El Sistema de Aumento de Área Amplia ( WAAS ) es una ayuda a la navegación aérea desarrollada por la Administración Federal de Aviación para aumentar el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), con el objetivo de mejorar su precisión, integridad y disponibilidad. Básicamente, WAAS tiene como objetivo permitir que las aeronaves dependan del GPS para todas las fases del vuelo, incluidas las aproximaciones de precisión a cualquier aeropuerto dentro de su área de cobertura. [2] Puede mejorarse aún más con el Sistema de aumento de área local (LAAS), también conocido con el término preferido de la OACI, Sistema de aumento basado en tierra (GBAS), en áreas críticas.
WAAS utiliza una red de estaciones de referencia terrestres, en América del Norte y Hawaii , para medir pequeñas variaciones en las señales de los satélites GPS en el hemisferio occidental . Las mediciones de las estaciones de referencia se envían a estaciones maestras, que ponen en cola la corrección de desviación (DC) recibida y envían los mensajes de corrección a los satélites geoestacionarios WAAS de manera oportuna (cada 5 segundos o mejor). Esos satélites transmiten los mensajes de corrección a la Tierra, donde los receptores GPS habilitados para WAAS utilizan las correcciones mientras calculan sus posiciones para mejorar la precisión.
La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) denomina a este tipo de sistema sistema de aumentación basado en satélites (SBAS). Europa y Asia están desarrollando sus propios SBAS, el sistema indio de navegación geoaumentada asistida por GPS (GAGAN), el servicio europeo de navegación geoestacionaria superpuesta (EGNOS), el sistema japonés de aumento de satélites multifuncionales (MSAS) y el sistema ruso de corrección y seguimiento diferenciales. (SDCM), respectivamente. Los sistemas comerciales incluyen StarFire , OmniSTAR y Atlas .
Un objetivo principal de WAAS era permitir que las aeronaves realizaran una aproximación de Categoría I sin instalar ningún equipo en el aeropuerto. Esto permitiría desarrollar nuevas aproximaciones de aterrizaje por instrumentos basadas en GPS para cualquier aeropuerto, incluso aquellos que no cuentan con ningún equipo terrestre. Una aproximación de Categoría I requiere una precisión de 16 metros (52 pies) lateralmente y 4,0 metros (13,1 pies) verticalmente. [3]
Para alcanzar este objetivo, la especificación WAAS requiere que proporcione una precisión de posición de 7,6 metros (25 pies) o menos (tanto para mediciones laterales como verticales), al menos el 95% del tiempo. [4] Las mediciones de rendimiento reales del sistema en ubicaciones específicas han demostrado que normalmente proporciona más de 1,0 metros (3 pies 3 pulgadas) lateralmente y 1,5 metros (4 pies 11 pulgadas) verticalmente en la mayor parte de los Estados Unidos contiguos y gran parte de Canadá. y Alaska . [1]
La integridad de un sistema de navegación incluye la capacidad de proporcionar advertencias oportunas cuando su señal proporciona datos engañosos que podrían crear peligros. La especificación WAAS requiere que el sistema detecte errores en la red GPS o WAAS y notifique a los usuarios en 6,2 segundos. [4] Certificar que WAAS es seguro para las reglas de vuelo por instrumentos (IFR) (es decir, volar en las nubes) requiere demostrar que existe sólo una probabilidad extremadamente pequeña de que un error que exceda los requisitos de precisión no se detecte. Específicamente, la probabilidad se expresa como 1×10 −7 y equivale a no más de 3 segundos de datos incorrectos por año. Esto proporciona información de integridad equivalente o mejor que la supervisión de integridad autónoma del receptor (RAIM). [5]
La disponibilidad es la probabilidad de que un sistema de navegación cumpla con los requisitos de precisión e integridad. Antes de la llegada de WAAS, las especificaciones de GPS permitían que el sistema no estuviera disponible durante un total de cuatro días al año (99% de disponibilidad). [ cita necesaria ] La especificación WAAS exige una disponibilidad del 99,999% ( cinco nueves ) en toda el área de servicio, equivalente a un tiempo de inactividad de poco más de 5 minutos por año. [4] [5]
WAAS se compone de tres segmentos principales: el segmento terrestre , el segmento espacial y el segmento de usuarios.
