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Un sistema de visión de vuelo mejorado ( EFVS , a veces EVS ) es un sistema aerotransportado que proporciona una imagen de la escena y la muestra al piloto, con el fin de proporcionar una imagen en la que la escena y los objetos que contiene se puedan detectar mejor. En otras palabras, un EFVS es un sistema que proporciona al piloto una imagen que es mejor que la visión humana sin ayuda. Un EFVS incluye sensores de imágenes (uno o muchos) como una cámara a color, una cámara infrarroja o un radar , y normalmente una pantalla para el piloto, que puede ser una pantalla montada en la cabeza o una pantalla de visualización frontal . Un EFVS puede combinarse con un sistema de visión sintética para crear un sistema de visión combinado. [1]
Un EFVS puede montarse en aeronaves militares o civiles, de ala fija (avión) o de ala giratoria (helicóptero). La imagen debe mostrarse al piloto conforme a la escena, es decir, el piloto debe ver los elementos mostrados artificialmente en posiciones exactas en relación con el mundo real. Por lo general, junto con la imagen mejorada, el sistema mostrará señales visuales como una barra del horizonte y la ubicación de la pista.
La visión mejorada es un sistema relacionado con la visión sintética que incorpora información de sensores basados en aeronaves (por ejemplo, cámaras de infrarrojo cercano, radar de ondas milimétricas) para proporcionar visión en entornos de visibilidad limitada.
Los sistemas de visión nocturna han estado disponibles para los pilotos de aeronaves militares durante muchos años. Más recientemente, los aviones comerciales han agregado capacidades similares a las aeronaves para mejorar la conciencia situacional del piloto en condiciones de poca visibilidad debido al clima o la neblina, y por la noche. La primera certificación civil de un sistema de visión mejorado en una aeronave fue iniciada por Gulfstream Aerospace utilizando una cámara infrarroja Kollsman. Originalmente ofrecido como una opción en la aeronave Gulfstream V, se convirtió en equipo estándar en 2003 cuando se presentó el Gulfstream G550 y siguió en el Gulfstream G450 y Gulfstream G650 . A partir de 2009, Gulfstream ha entregado más de 500 aeronaves con un EVS certificado instalado. Otros fabricantes de aeronaves siguieron su ejemplo, y el EVS ahora está disponible en algunos productos de aviones comerciales de Bombardier y Dassault. Boeing ha comenzado a ofrecer EVS en su línea de aviones comerciales Boeing y es probable que lo incluya como una opción en el B787 y el B737 MAX.
Los sistemas EVS [2] y EVS II de Gulfstream utilizan una cámara de infrarrojos montada en el morro del avión para proyectar una imagen rasterizada en la pantalla de visualización frontal (HUD). La imagen de infrarrojos en la HUD se ajusta a la escena exterior, lo que significa que los objetos detectados por la cámara de infrarrojos tienen el mismo tamaño y están alineados con los objetos que se encuentran fuera del avión. De este modo, en condiciones de poca visibilidad, el piloto puede ver la imagen de la cámara de infrarrojos y puede pasar sin problemas y con facilidad al mundo exterior a medida que el avión se acerca.
La ventaja del EVS es que mejora la seguridad en casi todas las fases del vuelo, especialmente durante la aproximación y el aterrizaje en condiciones de visibilidad limitada. Un piloto que realiza una aproximación estabilizada puede reconocer el entorno de la pista (luces, marcas de la pista, etc.) antes de prepararse para el aterrizaje. Los obstáculos como el terreno, las estructuras y los vehículos u otras aeronaves en la pista que de otro modo no se verían se ven claramente en la imagen infrarroja.
