Introducción a la navegación aérea
Introducción a la navegación aérea
Historia de la navegación:
La estrella Polar En tiempos antiguos, la navegación (fundamentalmente marítima) se realizaba fundamentalmente de dos formas:
Navegación visual: basada en puntos de referencia conocidos.
Navegación astronómica: basada en la observación de fenómenos celestes.
La estrella polar (Polaris) es un punto de referencia fijo en el cielo del Hemisferio Norte; está casi alineada con el eje de rotación de la Tierra. Se localiza encontrando primero la constelación de la Osa Mayor.
Por tanto, su elevación en el cielo sobre el horizonte (hPOLARIS) es exactamente igual a la latitud (φ) del observador: φ = hPOLARIS.
El Sol:
De día o con el cielo nublado, no es posible determinar hPOLARIS. pero si es posible ver el Sol, entonces se puede usar la elevación en el cielo del Sol, al mediodía: hSUN.
El mediodía local está determinado cuando el Sol alcanza su máxima elevación en el cielo, en ese instante pasa por el meridiano del observador.
Se debe conocer un dato llamado la declinación del Sol, δSUN (es la “latitud geocéntrica del Sol”) . Esta declinación depende del día del año y se puede encontrar en tablas o calcularse. Entonces: φ = 90º − hSUN + δSUN.
El hemisferio Sur En el hemisferio Sur, de noche, no se puede ver la estrella Polaris, ni existe ninguna estrella alineada con el eje de rotación de la Tierra hacia el Sur, se emplea una constelación (“la cruz”) cuyo “brazo mayor” apunta en dirección al Polo Sur celeste, a una distancia de 4.5 veces dicho brazo se encuentra el Polo Sur celeste. Su elevación es −φ.
Otra alternativa es usar el “Puntero de la cruz”, dos estrellas cercanas a la Cruz.
Instrumentos:
En todas las situaciones anteriores, es necesario medir la elevación de un objeto celeste en el cielo, para ello se usaban diversos instrumentos astronómicos.
Astrolabio: media circunferencia (ant. siglo X).
Cuadrante: un cuarto de circunferencia (siglo XII).
Sextante: un sexto de circunferencia, con mecanismo más sofisticado (de forma que no sea necesario, p.ej., mirar directamente al Sol) y mayor precisión (siglo XVIII).
Navegación a estima
Hallar la latitud mediante los métodos anteriormente descritos no es suficiente para encontrar la posición sobre la Tierra, no obstante, conocida una estimación de la posición inicial (fix), del rumbo, y de la velocidad, y midiendo el tiempo, es posible predecir la trayectoria.
En los barcos, para predecir la velocidad, se utilizaba la llamada “corredera”: formada por un lastre (barquilla), una carrete y un cordón marcado con nudos, separados 15.43 metros (1 mn/120).
Lanzando la barquilla al agua y contando el número de nudos en 30 segundos, se estima la velocidad, conocida la velocidad y el rumbo, se puede estimar (por ejemplo en una carta tipo Mercator) la trayectoria recorrida por el barco, durante un tiempo dado (medido por ejemplo con un reloj de arena), siguiendo la ruta loxodrómica. Problema: los errores (deriva) crecen con t.
El problema de la longitud.
Con los métodos anteriormente descritos se puede conseguir una navegación “cruda” (de hecho se llegó a América), pero no es posible localizar con precisión la situación de un barco en medio de los océanos, para hacerlo es necesario hallar la longitud. La solución teórica de este problema era ya conocida en el siglo XVI.
- 1 Observar una estrella de movimiento conocido o el Sol al mediodía (mediante p.ej. un sextante).
- 2 Medir el tiempo de observación (mediante un cronómetro).
- 3 Comparar con la posición de dicho cuerpo estelar en un lugar conocido (obtenida de tablas de efemérides).
- 4 Resolver el triángulo astronómico (usando trigonometría elemental).
Por ejemplo, si para un día dado se determina la hora t a la que es el mediodía local, y se conoce la hora t0 en la que es mediodía local, dicho día, en Greenwich: λ ≈ (t 0 − t)15º , donde los tiempos están medidos en horas y con el mismo reloj.
El problema es tecnológico: ¿cómo medir el tiempo con precisión a bordo de un barco que navega durante meses? Los mejores cronómetros del siglo XVI tenían al menos 10 minutos de error al día. El problema fue tan importante que varios países (España en 1598, Gran Bretaña en 1714) convocaron concursos internacionales. Finalmente John Harrison (1730) resolvió el problema para Inglaterra inventando un reloj que cometía un error de segundos al día. Su mejor reloj viajó a Jamaica desde Inglaterra cometiendo solo 5 segundos de error en 1764.
