El Sistema ADS

Los actuales sistemas de vigilancia presentan una serie de limitaciones que restringen su aplicación en el marco del futuro sistema ATM. Entre estas limitaciones cabe destacar:

- Cobertura limitada a la propagación por línea de vista (Radar primario y secundario). Esto afecta a las bajas latitudes, áreas oceánicas, movimiento en superficie, conos de silencio, zonas ciegas, ocultación de la antena por maniobras, etc. En algunos casos, (vuelos oceánicos), esta limitación conlleva la necesidad de control de procedimientos mediante informes voz.

- El mecanismo de rotación de las antenas, que origina intervalos de detección ineficientes, impide que la tasa de información se adapte a las necesidades del ATC (cabe señalar las alternativas ofrecidas en este campo por las antenas E-SCAN).

- Problemas tales como solapamiento (garbling), respuestas falsas (fruit) y partición de respuestas (split), que ocasionan problemas de integridad y disponibilidad.

- Imposibilidad de intercambio de datos de la aeronave, más allá de los que se obtienen con el modo A/C (código y nivel de vuelo).

- Falta de homogeneidad en las operaciones producida por la variedad de sistemas con diferentes prestaciones y capacidades.

- Agotamiento de códigos del modo A (emplea 12 bits, por lo que sólo existen 212, 4096, disponibles), lo que conlleva cambios de código a lo largo del vuelo, con las consiguientes ambigüedades de identificación.

- Falta de capacidad para soportar las aplicaciones previstas de información de tráfico en cabina, puesto que la tripulación carece de los datos de vigilancia necesarios.

- Falta de capacidad para soportar efectivamente la vigilancia de movimiento en superficie en aeropuerto.

- Elevado coste de la infraestructura.

Cabe señalar que algunos de los problemas citados (limitación en los códigos de vuelo y falta de datos de la aeronave), podrían reducirse con la introducción del radar secundario modo S.

En cualquier caso, debido a dichas limitaciones, y pese a que algunos de los problemas citados (limitación en los códigos de vuelo y falta de información sobre la aeronave) podrían paliarse con la introducción del radar secundario modo S, los sistemas clásicos de vigilancia y de ATC no permiten alcanzar los niveles necesarios de capacidad, flexibilidad y eficiencia necesarios para satisfacer los crecimientos de tráfico previstos, por lo que parece conveniente migrar progresivamente a un nuevo modo de llevar a cabo la vigilancia.

Dentro de este contexto, tanto OACI como EUROCONTROL han identificado al ADS (Vigilancia Dependiente Automática) como el elemento clave en torno al que se construirá el futuro sistema de vigilancia y que posibilitará los cambios requeridos por el Concepto Operacional ATM en general y por cada usuario particular del Sistema de Vigilancia. En este sentido, la Estrategia de Vigilancia de EUROCONTROL identifica el futuro papel del ADS y prevé el uso operacional inicial del mismo en los países de la CEAC de 2007 en adelante.

Así, OACI define el ADS como “una técnica de vigilancia en la que aeronave suministra automáticamente, mediante enlace de datos, información obtenida a partir de los sistemas embarcados de posicionamiento y navegación, incluidas la identificación de la aeronave, posición 4-D y cualquier otra información adicional que sea necesaria” (Circular de OACI 256-ANI152).

Por tanto, mediante el empleo del ADS, la aeronave envía la información del mensaje de vigilancia (informe ADS) a otros sistemas por medio del enlace de datos. Se destaca que, a diferencia de los sistemas convencionales de vigilancia, en los que la posición de la aeronave se determina directamente desde la estación de tierra, con el ADS las medidas de posición se realizan a bordo a través de la información de navegación y posteriormente se envían a los centros de vigilancia.

La aceptación generalizada del ADS como tendencia futura ha sido posible gracias a las mejoras tecnológicas alcanzadas en dos líneas de desarrollo:

Así, la implantación del ADS gracias a enlaces de datos más fiables y sistemas de navegación más precisos, permite proporcionar servicios de vigilancia en áreas no continentales o carentes de cobertura radar. Además, también se obtendrán ventajas en vuelos continentales en ruta, en el área terminal o en la superficie de aeródromo.

En vista de esto, el ADS ofrece la posibilidad de :

- Vigilancia basada en tierra. Por ejemplo, vigilancia de aeronaves en vuelo por sistemas terrestres. Esta es una función convencional del ATC, pudiendo complementar de esta forma a las técnicas convencionales como el radar o los informes voz.