La FAA otorga algunos mínimos operativos adicionales a las aeronaves equipadas con sistemas de visión mejorada certificados que permiten aproximaciones de Categoría I a mínimos de Categoría II. Normalmente, se permite a un operador descender a altitudes más bajas, más cercanas a la superficie de la pista (normalmente hasta 100 pies) en condiciones de poca visibilidad, para mejorar las posibilidades de detectar el entorno de la pista antes del aterrizaje. A las aeronaves que no estén equipadas con dichos sistemas no se les permitiría descender tan bajo y, a menudo, se les exigiría que ejecutaran una aproximación frustrada y volaran a un aeropuerto alternativo adecuado.
Se han utilizado otros tipos de sensores con fines de investigación, como el radar de ondas milimétricas activo y pasivo. En 2009, DARPA proporcionó financiación para desarrollar "Sandblaster", un sistema de visión mejorado basado en un radar de ondas milimétricas que se instala en helicópteros y que permite al piloto ver y evitar obstáculos en la zona de aterrizaje que pueden estar ocultos por el humo, la arena o el polvo.
La combinación de distintos tipos de sensores, como el infrarrojo de onda larga, el infrarrojo de onda corta y el radar de ondas milimétricas, puede ayudar a garantizar que se puedan proporcionar al piloto imágenes de vídeo en tiempo real de la escena exterior en todo tipo de condiciones de visibilidad. Por ejemplo, el rendimiento del sensor infrarrojo de onda larga puede verse degradado en algunos tipos de precipitaciones de gotas de agua de gran tamaño, en las que el radar de ondas milimétricas se vería menos afectado.
Los dispositivos de visión nocturna para personal militar han estado en funcionamiento desde la Segunda Guerra Mundial . Su uso también ha sido adoptado por pilotos militares, principalmente en aeronaves de ala rotatoria (helicópteros). El uso de estos dispositivos ha sido sugerido para pilotos comerciales desde la década de 1970, pero no fue hasta 1999 que el primer sistema comercial certificado por la FAA estuvo en el aire. Aun así, el piloto no podía utilizar el sistema para bajar una aeronave por debajo del límite de visión natural requerido.
En 2001, Gulfstream se convirtió en el primer fabricante de aeronaves civiles en desarrollar y obtener la certificación para sus aeronaves para EVS producidas por Kollsman de Elbit . [3] La FAA permitió el uso del EVS para descender hasta 100 pies por encima de la zona de aterrizaje, si no se aplican otras restricciones. [4] No estaba claro en ese momento si un EFVS podría usarse para descender por debajo de esa altura. La situación se modificó en 2004 con correcciones a la FAA FAR 91.175. [5] Esta es la primera vez que un EFVS proporcionó una ventaja comercial concreta sobre la visión sin ayuda.
Los primeros EVS comprendían una cámara infrarroja de onda media refrigerada (MWIR) y una pantalla de visualización frontal (HUD), certificada para volar con el avión Gulfstream V. La cámara tiene un sensor MWIR refrigerado.
Los EVS se basan tradicionalmente en una cámara infrarroja orientada hacia adelante que proporciona una imagen térmica del mundo y muestra el calor liberado por las luces de aproximación del aeropuerto . La mayoría de los aeropuertos utilizan luces reflectoras aluminizadas parabólicas incandescentes [6] [ verificación fallida ], aunque los estándares de eficiencia energética (como la Ley de Independencia y Seguridad Energética de 2007 ) han hecho que algunos aeropuertos cambien a iluminación LED , que tiene una firma térmica más baja.
Sin embargo, desde 2007, los aeropuertos están cambiando a la iluminación LED , que es más eficiente energéticamente y tiene un perfil térmico más bajo. Los nuevos diseños de EVS son multiespectrales , para capturar tanto la luz visual de las luces LED como la imagen térmica de las generaciones anteriores de EVS. Los futuros diseños de EVS se centran en la visión en todas las condiciones climáticas, lo que se puede lograr fusionando de forma inteligente imágenes y datos de cámaras que operan en luz visible, infrarroja y ondas milimétricas .
