de la tierra, esto se logra porque tiene constelaciones de satélites, receptores de aeronave y una continua vigilancia de la integridad del sistema. En GNSS, se destacan el sistema de posicionamiento global de Estados Unidos (Navstar - GPS) y la tecnología RUSA, conocida como el Sistema Mundial de Navegación por Satélite (GLONASS), y GALILEO que está siendo actualmente desarrollado por la Agencia Espacial Europea. Sin embargo, GNSS requiere de tres sistemas de aumentación, el sistema basado en la aeronave (Aircraft Based Augmentation System ABAS), el basado en tierra (Ground Based Augmentation System - GBAS), y el basado en satélites (Satellite Based Augmentation System SBAS), por el cual el usuario recibe información de aumentación transmitida por satélite, los cuales se han diseñado y normalizado para superar las limitaciones inherentes a los GPS. 8 Página

9 En la actualidad Colombia solo tiene en uso el sistema de aumentación ABAS, mientras SBAS para Centro y Sur América está en etapa de estudio, el cual está liderado por el Proyecto Regional de Cooperación Técnica RLA /03 / 902 denominado Solución de Aumentación para Caribe Centro y Sur América (SACCSA). Por otro lado el sistema GBAS está siendo estudiado por la Aeronáutica Civil la cual está encargada del desarrollo ordenado de la aviación civil, de la industria aérea y la utilización segura del espacio aéreo colombiano, facilitando el transporte intermodal y aprovechando las ventajas competitivas del país, contribuyendo en mayor medida con el desarrollo ordenado y seguro de la aviación civil, impulsando el crecimiento económico y el mejoramiento de la calidad de vida bajo un esquema de responsabilidad social e institucional, según sus políticas. Los objetivos que se tienen planteados en el Plan de Acción del Plan de Navegación Aérea Nacional a corto, mediano y largo plazo hasta el año 2025 se presentan a continuación en la siguiente grafica: Figura 1. Cronograma del Plano de Acción del Plan de Navegación Aérea Nacional Fuente: Plan de navegación aérea para Colombia Para el diseño de GBAS se tiene en cuenta la parte operacional en donde interviene la ionosfera, que cobra gran importancia en Colombia por estar muy cerca al ecuador magnético, denominada anomalía ecuatorial, zona altamente dinámica que afecta la señal GPS por lo que genera una afectación en cuanto a precisión, integridad, disponibilidad y continuidad del sistema requeridos para los sistemas GNSS, específicamente aplicaciones para aviación civil en donde existen requerimientos específicos establecidos por la OACI. Los mapas Ionosférico nos mostraran como es el comportamiento del contenido total de electrones (TEC) dentro de la ionosfera, donde se mostrara en un instante de tiempo lo que ocurre a modo general con la señales GNSS en Colombia. En el país la Universidad Nacional viene desarrollando estudios de la ionosfera colombiana para la formulación de un modelo ionosférico para la los sistemas de aumentación del GPS. Mientras que a para la región de América de Sur el grupo Argentino GESA ha sido el encargado de la creación de mapas regionales, utilizando el Modelo Ionosférico de La Plata (LPIM). Con el cual realizan mapas diarios de cada hora y modelan el contenido total vertical de electrones (VTEC). 9 Página

10 PROTOTIPO DE MAPA DE RIESGO IONOSFERICO COMO SOPORTE PARA EL DESARROLLO E IMPLEMENTACIÓN DE GBAS, PRECISIÓN DE APROXIMACIÓN CATEGORÍA I DE UNA REGIÓN COLOMBIANA CAPITULO ANTECEDENTES El comportamiento de la ionósfera colombiana es altamente fluctuante y por pertenecer a la zona del ecuador depende tanto de la ubicación como del tiempo. Actualmente no se cuenta con diversidad de estudios que lleven a un modelo ionósferico ecuatorial para el desarrollo de aplicaciones en el sector aeronáutico colombiano, por lo que no se ha logrado implementar el sistema de aumentación GBAS que cumpla con la metas establecidas por la OACI y que están dentro del plan de navegación aéreo nacional, es por esto que se propone la realización de un mapa de riesgo ionosférico colombiano en el que se determine la variación del Contenido Total de Electrones (TEC, Total Electron Content) para determinar las regiones de menos impacto ionosférico identificando los aeropuertos prototipo para implementar GBAS. Teniendo en cuenta lo anterior es necesario conocer los errores que afectan la señal GPS, los cuales son: Intencionales: "Disponibilidad Selectiva S/A No intencionales: [Anexo 10 del Convenio sobre Aviación Civil Internacional, 2006] Retrasos ionosféricos Retrasos Troposféricos Dilusión de la precisión (Precisión HDOP,Geometría GDOP, Vertical VDOP) Imprecisión en los relojes de los receptor. Multipath (Multitrayectoria) Ruido del receptor El error que más representa imprecisión en el cálculo de las coordenadas de posicionamiento por la señal GPS es la "Disponibilidad Selectiva S/A, siendo el único en el que no se puede interferir. Por otro lado, el error no intencional que genera mayor distorsión a la señal es el retraso causado por la ionósfera, ya que cuando la señal llega a esta capa de la atmosfera es refractada, retrasando el tiempo de su trayectoria y atenuando la señal, cambiando las coordenadas reales del receptor, teniendo en cuenta que Colombia por estar en una zona ecuatorial la ionósfera es altamente 10 Página