- Vigilancia del entorno. Por ejemplo, tareas de vigilancia llevadas a cabo desde la propia aeronave basándose en el ADS-B o TIS-B. Esto permitiría presentar a la tripulación directamente la información de vigilancia, mejorando la percepción que se tiene en la cabina del estado del tráfico.

- Vigilancia en el aeródromo. Por ejemplo, vigilancia de los vehículos desplazándose en el aeródromo, incluidas las propias aeronaves, llevada a cabo tanto desde la torre propiamente como desde los equipos embarcados, previéndose importantes mejoras respecto a las técnicas convencionales empleadas hasta el momento.

Como se observa, el ADS permite extender el concepto de vigilancia a todas las etapas del vuelo, lo que comúnmente se denomina “gate-to-gate”, desde el primer movimiento de la aeronave en pista, pasando por las distintas fases de vuelo hasta llegar de nuevo a tierra e incluyendo el tramo de rodadura para alcanzar la puerta.

Para implantar este concepto se han definido dos técnicas de envío de información a las estaciones terrestres, el ADS-Broadcast (ADS-B), radiodifundido, y el ADS-Contract o Addressed (ADS-C o ADS-A), por contrato.

ADS-C (ADS por Contrato)

El ADS por Contrato o ADS-C implica la transmisión de la posición, identidad y cualquier otra información acerca de la aeronave a una estación terrena. Todas las comunicaciones entre los sistemas terrestres y embarcados son punto a punto, produciéndose un flujo de comunicaciones bidireccional entre la función terrena y la aeronave.

Funcionamiento del ADS-C

La función terrena establece un contrato en el que se especifican las características de los informes transmitidos por la aeronave tales como el ritmo al que la aeronave transmite la información, el tipo de información enviada y las condiciones en que debe transmitirse la misma. Dicho contrato es iniciado por la función terrena y debe ser ratificado por el equipo ADS embarcado en la aeronave. Durante el vuelo la aeronave puede establecer simultáneamente diversos contratos con diferentes estaciones terrenas, los cuales pueden ser modificados o cancelados a lo largo del vuelo.

Existen tres tipos básicos de contrato:

• Periódicos: La aeronave transmite los informes ADS-C a intervalos regulares.
• Por evento: La aeronave transmite los informes cuando sucede cierto suceso. Dicho suceso puede ser, por ejemplo, un cambio en altitud o velocidad o una desviación de la ruta prevista.
• A demanda: La aeronave transmite un único informe ADS-C como respuesta a una petición del ATC.

Además de los anteriores, una aeronave también puede transmitir en modo de emergencia. Dicho modo es iniciado por los sistemas de abordo y no es realmente un contrato. Así, la aeronave transmite los informes con una tasa de repetición determinada a todas las estaciones terrestres con las que tenga establecido un contrato previo.

Debido al enlace de datos punto a punto (conexión orientada), la recepción del mensaje ADS-C está garantizada y es fiable a menos que se produzca una pérdida total del enlace de datos, y aún en este caso se notificaría tal circunstancia al emisor. Por tanto, el usuario del ADS-C tiene la certeza de que o bien los datos serán entregados o bien será notificado del posible fallo en las comunicaciones.

Como ya se ha comentado, los informes ADS-C consisten en un “grupo ADS básico” al que se le pueden añadir otros grupos opcionales. Dicho grupo básico contiene:

• Longitud/Latitud
• Altitud
• Tiempo
• Figura de mérito

En algunos casos también incluye la identificación de la aeronave, si bien ésta no es propiamente parte del grupo básico.

Por su parte, entre los datos opcionales se suele suministrar el perfil proyectado, vector tierra, vector aire, información meteorológica, maniobras previstas y perfil proyectado extendido.

Las primeras implantaciones del ADS-C se han basado en las comunicaciones por satélite como forma de conseguir el enlace de datos, puesto que el principal beneficio del ADS surge en aquellas áreas en las que se carece de infraestructura de vigilancia, por ejemplo áreas oceánicas o continentales con escasa densidad de tráfico y escasez de infraestructuras disponibles en tierra.

Aunque es técnicamente posible que el ADS-C sea usado para proporcionar informes de posición en TMAs muy colapsados y en superficie de aeródromo, el estado actual de los enlaces de datos disponibles hace que no sea por el momento un método factible, puesto que la capacidad es insuficiente para satisfacer los elevados requisitos de velocidad de información impuestos por el TMA y el control en superficie.

Por tanto, no parece probable que el ADS-C sea empleado para el movimiento en superficie en un plazo intermedio, restringiéndose sus aplicaciones a aquellos casos en que se requieran bajas frecuencias de refresco de la información (áreas de baja densidad de tráfico).