Un EFVS puede instalarse en cualquier tipo de aeronave. La plataforma típica es un pequeño avión de pasajeros, ya que resulta más rentable utilizar un EFVS que un sistema de aterrizaje instrumental, que se utiliza en aviones de pasajeros de mayor tamaño.
La NASA está desarrollando un nuevo avión supersónico, el X-59 QueSST , para estudiar la tecnología relacionada con mejores aviones supersónicos de pasajeros. Una característica clave es un morro opaco, a través del cual el piloto no puede ver. La NASA está considerando usar un EFVS para permitir la visión del piloto en este avión. [7]
La unidad de sensores del EFVS puede incluir un único sensor de imágenes, varias cámaras y también sensores adicionales de ayuda a la navegación.
Tradicionalmente, el sensor EVS era una única cámara infrarroja de visión frontal (FLIR). Las FLIR son de dos tipos principales: una es la cámara de banda MWIR (3-5 um) refrigerada de gama alta, que tiene una mejor resolución de temperatura y velocidad de cuadros, pero es más cara y voluminosa, y la otra son los microbolómetros no refrigerados que operan en la banda LWIR (8-14 um) del espectro de luz, son pequeños y baratos, pero son menos "nítidos" en lo que respecta al contraste de temperatura.
El sensor EVS de un único FLIR EVS suele ser el sensor refrigerado de gama alta. En aplicaciones multiespectrales, el sensor preferido suele ser el no refrigerado, ya que tiene una mejor penetración atmosférica en la mayoría de los casos (ve más lejos), mientras que los detalles finos de la imagen los proporcionará un sensor complementario.
La visión natural sin ayuda en la parte visible del espectro de luz, junto con el infrarrojo cercano , se puede mejorar mediante el uso de cámaras de alta gama. Este tipo de cámaras pueden ser cámaras de alto rango dinámico para visión diurna, cámaras CMOS para poca luz (a veces llamadas CMOS científicas o sCMOS) y gafas de visión nocturna .
En condiciones de visión diurna y con mucha luz, puede parecer que no es necesario mejorar la visión natural, pero hay ciertos casos en los que puede ser necesario. Por ejemplo, en una situación de neblina intensa en la que toda la escena es muy brillante y no se distinguen los elementos, una cámara de alto rango dinámico puede filtrar el fondo y presentar una imagen de alto contraste, y detectar las luces de aproximación a la pista a mayor distancia que la visión natural.
Una cámara SWIR ( infrarrojos de longitud de onda corta ) es una tecnología relativamente nueva. Puede ofrecer ventajas para un EFVS, como: mejor penetración de neblina que VIS, contraste de escena natural similar al VIS a diferencia de un MWIR o LWIR. Las cámaras SWIR están disponibles comercialmente, pero no hay ningún uso reportado de una cámara SWIR en un EFVS comercial.
Una cámara de ondas milimétricas pasivas (PMMW) es capaz de producir una imagen de video en tiempo real, con la ventaja de ver a través de nubes, niebla y arena. El uso de cámaras de ondas milimétricas pasivas es una tecnología prometedora para los sistemas de visión de vuelo mejorados basados en aeronaves, así como para la navegación de barcos en condiciones de baja visibilidad y aplicaciones industriales. La primera cámara de ondas milimétricas pasivas disponible comercialmente para su uso en aeronaves fue creada por Vū Systems [8] y lanzada en la Conferencia de la Asociación Nacional de Aviación Comercial (NBAA) en octubre de 2019. [9]
En la actualidad se utilizan escáneres pasivos de ondas milimétricas de corto alcance para el control en aeropuertos [10] y en muchos programas de investigación científica. [11] [12]
El funcionamiento de una cámara pasiva de ondas milimétricas se basa en la medición de la diferencia o contraste de temperaturas, pero a frecuencias de ondas milimétricas, en cualquier rango entre 30 GHz y 300 GHz. [13] [ referencia circular ]
En los años 90, la NASA también propuso un radar de imágenes. [14] Puede ofrecer la misma resolución de escena que un PMMW, pero tiene propiedades diferentes. No depende de la radiación natural, sino que emite ondas de radio que se reflejan en el objetivo y se capturan en el receptor. La imagen será casi la misma en todas las condiciones, ya que no depende de la temperatura del objeto. Un radar de imágenes requiere muchos recursos para el cálculo, ya que la imagen se forma mediante cálculo digital y no mediante una lente. Se han realizado prototipos voladores, pero aún no está disponible comercialmente.