El segmento terrestre está compuesto por múltiples Estaciones de Referencia de Área Amplia (WRS). Estas estaciones terrestres monitoreadas con precisión monitorean y recopilan información sobre las señales de GPS, luego envían sus datos a tres estaciones maestras de área amplia (WMS) utilizando una red de comunicaciones terrestres. Las estaciones de referencia también monitorean señales de los satélites geoestacionarios WAAS, proporcionando también información de integridad sobre ellos. En octubre de 2007 había 38 WRS: veinte en los Estados Unidos contiguos (CONUS), siete en Alaska, uno en Hawaii, uno en Puerto Rico, cinco en México y cuatro en Canadá. [6] [7]
Utilizando los datos de los sitios WRS, los WMS generan dos conjuntos diferentes de correcciones: rápidas y lentas. Las correcciones rápidas son para errores que cambian rápidamente y se refieren principalmente a las posiciones instantáneas de los satélites GPS y a los errores de reloj. Estas correcciones se consideran independientes de la posición del usuario, lo que significa que cualquier receptor puede aplicarlas instantáneamente dentro de la huella de transmisión WAAS . Las correcciones lentas incluyen estimaciones de errores efímeros y de reloj a largo plazo, así como información de retraso ionosférico . WAAS proporciona correcciones de retraso para una serie de puntos (organizados en un patrón de cuadrícula) en todo el área de servicio WAAS [2] (consulte el segmento de usuarios, a continuación, para comprender cómo se utilizan estas correcciones).
Una vez que se generan estos mensajes de corrección, los WMS los envían a dos pares de estaciones terrestres de enlace ascendente (GUS), que luego transmiten a los satélites en el segmento espacial para su retransmisión al segmento de usuario. [8]
Cada Centro de Control de Tráfico de Rutas Aéreas de la FAA en los 50 estados tiene una estación de referencia WAAS, excepto Indianápolis . También hay estaciones ubicadas en Canadá, México y Puerto Rico. [2] Consulte la Lista de estaciones de referencia WAAS para conocer las coordenadas de las antenas receptoras individuales. [9]
El segmento espacial consta de múltiples satélites de comunicaciones que transmiten los mensajes de corrección generados por las Estaciones Maestras WAAS para su recepción por el segmento de usuarios. Los satélites también transmiten el mismo tipo de información de alcance que los satélites GPS normales, lo que aumenta efectivamente la cantidad de satélites disponibles para fijar la posición. El segmento espacial consta actualmente de tres satélites comerciales: Eutelsat 117 West B , SES-15 y Galaxy 30 . [10] [11] [12]
Los dos satélites WAAS originales, denominados Región del Océano Pacífico (POR) y Región del Océano Atlántico Oeste (AOR-W), obtuvieron espacio arrendado en satélites Inmarsat III . Estos satélites cesaron las transmisiones WAAS el 31 de julio de 2007. Al acercarse el final del contrato de arrendamiento de Inmarsat, a finales de 2005 se lanzaron dos nuevos satélites ( Galaxy 15 y Anik F1R ). Galaxy 15 es un PanAmSat y Anik F1R es un Telesat . Al igual que con los satélites anteriores, estos son servicios arrendados bajo el contrato del Segmento de Control de Comunicaciones por Satélite Geoestacionario de la FAA con Lockheed Martin para servicios arrendados de satélites geoestacionarios WAAS, quienes fueron contratados para proporcionar hasta tres satélites hasta el año 2016. [13]
Posteriormente se añadió al sistema un tercer satélite. De marzo a noviembre de 2010, la FAA transmitió una señal de prueba WAAS en un transpondedor alquilado en el satélite Inmarsat-4 F3. [14] La señal de prueba no se pudo utilizar para la navegación, pero se pudo recibir y se informó con los números de identificación PRN 133 (NMEA #46). En noviembre de 2010, la señal fue certificada como operativa y puesta a disposición para la navegación. [15] Luego de las pruebas en órbita, Eutelsat 117 West B, que transmite la señal en PRN 131 (NMEA #44), fue certificado como operativo y estuvo disponible para la navegación el 27 de marzo de 2018. El satélite SES 15 fue lanzado el 18 de mayo de 2017. , y tras una prueba en órbita de varios meses, entró en funcionamiento el 15 de julio de 2019. En 2018, se adjudicó un contrato para colocar una carga útil WAAS de banda L en el satélite Galaxy 30. El satélite se lanzó con éxito el 15 de agosto de 2020 y las transmisiones WAAS se pusieron en funcionamiento el 26 de abril de 2022, reutilizando PRN 135 (NMEA #48). [16] [17] Después de aproximadamente tres semanas con cuatro satélites WAAS activos, las transmisiones WAAS operativas en el Anik F1-R finalizaron el 17 de mayo de 2022. [17]
En la tabla anterior, PRN es el código de número pseudoaleatorio real del satélite. NMEA es el número de satélite enviado por algunos receptores cuando emiten información satelital (NMEA = PRN - 87).