Finalmente se señala que el ADS-C puede ser implantado al mismo tiempo que otras técnicas de enlace de datos, en particular el CPDLC (Comunicaciones por Enlace de Datos Controlador-Piloto). De hecho, OACI prevé que el ADS-C tenga como principal soporte las comunicaciones voz y vía enlace de datos controlador-piloto.

Enlace de Datos

Actualmente existen dos implantaciones del ADS-C: el FANS-1/A, desarrollado por la industria aeronáutica, y el ADS-C de OACI, cuyo impulsor es esta última organización.

FANS-1/A

Con este término se hace referencia a los estándares desarrollados por la industria para la implantación del ADS-C. Tiene su origen en el FANS-1, desarrollado por Boeing, y en el AIM-FANS de Airbus, generalmente conocido como FANS-A.

El FANS-1/A se basa en el enlace de datos ACARS (Aircraft Communication Addressing and Reporting System) y puede hacer uso de cualquiera de las subredes móviles del mismo, como satélite, VHF o HF. Se destaca que el ACARS no es un sistema de nueva implantación, sino que lleva más de 20 años en operación, y es habitualmente empleado por las líneas aéreas para diferentes propósitos, puesto que suministra enlaces de datos tierra-tierra y aire-tierra.

Actualmente existen dos proveedores de servicios ACARS: ARINC, que opera en los Estados Unidos y China, y SITA, cuyo principal ámbito de acción es Europa y el resto del mundo.

El FANS-1/A ha sido ampliamente probado por muchos estados y actualmente ya se encuentra operacional en el área del Pacífico Sur.

ADS-C de OACI

Los estándares de OACI establecen como base para fundamentar la implantación del ADS-C la Red de Telecomunicaciones Aeronáuticas, ATN. Así, se prevé que pueda usarse cualquiera de las subredes móviles ATN disponibles para la aeronave y el segmento terrestre, de ahí que este sistema se conozca también como ATN ADS-C. Aunque esta aplicación es bastante similar al FANS-1/A, debe destacarse que no son idénticas.

Por el momento OACI ha definido las siguientes subredes móviles ATN: Satélite (AMSS), VHF (VDL modos 1 y 2), Modo S y HF, si bien está previsto que en un futuro se definan más.

Los estándares empleados para implantar el ADS-C se definen en las SARPs de OACI (Standard and Recommended Practices) en las que se encuentran las normas para aplicar el ADS y las especificaciones para el sistema de comunicaciones ATN y sus subredes. Dichas SARPs presentan la garantía de tener como soporte importantes estándares de la industria como los MOPS (Minimun Operational Performance Standards).

Debe subrayarse que actualmente el ATN ADS-C no está disponible para la operación, estando sujeto todavía a múltiples ensayos y desarrollos. Así, si bien el ADS-C de OACI es generalmente aceptado como la alternativa a largo plazo para el ADS-C, será necesario establecer un período de transición para aquellas aeronaves que ya se encuentran equipadas con sistemas FANS-1/A para migrar al estándar ATN. Por tanto, un elemento bastante sensible en la implantación del ADS-C será la definición de los plazos de convivencia y transición, los cuales todavía no están claramente establecidos.

ADS-B (ADS Radiodifundido)

OACI define el ADS-B como “una técnica de vigilancia en la que se transmiten parámetros, tales como la posición, track y velocidad respecto al suelo, mediante un enlace de datos radiodifundido y a intervalos de tiempo específicos de tal modo que puedan ser empleados por cualquier usuario tanto en tierra como en el aire que los requiera”.

Funcionamiento ADS-B

El ADS-B se basa principalmente en la transmisión frecuente y regular de informes ADS por medio de un enlace de datos radiodifundido. Los informes ADS-B son enviados periódicamente por la aeronave sin intervención alguna de la función terrena. Estos informes pueden ser recibidos y procesados por cualquier receptor en el entorno de la aeronave. En el caso de una unidad terrena de adquisición de datos, el informe ADS-B se procesará junto a otros datos de vigilancia y será empleado tanto para funciones ATM como no-ATM.

El ADS-B ofrece la posibilidad del envío de información de vigilancia aire-aire o aire-tierra. La transmisión directa aire-aire conlleva que no sea necesaria la intervención de un segmento terrestre para la realización de las tareas de vigilancia a bordo de la aeronave. Además, el empleo de informes ADS-B procedentes de las aeronaves del entorno permite la presentación en la cabina de una imagen clara del estado del tráfico. Cabe señalar que esta aplicación de vigilancia directa aire-aire es característica del ADS-B y no es ofrecida actualmente por el ADS-C.