11 dinámica y no se tiene un modelo ionosférico para esta zona y mucho menos local que satisfaga las necesidad en este caso para aplicaciones en la navegación aérea. La ionósfera se considera como la porción de la atmosfera que contiene una gran cantidad de electrones libres que afectan la propagación de ondas electromagnéticas y presenta un comportamiento especial en la zona ecuatorial gracias a la influencia de campos magnéticos erados por el Sol [Ratcliffe, 1970]. En donde se quiere llevar a cabo un monitoreo que refleje el comportamiento temporal y espacial que la ionósfera presenta en tierras colombianas. En cada región, el medio ionizado no es homogéneo en el espacio ni constante en el tiempo. La ionización (proceso de ruptura de los enlaces electrónicos en los átomos, que producen la formación de parejas de iones de cargas opuestas) experimenta variaciones relativamente regulares, tanto diurnas como estacionales o debidas al ciclo solar de 11 años y depende en gran medida de cuál sea la localización geográfica y la actividad geomagnética, lo que generan degradaciones de las ondas radioeléctricas y hacen que el índice de refracción sea dependiente de la frecuencia, es decir, que el medio sea dispersivo. El ciclo solar es un cambio periódico de número de manchas solares (máxima y mínima actividad solar). Durante y cerca del máximo de un ciclo solar, se produce una mayor radiación ultravioleta y mayores campos magnéticos y eléctricos que afecta a la atmosfera produciendo un aumento significativo en la ionización dentro de la ionósfera, especialmente en la zona ecuatorial donde se generan procesos físicos que trasladan la ionización desde el ecuador a las crestas, localizadas en su máxima separación del ecuador geomagnético, a unos 15. Se produce así una disminución de ionización en la zona ecuatorial y crecimiento en bajas latitudes, los que constituyen la anomalía ecuatorial (AE) JUSTIFICACIÓN Actualmente se viene desarrollando el proyecto Desarrollo e Implementación de una Estación GBAS PA CAT I en El Aeropuerto Eldorado liderado por la Unidad Espacial Administrativa Aeronáutica Civil de Colombia, en tal proyecto se realizaran todos los estudios pertinentes, tanto financieros como operacionales para el diseño de la estación de GBAS. Este Proyecto trabaja de la mano con el proyecto que se muestra en este documento, ya que se pretende dar soporte al ámbito ambiental, indispensable en el diseño de GBAS. Para la realización de un plan de acción de GBAS se debe tener en cuenta sus componentes operacionales, por lo que es necesario conocer el impacto del Contenido Total de Electrones en la señal GPS en los diferentes aeropuertos, siendo indispensable la realización de un Mapa de Riesgo (herramienta metodológica que permite hacer un inventario de los riesgos de forma ordenada y sistemáticamente, definiéndolos, haciendo la descripción de cada uno de estos y las posibles consecuencias, DANE) que refleje el comportamiento del TEC en la ionosfera. Por lo que es debido estudiar la ionósfera tanto espacial como temporalmente para así tener el conocimiento de las características ionosféricas en Colombia y contribuir al desarrollo de un modelo ionósferico ecuatorial el cual podrá predecir el comportamiento de la misma, 11 Página

12 permitiendo el desarrollo de aplicaciones de navegación por satélites, especialmente en el sector aeronáutico colombiano en aras de establecer el espacio aéreo de última generación (CNS/ATM) contemplado en el Plan de Navegación Aérea. La ionosfera juega un papel muy importante en el diseño e implementación GBAS ya que de ella depende que se cumpla con los estándares establecidos por la OACI en cuanto a precisión, integridad, continuidad y disponibilidad del sistema. El tráfico aéreo está creciendo en forma acelerada, siendo insuficiente los sistemas actuales de navegación, por lo que la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil lidera los estudios para el diseño e implementación del sistema de aumentación, que robustece las radioayudas permitiendo disminuir al máximo la perdida de precisión, integridad, disponibilidad y continuidad del sistema que satisfaga la creciente demanda de tráfico aéreo, por lo que es, imprescindible realizar un estudio operativo y técnico de todos los componentes que se requieren para su implementación. El mapa Ionosférico será una base para el diseño de GBAS a nivel operacional, ya que se podrá determinar cuáles son los aeropuertos más favorables a nivel de afectación Ionosférica para realizar las primeras implementaciones del sistema de aumentación basado en tierra que coincidan con los aeropuertos en los cuales no se han podido instalar ILS o que por su alto número de operación sean necesarias las aplicaciones de nuevas tecnologías. Los mapas también se utilizarían como guía para determinar el comportamiento de la ionosfera y sus tendencias a través del tiempo. Otras de las ventajas de la realización de mapas de TEC es que al utilizar la doble frecuencia se puede determinar el grado de atenuación del error de la señal en un día normal y cómo afectaría a la señal cuando existe una tormenta Ionosférica, fenómeno que afecta en un mayor grado a los iones que se encuentra en la ionosfera y que son directamente proporcionales al error con el que vendría la señal. En la actualidad el sistema que se encuentra en funcionamiento para aterrizajes es por sus siglas en ingles Instrument Landing System (ILS, correspondiente a Sistema de aterrizaje por Instrumentos), que es un sistema preciso que proporciona una guía horizontal y una vertical, con una única posibilidad de aterrizaje por una cabecera de pista, pero presenta múltiples restricciones, como el limitarse al apoyo en aterrizaje solo por la cabecera a la que se encuentra instalado, una sola aproximación a la vez, mayor separación entre aviones, limitaciones de instalación en condiciones topográficas adversas, entre otras. Por las limitaciones que presenta el ILS se requiere la aplicación de sistemas basados en satélites, de forma local GBAS es Sistema de Aumentación Basado en Tierra y determina la posición geográfica de una aeronave en cualquier parte del mundo y en cualquier instante de tiempo, de acuerdo a referencias dadas por el propio sistema. Utilizando una constelación de satélites en la que cada uno difunde señales de información de posición y tiempo, dichos datos son recibidos también en las estaciones en tierra, donde son corregidos y se envían nuevamente a los equipos del avión y así al unir estas señales, el piloto puede determinar su posición y tiempo de llegada; en tierra se podrá monitorear y controlar permanente su ruta. Las ventajas que el sistema de aumentación GBAS proporciona son: 12 Página

