El Sistema de Aumento de Área Amplia ( WAAS ) es una ayuda a la navegación aérea desarrollada por la Administración Federal de Aviación para ampliar el Sistema de Posicionamiento Global (GPS), con el objetivo de mejorar su precisión, integridad y disponibilidad. Básicamente, el WAAS está destinado a permitir que las aeronaves confíen en el 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 por 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 Hawái , 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 menos). Esos satélites transmiten los mensajes de corrección a la Tierra, donde los receptores GPS habilitados con 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 un sistema de aumentación basado en satélites (SBAS). Europa y Asia están desarrollando sus propios SBAS: el sistema indio de navegación geográfica aumentada asistida por GPS (GAGAN), el sistema europeo de navegación geoestacionaria por superposición (EGNOS), el sistema japonés de aumentación por satélite multifuncional (MSAS) y el sistema ruso de corrección y monitoreo diferencial (SDCM), respectivamente. Entre los sistemas comerciales se encuentran StarFire , OmniSTAR y Atlas .
Un objetivo principal de WAAS era permitir que las aeronaves realizaran una aproximación de categoría I sin necesidad de instalar ningún equipo en el aeropuerto. Esto permitiría desarrollar nuevas aproximaciones de aterrizaje instrumental basadas en GPS para cualquier aeropuerto, incluso aquellos sin ningún equipo en tierra. Una aproximación de categoría I requiere una precisión de 16 metros (52 pies) lateralmente y 4,0 metros (13,1 pies) verticalmente. [3]
Para cumplir con este objetivo, la especificación WAAS requiere que proporcione una precisión de posición de 7,6 metros (25 pies) o menos (para mediciones laterales y verticales), al menos el 95% del tiempo. [4] Las mediciones de rendimiento reales del sistema en ubicaciones específicas han demostrado que generalmente proporciona más de 1,0 metro (3 pies 3 pulgadas) lateralmente y 1,5 metros (4 pies 11 pulgadas) verticalmente en la mayor parte de los Estados Unidos contiguos y grandes partes 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 un plazo de 6,2 segundos. [4] Certificar que WAAS es seguro para las reglas de vuelo por instrumentos (es decir, volar en las nubes) requiere demostrar que solo existe una probabilidad extremadamente pequeña de que un error que exceda los requisitos de precisión pase desapercibido. Específicamente, la probabilidad se establece como 1×10 −7 y es equivalente a no más de 3 segundos de datos erróneos por año. Esto proporciona información de integridad equivalente o mejor que la Monitorización 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 GPS permitían una indisponibilidad del sistema de hasta cuatro días al año (disponibilidad del 99%). [ cita requerida ] La especificación WAAS exige una disponibilidad del 99,999 % ( cinco nueves ) en toda el área de servicio, lo que equivale a un tiempo de inactividad de poco más de cinco minutos al año. [4] [5]
WAAS se compone de tres segmentos principales: el segmento terrestre , el segmento espacial y el segmento de usuario.
El segmento terrestre está compuesto por múltiples estaciones de referencia de área amplia (WRS). Estas estaciones terrestres, estudiadas con precisión, monitorean y recopilan información sobre las señales GPS y luego envían sus datos a tres estaciones maestras de área amplia (WMS) mediante una red de comunicaciones terrestres. Las estaciones de referencia también monitorean las señales de los satélites geoestacionarios WAAS y brindan información de integridad sobre ellas. En octubre de 2007, había 38 WRS: veinte en los Estados Unidos continentales (CONUS), siete en Alaska, una en Hawái, una 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 dentro de la huella de transmisión WAAS puede aplicarlas instantáneamente. Las correcciones lentas incluyen estimaciones de errores efímeros y de reloj a largo plazo , así como información de retardo ionosférico . WAAS proporciona correcciones de retardo para una serie de puntos (organizados en un patrón de cuadrícula) en toda el área de servicio WAAS [2] (consulte Segmento de usuario, a continuación, para comprender cómo se utilizan estas correcciones).