Los datos de vigilancia transmitidos por el ADS-B incluyen, entre otros, el identificador de vuelo, la posición, el tiempo, la figura de mérito y la categoría de emisor; aunque también se puede informar del vector terrestre, vector aéreo, maniobras inmediatas de la aeronave, radios de giro, tipo de aeronave o actuaciones esporádicas ante sucesos puntuales.

Los informes ADS-B carecen de acuse de recibo. Por tanto, la aeronave desconoce qué receptores, si es que existe alguno, han recibido y están procesando sus informes, dado que cualquier aeronave o equipo de tierra en el entorno puede recibir y procesar la información.

En este sentido, el ADS está estrechamente vinculado a la transmisión de información de vigilancia de tierra a aire, servicio conocido habitualmente como Traffic Information Service (TIS) o TIS Radiodifundido (TIS-B). En particular, para el caso del TIS-B, la estación terrena encargada de generar el mensaje no tiene conocimiento de qué sistemas están recibiendo su señal, que puede ser procesada por cualquier aeronave o estación convenientemente equipada.

Enlaces de Datos

Actualmente existen tres modos disponibles para implantar el ADS-B, si bien con diferentes grados de estandarización y validación:

• Modo S Extended Squitter o 1090.
• VDL modo 4, desarrollado por la Aviación Civil.
• UAT, desarrollado por MITRE.

Los diferentes sistemas están siendo probados por EUROCONTROL en el contexto de su programa ADS y por la FAA en su programa Safe Flight 21, así como en otros programas financiados por la Comisión Europea. El propósito de todos estos estudios, que se prolongarán todavía por varios años, es probar estos tres medios en distintas aplicaciones de vigilancia, validar su uso y proponer un plan de implantación.

Hasta el momento sólo se han publicado resultados preliminares, los cuales dan una idea parcial de las prestaciones ofrecidas por los mismos, de ahí que no se pueda asegurar cuál de estos medios será el elegido como enlace de datos para el ADS-B, si bien parece que se necesitará un sistema mixto para satisfacer los requisitos de interoperabilidad y de niveles de seguridad impuestos por la naturaleza crítica de esta aplicación.

Modo S Extended Squitter o 1090

Consiste en una extensión del tradicional Modo S del Radar Secundario, habitualmente empleado por el ACAS. Así, la aeronave transmite regularmente mensajes “extended squitter” conteniendo información tal como la posición o la identificación. Los extended squitters son transmitidos en la frecuencia de respuesta del secundario, 1090 MHz, y pueden ser recibidos por cualquier aeronave o estación de tierra convenientemente equipadas.

En teoría también los vehículos moviéndose por la superficie terrestre podrían transmitir en Modo S Extended Squitter, si bien esta aplicación está mucho menos madura que el equipamiento de la aeronave.

Uno de los principales problemas del extended squitter es que las transmisiones pueden ser confundidas con otras funciones del modo S, como la vigilancia elemental o mejorada, o con el ACAS/TCAS, que además operan con los mismos protocolos y formatos de mensaje y con las mismas frecuencias (1030 MHz para las interrogaciones y 1090 para las respuestas).

Los extended squitters son transmitidos a intervalos aleatorios con ciertas tasas medias de transmisión. La transmisión de extended squitters no está sincronizada con las transmisiones del resto de los usuarios.

En particular, la siguiente información es transmitida:

• Situación de la aeronave: en tierra o en vuelo (esto permite reducir el número de squitters si la aeronave se encuentra rodando en el aeródromo, con la consiguiente reducción en la saturación de frecuencias).
• Posición y velocidad (2 veces por segundo).
• Mensaje de identificación, que no se prevé que varíe (cada 5 segundos si está moviéndose y cada 10 si está estacionaria).
• Mensajes de incidencias en caso de que sean necesarios.

Se señala que el “extended squitter” modo S ya ha sido completamente estandarizado por OACI y EUROCAE/RTCA y que los documentos pertinentes han sido publicados (SARPs y MOPS), lo que permite cualificar el equipo.

En cuanto a las prestaciones de este sistema, su alcance se establece entre 60 y 100 NM, con una capacidad de 475 aeronaves en un área similar a la de Frankfurt si se emplean técnicas de recepción mejorada.

VDL Modo 4

El VDL (VHF Digital Link) Modo 4 es un sistema desarrollado en Suecia a partir del principio STDMA, Acceso Multiplexado por División en el Tiempo Auto-Organizado (Self-Organising Time Division Multiple Access), que consiste en dividir la frecuencia de las comunicaciones en múltiples slots que se asignan a los usuarios equipados para que puedan transmitir.