13 La capacidad de aproximación de precisión a todas las cabeceras de un aeropuerto, con una sola estación de tierra. Instalación en entornos donde un ILS no es posible. Servicio de posicionamiento: capacidad RNAV en área terminal, diseño y realización de maniobras de aproximación curvas, a ángulos de descenso diferentes a los nominales del ILS, guiado en aproximación frustrada y en salidas RNAV y movimiento en superficie. Esto se traduce en un uso más flexible y racional de espacio aéreo, lo que conlleva un aumento de la capacidad del área terminal y aeropuerto Los nuevos procedimientos permitirán una mejor adaptación al entorno orográfico y medio ambiente (ruido) existente. Reducción de costes significativa (en infraestructuras y en operación) Las condiciones de las personas que utilizan el sistema dando mayor confiabilidad y rapidez en el servicio de transporte aéreo. Incremento de la seguridad aérea. Reducción de separación entre aviones. Incremento de la capacidad de los aeropuertos. Reducción de retrasos. Para que exista un sistema de aumentación GBAS se debe tener en cuenta la aviónica que posee cada aeronave de las aerolíneas presente en Colombia, es decir, los equipos abordo que soporten esta tecnología. En la Colombia en los últimos años las aerolíneas han evidenciado la necesidad de implementar en su aviónica nuevas tecnologías ya que muchas de ellas no solo tienen rutas nacionales sino internacionales, que requieren cerficación de sus aeronaves. Han equipado con sistemas tales como GPS y Flight Management System (FMS) según los reportes en cuanto aviónica de las aeronaves de la Unidad Administrativa Especial de Aeronáutica Civil. En cuanto al tráfico aéreo en Colombia se afirma que se ha aumentado de forma significativa según los reportes mensuales realizados por la Unidad de Gestión de Afluencia de Tránsito Aéreo (FMU COLOMBIA). Lo que demuestra que la demanda esta sobrepasando las capacidades del aeropuerto en cuanto a operaciones que se realizan y que es necesario la implementación de nuevos mecanismos que ayuden a descongestionar el espacio aéreo, retrasos en vuelos y operaciones internacionales como nacionales. Figura 2. Capacidad Vs Demanda, noviembre 2009 en el aeropuerto Eldorado. Fuente: Reporte Mensual Noviembre 2009, FMU Colombia 13 Página

14 Este sistema basado en tierra ya ha sido implementado en Australia, Chile, Brasil, entre otros, y Colombia está en previa investigación sobre el tema, pues como se especifica en la cuarta reunión de tareas GNSS para la región CAR/SAM (Caribe/Sur América), se tendrá que evolucionar en infraestructura de navegación aérea en un mediano plazo (2011 a 2015). [Seminario Taller Avanzado GNSS San José de Costa Rica, 2009] 1.2. OBJETIVOS General Establecer un prototipo de mapa ionosférico (TEC-Contenido Total de Electrones) en Colombia identificando la afectación ionosférica, que dé soporte al desarrollo e implementación de GBAS Precisión de Aproximación Categoría I en para una región Colombiana Específicos I. Recolección de datos TEC de estaciones permanentes GPS en Colombia. II. Identificar los días de mayor actividad Ionosférica, según la actividad solar (R Z 12) III. IV. Comparar el comportamiento de la ionosfera teórica y el real presentes en una zona de Colombia. Determinar la factibilidad de GBAS en los aeropuertos de Colombia según efecto ionosférico 1.3. SISTEMAS GNSS Descripción Sistema global de navegación por satélite, en sus siglas en ingles (GNSS), es el término genérico estándar para sistemas de navegación por satélite que proporcionan cobertura global de posicionamiento de manera autónoma, el cual tiene sus orígenes con GPS de origen militar desarrollado por el departamento de defensa de los Estado Unidos, durante los años 70 del siglo XX, que empieza a utilizarse con usos civiles a mediado de los años 90 GNSS, permite determinar la posición (longitud, latitud, altura) y el tiempo, a través de las constelaciones de satélites, receptores y vigilancia de la integridad del sistema con la 14 Página