El segmento de usuario es el receptor GPS y WAAS, que utiliza la información transmitida desde cada satélite GPS para determinar su ubicación y la hora actual, y recibe las correcciones WAAS del segmento Espacial. Los dos tipos de mensajes de corrección recibidos (rápido y lento) se utilizan de diferentes maneras.
El receptor GPS puede aplicar inmediatamente el tipo rápido de datos de corrección, que incluye la posición corregida del satélite y los datos del reloj, y determina su ubicación actual utilizando cálculos GPS normales. Una vez que se obtiene una posición aproximada, el receptor comienza a utilizar correcciones lentas para mejorar su precisión. Entre los datos de corrección lenta se encuentra el retraso ionosférico. A medida que la señal GPS viaja desde el satélite al receptor, pasa a través de la ionosfera. El receptor calcula la ubicación donde la señal atravesó la ionosfera y, si ha recibido un valor de retraso ionosférico para esa ubicación, corrige el error creado por la ionosfera.
Si bien los datos lentos se pueden actualizar cada minuto si es necesario, los errores de efemérides y los errores de ionosfera no cambian con tanta frecuencia, por lo que solo se actualizan cada dos minutos y se consideran válidos hasta por seis minutos. [20]
El WAAS fue desarrollado conjuntamente por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos (DOT) y la Administración Federal de Aviación (FAA) como parte del Programa Federal de Radionavegación (DOT-VNTSC-RSPA-95-1/DOD-4650.5), a partir de 1994. Proporcionar un rendimiento comparable al del sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS) de categoría 1 para todas las aeronaves que posean el equipo debidamente certificado. [2] Sin WAAS, las perturbaciones ionosféricas, la deriva del reloj y los errores de la órbita de los satélites crean demasiado error e incertidumbre en la señal GPS para cumplir con los requisitos de una aproximación de precisión (ver Fuentes de error del GPS ). Una aproximación de precisión incluye información de altitud y proporciona guía de rumbo, distancia desde la pista e información de elevación en todos los puntos a lo largo de la aproximación, generalmente hasta altitudes y mínimos climáticos más bajos que las aproximaciones que no son de precisión.
Antes del WAAS, el Sistema Nacional del Espacio Aéreo (NAS) de EE. UU. no tenía la capacidad de proporcionar navegación lateral y vertical para aproximaciones de precisión para todos los usuarios en todas las ubicaciones. El sistema tradicional para aproximaciones de precisión es el sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS), que utilizaba una serie de transmisores de radio, cada uno de los cuales transmitía una única señal a la aeronave. Esta compleja serie de radios debe instalarse en cada extremo de la pista, algunas fuera del sitio, a lo largo de una línea que se extiende desde la línea central de la pista, lo que hace que la implementación de una aproximación de precisión sea difícil y muy costosa. El sistema ILS está compuesto por 180 antenas transmisoras diferentes en cada punto construido. El sistema más nuevo no tiene enormes sistemas de antenas en cada aeropuerto. [¿ según quién? ]
Durante algún tiempo, la FAA y la NASA desarrollaron un sistema muy mejorado, el sistema de aterrizaje por microondas (MLS). Todo el sistema MLS para una aproximación particular estaba aislado en una o dos cajas ubicadas al lado de la pista, lo que redujo drásticamente el costo de implementación. MLS también ofreció una serie de ventajas prácticas que facilitaron las consideraciones de tráfico, tanto para las aeronaves como para los canales de radio. Desafortunadamente, la MLS también requeriría que todos los aeropuertos y aviones actualicen sus equipos.