Una vez generados estos mensajes de corrección, los WMS los envían a dos pares de estaciones de enlace ascendente terrestres (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 aéreo de la FAA en los 50 estados tiene una estación de referencia WAAS, excepto en 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 usuario. Los satélites también transmiten el mismo tipo de información de alcance que los satélites GPS normales, lo que aumenta de manera efectiva el número de satélites disponibles para fijar una posición. El segmento espacial actualmente consta 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), fueron arrendados a satélites Inmarsat III . Estos satélites cesaron sus transmisiones WAAS el 31 de julio de 2007. Cuando se acercaba el fin del contrato de arrendamiento de Inmarsat, se lanzaron dos nuevos satélites ( Galaxy 15 y Anik F1R ) a fines de 2005. 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]
Un tercer satélite se añadió posteriormente al sistema. 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 era utilizable para la navegación, pero podía recibirse y se informó con los números de identificación PRN 133 (NMEA #46). En noviembre de 2010, la señal fue certificada como operativa y se puso a disposición para la navegación. [15] Tras las pruebas en órbita, Eutelsat 117 West B, que transmitía señal en PRN 131 (NMEA #44), fue certificado como operativo y se puso a disposición para la navegación el 27 de marzo de 2018. El satélite SES 15 se lanzó el 18 de mayo de 2017 y, tras una prueba en órbita de varios meses, se puso 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 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 que envían algunos receptores al enviar información satelital (NMEA = PRN - 87).
El segmento de usuario es el receptor GPS y WAAS, que utiliza la información transmitida por 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 (rápidos y lentos) se utilizan de forma diferente.
El receptor GPS puede aplicar inmediatamente el tipo rápido de datos de corrección, que incluye la posición del satélite corregida 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 las correcciones lentas para mejorar su precisión. Entre los datos de corrección lenta se encuentra el retardo ionosférico. A medida que la señal GPS viaja desde el satélite hasta el 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 retardo 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 por hasta 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, para proporcionar un rendimiento comparable al sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS) de categoría 1 para todas las aeronaves que poseen el equipo certificado adecuadamente. [2] Sin WAAS, las perturbaciones ionosféricas, la deriva del reloj y los errores de órbita de los satélites crean demasiado error e incertidumbre en la señal GPS para cumplir con los requisitos de una aproximación de precisión (consulte 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 más bajas y mínimos meteorológicos que las aproximaciones que no son de precisión.
Antes del WAAS, el Sistema Nacional del Espacio Aéreo (NAS) de los Estados Unidos 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 utiliza una serie de transmisores de radio, cada uno de los cuales transmite 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 el eje 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 de transmisión diferentes en cada punto construido.
Durante algún tiempo, la FAA y la NASA desarrollaron un sistema mucho mejor, el sistema de aterrizaje por microondas (MLS). Todo el sistema MLS para una aproximación particular se aislaba en una o dos cajas ubicadas junto a la pista, lo que reducía drásticamente el costo de implementación. El MLS también ofrecía una serie de ventajas prácticas que facilitaban las consideraciones de tráfico, tanto para las aeronaves como para los canales de radio. Lamentablemente, el MLS también requeriría que todos los aeropuertos y aeronaves actualizaran su equipo.