15 aumentación requerida en la operación prevista. [Anexo 10 del Convenio sobre Aviación Civil Internacional, 2006] El GNSS consta de dos fases (figura 1): Primera fase (GNSS-1): : Formado por los dos sistemas de navegación por satélite operativos actuales (el Navstar - GPS estadounidense y el GLONASS ruso), junto con los sistemas de aumento: SBAS, GBAS, ABAS. Segunda fase (GNSS-2): Formado por el nuevo sistema Galileo, el reciente COMPASS chino y las actualizaciones de los actuales GPS y GLONASS. Figura 3. GNSS, Representación En La Actualidad Fuente: Seminario / Taller avanzado GNSS Las políticas internacionales para implementar GNSS, para propósitos de aviación civil son los siguientes cuatro requerimientos básicos: [Seminario Taller Avanzado GNSS] Precisión: grado de coincidencia entre la posición y/o Velocidad estimada o medida con respecto a la Posición y/o velocidad real. Integridad (incluyendo tiempo hasta alerta): La seguridad de que todas las funciones de un sistema son realizadas dentro de los limites operacionales, proporcionando el sistema de navegación las alarmas correspondientes con el tiempo suficiente al usuario cuando el sistema no deba usarse para la navegación o una operación dada. Continuidad de servicio: Es la posibilidad de que el sistema de navegación proporcione el servicio sin interrupción durante una operación dada. 15 Página

16 Disponibilidad del servicio: Es la posibilidad de que el sistema pueda realizar su función al inicio de una operación dada Segmentos Figura 4. Segmentos del GPS. Fuente: Segmento espacial. Es el segmento compuesto por los satélites que forman el sistema, tanto de navegación como de comunicación. Mientras que los primeros orbitan alrededor de la Tierra, repartiéndose en distintos planos orbitales, los segundos son los que forman los llamados sistemas de aumento que sirven para la corrección de errores de posicionamiento. [David Abelardo García Álvarez, 2008] Satélites de navegación El segmento espacial de un GNSS debe tener el suficiente número de satélites de navegación, tales que éstos puedan garantizar una cobertura global en todo momento. Además para ser lo suficientemente robusto en el servicio, ha de tener un número que le permita transmitir información de manera redundante en caso de que algún satélite deje de prestar servicio, o para que haya un mayor número de satélites en una zona que nos permitan obtener un posicionamiento más preciso. [David Abelardo García Álvarez, 2008] Los satélites por otro lado, han de estar colocados en distintos planos orbitales de tal forma que se cubra toda la Tierra de manera global en todo momento (actualmente el GPS garantiza un mínimo de 5 satélites visibles en cualquier parte del mundo). Sin embargo dependiendo del número de satélites, la distribución dentro de estos planos orbitales no tiene porqué ser uniforme. [David Abelardo García Álvarez, 2008] 16 Página

17 Satélites de comunicación Por otro lado, en el SS podemos encontrarnos satélites de comunicación GEO, que forman los llamados sistemas de aumento, particulares de cada país. Dicho satélite retransmite la información con correcciones procedente del segmento de control, lo que aumenta la precisión del sistema. Ejemplos de sistemas de aumento son el WASS de EEUU, el EGNOS en Europa o el MFSAS de Japón y Australia. [David Abelardo García Álvarez, 2008] Segmento control. Formado por el conjunto de estaciones en tierra que recogen los datos de los satélites. Este segmento es complejo en su definición, siendo propio de cada país o coalición de países, y estructurándolos en función de distintos criterios como más convenga. [David Abelardo García Álvarez, 2008] Sus funciones son garantizar las prestaciones del sistema mediante monitoreo del segmento espacial y aplicar correcciones de posición orbital y temporal a los satélites, enviando información de sincronización de relojes atómicos y correcciones de posicionamiento de órbitas a los distintos satélites. [David Abelardo García Álvarez, 2008] Estructura del segmento de control La estructura básica para todo GNSS, es un conjunto de estaciones de monitorización y una estación de control, que reciben las señales de los satélites y son capaces de llevar a cabo las funciones anteriormente citadas. [David Abelardo García Álvarez, 2008] Cada estación genera su propia información sobre el funcionamiento del sistema, en última instancia esta información se envía a una estación de control que aplica dichas correcciones al satélite del GNSS, en cuanto a su posición orbital y coordenadas temporales, o bien retransmite la información a un satélite geoestacionario que forma un sistema de aumento (como se hace en la actualidad con el GPS, en países que no tienen un segmento espacial propio). [David Abelardo García Álvarez, 2008] Como la posición de cada estación y las coordenadas temporales se conocen (cada estación está equipada con un reloj atómico de cesio), se pueden combinar las medidas obtenidas por varias estaciones para crear un sistema de navegación inverso que determine la localización espacial y temporal del satélite. [David Abelardo García Álvarez, 2008] En última instancia se envía a través de las estaciones de monitorización o de control la nueva información al satélite, que corrige así su órbita y su mensaje de navegación. [David Abelardo García Álvarez, 2008] 17 Página

