1 Contenidos Radiogoniometría Radiofaros NDB (Nondirectional beacons) VOR (VHF Omnidirectional Range) DME (Distance Measuring Equipment) TACAN (Tactical Air navigation)
SubIntroducción Frecuencias usadas Antenas Transmisoras Antenas Receptoras Exactitud
Radiogoniometría
3 Referencias
Radionavigation Systems, Börje Forsell. Prentice Hall, 1991.
2001 Federal Radionavigation Systems Report, Department of Defense and Department of Transportation.
2005 Federal Radionavigation Systems Plan, Department of Defense and Department of Transportation.
4 Introducción (I) Radiogoniometría
Determinación de la dirección al transmisor o radiofaro, cuya geolocalización es conocida, por medio de un equipo receptor de radio direccional o radiogoniómetro. Se necesitan determinar o bien dos direcciones, cada una a un transmisor, o bien determinando la dirección a un mismo transmisor desde dos puntos diferentes y conociendo la ruta y la distancia entre ellos.
5 Introducción (II) Radiogoniometría
La radiogoniometría es el método más antiguo de orientación por medio de ondas de radio. Se utilizan unos transmisores específicos o radiofaros, así como en ocasiones transmisores de radiodifusión y otros tipos de comunicación por radio (por ejemplo: la señal de comunicación en VHF de un avión se puede usar en un aeropuerto para encontrar su dirección).
6 Frecuencias usadas Cualquier frecuencia es válida para la radiogoniometría. Los criterios para escoger una frecuencia determinada son El alcance deseado para el transmisor La exactitud que se pretende que tenga el sistema Las reglas de asignación de frecuencias a nivel internacional Las frecuencias más usada están en el rango de 0.2 a 1.7 MHz. Más concretamente, los radiofaros para la navegación marítima y aérea, operan normalmente entre 255 y 415 kHz. A estas frecuencias, la onda de superficie domina durante el día mientras que por la noche las reflexiones ionosféricas pasan a ser más importantes a largas distancias. La desventaja de este rango de frecuencias es el tamaño de las antenas transmisoras y su baja eficiencia radiativa dado que las longitudes de onda implicadas son aún mayores
7 Directividad de una antena (I) Si estuviésemos tratando con una linterna veríamos que la intensidad de la luz radiada varía con el ángulo
8 Directividad de una antena (II) En el caso de una antena tenemos un comportamiento semejante tanto en transmisión como en recepción. La directividad de la antena es su habilidad para concentrar la radiación en una dirección.
??3dB Pmax Pmax/2
9 Directividad de una antena (III) La directividad es proporcional al cociente ?/L donde L es la longitid característica de la antena. En una agrupación de antenas, la habilidad de cada antena para transmitir/recibir los frentes de onda con fases diferentes mejora la capacidad de hacer más estrecho el haz. El error en la definición de la dirección se puede aproximar como
10 Antenas transmisoras La antena más común es el mástil vertical, de tal manera que la señal radiada está polarizada verticalmente y la antena tiene un diagrama de radiación toroidal La antena se elige que sea resonante a la frecuencia en la que se usa para obtener un ancho de banda estrecho, lo que por otro lado introduce bastantes pérdidas, siendo las eficiencias del 5-10 %. La potencia de radiación es del orden de 100 W.
11 Antenas Receptoras Los receptores han de ser más pequeños que los transmisores, motivo por el cual se usan a menudo antenas de cuadro. Los ceros son más agudos que los máximos de manera que son más adecuados para localizar direcciones. Un ejemplo de antena de agrupación es el de la figura: una antena omnidireccional añade un sentido de dirección cuando se combina con un desfase añadido de 900.
12 Radiogoniómetros Doppler Un sistema receptor Doppler ha de ser mayor que la longitud de onda, lo cual obliga a usar frecuencias de VHF y UHF. Los radiogoniómetros Doppler de un aeropuerto hacen uso de las propias señales de comunicación de los aviones, entre 118-137 MHz para el caso civil y 230-400 MHz para el militar. Los sistemas Doppler consisten de un gran número de antenas (~30) montadas sobre una plataforma circular. Cada receptor entra en funcionamiento de manera secuencial de manera que se simula la rotación de una sola antena. d Radiofaro f0
13 Exactitud La exactitud de los diferentes radiogoniómetros depende mucho de las condiciones locales, incluyendo la época del año, la hora del día, la distancia al transmisor, la calidad del receptor o las condiciones de montaje de la antena receptora.
La exactitud puede ser superior a 1o si se utilizan agrupaciones de antenas o goniómetros Doppler.