Durante el desarrollo del MLS, comenzaron a aparecer receptores GPS de consumo de diversa calidad. El GPS ofrecía una gran cantidad de ventajas al piloto, ya que combinaba todos los sistemas de navegación de larga distancia de una aeronave en un único sistema fácil de usar, a menudo lo suficientemente pequeño como para sostenerlo con la mano. La implementación de un sistema de navegación de aeronaves basado en GPS fue en gran medida un problema de desarrollo de nuevas técnicas y estándares, en lugar de nuevos equipos. La FAA comenzó a planificar el cierre de sus sistemas de larga distancia existentes ( VOR y NDB ) a favor del GPS. Sin embargo, esto dejó el problema de las aproximaciones. El GPS simplemente no es lo suficientemente preciso como para reemplazar a 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 del GPS se debe principalmente a las grandes "olas" en la ionosfera , que ralentizan la señal de radio de los satélites en una cantidad aleatoria. Dado que el GPS se basa en la sincronización de las señales para medir las distancias, esta ralentización 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 cada minuto aproximadamente, esta fuente de error se puede reducir significativamente. Esto condujo al concepto de GPS diferencial , que utilizaba sistemas de radio separados para transmitir la señal de corrección a los receptores. Los aviones podían entonces 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 las ciudades más grandes, lo que hace que estos sistemas DGPS sean menos útiles para la navegación de área amplia. Además, la mayoría de las señales de radio se encuentran en la línea de visión o pueden ser distorsionadas por el suelo, lo que hace que el DGPS sea difícil de usar 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 en un área mucho más amplia, como por ejemplo desde un satélite, lo que llevaría 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, por lo tanto, duplicar la probabilidad de falla. Además de reducir los costos de implementación al "aprovechar" un lanzamiento de 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 ofreciendo 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 aproximaciones WAAS con rendimiento de localizador (LP) y rendimiento de localizador con guía vertical (LPV) para helicópteros, y la única entidad con criterios aprobados por la FAA (que ni siquiera la FAA ha desarrollado aún). [21] [22] [23] Estos criterios WAAS para helicópteros ofrecen mínimos de tan solo 250 pies y requisitos de visibilidad reducida para permitir misiones que anteriormente no eran posibles. El 1 de abril de 2009, la FAA AFS-400 aprobó los primeros tres procedimientos de aproximación WAAS GPS para helicópteros para el cliente de Hickok & Associates, California Shock/Trauma Air Rescue (CALSTAR). Desde entonces, han diseñado muchas aproximaciones WAAS para helicópteros aprobadas para varios hospitales y proveedores aéreos de servicios médicos de emergencia, dentro de los Estados Unidos, así como en otros países y continentes.
El 30 de diciembre de 2009, Horizon Air, con sede en Seattle, realizó el primer vuelo de 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 sistema de gestión de vuelo WAAS 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 servicio aéreo regular. [ necesita actualización ]
Cronología del sistema de aumento de área amplia (WAAS)
[25]
WAAS resuelve 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 costo 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 costo de implementación se reduce drásticamente.
Además, el WAAS funciona igual de bien entre aeropuertos. Esto permite que los aviones vuelen directamente de un aeropuerto a otro, en lugar de seguir rutas basadas en señales terrestres. Esto puede reducir considerablemente las distancias de ruta en algunos casos, ahorrando tiempo y combustible. Además, debido a su capacidad para proporcionar información sobre la precisión de la información de cada satélite GPS, los aviones equipados con WAAS pueden volar a altitudes en ruta más bajas de las que era posible con los sistemas terrestres, que a menudo se veían bloqueados por terrenos de elevación variable. Esto permite a los pilotos volar con seguridad a altitudes más bajas, sin tener que depender de los sistemas terrestres. Para los aviones no presurizados, esto conserva el oxígeno y mejora la seguridad.
Los beneficios mencionados anteriormente no sólo crean conveniencia, sino que también tienen el potencial de generar ahorros significativos en los costos. El costo de proporcionar la señal WAAS, que sirve a los 5.400 aeropuertos de uso público, es de poco menos de 50 millones de dólares estadounidenses por año. En comparación, los sistemas terrestres actuales, como el sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS), instalado en sólo 600 aeropuertos, cuestan 82 millones de dólares estadounidenses en mantenimiento anual. [ cita requerida ] Sin la compra de 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 entre 1.000.000 y 1.500.000 dólares que cuesta 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 Estados Unidos, la mayor parte de Alaska, el norte de México y el sur de Canadá. [30] En ese momento, la precisión de WAAS cumpliría o superaría los requisitos para las aproximaciones ILS de Categoría 1 , es decir, información de posición tridimensional hasta 200 pies (60 m) por encima de la elevación de la zona de aterrizaje. [3]
Las mejoras de software, que se implementarán en septiembre de 2008, mejorarán significativamente la disponibilidad de la señal de guía vertical en todo el territorio continental de los Estados Unidos y Alaska. El área cubierta por la solución LPV con una disponibilidad del 95% en Alaska mejora del 62% al 86%. Y en el territorio continental de los Estados Unidos, la cobertura LPV-200 con una disponibilidad del 100% aumenta 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 podrán utilizarse 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 autogeneradas a bordo, dependiendo de cuál sea más precisa. [31]