18 Segmento usuario. Formado por los equipos GNSS que reciben las señales que proceden del segmento espacial. Este dispositivo está formado por un conjunto de elementos básicos que son: [David Abelardo García Álvarez, 2008] Antena receptora de GNSS a la frecuencia de funcionamiento del sistema, de cobertura hemiesférica omnidireccional. Puede ser de muchas formas y materiales, dependiendo de las aplicaciones y del coste del receptor: monopolo, dipolo, dipolo curvado, cónico-espiral, helicoidal o microstrip. Receptor: es del tipo heterodino, basado en la mezcla de frecuencias que permite pasar de la frecuencia recibida en la antena a una baja frecuencia que podrá ser manejada por la electrónica del receptor. Contiene un reloj muy estable (generalmente un oscilador de cristal) y normalmente una pantalla donde mostrar la información de posicionamiento. Este segmento ha evolucionado mucho, desde sus principios donde un receptor era capaz de captar la señal de cuatro o cinco satélites, hasta la actualidad que tienen hasta doce o veinte canales, lo que permite un mejor posicionamiento. [David Abelardo García Álvarez, 2008] Además del número de canales (o señales de satélite que es capaz de captar), los receptores también se caracterizan por los sistemas de corrección internos (como DGPS) y también por los protocolos que utiliza con distintos fines, como comunicaciones entre dispositivos (mediante USB, Bluetooth o NMEA 0183). [David Abelardo García Álvarez, 2008] Por último decir que es de vital importancia la existencia de acuerdos entre distintos GNSS de forma que los receptores de un sistema puedan recibir señales de los satélites de otro sistema o de sistemas de aumento, lo que implica que en la actualidad se trate de buscar un consenso de cómo deben evolucionar los GNSS. [David Abelardo García Álvarez, 2008] 1.4. GPS Descripción Este sistema fue puesto en funcionamiento desde 1973, se desarrollo a partir de los satélites de la constelación NAVSTAR (Navigation System with Timing and Ranging) el cual fue desarrollado por el departamento de defensa de los Estados Unidos y el Instituto de Tecnología de Massachusetts (MIT) y se lanzo el primer satélite Es un sistema de radio navegación por satélite que provee a los usuarios de coordenadas precisas de posicionamiento tridimensional, velocidad y tiempo, 24 horas al día. Aunque su uso en principio fue militar pasó a ser un sistema de uso civil con ciertas restricciones, siendo 18 Página

19 utilizado para fines geodésicos prácticamente desde La configuración final del sistema fue alcanzada en Abril 1995, con 24 satélites utilizables y 5 estaciones terrestres. [Amparo Verdú Vázquez, 2007] Los niveles de servicio que provee el sistema GPS son: Exactitud Posición: aproximadamente 15 m (el 95%) Hora: 1 ns Cobertura: mundial Capacidad de usuarios: ilimitada Sistema de coordenadas: Sistema Geodésico Mundial 1984 (WGS84) Centrado en la Tierra, fijo. Integridad: tiempo de notificación 15 minutos o mayor. Insuficiente para la aviación civil. Disponibilidad: 24 satélites - 70 % y 21 satélites - 98 % No es suficiente como medio primario de navegación Segmentos Segmento espacial. Compuesto por la constelación de satélites NAVSTAR (Navigation System with Time and Ranging) de satélites, transmite una señal de tiempo sincronizados parámetros de posición de los satélites e información adicional. [Peñafiel y Zayas, 2004] Satélites en la constelación: 24 (4 x 6 órbitas) Altitud: km Período: 11 h 56 min (12 horas sidéreas) Inclinación: 55 grados (respecto al plano ecuatorial). 5 horas de visibilidad de un satélite. Cada satélite está equipados con relojes atómicos. En la Fig. 2 se presenta una grafica donde se muestra las frecuencias en las cuales puede trabajar el sistema GPS. Cada satélite está equipado con receptores y emisores de ondas de radio que transmiten con una frecuencia de entre MHz. Las ondas de radio viajan a la velocidad de la luz ( m/s) en el vacío, y disminuyen su velocidad cuando atraviesan la atmósfera terrestre. Señal RF Frecuencia portadora: Civil ,42 MHz (L1). Utiliza el Código de Adquisición Aproximativa (C/A) Militar 1227,60 MHz (L2). Utiliza el Código de Precisión (P), cifrado. Nivel de potencia de la señal: -160 dbw (en superficie tierra) Polarización: circular dextrógira 19 Página

20 Figura 5. Frecuencias en las cuales trabaja el GPS. Fuente: Seminario / Taller avanzado GNSS Segmento de Control. Los satélites son seguidos y monitoreados por varias estaciones ubicadas estratégicamente alrededor del mundo. Esta red de estaciones de monitoreo se denomina generalmente segmento de control del GPS, y consta de 4 estaciones de monitoreo y una estación de control principal ubicada en la Base de la Fuerza Aérea Falcon en Colorado Springs, Colorado. Estación principal: 1 Antena de tierra: 4 Estación monitora (de seguimiento): 5 Figura 6. Estaciones de monitorio GPS. Fuente: Fundamentos GPS Las estaciones de monitoreo miden las señales de ondas de radio que son transmitidas continuamente por los satélites y pasan esa información a la estación de control principal. 20 Página

21 Ésta usa la información para determinar la órbita exacta de los satélites y para ajustar sus señales de navegación. Segmento usuario. El segmento usuario comprende a cualquiera que reciba las señales GPS con un receptor, determinando su posición (λ, ϕ, h) y/u hora, unas de las aplicaciones es la navegación en tierra Calculo de Posición El cálculo de la posición depende básicamente de dos parámetros: La posición del satélite y El reloj del mismo. El proceso de cálculo es el siguiente: I. Situación actual del satélite. II. El receptor mide la distancia de los satélites GNSS, es decir, determina su posición a partir de los pseudorangos III. El satélite indica que el que el receptor esta en un punto definido en la superficie de la tierra. IV. Para el caso de 3 dimensiones se necesita cuatro satélites y 3 coordenadas desconocidas y un parámetro de tiempo desconocido. Siendo X,Y, Z las coordenadas siderales del satélite. Siendo U,U,U posición geodesica del receptor Siendo d=r+c t con d= pseudo-distancia R=Distancia al satélite C t c = Velocidad de la luz t = Ofset del reloj de usuario. Siendo C el valor equivalente en distancia el sesgo del reloj y el valor c t [Seminario Taller Avanzado GNSS San José de Costa Rica, 2009] (X U ) +(Y U ) +(Z U ) = (d C ) (X U ) + Y U +(Z U ) = (d C ) (X U ) + Y U +(Z U ) = (d C ) (X U ) + Y U +(Z U ) = (d C ) 21 Página