14 Contenidos Radiogoniometría Radiofaros NDB (Non-directional beacons) VOR (VHF Omnidirectional Range) DME (Distance Measuring Equipment) TACAN (Tactical Air navigation)
15 Radiofaros Definición: Un radiofaro es una estación de radio situada en una posición perfectamente geolocalizada, que se usa como ayuda en la navegación aérea o marina y que hace posible localizar la posición relativa y/o la dirección de la estación receptora Hay dos tipos fundamentales de radiofaros: Radiofaros no direccionales (NDB – Non directional beacons -) con goniómetros automáticos (ADF – Automatic Direction Finders -) Sistemas de señal compuesta, que permiten determinar la dirección y/o el alcance haciendo uso de la información contenida en la señal (VOR, DME, TACAM) Hoy en día muchos de estos sistemas están perdiendo pujanza frente a los sistemas tipo GPS, más exactos y con receptores muy sencillos de usar. Sin embargo, el bajo coste de los sistemas ADF los mantiene en uso, a la vez que por ejemplo la sostenibilidad financiera de otros sistemas más caros como el VOR los compromete de manera creciente.
16 Radiofaros no direccionales (NDB) (I) Los NDB pueden operar a frecuencias entre 190 kHz y 1.75 MHz, siguiendo la normativa de la ICAO (International Civil Aviation Organization). En la práctica utilizan frecuencias de 190 a 493 kHz y de 510 a 530 kHz en los EEUU y de 280 a 530 kHz en Europa con un hueco entre 495 y 505 kHz reservado para servicios de emergencia marítima internacional. La navegación NDB involucra dos elementos : el ADF (Automatic Direction Finder) que detecta la señal NDB y el transmisor NDB mismo. Los ADF determinan la dirección relativa hacia la estación NDB. Esto queda representado en un indicador llamado indicador de rumbo (RBI, relative bearing indicator).
17 Radiofaros no direccionales (NDB) (II) Cada NDB queda identificado por una señal de código Morse de una, dos o tres letras. Puede haber excepciones: en Canadá, por ejemplo, los identificadores incluyen números. Los NDBs norteamericanos se clasifican atendiendo a su potencia de salida: a) baja potencia (< 50 W), b) potencia media (50-2,000 W) y c) alta potencia (>2,000 W). Incluso con la llegada de sistemas como el VOR (VHF omnidirectional range) o la navegación GPS, los NDBs continúan siendo los sistemas de navegación más usados mundialmente. Los NDBs tienen una ventaja principal sobre el sistema VOR, más sofisticado: las señales NDB siguen la curvatura de la Tierra, de tal manera que se pueden detectar a mayor distancia y menor altura. A desventaja es su mayor sensibilidad a las condiciones atmosféricas, a la presencia de terreno montañoso, a la refracción en la costa y a las tormentas eléctricas, especialmente a distancias considerables del radiofaro.
18 Comments on propagation (I) The mechanism whereby a radio signal transmits through the air between transmitters and receivers depends chiefly on the frequency of the wave. There are four paradigms that describe propagation in the Earth’s atmosphere: Ground wave Skywave Troposphere scatterering Line of sight
19 Comments on propagation (II) Ground wave Below ~3 MHz, and depending on surface type -water or land- and moisture conditions if on land, the ground behaves as perfect conductor, currents are induced on the Earth’s surface, and waves follow its curvature and topography. Very long distance communications are possible at these frequencies. Vertical polarised waves have a much longer reach as horizontal ones, which get more rapidly attenuated
20 Comments on propagation (III) Skywave At HF (3-30 MHz) the main way of propagation is by skywave, i.e. by reflection and refraction at the different layers of the ionosphere (50-300 km) Broadcast television frequencies (VHF, UHF) propagate as skywaves There is a skip distance between the transmitting antenna and the first position at which the wave can be received
21 Comments on propagation (IV) Line of sight At frequencies above the VHF-UHF range the most important mechanism is ray-like, straight propagation; the ionosphere is transparent
22 Comments on propagation (V) Tropospheric Scattering At frequencies above about 400 MHz there is significant scattering in the troposphere, below the ionosphere. Although it is a way of extending the range of a communication link, the signal level may be low and subject to fading due to changing tropospheric conditions. However, for some applications it is a practical method of providing a high capacity communications channel.
23 Radiofaro omnidireccional de VHF (VOR -VHF Omnidirectional Range-) (I) El sistema VOR opera en diversos canales en la banda 108-117.95 MHz, dejando 50 Hz de separación entre canal y canal, y quedó estandarizado en 1949. A estas frecuencias, las distorsiones atmosféricas son preácticamente despreciables. La propagación es tal que se ha de tener el radiofaro dentro de la línea visual. La potencia transmitida es de unos 200W. El sistema VOR indica la dirección del avión al transmisor, definiendo así la línea de posición (LOP) o radial. La intersección de dos radiales da una posición o fix.
