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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 se la muestra al piloto, para proporcionar una imagen en la que la escena y los objetos en ella puedan detectarse mejor. En otras palabras, un EFVS es un sistema que proporciona al piloto una imagen mejor que la visión humana sin ayuda. Un EFVS incluye sensores de imágenes (uno o varios), 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 frontal . Un EFVS se puede combinar con un sistema de visión sintético para crear un sistema de visión combinado. [1]
Un EFVS puede montarse en un avión militar o civil, 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 con respecto al 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 está relacionada con el sistema de visión sintética que incorpora información de sensores basados en aeronaves (por ejemplo, cámaras de infrarrojo cercano, radares de ondas milimétricas) para proporcionar visión en entornos de visibilidad limitada.
Los pilotos de aviones militares disponen de sistemas de visión nocturna desde hace muchos años. Más recientemente, los aviones de negocios han agregado capacidades similares a las aeronaves para mejorar el conocimiento de la situación del piloto en condiciones de poca visibilidad debido al clima o la neblina, y de noche. La primera certificación civil de un sistema de visión mejorada en un avión fue realizada por primera vez por Gulfstream Aerospace utilizando una cámara de infrarrojos Kollsman. Originalmente ofrecido como una opción en el avión Gulfstream V, se convirtió en equipo estándar en 2003 cuando se introdujo el Gulfstream G550 y siguió al Gulfstream G450 y al Gulfstream G650 . Hasta 2009, Gulfstream ha entregado más de 500 aviones con un EVS certificado instalado. Siguieron otros fabricantes de equipos originales de aviones, 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 opción en el B787 y el B737 MAX.
El Gulfstream EVS [2] y los sistemas EVS II posteriores utilizan una cámara de infrarrojos montada en el morro del avión para proyectar una imagen rasterizada en el head-up display (HUD). La imagen IR en el HUD se ajusta a la escena exterior, lo que significa que los objetos detectados por la cámara IR son del mismo tamaño y están alineados con los objetos fuera de la aeronave. Por lo tanto, en condiciones de poca visibilidad, el piloto puede ver la imagen de la cámara de infrarrojos y puede realizar una transición sencilla y sin problemas al mundo exterior a medida que la aeronave 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 con visibilidad limitada. Un piloto en una aproximación estabilizada puede reconocer el entorno de la pista (luces, marcas de pista, etc.) antes en preparación para el aterrizaje. Obstáculos como terreno, estructuras y vehículos u otras aeronaves en la pista que de otro modo no se verían son claramente visibles en la imagen IR.
La FAA otorga algunos mínimos operativos adicionales a las aeronaves equipadas con sistemas de visión mejorados certificados que permiten aproximaciones de Categoría I a mínimos de Categoría II. Por lo general, a un operador se le permite descender a altitudes más bajas más cercanas a la superficie de la pista (generalmente tan bajas como 100 pies) con poca visibilidad para mejorar las posibilidades de detectar el entorno de la pista antes del aterrizaje. A las aeronaves no equipadas con tales 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, incluido el radar de ondas milimétricas activo y pasivo. En 2009, DARPA proporcionó financiación para desarrollar "Sandblaster", un sistema de visión mejorada basado en radar de ondas milimétricas instalado en helicópteros que permite al piloto ver y evitar obstáculos en el área de aterrizaje que pueden estar oscurecidos por el humo, la arena o el polvo.
La combinación de tipos de sensores diferentes, como IR de onda larga, IR de onda corta y radar de onda milimétrica, 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 IR de onda larga puede verse degradado en algunos tipos de precipitación de grandes gotas de agua donde el radar de onda milimétrica se vería menos afectado.
Los dispositivos de visión nocturna para el personal militar están operativos desde la época de la Segunda Guerra Mundial . Su uso ha sido adoptado también por pilotos militares, principalmente en aviones de ala rotatoria (helicópteros). El uso de tales dispositivos ha sido sugerido por 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 aviones civiles en desarrollar y obtener la certificación de sus aviones para EVS producidos 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 fue modificada en 2004 con correcciones a FAA FAR 91.175. [5] Esta es la primera vez que un EFVS ofrece una ventaja comercial concreta sobre la visión sin ayuda.
Los primeros EVS estaban compuestos por una cámara infrarroja orientada hacia adelante (FLIR) de onda media enfriada (MWIR) y un HUD, certificado 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 Seguridad e Independencia Energética de 2007 ) han provocado que algunos aeropuertos cambien a iluminación LED , que tiene una firma térmica más baja.