22 Figura 7. Determinación de un punto en GPS. Fuente: Seminario / Taller avanzado GNSS Fuentes de Error A continuación se realizó una clasificación según la incidencia del hombre en la generación del error: Intencionales "Disponibilidad Selectiva S/A : constituye la mayor fuente de error; supone una alteración o manipulación de la información que los satélites de la constelación GPS envían a los usuarios en su mensaje de navegación, manipulación que realiza el Departamento de Defensa de los Estados Unidos (DoD); se actúa sobre los estados de los relojes y parámetros orbitales. [Blas y Ortega, 1998] No Intencionales Retrasos ionosféricos: La ionósfera es una región de la atmosfera donde se encuentra una gran cantidad de electrones libres que dependen de la energía solar y del campo geomagnético. Esta capa es un medio disperso para las ondas de radio por lo tanto su índice de refracción es función de la frecuencia de la onda. También es función de la densidad de electrones, y en menor grado, de la intensidad del campo magnético de la tierra. [Blas y Ortega, 1998] Retrasos Troposféricos: La Troposfera es la última zona o capa de la atmósfera, donde se produce retardo y donde las temperaturas decrecen con el incremento de altura. El espesor de la Troposfera no es el mismo en todas las zonas. La presencia de átomos y 22 Página

23 moléculas neutros en la Troposfera afecta a las señales de propagación electromagnética. El índice de refracción para un área parcial es función de su temperatura, de la presión de los gases secos y del vapor de agua. Esta atmósfera neutra es un medio no disperso con respecto a las ondas de radio de frecuencias superiores a 15 GHz, por lo tanto, la propagación es independiente de la frecuencia. [Blas y Ortega, 1998] Disolución de la precisión (Geometría de los satélites): La geometría de los satélites visibles es un factor importante a la hora de conseguir altas precisiones en el posicionamiento de un punto. Dicha geometría cambia con el tiempo como consecuencia del movimiento orbital de los satélites. El factor que mide la bondad de la geometría se denomina Disolución de la Precisión (Dilution of precision, DOP). [Blas y Ortega, 1998] Es la contribución puramente geométrica a la incertidumbre de un posicionamiento. Es un valor dimensional descriptivo de la solidez de la distribución espacial de los satélites. Su valor ideal es 1, empeora cuando el valor aumenta. Los valores de DOP más utilizados son: GDOP (Tres coordenadas de posición y estado del reloj), PDOP (Tres coordenadas de posición), HDOP (Dos coordenadas de posición planimétrica), VDOP (Solo la altitud), y TDOP (Solo estado del reloj). [Blas y Ortega, 1998] Imprecisión en los relojes: Cuando un receptor recibe una señal de un satélite, en ese momento su reloj interno tendrá un desfase o error con respecto a la Escala de Tiempo. Este error afectará a todas las medidas de seudodistancias realizadas para cada época. [Blas y Ortega, 1998] Multipath (Multitrayectoria): Es causado principalmente por múltiples reflexiones de la señal emitida por el satélite en superficies cercanas al receptor. Estas señales reflejadas que se superponen a la señal directa son siempre más largas, ya que tienen un tiempo de propagación más largo y pueden distorsionar significativamente la amplitud y forma de la onda. [Blas y Ortega, 1998] Ruido del receptor: Otras fuentes de error pueden ser: Error en el estacionamiento de la antena: Los errores en el estacionamiento de la antena tienen menos influencia y las exigencias de estacionamiento son muy inferiores a las de los instrumentos de observación clásica. No necesitan una altísima estabilidad, ya que pequeños desplazamientos, vibraciones o torsiones en nada afectan a la observación de las señales de los satélites. Errores en la manipulación de los equipos: Los errores de manipulación se producen cuando no se siguen las instrucciones del fabricante del instrumento o cuando éstas suelen descuidarse cuando se trabaja rutinariamente. Variación del centro radioeléctrico de la antena: La variación y desfase del centro de la antena se debe a la falta de coincidencia entre el centro radioeléctrico o punto que realmente se posiciona, ya que es el punto al que llega la señal; y el 23 Página