24 Radiofaro omnidireccional de VHF (VOR -VHF Omnidirectional Range-) (II) La antena transmisora VOR convencional tiene un diagrama de radiación compuesto que consiste de una parte no direccional más dos componente con forma de ocho, que resultan en un diagrama con forma de cardioide. La polarización es horizontal. El cardioide resultante rota electrónicamente a una velocidad angular de 30 vueltas por segundo (30 Hz), lo que se consigue con una modulación en amplitud a 30 Hz de los componentes en forma de ocho que tiene un desfase relativo de 90o. Un receptor en la dirección a recibe una señal dependiente de la dirección, que tras ser demodulada es una función lineal de a.
25 Comments on analogue modulation theory (I) The general expression for a sinusoidal carrier is
The three parameters A, fc and F may be varied for the purpose of transmitting information giving respectively amplitude, frequency and phase modulation.
26 Comments on analogue modulation theory (II) Amplitude modulation (AM)
Frequency modulation (FM)
27 Radiofaro omnidireccional de VHF (VOR -VHF Omnidirectional Range-) (II) (Gp:) Segunda antena con diagrama en forma de ocho (Gp:) Antena con diagrama en forma de ocho (Gp:) Parte procedente de la antena no direccional
La antena transmisora VOR convencional tiene un diagrama de radiación compuesto que consiste de una parte no direccional más dos componente con forma de ocho, que resultan en un diagrama con forma de cardioide. La polarización es horizontal. El cardioide resultante rota electrónicamente a una velocidad angular de 30 vueltas por segundo (30 Hz), lo que se consigue con una modulación en amplitud a 30 Hz de los componentes en forma de ocho que tiene un desfase relativo de 90o. Un receptor en la dirección a recibe una señal dependiente de la dirección, que tras ser demodulada es una función lineal de a.
28 Radiofaro omnidireccional de VHF (VOR -VHF Omnidirectional Range-) (III) Se transmite adicionalmente otra señal a través de la antena no direccional. Se trata de una señal AM de subportadora a 9960 Hz que, a su vez, está modulada en frecuencia a 30 Hz. El índice de modulación es 16. [b=0.3, fu= 9960 Hz, ß=16] Además, la señal está modulada en amplitud por un código Morse a 1020 Hz [f(t)= código Morse, fi= 1020 Hz]
29 Radiofaro omnidireccional de VHF (VOR -VHF Omnidirectional Range-) (IV) El receptor VOR La fase de la FM se ha seleccionado de tal manera que la modulación es en fase con la rotación de 30 Hz en todo instante cuando el cardioide apunta al norte (a=0) ? la medida de la diferencia de fase entre dos señales demoduladas a 30 Hz da una dirección no ambigua
La reglamentación actual establece que la exactitud del Receptor debe de ser de 0.4 grados con una fidelidad del 95%. La exactitud absoluta del sistema VOR es aproxima- damente de 1.40. Sin embargo, los tests de calidad indican que con un grado de fidelidad del 99.94% el sistema VOR tiene un error inferior a ±0.35°.
30 Radiofaro omnidireccional de VHF (VOR -VHF Omnidirectional Range-) (V) VOR Doppler El multicamino o multipath es la principal fuente de error de los sistemas VOR. Una manera de corregirlo es usar antenas de mayor tamaño, más direccionales, y otra es utilizar el hecho de que las señales FM son menos sensibles a las reflexiones que las AM. Conectando secuencialmente las antenas de una agrupación podemos simular una antena más grande y beneficiarnos también de las ventajes de la FM.
31 Radiofaro omnidireccional de VHF (VOR -VHF Omnidirectional Range-) (VI) El futuro del VOR
Como ocurre con otros sistemas, el VOR está en desventaja frente al GPS. El sistema VOR necesita numerosas estaciones para cubrir un área de cierta extensión. Además la exactitud del GPS, más aún si consideramos los sistemas de GPS extendidos, como el Wide Area Augmentation System (WAAS) o el Local Area Augmentation System (LAAS). Este último pretende usar la misma banda de frecuencias VHF que el VOR para transmitir su mensaje de corrección. Esto podría implicar el cierre de las instalaciones VOR o su desplazamiento a otras frecuencias para evitar interferencias.