Sin embargo, desde 2007, los aeropuertos están cambiando a iluminación LED de mayor eficiencia energética , que 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 generaciones anteriores de EVS. Los futuros diseños de EVS se centran en la visión en todo clima, lo que se puede lograr fusionando de manera inteligente imágenes y datos de cámaras que funcionan en luz visible, infrarroja y ondas milimétricas .
Un EFVS se puede montar en cualquier tipo de embarcación. La plataforma típica es un avión de pasajeros pequeño, ya que es más rentable utilizar un EFVS que un sistema de aterrizaje instrumental, que se utiliza en aviones de pasajeros más grandes.
La NASA está desarrollando un nuevo avión supersónico, el X-59 QueSST , para estudiar tecnología relacionada con mejores aviones de pasajeros supersónicos. Una característica clave es una nariz opaca, a través de la cual el piloto no puede ver. La NASA está considerando utilizar 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 orientada hacia adelante (FLIR). Los FLIR son de dos tipos principales: uno es la cámara de banda MWIR (3–5 um) refrigerada de alta gama , que tiene mejor resolución de temperatura y velocidad de fotogramas pero es más cara y voluminosa, y el otro son los microbolómetros no refrigerados que funcionan en La banda LWIR (8-14 um) del espectro de luz son pequeñas y baratas, pero menos "nítidas" en cuanto 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 normalmente no está refrigerado, ya que en la mayoría de los casos tiene una mejor penetración atmosférica (lo veremos más adelante), mientras que los detalles finos de la imagen los proporcionará un sensor complementario.
La visión natural sin ayuda en la porción visible del espectro de luz, junto con el infrarrojo cercano , se puede mejorar mediante el uso de cámaras de alta gama. Una cámara de este tipo puede ser una cámara de alto rango dinámico para visión diurna, una cámara CMOS para condiciones de poca luz (a veces llamada CMOS científica o sCMOS) y gafas de visión nocturna .
En visión diurna y con mucha luz puede parecer que no es necesario mejorar la visión natural, pero hay determinados casos en los que puede ser necesario. Por ejemplo, en una situación de fuerte neblina en la que toda la escena es muy brillante y las características no se distinguen, 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 más lejos que la visión natural.
Una cámara SWIR ( infrarroja de longitud de onda corta ) es una tecnología relativamente nueva. Puede ofrecer ventajas para un EFVS, tales como: mejor penetración de la 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 se ha informado del uso de una cámara SWIR en un EFVS comercial.
Una cámara pasiva de ondas milimétricas (PMMW) es capaz de producir una imagen de vídeo en tiempo real, con la ventaja de ver a través de nubes, niebla y arena. El uso de cámaras pasivas de ondas milimétricas es una tecnología prometedora para sistemas mejorados de visión de vuelo basados en aeronaves, así como para la navegación de barcos en condiciones de baja visibilidad y aplicaciones industriales. La primera cámara pasiva de ondas milimétricas disponible comercialmente para uso en aviones fue creada por Vū Systems [8] y lanzada en la Conferencia de la Asociación Nacional de Aviación Comercial (NBAA) en octubre de 2019. [9]
Hoy en día se utilizan escáneres pasivos de ondas milimétricas de corto alcance para controles en aeropuertos [10] y en muchos programas de investigación científica. [11] [12]
El funcionamiento de una cámara pasiva de ondas milimétricas se basa en medir la diferencia o contraste de temperaturas, pero en frecuencias de ondas milimétricas, en un rango comprendido entre 30 GHz y 300 GHz. [13] [ referencia circular ]
La NASA también propuso un radar de imágenes en la década de 1990. [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 recursos de cálculo muy elevados, ya que la imagen se forma mediante cálculo digital y no mediante una lente. Ha habido prototipos voladores, pero aún no está disponible comercialmente.
Un lidar es un sistema láser que escanea el volumen circundante y proporciona la ubicación de objetos en 3D. 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 de distancia, pero en principio no está limitado. Debido a la distancia relativamente corta, se considera más para helicópteros que para aviones. También puede ayudar a penetrar la luz en condiciones atmosféricas moderadas de baja visibilidad, como niebla y polvo. 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 producir una imagen sintética basada en los datos de la escena en la memoria y la ubicación de la aeronave, y mostrarla ante el piloto. En principio, un piloto podría aterrizar basándose en esta imagen sintética, sujeto a su precisión y fidelidad.
