Conceptos Esenciales de Modulación, Radioayudas y Sistemas Radar en Aviación

Fundamentos de Modulación de Señales

Señales Fundamentales

• Señal Portadora: E_p = A cos(ω_pT)
• Señal Moduladora: E_m = B cos(ω_mT)

Señal Modulada y Profundidad de Modulación

• Señal Modulada: E_mod = (A + b cos(ω_mT)) cos(ω_pT)
• Profundidad de Modulación (m): m = B/A

Bandas Laterales y Frecuencias

• Bandas Laterales de la Portadora Suprimida (BLC): (Am/2) cos((ω_m + ω_p)T) + (Am/2) cos((ω_m - ω_p)T)
• Frecuencia Superior (F_sup): F_portadora + F_moduladora
• Frecuencia Inferior (F_inf): F_portadora - F_moduladora

Radioayudas a la Navegación Aérea

VHF Omnidirectional Range (VOR)

El VOR es una radioayuda esencial para las aeronaves. Utiliza tres señales principales:

• Señal Variable (30 Hz): Esta señal de 30 Hz es constante y sirve como referencia.
• Señal de Identificación (1020 Hz): Contiene información acerca de la estación VOR, transmitida generalmente como tres letras en código Morse.
• Subportadora (±9960 Hz): La tercera señal es también de 30 Hz, pero para evitar confusión con la primera, se transmite modulada en una subportadora de ±9960 Hz. Esto se logra mediante modulación. La primera señal (30 Hz constante) y esta señal modulada se superponen, y el desfase entre ellas corresponde a un radial determinado (acimut del avión respecto a la estación VOR).

Errores en Sistemas de Navegación

Los errores que pueden afectar la precisión de los sistemas de navegación incluyen:

• Error Cuantal: Relacionado con defectos de fabricación o cuantificación.
• Error Medio: Una corrección que debe aplicarse a las lecturas para compensar desviaciones sistemáticas.
• Error Cuadrantal: Depende de tres factores principales:
  • Error de fase de radiofrecuencia.
  • Diferencia en la potencia de las bandas laterales.
  • Error en la cuadratura de fase de audio.

Efecto Doppler

El Efecto Doppler es el aparente cambio en la frecuencia de una onda. Se produce por el movimiento relativo de la fuente respecto a su observador. La relación se expresa como: Δf/f = v/c, donde Δf es el cambio de frecuencia, f es la frecuencia original, v es la velocidad relativa y c es la velocidad de propagación de la onda.

VOR Doppler

En un VOR Doppler, la antena de la estación irradia la señal portadora omnidireccional, la cual está modulada en amplitud por la señal de 30 Hz. Simultáneamente, una serie de antenas colocadas en círculo emiten una señal de ±9960 Hz. Estas antenas alteran su funcionamiento secuencialmente, logrando así un efecto de giro aparente. Este giro simulado tiene una frecuencia de 30 Hz.

Distance Measuring Equipment (DME)

El DME es una radioayuda que proporciona la distancia oblicua entre la aeronave y el equipo en tierra. Opera en un rango de frecuencia de 906 MHz a 1215 MHz. El avión envía una señal de interrogación y espera a que le sea devuelta por la estación terrestre, calculando el tiempo que tarda en retornar la señal para determinar la distancia. Es importante destacar que el avión no sintoniza la frecuencia propia del DME directamente, ya que esta va asociada a la frecuencia del VOR o ILS sintonizado. El equipo de a bordo tiene dos modos de funcionamiento:

• Modo Búsqueda: Emite aproximadamente 120 pares de pulsos por segundo.
• Modo Seguimiento: Emite aproximadamente 25 pares de pulsos por segundo.

Principios de Antenas

Antenas en Fase

Un par de antenas se considera en fase cuando son alimentadas por corrientes de igual módulo y misma fase. El campo eléctrico resultante puede expresarse como: E = 2I cos(a sen(θ)).

• Máximo de Radiación: Se produce cuando sen(θ) = Kπ/a, donde K es un número entero.
• Mínimo de Radiación: Se produce cuando sen(θ) = (2K+1)π/a, donde K es un número entero.

