Sistemas de aumento basados en satélites para una mayor seguridad de la navegación aérea

¿Qué son los sistemas de aumento basados en satélites?

Los sistemas de aumento basados en satélites son redes de estaciones de referencia terrestres, estaciones de control maestros y satélites geoestacionarios que miden y corrigen errores en las señales transmitidas por las constelaciones centrales de GNSS. El problema fundamental que SBAS resuelve es que las señales GPS estándar pueden ser degradadas por retrasos atmosféricos, deriva de reloj satélite, imprecisiones orbitales y efectos multipatéticos.

SBAS trabaja implementando una red de estaciones terrestres encuestadas precisamente en una amplia región geográfica. Cada estación monitorea continuamente las señales GNSS y calcula la diferencia entre la ubicación fija conocida de la estación y la posición reportada por las señales de satélite. Estas correcciones diferenciales son entonces retransmitidas a una estación de control principal donde se procesan en un modelo de corrección regional. Los datos corregidos están conectados a satélites geoestacionarios, que transmiten un área de control horizontal.

La arquitectura de un SBAS incluye tres segmentos primarios: el segmento terrestre, el segmento espacial y el segmento de usuarios. El segmento terrestre consta de estaciones de referencia que recogen mediciones de GNSS, monitores de integridad que detectan fallas y estaciones maestras que computan mensajes de corrección y parámetros de integridad. El segmento espacial consta de satélites geoestacionarios que transmiten los datos de aumento en la misma frecuencia que el GPS L1.

Parámetros de rendimiento clave mejorados por SBAS

SBAS mejora cuatro parámetros críticos de rendimiento de navegación: precisión, integridad, continuidad y disponibilidad. La precisión se refiere a la diferencia entre la posición estimada y la verdadera posición. SBAS reduce este error de varios metros a niveles de metro, permitiendo enfoques con alturas de decisión tan bajo como 200 pies. La integridad es la medida de confianza que se puede colocar en la corrección de la información de navegación; SBAS proporciona una función de alarma de integridad detectada en seis segundos de falla

¿Cómo mejora la seguridad aérea?

Mayor precisión para los enfoques de precisión

El beneficio de seguridad más directo de SBAS es la mejora dramática de la precisión posicional. Con los enfoques estándar de GPS, navegación lateral (LNAV) proporciona sólo orientación horizontal, y la orientación vertical requiere un altímetro barométrico o un sistema de aumento separado. SBAS permite a Localizador Performance con guía vertical (LPV) enfoques de control de la velocidad, que proporcionan orientación lateral y vertical hacia abajo para minima equivalente a los enfoques de nivel de nivel de la categoría I.

Vigilancia y alerta de integridad en tiempo real

El sistema de alerta de seguridad de la marca es un sistema de alerta de fallos de alta velocidad. El nivel de protección es un límite superior del error de posición real, calculado en tiempo real de la geometría de satélites, el ruido de medición y las estimaciones de errores residuales. Si el nivel de protección supera el límite de alarma (el error máximo permitido para una fase determinada de vuelo), el SBAS emite una alerta de navegación inesperada.

Mayor disponibilidad en el espacio aéreo remoto y oceánico

La cobertura GPS estándar puede ser intermitente o vulnerable en ciertas regiones, especialmente en altas latitudes, en valles profundos o sobre vastas extensiones oceánicas. SBAS amplía la disponibilidad de señales de navegación fiables proporcionando una copia de seguridad espacial a ayudas terrestres y utilizando satélites geoestacionarios que mantienen una línea de visión constante desde la mayoría de los lugares de la región de cobertura. Por ejemplo, el sistema de navegación por zonas geográficas (WAAS)

Reducción de la carga de trabajo piloto y controlador

Cuando los pilotos y controladores de tráfico aéreo tienen acceso a información de navegación precisa, fiable y monitoreada continuamente, la carga de trabajo cognitiva asociada con las fuentes de navegación cruzadas se reduce significativamente. Sin SBAS, un piloto podría necesitar verificar la posición GPS contra las lecturas VOR o DME, los rodamientos de control cruzado NDB y las correcciones de deriva computar manualmente.

Ejemplos globales de SBAS

WAAS (sistema de mejora de área de la ciudad) – Estados Unidos

WAAS es operada por la Administración Federal de Aviación (FAA) y fue declarada operacional para la aviación en 2003. Emplea una red de más de 38 estaciones de referencia de área amplia (WRS) distribuidas en América del Norte, dos estaciones maestras y seis satélites geoestacionarios. WAAS proporciona capacidad de enfoque LPV en más de 3.900 aeropuertos de Estados Unidos, muchos de los cuales no tienen un sistema de aterrizaje de instrumentos mejor calidad que 1 metro de navegación.