Durante el desarrollo de MLS, comenzaron a aparecer receptores GPS de consumo de diversas calidades. El GPS ofrecía un gran número de ventajas al piloto, combinando todos los sistemas de navegación de larga distancia de un avión en un único sistema fácil de usar, a menudo lo suficientemente pequeño como para llevarlo en la mano. El despliegue de un sistema de navegación aérea basado en GPS fue en gran medida un problema de desarrollo de nuevas técnicas y normas, en lugar de nuevos equipos. La FAA comenzó a planificar el cierre de sus sistemas de larga distancia existentes ( VOR y NDB ) en favor del GPS. Sin embargo, esto dejó el problema de los enfoques. El GPS simplemente no es lo suficientemente preciso como para reemplazar los sistemas ILS. La precisión típica es de unos 15 metros (49 pies), mientras que incluso una aproximación "CAT I", la menos exigente, requiere una precisión vertical de 4 metros (13 pies).
Esta inexactitud en el GPS se debe principalmente a las grandes "oleadas" en la ionosfera , que ralentizan la señal de radio de los satélites en una cantidad aleatoria. Dado que el GPS se basa en cronometrar las señales para medir distancias, esta desaceleración de la señal hace que el satélite parezca más lejano. Las olas se mueven lentamente y se pueden caracterizar utilizando una variedad de métodos desde el suelo o examinando las propias señales del GPS. Al transmitir esta información a los receptores GPS aproximadamente cada minuto, esta fuente de error se puede reducir significativamente. Esto llevó al concepto de GPS diferencial , que utilizaba sistemas de radio separados para transmitir la señal de corrección a los receptores. Luego, los aviones podrían instalar un receptor que se conectaría a la unidad GPS y la señal se transmitiría en una variedad de frecuencias para diferentes usuarios (radio FM para automóviles, onda larga para barcos, etc.). Las emisoras de la potencia requerida generalmente se agrupan alrededor de ciudades más grandes, lo que hace que estos sistemas DGPS sean menos útiles para la navegación en áreas extensas. Además, la mayoría de las señales de radio están en la línea de visión o pueden ser distorsionadas por el suelo, lo que dificulta el uso del DGPS como sistema de aproximación de precisión o cuando se vuela bajo por otras razones.
La FAA consideró sistemas que podrían permitir que las mismas señales de corrección se transmitieran a un área mucho más amplia, como por ejemplo desde un satélite, que condujera directamente a WAAS. Dado que una unidad GPS ya consta de un receptor de satélite, tenía mucho más sentido enviar las señales de corrección en las mismas frecuencias utilizadas por las unidades GPS que utilizar un sistema completamente separado y así duplicar la probabilidad de fallo. Además de reducir los costes de implementación al "llevar a cuestas" el lanzamiento de un satélite planificado, esto también permitió que la señal se transmitiera desde una órbita geoestacionaria , lo que significaba que un pequeño número de satélites podría cubrir toda América del Norte.
El 10 de julio de 2003, se activó la señal WAAS para la aviación general, cubriendo el 95% de los Estados Unidos y partes de Alaska que ofrecen mínimos de 350 pies (110 m).
El 17 de enero de 2008, Hickok & Associates, con sede en Alabama, se convirtió en el primer diseñador de helicópteros WAAS con aproximaciones de rendimiento de localizador (LP) y rendimiento de localizador con guía vertical (LPV), y la única entidad con criterios aprobados por la FAA (que incluso la FAA tiene). aún por desarrollar). [21] [22] [23] Los criterios WAAS de este helicóptero ofrecen mínimos tan bajos como 250 pies y requisitos de visibilidad reducidos para permitir misiones que antes no eran posibles. El 1 de abril de 2009, FAA AFS-400 aprobó los primeros tres procedimientos de aproximación GPS WAAS para helicópteros para California Shock/Trauma Air Rescue (CALSTAR), cliente de Hickok & Associates. Desde entonces, han diseñado muchos enfoques de helicópteros WAAS aprobados para varios hospitales de EMS y proveedores de servicios aéreos, dentro de los Estados Unidos y en otros países y continentes.