24 centro mecánico o físico, generando un error residual por excentricidad que puede ser de unos milímetros SISTEMAS DE AUMENTACIÓN Según El Anexo 10 al Convenio sobre la aviación internacional se definen como: Sistema de aumentación basado en la aeronave (ABAS): Sistema de aumentación por el que la información obtenida a partir de otros elementos del GNSS se añade o integra a la información disponible a bordo de la aeronave. Sistema de aumentación basado en satélites (SBAS): Sistema de aumentación de amplia cobertura por el cual el usuario recibe información de aumentación transmitida por satélite. Sistema de aumentación basado en tierra (GBAS): Sistema de aumentación por el cual el usuario recibe la información para aumentación directamente de un transmisor de base terrestre GBAS (GROUND BASED AUGMENTATION SYSTEM) GBAS (Sistema de Aumentación basado en Tierra) es una aumentación local a la constelación GPS, basada en la difusión a los usuarios de correcciones diferenciales, datos de integridad y datos del segmento final de aproximación, a través de una estación de tierra. Este sistema es preciso en las inmediaciones del aeropuerto entre 50 a 60 kilómetros, permitiendo la ejecución de aproximaciones de precisión Categoría (CAT) I, II y III. Se le considera de carácter local porque: la mayoría de los componentes de la medida del error en pseudodistancia en dos emplazamientos muy próximos son casi iguales (error efemérides de los satélites, error de reloj de los satélites, retardos ionosféricos y troposféricos) y, por tanto, pueden ser eliminados de la solución de navegación. Requiere que aeronave y GBAS vean los mismos satélites y, de ahí, su carácter local. [Seminario Taller Avanzado GNSS San José de Costa Rica, 2009] Arquitectura Según la AENA, GBAS se basa en la aplicación del Concepto GNSS Diferencial, esto es, al instalar una estación de referencia en una posición conocida en tierra, es capaz de comparar su posición con la que recibe a través de las señales en el espacio de las actuales constelaciones GNSS. Esta diferencia relativa en las posiciones, conocida como correcciones diferenciales, se transmite a todos los usuarios que estén operando en un entorno local de la estación mediante señal de radio, para que procedan a la actualización de su posición de 24 Página

25 acuerdo a ese error relativo. Combina al menos, dos receptores, uno estático colocado en una posición previamente conocida (estación de referencia) y el otro dinámico (usuario). Figura 8. Arquitectura GBAS. Fuente: Seminario Taller Avanzado GNSS Costa Rica Cuando la señal normalmente GPS se bloquean (conflictos militares), o simplemente no está disponible, los pseudolitos emiten señales similares a las emitidas por un satélite GPS. Se usan arreglos de pseudolitos de modo que un equipo receptos pueda usar la señal proveniente de ellos para calcular su posición. La cobertura de dicha señal es local y depende de la potencia del emisor CNS/ATM La OACI (Organización de Avión Civil Internacional) es una agencia de la Organización de las Naciones Unidas creada en 1944 por la Convención de Chicago para estudiar los problemas de la aviación civil internacional y promover los reglamentos y normas únicos en la aeronáutica mundial. La OACI establece normas y regulaciones internacionales necesarias para garantizar la seguridad, eficiencia y regularidad del transporte aéreo y sirve de catalizador para la cooperación en todas las esferas de la aviación civil entre sus 185 Estados contratantes. La OACI en 1980 reconoce las limitaciones de los sistemas actuales de navegación aérea y la necesidad de mejorarlos para cubrir las necesidades de la aviación en el siglo XXI. En 1983 establece un comité especial denominado FANS (Future Air Navigation System) Sy para estudiar, identificar y fijar nuevos conceptos y tecnologías que permita una evolución coordinada de los sistemas de navegación aérea en los siguientes 25 años. Debido a lo anterior, la OACI introduce mejoras para satisfacer la demanda creciente de tráfico aéreo con la aprobación a nivel mundial del concepto CNS/ATM (Comunicación, Navegación y Vigilancia/Gestión de 25 P á g i n a

26 tráfico aéreo) en la 10 a conferencia de navegación aérea de la OACI (Montreal, 1991) con el respaldo de las compañías aéreas (IATA). [Seminario Taller Avanzado GNSS San José de Costa Rica, 2009] Este concepto se define como un sistema de Comunicación, Navegación y Vigilancia que emplea tecnología digital, incluyendo constelaciones de satélites junto con diversos niveles de automatización, cuya aplicación actúa como soporte de un sistema de gestión de tráfico aéreo continuo. Desglosando la sigla CNS, se tiene que: [Howell, 1998] Comunicación: Se refiere a la necesidad de que las personas y los sistemas sobre tierra se comuniquen con las aeronaves en todas las fases del vuelo. Se quiere implementar un medio digital conocido como Data Link, permitiendo una alta tasa de trasmisión de datos, mayor fiabilidad e integridad, mayor utilización de las frecuencias del espectro y como aspecto fundamental, una interfaz mejorada con sistemas automatizados. Navegación: Este concepto se refiere a la posibilidad de localizar un punto en tierra y determinar el rumbo a seguir para llegar a tal posición, donde se incluye la utilización progresiva de los sistemas mundiales de navegación por satélite con alta precisión y una cobertura mundial. Vigilancia: Se refiere a los métodos utilizados para seguir la ruta de las aeronaves Aproximación 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. La aproximación se divide en dos tipos la de precisión (PA) con guía vertical dentro de los que se encuentran: ILS/DME, ILS y GBAS; y de no precisión (NPA) sin guía vertical dentro de los que se encuentran: ILS/DME sin senda, VOR/DME, NDB/DME, VOR, NDB. [Cepeda, 2009] Aproximación de precisión Operación de Categoría I: Aproximación y aterrizaje de precisión por instrumentos hasta una altura de decisión no inferior a 60 m y con una visibilidad no inferior a 800 m o un alcance visual en la pista (RVR: Runway Visual Range) no inferior a 550 m. [Cepeda, 2009] Operación de Categoría II: Aproximación y aterrizaje de precisión por instrumentos hasta una altura de decisión inferior a 60 m pero no inferior a 30 m y un RVR no inferior a 350 m. [Cepeda, 2009] 26 Página