Con este sistema se pretende dar soporte a un amplio abanico de aplicaciones punto a punto y radiodifundidas, entre las que destaca el ADS-B. Al igual que las SARPs del Modo S, las SARPs del VDL Modo 4 también incluyen compatibilidad con la ATN, de forma que el VDL modo 4 pueda actuar como una subred de la ATN al mismo tiempo que provee informes ADS-B (y otras aplicaciones).

Si bien el VDL Modo 4 ha sido completamente estandarizado por OACI y EUROCAE/RTCA, estarían pendientes de publicación los correspondientes documentos.

El VDL Modo 4 opera en la banda del Servicio Móvil Aeronáutico (en ruta), banda VHF que se extiende desde los 118,000 MHZ a los 136,975 MHz. Cada canal VDL Modo 4 ocupa 25 kHz, y el sistema opera simultáneamente con un mínimo de dos canales globales (GSC), si bien pueden definirse frecuencias locales (LSC) en función de la densidad de tráfico de cada área. En cada frecuencia y en un segundo se definen 75 slots, cada uno con un tamaño de 256 bits.

Básicamente, el VDL Modo 4 se basa en un enlace de datos VHF que emplea una estructura de asignación de “slots” en el tiempo para las comunicaciones

Todas las transmisiones son sincronizadas al comienzo del “slot” de forma que un usuario pueda transmitir un único informe ADS en dicho período. El enlace de datos emplea ciertos protocolos de reserva para gestionar el acceso al medio, lo que permite al transpondedor reservar un “slot” posterior para el siguiente mensaje.

Además, se diseñan para minimizar la eventualidad de que la transmisiones de dos transpondedores se interfieran mutuamente por estar produciéndose en el mismo intervalo de tiempo. Así, cada usuario tiene acceso al mapa de reservas de “slots” y se establece una estación terrestre para coordinar y optimizar el conjunto del sistema, la cual puede cancelar algunos de los “slots” asignados a aeronaves muy distantes en caso de exceso de demanda.

Por todo esto el transpondedor requiere una fuente muy precisa de referencia de tiempos para realizar la sincronización de los distintos “slots”. Si bien en las SARPs no se especifica una forma de obtener dicha referencia temporal, los principales desarrollos apuntan a la utilización del GPS, o de GALILEO en un futuro, como el método óptimo para conseguir la sincronización.

Se señala que la principal limitación de este sistema se encuentra en la carencia de frecuencias en las áreas de alta densidad, ya que con una tasa de 75 “slots” por segundo no es suficiente para satisfacer la demanda. Frente a esto, la principal ventaja de este enlace de datos es su alcance, evaluado en diversos ensayos entre 140 y 200 NM.

UAT

El Universal Access Transceiver (UAT) es un sistema de enlace de datos desarrollado en el marco de los proyectos de I+D del Centro para el Desarrollo de Sistemas Avanzados para la Aviación de la Corporación MITRE en Estados Unidos. Prototipos de este sistema se han instalado y ensayado en los primeros experimentos ADS-B de la FAA.El equipo opera en una única frecuencia con una tasa de intercambio de datos de 1 Mbps. La mayoría de los ensayos se llevaron a cabo a una frecuencia de 966 MHz, si bien el equipo es capaz es capaz de funcionar a otras frecuencias (lo cual es una ventaja frente al VDL Modo 4, para el que la asignación de frecuencias puede suponer una restricción). Hay que señalar que la frecuencia anterior se encuentra dentro de la banda del DME, por lo que puede originar problemas de compatibilidad con dicho sistema.

El principio del UAT se basa en la transmisión cada segundo de un bloque de datos del cual el 20% se reserva para la gestión interna del mismo por parte de las estaciones terrestres y el resto (lo que supone cerca de 3200 “slots”) para la transmisión de mensajes ADS-B. Un algoritmo diseñado específicamente evita que diferentes mensajes empleen el mismo “slot”. Este enlace de datos no requiere sincronización alguna y permite generar mensajes de 128 o 256 bits, los cuales pueden incluir toda la información requerida en el documento DO-242 de la RTCA.

Actualmente el UAT está siendo sometido a minuciosos ensayos al otro lado del Atlántico y podría perfectamente convertirse en el enlace de datos seleccionado por la FAA para desarrollar el ADS-B. De hecho, la RTCA trabaja en el desarrollo de MOPS para este sistema (en particular, las especificaciones RTCA DO-282A). A día de hoy OACI sigue igualmente trabajando en su estandarización, encontrándose ya disponible el Manual sobre UAT (Documento 9861 de OACI).