Enlace externo: Oficina del Programa de la AGUA (enlace externo)]

EGNOS es un proyecto conjunto de la Agencia Espacial Europea (ESA), la Comisión Europea y Eurocontrol. Ingresó en el servicio operativo en 2009 y abarca todo el continente europeo, incluyendo partes del norte de África y el Oriente Medio. EGNOS utiliza una red de 40 estaciones de monitoreo de distancia e integridad (RIMS), cuatro centros de control maestro y tres satélites geoestacionarios.

Enlace externo: Agencia de la Unión Europea para el Programa Espacial – EGNOS (enlace externo)]

MSAS (sistema de aumento del satélite multifuncional) – Japón

MSH está operado por la Oficina de Aviación Civil de Japón (JCAB) y cubre el archipiélago japonés y las zonas oceánicas adyacentes. Utiliza dos satélites de transporte multifuncionales (MTSAT) y una red de estaciones de vigilancia terrestre ubicadas en Japón, Hawai y Australia. MSAS fue declarado operativo en 2007 y proporciona orientación de enfoque preciso a decenas de aeropuertos en Japón, incluyendo islas remotas.

GAGAN es desarrollado por la Organización de Investigación Espacial de la India (ISRO) y la Autoridad de Aeropuertos de la India (AAI). El sistema entró en funcionamiento para el uso de la aviación en 2015 y abarca todo el espacio aéreo y las regiones circundantes de la India. GAGAN utiliza 15 estaciones de referencia, tres centros de control maestros y dos satélites geoestacionarios (GSAT-8 y GSAT-10).

SDCM (System of Differential Correction and Monitoring) – Rusia

SDCM es la SBAS de Rusia, operada por Roscosmos y la empresa estatal “Sistemas Espaciales Rusos”. Aumenta tanto satélites GPS y GLONASS, proporcionando correcciones y monitoreo de integridad sobre territorio ruso y estados vecinos. SDCM utiliza estaciones terrestres ubicadas en todo Rusia y el extranjero, y los satélites geoestacionarios Luch-5B para transmitir señales de aviación.

SouthPAN (Southern Positioning Augmentation Network) – Australia y Nueva Zelanda

SouthPAN es una iniciativa conjunta entre Geoscience Australia y Land Information Nueva Zelanda, financiada por los respectivos gobiernos. Es el SBAS más operativo, comenzando los servicios iniciales en 2022 con capacidad operativa completa prevista para 2027. SouthPAN cubre Australia, Nueva Zelanda y áreas marítimas del Pacífico Sur. Proporciona un aumento para el GPS y Galileo, ofreciendo capacidades de enfoque LPV para los aeropuertos regionales y apoyando la agricultura de precisión y navegación marítima escasa.

Marco técnico: Cómo los SBAS logran sus beneficios

Corrección diferencial y modelado Ionosférico

La fuente de error más prominente en el posicionamiento de GNSS es la ionosfera, una capa de partículas cargadas que causa la refracción de señales. Las estaciones terrestres SBAS con coordenadas conocidas miden el retraso ionosférico en diferentes puntos de referencia y generan una rejilla de estimaciones de retraso vertical. Esta rejilla se transmite como parte del mensaje SBAS, y el receptor aéreo aplica la corrección adecuada basada en la ubicación del usuario.

Intervalos de confianza: Niveles de protección

Para cada solución de posición, el receptor SBAS calcula un nivel de protección horizontal (HPL) y un nivel de protección vertical (VPL). Estos son calculados sobre la base del error residual después de las correcciones, geometría de satélite (dilución de precisión) y los parámetros de integridad transmitidos por el satélite geoestacionario.Los niveles de protección se comparan con los límites de alarma establecidos para cada fase de vuelo.

Riesgo de integridad y tiempo de alerta

El monitoreo de la integridad de SBAS se basa en la vigilancia terrestre en tiempo real de la salud de cada satélite y la calidad de las señales de transmisión. El segmento terrestre procesa los datos cada segundo y calcula los valores de riesgo de integridad. Si un satélite falla (por ejemplo, un reloj de deriva más allá del umbral), la estación maestra inmediatamente vincula un sistema de alerta de integridad de “no utilizar” al satélite geoestacionario.

Impacto operacional en las operaciones de vuelo

En las zonas de ruta y terminal, SBAS permite volar perfiles laterales y verticales optimizados sin depender de los navaíes terrestres. Las aeronaves pueden seguir las rutas de navegación de área (RNAV) y el rendimiento de navegación requerido (RNP) con alta precisión y mantenimiento de pistas predecibles. Esto reduce las altitudes desplegadas durante los procedimientos de llegada, disminuye el tiempo total de vuelo y reduce las quemaduras de combustible y las emisiones.