Un lidar es un sistema láser que escanea el volumen circundante y proporciona la ubicación 3D de los objetos. A partir de los datos se puede producir una imagen sintética y también otros datos de vuelo críticos. La distancia operativa de un lidar depende de la potencia de salida. Normalmente es de menos de 1 km, pero en principio no está limitada. Debido a la distancia relativamente corta, se considera más para helicópteros que para aviones. También puede ayudar a penetrar la luz en condiciones atmosféricas de baja visibilidad moderada, como la niebla y el polvo. El lidar se utiliza en aplicaciones automotrices (automóviles) y se está probando para aplicaciones de aterrizaje de helicópteros.
Un sensor de navegación puede ayudar a complementar la imagen. Se puede generar una imagen sintética a partir de los datos de la escena almacenados en la memoria y de la ubicación de la aeronave, y mostrarla al piloto. En principio, un piloto podría aterrizar basándose en esta imagen sintética, siempre que sea precisa y fiel.
La pantalla que se muestra al piloto es transparente , lo que significa que permite ver la escena directamente sin ayuda y también ver una imagen proyectada. La pantalla puede ser de dos tipos:
Una pantalla de visualización frontal es una pantalla LCD instalada debajo de la ventana, de ahí el nombre "head-down". Generalmente no se utiliza como pantalla EFVS, ya que no se puede ver la escena externa al mirarla.
Además de la imagen mejorada de los sensores, la imagen mostrada al piloto incluirá simbología, que es una colección de señales visuales que se muestran al piloto con respecto a la altitud, acimut, orientación del horizonte, trayectoria de vuelo, estado del combustible, otras aeronaves, etc., y en aviónica militar, símbolos adicionales de amigo/enemigo, señales del sistema de orientación, miras de armas, etc.
Las imágenes y la simbología del EFVS que se muestran deben presentarse de manera que estén alineadas y escaladas con la vista externa. El proceso de alineación se denomina armonización . Una pantalla de visualización frontal debe estar armonizada con los sensores de imagen. Una pantalla montada en la cabeza se mueve constantemente con la cabeza del piloto y, por lo tanto, debe rastrearse continuamente para que la imagen mostrada se ajuste a la escena en tiempo real, consulte Pantalla montada en el casco . Existe un problema adicional de tiempo de retraso entre la imagen y el movimiento de la cabeza, que debe ser muy pequeño para no causar mareos.
El objetivo principal de un EVS es permitir el despegue , el aterrizaje y el rodaje en condiciones de poca visibilidad, en las que el aterrizaje no sería seguro de otro modo. Un EVS está certificado para el aterrizaje por la FAA solo si se combina con un HUD , en cuyo caso se denomina EFVS. [16]
El criterio para el aterrizaje se conoce como altura de decisión . La OACI define la altura de decisión como "una altitud o altura especificada en la aproximación de precisión a la que se debe iniciar una aproximación frustrada si no se ha establecido la referencia visual requerida para continuar la aproximación". Cuando un piloto se está aproximando al suelo, debe ver una referencia visual para continuar la aproximación. Las referencias visuales deben ser una de las siguientes (véase pista ):
Si el piloto no puede ver dicha referencia en la altura de decisión, deberá abortar el aterrizaje y luego girar para una segunda aproximación o aterrizar en otro lugar.