32 Contenidos Radiogoniometría Radiofaros NDB (Non-directional beacons) VOR (VHF Omnidirectional Range) DME (Distance Measuring Equipment) TACAN (Tactical Air navigation)
SubDescripción del sistema Procedimiento de búsqueda Seguimiento Transpondedor Exactitud El futuro del DME
Equipo telemétrico (DME -Distance Measuring Equipment-)
34 Equipo telemétrico (DME -Distance Measuring Equipment-) (I) Mediante la medida del tiempo de tránsito de un pulso desde un cierto vehículo, típicamente aerotransportado, a la estación de tierra y de vuelta se puede determinar la distancia entre ambos (Principio del radar). Las frecuencias de portadora están en el rango de 962 a 1213 MHz. La potencia de pico transmitida va de 50 a 1000W. El alcance directo (slant range) máximo del sistema es de aproximadamente 370 km, lo que a una altura de 3 a 6 km equivale a un alcance sobre la línea de la Tierra de aproximadamente 120 km. El sistema DMR quedó estandarizado a nivel internacional en 1959.
35 Equipo telemétrico (DME -Distance Measuring Equipment-) (II) El avión está equipado con un Interrogador y la estación terrena con lo que se denomina un Transpondedor. Las instalaciones de un DME normalmente están localizados en estaciones que incluyen sistemas VOR o ILS (Instrument Landing System) y se utilizan conjuntamente: los canales de frecuencias UHF de los canales DME están emparejadas con canales en VHF del VOR y del ILS. Desde el punto de vista operacional, el piloto solamente ha de sintonizar la frecuencia del VOR/ILS y el interrogador del DME se sintoniza automáticamente al canal DME correspondiente.
36 Equipo telemétrico (DME -Distance Measuring Equipment-) (III) El rango de frecuencias del DME está dividido en 126 canales de interrogación y 126 de respuesta con una separación entre canales de 1 MHz: Los canales de interrogación están localizados entre 1025 y 1150 MHz Los canales de respuesta ocupan dos rangos de frecuencia: 962-1024 MHz y 1151-1213 MHz Cada canal de interrogación está acoplado con un canal de respuesta específico, colocado 63 MHz por encima o por debajo, dependiendo del canal en uso Si está instalado junto con un sistema VOR, ambos funcionan de manera combinada como un sistema de dirección + alcance Los pulsos de un DME se transmiten en pares, tienen una forma gaussiana cn semianchura de 3.5 µs y, con una separación que depende del uso o modo: Modo X (militar): separación de 12 µs tanto para interrogación como para respuesta Modo Y (civil): separación de 36 µs para interrogación y 30 µs para respuesta El transpondedor de la estación terrena recibe el tren de pulsos y los retransmite después de 50 µs de retardo junto con un código Morse de identificación propia. El interrogador aerotransportado identifica su propia corriente de pulsos y mide el intervalo temporal entre el comienzo de su interrogación y la respuesta del transpondedor terreno.
37 Equipo telemétrico (DME -Distance Measuring Equipment-) (IV) Procedimiento de búsqueda Ya que un interrogador puede estar respondiendo simultáneamente hasta a 100 aeronaves, necesitamos que el receptor DME tenga una manera de identificar la señal de respuesta que le corresponde a él: esto se hace enviando las interrogaciones con una separación pseudoaleatoria entre los pulsos de manera que se crea una firma única. Durante la búsqueda la frecuencia de repetición de pulsos o PRF es de 120 a 150 Hz en términos de pares de pulsos. Después de un cierto tiempo t una vez transmitido un par de pulsos, se abre una ventana de recepción de 20 µs, que corresponde a un viaje de ida y vuelta de 3 km. t aumenta linealmente como t = 18 10-3 t/150 y escanea un segmento de 2400 µs correspondiente a un espacio de unos 370 km en 20 segundos
38 Equipo telemétrico (DME -Distance Measuring Equipment-) (DME) (V) Procedimiento de búsqueda
1/120 s 1/150 s 1/140 s 1/130 s t0 (Gp:) Pulso transmitido
Pulsos recibidos Pulsos recibidos Pulsos recibidos Pulsos recibidos +?t (Gp:) Pulso transmitido
(Gp:) Pulso transmitido
(Gp:) Pulso transmitido
(Gp:) Pulso transmitido
39 Equipo telemétrico (DME -Distance Measuring Equipment-) (VI) Seguimiento Una vez terminada la búsqueda, la ventana temporal se centra en torno al punto que da el mayor número de pulsos de repuesta y el receptor pasa al modo de seguimiento, en el que transmite de 24 a 30 pares de pulsos por segundo Según la distancia entre el avión y el transpondedor terreno varía, la ventana temporal sigue el movimiento del avíon de tal manera que continúa centrado alrededor del punto de máxima respuesta.
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