La pantalla para el piloto es transparente , lo que significa que permite tanto ver la escena directamente con visión sin ayuda como ver una imagen proyectada. La pantalla es de dos tipos:
Una pantalla head-down es una pantalla LCD instalada debajo de la ventana, de ahí el nombre "head-down". Generalmente no se utiliza como pantalla EFVS, ya que la escena externa no se puede ver al mirarla.
Además de la imagen mejorada de los sensores, la imagen mostrada al piloto incluirá simbología, que es una colección de señales visuales mostradas al piloto con respecto a la altitud, el azimut, la orientación del horizonte, la trayectoria de vuelo, el estado del combustible, otras aeronaves, etc., y en Aviónica militar, símbolos adicionales de amigos/enemigos, señales del sistema de puntería, miras de armas, etc.
Las imágenes y la simbología del EFVS mostradas deben presentarse de manera que estén alineadas y escaladas con la vista externa. El proceso de alineación se llama armonización . Un head-up display debe estar armonizado con los sensores de imágenes. Una pantalla montada en la cabeza se mueve constantemente con la cabeza del piloto y, por lo tanto, se debe realizar un seguimiento continuo para que la imagen mostrada se ajuste a la escena en tiempo real; consulte Pantalla montada en el casco . Existe un problema adicional del desfase entre la imagen y el movimiento de la cabeza, que debe ser muy pequeño para no provocar mareos.
El objetivo principal de un EVS es permitir el despegue , el aterrizaje y el rodaje en condiciones de mala visibilidad, donde de otro modo el aterrizaje no sería seguro. La FAA certifica un EVS para aterrizar solo si se combina con un HUD , en cuyo caso se denomina EFVS. [dieciséis]
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 en 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 acerca al suelo, debe ver una referencia visual para continuar la aproximación. Las referencias visuales deben ser una de las siguientes (ver pista ):
Si el piloto no puede ver dicha referencia en la altura de decisión, debe abortar el aterrizaje y luego dar un círculo 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. Este cambio se puede evitar si se instala una pantalla transparente para mostrar información al piloto mientras también mira hacia afuera.
Los HUD y luego los EVS llegaron a los aviones comerciales en 2001 y la FAA publicó reglas EVFS en 2016 para aterrizar con poca visibilidad a través de un HUD, excluyendo el uso de PFD , con un sistema de visión sintético y mejorado (CVS) combinado. Según 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 Elbit HUD y su cámara, 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 un rango visual de pista de 1000 pies (300 m) , para aterrizar y desplegarse, después de 50 aproximaciones de prueba, y las pruebas en visibilidades más bajas podrían permitir reduciendo el límite, y seguirán las aprobaciones para Gulfstreams anteriores. [18] En octubre de 2018, el Falcon 8X FalconEye fue aprobado por la FAA y EASA para aproximaciones de hasta 100 pies (30 m). [19] Los Falcon 2000 y 900LX fueron aprobados a principios de 2019. [20] Un HUD FalconEye dual permitirá el aterrizaje de vehículos eléctricos en 2020, sin utilizar 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]
Bombardier Globals usa un HUD y una cámara de Rockwell Collins, mientras que los Gulfstream tienen una cámara Kollsman (Elbit) enfriada y un HUD de Rockwell Collins. [17] Las primeras cámaras de antimoniuro de indio (InSb) enfriadas criogénicamente podían detectar infrarrojos medios de 1,0 a 5,0 micrones para luces incandescentes calientes de pistas y algo de radiación de fondo de su superficie, ciegas a longitudes de onda visibles para luces LED de aeropuertos o infrarrojos de onda larga para Detalles más finos del entorno: Elbit FalconEye ve en la banda de luz visible y de infrarrojo cercano 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 por instrumentos , o ILS, se basa en señales de radio para permitir su funcionamiento en cualquier clima. Para que se permita un aterrizaje ILS, el sistema debe estar instalado en tierra y se requiere una aeronave adecuadamente equipada 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 en el camino de la señal, pendiente de aterrizaje no recta).
Si bien el GPS tiene una precisión inherente muy alta, la confiabilidad no es lo suficientemente alta para aterrizar. Las señales de GPS pueden verse 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 etapas críticas de 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 más bajo.