Por encima de la altura de decisión, el piloto utiliza principalmente las pantallas del avión. Por debajo de la altura de decisión, el piloto debe mirar hacia afuera para identificar referencias visuales. En esta etapa, el piloto alterna entre mirar las pantallas y mirar por la ventana. Esta alternancia se puede evitar si se instala una pantalla transparente para mostrar información al piloto mientras también mira hacia afuera.
Los HUD y luego EVS llegaron a los jets comerciales en 2001 y la FAA publicó reglas EVFS en 2016 para aterrizar en mala visibilidad a través de un HUD, lo que impide el uso de PFD , con un sistema combinado de visión mejorada y sintética (CVS). Bajo las regulaciones actuales FAR 91.175, los aviones con HUD pueden alcanzar 100 pies (30 m) antes de cambiar a visión natural para aterrizar, lo que permite el aterrizaje en cualquier clima en aeropuertos sin aproximaciones ILS Cat II/III. [17] Después de comenzar a trabajar en 2011, Dassault fue el primero en certificar su CVS con su HUD y cámara Elbit , FalconEye , en octubre de 2016 en el Falcon 2000 y 900 , luego en el 8X a principios de 2017. [17]
En julio de 2018, la certificación de la FAA del Gulfstream G500 permitió al EFVS proporcionar las únicas señales visuales para aterrizar hasta 1000 pies (300 m) de alcance visual de pista , para tocar tierra y rodar, después de 50 aproximaciones de prueba, y las pruebas a visibilidades más bajas podrían permitir reducir el límite, con aprobaciones para Gulfstreams anteriores a seguir. [18] Para octubre de 2018, el Falcon 8X FalconEye fue aprobado por la FAA y la EASA para aproximaciones de hasta 100 pies (30 m). [19] El Falcon 2000 y el 900LX fueron aprobados a principios de 2019. [20] Un HUD dual FalconEye permitirá que EVS aterrice en 2020, sin usar la visión natural. [19] Se espera que la superposición conforme de EVS y SVS de Rockwell Collins entre en servicio con el Global 5500/6500 actualizado alrededor de 2020. [17]
Los Bombardier Globals utilizan un HUD y una cámara Rockwell Collins , mientras que los Gulfstream tienen una cámara refrigerada Kollsman (Elbit) y un HUD Rockwell Collins. [17] Las primeras cámaras refrigeradas criogénicamente de antimoniuro de indio (InSb) podían detectar entre 1,0 y 5,0 micrones de infrarrojo medio para luces de pista incandescentes calientes y algo de radiación de fondo de su superficie, ciegas a las longitudes de onda visibles para luces LED de aeropuerto o al infrarrojo de onda larga para detalles ambientales más finos: el Elbit FalconEye ve en la banda de luz visible y cercana al infrarrojo de 0,4 a 1,1 micrones y en la banda de infrarrojos de onda larga de 8,0 a 12,5 micrones. [21]
Un sistema de aterrizaje instrumental (ILS, por sus siglas en inglés) se basa en señales de radio para permitir su funcionamiento en cualquier condición meteorológica. Para que se permita un aterrizaje ILS, el sistema debe estar instalado en tierra y se requiere una aeronave equipada adecuadamente y una tripulación debidamente calificada. No todos los aeropuertos y pistas son adecuados para la instalación de ILS debido a las condiciones del terreno (colinas que obstaculizan la señal, pendiente de aterrizaje no recta).
Si bien el GPS tiene una precisión inherente muy alta, su confiabilidad no es lo suficientemente alta para el aterrizaje. Las señales GPS pueden ser bloqueadas intencionalmente o perder integridad. En tales casos, el receptor GPS puede tardar unos segundos en detectar el mal funcionamiento, lo que es demasiado tiempo para las etapas críticas del vuelo. El GPS se puede utilizar para reducir la altura de decisión por debajo del umbral sin ayuda, hasta los mínimos de altura de decisión de categoría I, pero no por debajo.