La era moderna
El nacimiento de la aeronáutica ha demandado una gran mejora de los métodos de navegación, que ha de tener en cuenta las 3 dimensiones.
En la primera mitad del siglo XX nacen las radioayudas: ADF, VOR, ILS.
En la segunda mitad del siglo XX: Los avances en computación hacen posible la navegación inercial.
La conquista del espacio hace posible la navegación por satélite: Transit, GPS… Últimos avances: sensores inerciales de bajo coste, GPS diferencial, futuro sistema GALILEO.
Sistemas de navegación.
Navegación: Conjunto de técnicas para desplazarse entre dos puntos conocidos, origen y destino, siguiendo una cierta trayectoria.
Sistemas de navegación: permiten obtener la posición, velocidad, actitud y tiempo en cualquier instante. PVAT:
- P: posición, dada como x e = [x e y e z e ] T , (λ, φ, h).
- V: velocidad, dada como V n g o (Vg , γ, χ).
- A: actitud, dada por los ´ángulos de Euler (ψ, θ, ϕ) u otras representaciones.
- T: tiempo (UTC).
Errores de navegación. Un sistema de navegación no solo tiene que proporcionar como salida el dato actual de PVAT, puesto que la estimación del PVAT nunca es perfecta, también es necesario conocer una estimación del error cometido.
Típicamente se visualiza para cada instante el error como una región de incertidumbre (típicamente un elipsoide) en cuyo centro se encuentra la estimación actual de la posición del avión.
- El error cometido en la dirección del movimiento se llama ATE (along-track error).
- El error cometido en la dirección perpendicular al movimiento se llama CTE/XTE (cross-track error).
- El error cometido en la dirección vertical se llama VE (vertical error).
Uno de los objetivos de la navegación es minimizar la incertidumbre en posición, es decir, minimizar el tamaño del elipsoide de incertidumbre.
Tipos de Navegación
Los sistemas de navegación se pueden dividir en dos grandes familias:
- Navegación autónoma: Aquella que emplea dispositivos internos de la aeronave sin necesidad de emplear sistemas externos. Por tanto no son vulnerables a fallos en comunicaciones, ni dependen de la disponibilidad de otros sistemas ajenos. Ello los hace muy deseables, especialmente en aeronaves militares. Dos ejemplos son la antigua navegación a estima y la navegación inercial (que no es sino un tipo sofisticado de navegación a estima).
- Navegación por posicionamiento: Emplea medidas externas como referencia para localizar la posición. Por ejemplo, navegación visual (basada en puntos de referencia visuales), navegación astronómica (basada en la observación de cuerpos celestes), navegación basada en radioayudas (basada en señales de radio recibidas), navegación por satélite.
En realidad, ambos tipos de navegación son complementarios y la tendencia moderna es a integrarlos.
Navegación integrada
La navegación integrada es aquella que emplea la información proporcionada por todos los diferentes sensores y sistemas de navegación para obtener la mejor estimación PVAT posible.
La navegación autónoma (p.ej. inercial) proporciona una estimación continua (alto ancho de banda), integrando las ecuaciones del movimiento. Pero se degrada con el tiempo (errores no acotados).
La navegación por posicionamiento proporciona una estimación cada cierto tiempo (bajo ancho de banda), pero con error acotado.
La actitud de la aeronave:
La actitud de la aeronave es su orientación respecto al sistema de referencia de navegación (típicamente el sdr horizonte local o el de azimut errante).
En realidad, es suficiente conocer la orientación de un sistema de referencia solidario a la aeronave (los ejes cuerpo). Los ángulos de Euler cabeceo, guiñada y alabeo son la representación clásica, pero no la única; existen otras representaciones con diferentes ventajas e inconvenientes. Ángulos de Euler, Ángulo y eje de Euler, Cuaterniones.
Nota: La posición (φ, λ) o (φ, λ, α) también se puede considerar una “orientación” del sistema de referencia de navegación respecto al ECEF.
Bibliografía:
Rafael Vázquez Valenzuela
Departamento de Ingeniería Aeroespacial Escuela Superior de Ingenieros
Universidad de Sevilla
Introducción a la Navegación Aérea
Radioayudas para la Navegación Aérea
Espacios aéreos de España, fir, uir, tma