Enfoques de no precisión y precisión

El impacto operacional más transformador de SBAS es la provisión de capacidades de enfoque de precisión a prácticamente cualquier extremo de pista que tenga un procedimiento de VPH publicado. A diferencia de ILS, que requiere un equipo de tierra caro y se limita a una sola ruta de enfoque, los enfoques SBAS-LPV pueden ser sobrepuestos a los procedimientos de no precisión existentes y pueden servir múltiples pistas en el mismo aeropuerto.

Helicopter and Rotorcraft Operations

SBAS es especialmente valioso para las operaciones de helicópteros, incluyendo servicios médicos de emergencia, búsqueda y rescate, y transporte marítimo de petróleo y gas. Estas operaciones a menudo requieren vuelo en áreas confinadas, con sitios de aterrizaje que no tienen ningún tipo de ayudas de enfoque. SBAS proporciona la orientación vertical necesaria para enfoques seguros de helipuertos y plataformas offshore, reduciendo significativamente el riesgo de huelgas de alambre y vuelo controlado en terreno.

Futuros desarrollos y tendencias

Doble frecuencia Multiconstelación (DFMC) SBAS

La siguiente generación de SBAS utilizará tecnología multicontección de frecuencia dual (DFMC). La SBAS actual funciona en la frecuencia L1 (1575.42 MHz), que es susceptible a retrasos y interferencias ionosféricas. DFMC SBAS utilizará tanto frecuencias L1 como L5, permitiendo que los receptores de aire midan directamente y eliminen errores de fase media.

Ampliación de las zonas de cobertura

Se están realizando esfuerzos para ampliar la cobertura de SBAS a regiones que actualmente carecen de servicios de aumento. África y el Oriente Medio están desarrollando el SBAS del Océano Africano e Indico (AIO-SBAS) y una iniciativa conjunta de SBAS Árabes. El proyecto SBAS for Africa, dirigido por la Comisión de Aviación Civil Africana (AFCAC) y apoyado por la ESA, tiene como objetivo desplegar infraestructuras terrestres y utilizar satélites geoestacionarios disponibles para llevar a aeropuertos de navegación terrestre.

Integración con NextGen y SESAR

SBAS es una piedra angular del Sistema de Transporte Aéreo de la Next Generation (Siguiente Gen) y la Investigación Europea de Sky ATM (SESAR). Ambos programas prevén una transición a la navegación basada en el rendimiento (PBN) donde los aviones utilizan GNSS aumentadas por SBAS como fuente de navegación principal, permitiendo diseños aéreos más flexibles y eficientes.

Retos y consideraciones

Vulnerabilidad a la Interferencia y Jamming

Como todos los servicios de GNSS, SBAS es vulnerable a interferencias de frecuencia radio (RFI), incluyendo interferencia no intencional de otros sistemas y interferencias o esponjosos intencionales. Aunque los receptores SBAS tienen cierta resiliencia debido al uso de señales de espectro extendido y controles de integridad, la amenaza de la espoofía - donde un transmisor malicioso envía señales de GPS falsas para engañar al receptor - es una preocupación creciente que las autoridades de Aviación.

Anomalías Ionosféricas en Bajas latitudes

En regiones bajas de latitud cerca del Ecuador (por ejemplo, el sudeste asiático, partes de África y Sudamérica), la ionosfera exhibe fuertes gradientes, escintillación y cambios rápidos en la densidad de electrones. Estas anomalías pueden degradar el rendimiento de SBAS de frecuencia única porque el modelo ionosférico utilizado puede ser insuficientemente preciso.

Costo y certificación

La implementación de un SBAS requiere una inversión significativa en infraestructura terrestre, cargas de satélites y procesos de certificación. No todos los países tienen los recursos o la capacidad técnica para construir un SBAS independiente. Como resultado, muchos países están participando en iniciativas regionales de SBAS o negociando para utilizar sistemas adyacentes (por ejemplo, el uso de EGNOS por estados de África del Norte, o el potencial para que SouthPAN sirva a las naciones insulares del Pacífico Sur).

Conclusión

Los sistemas de aumento de la seguridad por satélite han cambiado fundamentalmente el panorama de seguridad de la navegación aérea. Al mejorar la exactitud, la integridad, la continuidad y la disponibilidad de señales de GNSS, SBAS permite enfoques de precisión en miles de aeropuertos, reduce el riesgo de un vuelo controlado en terreno, y mejora la eficiencia en todas las fases de vuelo.

Enlace externo: ICAO – Sistemas de Acentación basados en satélites (enlace externo)