Antenas en Oposición de Fase

En este caso, las antenas son alimentadas con corrientes que tienen una diferencia de fase de 180 grados (π radianes). Las expresiones de campo eléctrico podrían ser:

• E₁: I₁ ∠(a sen(θ))
• E₂: I₂ ∠(π - a sen(θ))

Sistemas de Aterrizaje Instrumental

Instrumental Landing System (ILS)

El ILS es un sistema que permite guiar a un avión con gran precisión durante la aproximación a una pista de aterrizaje. Consta de tres subsistemas principales:

• Localizador: Proporciona información sobre el rumbo o curso de la pista. Materializa electrónicamente el plano vertical que contiene a la pista. Está situado a unos 300 metros de la cabecera de la pista opuesta.
• Senda de Planeo (Glide Path - GP): Ofrece información sobre el ángulo de descenso que debe seguir el avión hasta la pista, normalmente un ángulo de 3 grados.
• Radiobalizas (Outer Marker - OM, Middle Marker - MM, Inner Marker - IM): Son señales cuyo diagrama de radiación tiene forma de abanico. Alertan al piloto sobre distancias críticas a la pista durante la aproximación.

Funcionamiento de la Senda de Planeo (GP)

La Senda de Planeo opera con una frecuencia de origen de aproximadamente 300 MHz. Existen diferentes tipos de sistemas GP, entre ellos:

• Referencia de Nulo: Utiliza dos antenas a distintas alturas. Por la antena más alta se transmite la señal de Banda Lateral (BL) y por la otra, la señal de Portadora y Banda Lateral (PBL). El sistema marca el primer máximo de la PBL en el ángulo de descenso nominal y el segundo nulo de la BL en el ángulo de ascenso nominal.
• Otros Tipos: Referencia de BL, Efecto Captura, End Fire.

Microwave Landing System (MLS)

El MLS es un sistema posterior al ILS, que ofrece mayor precisión y flexibilidad. Se compone de tres sistemas principales: Acimut, Elevación y DME/P (DME de Precisión). Los sistemas de acimut y elevación funcionan de manera similar: un haz de microondas realiza un barrido de ida y vuelta. Cuando las dos señales (ida y vuelta) detectan el blanco y tardan el mismo tiempo en ser recibidas por la aeronave, significa que el avión está sobre el eje de pista o en la senda de planeo correcta.

Sistemas Radar

Radar Primario (PSR)

En un Radar Primario, la señal es emitida y, al encontrarse con un objeto (blanco), rebota y es recogida nuevamente por el radar. La Frecuencia de Repetición de Pulso (PRF) es un parámetro clave:

• PRF Normal: 700-1500 Hz.
• PRF Largo Alcance: 360 Hz.

Relaciones importantes:

• t = θ/ω (tiempo de barrido angular, donde θ es el ángulo y ω la velocidad angular).
• t * PRF = número de ecos (número de ecos recibidos durante un tiempo t).

Radar Secundario (SSR)

El Radar Secundario requiere la colaboración del blanco (aeronave). El sistema en tierra interroga a la aeronave, y esta responde mediante un transpondedor. Sus ventajas incluyen la necesidad de menos potencia de transmisión y menor sensibilidad del receptor en tierra. En función de la separación entre los puntos de interrogación, el radar pregunta una cosa u otra, y el transpondedor de a bordo se encarga de generar la respuesta adecuada.

Energía Radiada por un Radar

La energía total (E) radiada por un radar puede estimarse como:

• E = P * ancho_pulso * número_pulsos * PRF (donde P es la potencia de pico, ancho_pulso es la duración del pulso, número_pulsos es la cantidad de pulsos y PRF es la frecuencia de repetición de pulso).

Problemas Comunes en SSR

Los sistemas SSR pueden experimentar varios problemas:

• FRUIT (False Replies Unsynchronised In Time): Se produce cuando un mismo blanco es interrogado por dos sistemas de radar diferentes. Le llegan dos interrogaciones, y el avión responde a ambas, generando un falso blanco o una respuesta ambigua.
• GARBLING: Ocurre cuando dos blancos se encuentran a la misma distancia del radar y sus respuestas se solapan, dificultando la identificación individual.
• Segunda Vuelta (Second-Time-Around Echoes): Ecos de pulsos anteriores que llegan después de que se haya transmitido el siguiente pulso, lo que puede llevar a una medición de distancia incorrecta.
• SPLIT: Fenómeno donde un único blanco aparece como dos blancos separados en la pantalla del radar debido a la forma en que se procesan las respuestas.

Radar Monopulso (MSSR)

El Radar Monopulso es una mejora del SSR que solo necesita una respuesta de la aeronave para proporcionar la posición precisa del blanco. Típicamente, utiliza tres canales de procesamiento de señal:

• Canal Directivo (Suma): Para la detección y medición de distancia.
• Canal Omnidireccional: Para la referencia de fase.
• Canal de Diferencia: Para la medición angular precisa (acimut y elevación).

Error de Puntería

La diferencia entre el acimut real del blanco y la dirección a la que apunta el eje de la antena se denomina Error de Puntería.