27 Operación de Categoría IIIA: Aproximación y aterrizaje de precisión por instrumentos: hasta una altura de decisión inferior a 30 m, o sin altura de decisión; y con un RVR no inferior a 200 m. [Cepeda, 2009] Operación de Categoría IIIB: Aproximación y aterrizaje de precisión por instrumentos: hasta una altura de decisión inferior a 15 m, o sin altura de decisión; y un RVR inferior a 200m pero no inferior a 50 m. [Cepeda, 2009] Operación de Categoría IIIC: Aproximación y aterrizaje por instrumentos sin limitaciones de altura de decisión y con RVR no inferior a 50 m. [Cepeda, 2009] 1.7. PERTURBACIONES SOLARES Las distintas perturbaciones que se producen en el Sol suelen ir acompañadas por intensificaciones de radiación fotónica en determinadas partes del espectro solar, o por incrementos en el número de partículas que son emitidas continuamente desde el Sol. Cuando estos fotones y partículas adicionales alcanzan las proximidades de la Tierra, se producen en la atmósfera distintas situaciones anómalas dentro de lo que es su comportamiento normal. A continuación se presentan algunas de las diferentes perturbaciones solares que existen junto con algunos de los principales y más conocidos fenómenos que dichas perturbaciones originan, particularmente, en la ionósfera de la Tierra: [Marín, 2002] Incrementos repentinos de la radiación fotónica solar en determinadas partes del espectro, generalmente en la radiación-x. Una fulguración solar normalmente viene acompañada por un incremento en la radiación-x solar en longitudes de onda menores que 1 nm, lo cual origina un repentino aumento en la concentración de electrones de la baja ionósfera. Esta situación provoca una serie de fenómenos que son agrupados bajo el nombre de perturbaciones ionosféricas repentinas. Emisiones de grandes concentraciones de protones y electrones, capaces de intensificar la velocidad y concentración del viento solar. El fenómeno es conocido como evento solar de plasma. La región de viento solar modificada se comporta como una nube de plasma más densa, y viaja como una onda supersónica que al alcanzar la parte superior de la atmósfera terrestre origina, entre otros fenómenos, modificaciones en el campo magnético terrestre (tormentas magnéticas) y distintos cambios en la ionósfera (tormentas ionosféricas). Emisiones de pequeñas concentraciones de protones y electrones energéticos que viajan como partículas cargadas independientes al viento solar. A su llegada a la Tierra este plasma es desviado por el campo magnético, incidiendo en la baja ionósfera únicamente dentro de unas áreas limitadas alrededor de los polos geomagnéticos (los casquetes polares). Este fenómeno es conocido como evento en el casquete polar, y se traduce en un exceso de ionización en la baja ionósfera a alturas de km. 27 Página

28 Manchas Solares Existen características en el Sol que son particularmente importantes e interesantes debido a su carácter transitorio y a los efectos que provocan. Las más conocidas y observadas son las manchas solares. Las manchas solares son regiones relativamente oscuras de la fotosfera, cuyo diámetro medio es de unos km. Generalmente, aparecen en grupos complejos. Las manchas más pequeñas persisten desde varios días hasta una semana, mientras que las mayores pueden durar varias semanas, reapareciendo aquellas de vida lo suficientemente larga durante el siguiente periodo de rotación solar. Generalmente se confinan en una zona comprendida entre los 40 y el ecuador, y nunca aparecen cerca de los polos. Si comparamos su temperatura promedio (4000 K) con la media de la fotosfera (6000 K), son regiones frías. Debido a esta relativa baja temperatura, su aspecto se muestra oscuro. 1 El número de manchas solares que aparecen en el disco solar promediadas alrededor de un periodo de tiempo es altamente variable. Existen periodos de tiempo en los que las manchas son relativamente numerosas, mientras que unos pocos años más tarde aparecen rara vez. Estos periodos son conocidos como de máxima y mínima actividad solar respectivamente, siendo el cambio periódico en el número de manchas solares un ciclo solar. El número de manchas que aparecían cada día y su posición en la cara del Sol han sido registrados continuamente durante los últimos 200 años, observándose que el intervalo medio de tiempo entre dos periodos de máxima actividad es aproximadamente de 11 años. Durante los años de máxima actividad, la superficie del Sol está violentamente perturbada y se observan comúnmente explosiones de partículas y radiaciones. Por el contrario, durante periodos de mínima actividad, dichas perturbaciones son mucho menos frecuentes LA ATMÓSFERA Composición y Clasificación La vida en el planeta tierra no sería posible sin la atmósfera. Muchos planetas en el sistema solar tienen una atmósfera, pero la estructura de la atmósfera terrestre permite las condiciones bióticas que conocemos. Los gases fundamentales que forman la atmósfera son: Nitrógeno (78.084%), Oxígeno (20.946%), Argón (0.934%) y Dióxido de Carbono (0.033%). Otros gases de interés presentes en la atmósfera son el vapor de agua, el ozono y diferentes óxidos. También hay partículas de polvo en suspensión como pequeños organismos o restos de ellos, sal marina y partículas inorgánicas. 1 Marín Santos, Diego. 2 Ibid. 28 Página