El 30 de diciembre de 2009, Horizon Air, con sede en Seattle, realizó el primer vuelo con servicio regular de pasajeros [24] utilizando WAAS con LPV en el vuelo 2014, un vuelo de Portland a Seattle operado por un Bombardier Q400 con un WAAS FMS de Universal Avionics. La aerolínea, en asociación con la FAA, equipará siete aviones Q400 con WAAS y compartirá datos de vuelo para determinar mejor la idoneidad de WAAS en aplicaciones de servicios aéreos regulares.
Cronología del sistema de aumento de área amplia (WAAS)
[25]
WAAS aborda todos los "problemas de navegación", proporcionando un posicionamiento de alta precisión que es extremadamente fácil de usar, por el costo de un solo receptor instalado en la aeronave. La infraestructura terrestre y espacial es relativamente limitada y no se necesita ningún sistema en el aeropuerto. WAAS permite publicar una aproximación de precisión para cualquier aeropuerto, por el coste de desarrollar los procedimientos y publicar las nuevas placas de aproximación. Esto significa que casi cualquier aeropuerto puede tener una aproximación de precisión y el coste de implementación se reduce drásticamente.
Además, WAAS funciona igual de bien entre aeropuertos. Esto permite que la aeronave vuele directamente de un aeropuerto a otro, en lugar de seguir rutas basadas en señales terrestres. Esto puede reducir considerablemente las distancias de las rutas en algunos casos, ahorrando tiempo y combustible. Además, debido a su capacidad para proporcionar información sobre la exactitud de la información de cada satélite GPS, las aeronaves equipadas con WAAS pueden volar a altitudes en ruta más bajas que las que eran posibles con los sistemas terrestres, que a menudo estaban bloqueados por terrenos de diferentes tamaños. elevación. Esto permite a los pilotos volar de forma segura a altitudes más bajas, sin tener que depender de sistemas terrestres. Para aviones sin presión, esto conserva el oxígeno y mejora la seguridad.
Los beneficios anteriores no sólo crean comodidad, sino que también tienen el potencial de generar importantes ahorros de costos. El costo de proporcionar la señal WAAS, que llegue a los 5.400 aeropuertos de uso público, es de poco menos de 50 millones de dólares al año. En comparación, los actuales sistemas terrestres, como el Sistema de Aterrizaje por Instrumentos (ILS), instalados en sólo 600 aeropuertos, cuestan 82 millones de dólares en mantenimiento anual. [ cita necesaria ] Sin comprar hardware de navegación terrestre, el costo total de publicar la aproximación WAAS de una pista es de aproximadamente 50.000 dólares estadounidenses; en comparación con el costo de $1,000,000 a $1,500,000 para instalar un sistema de radio ILS. [27]
A pesar de todos sus beneficios, WAAS no está exento de inconvenientes y limitaciones críticas:
En 2007, se proyectó que la guía vertical WAAS estaría disponible casi todo el tiempo (más del 99%) y su cobertura abarca todo el territorio continental de EE. UU., la mayor parte de Alaska, el norte de México y el sur de Canadá. [30] En ese momento, la precisión del WAAS cumpliría o superaría los requisitos para las aproximaciones ILS de Categoría 1 , es decir, información de posición tridimensional hasta 200 pies (60 m) sobre la elevación de la zona de toma de contacto. [3]
Las mejoras de software, que se implementarán en septiembre de 2008, mejoran significativamente la disponibilidad de señales de guía vertical en todo CONUS y Alaska. El área cubierta por la solución LPV disponible al 95% en Alaska mejora del 62% al 86%. Y en el CONUS, la cobertura de 100% de disponibilidad LPV-200 sube del 48% al 84%, con una cobertura del 100% de la solución LPV. [7]
Tanto el Galaxy XV (PRN #135) como el Anik F1R (PRN #138) contienen una carga útil GPS L1 y L5. Esto significa que potencialmente se podrán utilizar con las señales GPS modernizadas L5 cuando las nuevas señales y receptores estén disponibles. Con L5, la aviónica podrá utilizar una combinación de señales para proporcionar el servicio más preciso posible, aumentando así la disponibilidad del servicio. Estos sistemas de aviónica utilizarán correcciones ionosféricas transmitidas por WAAS o correcciones de doble frecuencia a bordo autogeneradas, según cuál sea más precisa. [31]