Elasticidad en la gestión de la aproximación final

Por Alejandro Martín iglesias y José manuel Rísquez Fernández

1. Introducción a la aproximación final

Un proveedor de servicios de Navegación Aérea tiene como cometido gestionar de forma segura y eficiente la demanda de tráfico que quiere operar en el espacio aéreo o aeropuertos de su responsabilidad. Los espacios aéreos en los que las aeronaves alcanzan niveles de vuelo de crucero o en los que transitan en ascenso o descenso hacia/desde ellos, se puede decir simplificando la explicación que son sectores de ruta. Otros espacios aéreos en los que el tráfico opera en niveles de vuelo inferiores atendiendo fundamentalmente las fases de vuelo próximas a uno o varios aeropuertos, se puede simplificar en que son sectores de área terminal (TMA). En estos sectores de TMA la mayor parte del tráfico se encuentra en evolución i.e. ascenso o descenso. Esta evolución se desarrolla en el caso de las salidas, siguiendo una trayectoria desde el extremo de pista hasta abandonar el TMA por un punto de salida. Esta trayectoria se denomina SID y está por supuesto publicada en el AIP.

De un modo parecido, las llegadas acceden al TMA por un punto de entrada, y sigue una trayectoria definida (STAR) hasta alcanzar normalmente un IAF (Initial Aproach Fix).

En el IAF finaliza la STAR y da comienzo la aproximación instrumental IAC (se generaliza para ser más didáctico y no generar confusión o complicar la explicación con demasiadas excepciones o clases de aproximación). La aproximación instrumental es la trayectoria que debe seguir la llegada desde el IAF hasta el umbral de pista, antes de aterrizar. Desde el IAF se dirigirá al IF (Intermediate Fix), del IF al FAP (Final Approach Precision Fix) (si es de precisión), y posteriormente al umbral.

Hay muchos diseños diferentes para estas aproximaciones instrumentales, dependiendo de las circunstancias orográficas, procedencia natural del tráfico, cobertura de sistemas de vigilancia, y otros factores.

La labor que debe realizar un controlador de tráfico aéreo para gestionar el tráfico aéreo viene condicionada por el tipo de sector que se le encomienda o, dicho de otro modo, a qué fases del vuelo debe proporcionar servicio. Es decir, los problemas que debe resolver, el uso temporal que hace de la frecuencia en comunicación con el piloto, las variables que analiza, las decisiones que toma y muchas otras cuestiones, no son las mismas si está controlando un sector de ruta que si está controlando un sector de TMA.

En un sector de ruta con un alto porcentaje de tráfico establecido en crucero, deberá analizar el nivel de crucero de entrada al sector y de transferencia al siguiente sector, deberá analizar si en algún punto de cruce o integración se cumplirá la separación mínima requerida vertical y horizontal, y llegado el caso podrá instruir vectores o cambios de nivel de vuelo o cambios en la velocidad.  Asimismo, el tamaño en planta de estos sectores es mayor en general que los sectores de un TMA.

Dentro de los sectores de TMA también se pueden distinguir diferentes tipologías de sectores. Sectores que principalmente dan servicio a vuelos en fase de ascenso, otros que gestionan una mayoría de vuelos en fase de descenso y otros que tienen una mezcla con diferentes porcentajes de ambos.

Dentro de los sectores que gestionan llegadas al aeropuerto sobre el que se sitúa el TMA, se encuentran aquellos que se denominan sectores alimentadores. En estos sectores, entre otras funciones, los controladores deben gestionar el tráfico de llegada hasta aproximadamente los IAFs, dependiendo de los diferentes diseños existentes. Estos sectores deben transferir las llegadas al siguiente sector, que en general se denomina Sector Final, en el que el vuelo llevará a cabo la aproximación hasta aterrizar en el aeropuerto.

2. Aproximación final clásico (“closed-loop”)

Existen muchísimas formas de diseñar la aproximación por instrumentos a un aeropuerto y no es objeto de este artículo abordar de forma extensa esta variabilidad.

En general, la carta de aproximación suele ser una trayectoria cerrada, es decir, la trayectoria entre el IAF y el umbral de la pista de aterrizaje es una línea continua definida, sin interrupciones. A continuación, se muestran algunos ejemplos.

Llegados a este punto se explica cuál es el cometido del controlador del sector final (en general son dos controladores, planificador y ejecutivo, los que trabajan en un sector, pero a efectos de simplificación divulgativa el artículo se centrará en el ejecutivo). La problemática de este sector reside en el hecho de que el aeropuerto es un sumidero de operaciones de llegada, y por tanto son muchas las aeronaves que van a coincidir en un espacio muy reducido i.e. la pista, en un muy corto y parecido espacio de tiempo. Por tanto, el controlador debe secuenciar y espaciar las llegadas de forma segura y eficiente. La seguridad y la eficiencia son aspectos que inicialmente aparecen como antagónicos pero que el controlador es capaz de conjugar de forma magistral gracias a su formación y pericia.

Gestionar el tráfico de una forma eficiente, significa que el controlador debe aprovechar al máximo las herramientas que se ponen a su disposición para conseguir que dos vuelos aterricen de forma consecutiva con la menor separación que le permita la normativa que le aplique. No hay que olvidar que a menor separación mayor será el número de llegadas que podrán tomar tierra en el aeropuerto, y por tanto mayor será el número de “slots” aeroportuarios que podrán ponerse a disposición de las aerolíneas, y consecuentemente mayor será la oferta de vuelos a diferentes destinos que las aerolíneas podrán poner a disposición de los ciudadanos. En definitiva, la menor separación es un objetivo que busca satisfacer el bien común de todos los agentes de la sociedad.

Es obvio que existen límites a la expresión utilizada anteriormente i.e. “la menor separación posible”, y aquí es donde entra la seguridad. Sería eficiente pero no seguro que una llegada tomara tierra tan solo 1NM (Milla Náutica) después de que lo hubiera hecho la anterior. Es un requisito de seguridad, que una aeronave no debe, en general, sobrevolar el umbral de pista si la llegada precedente (o despegue precedente) todavía se encontrara ocupando la pista. Por tanto, una primera limitación a la eficiencia es que al menos la separación entre llegadas consecutivas debe estar alineada con los tiempos de ocupación de pista, y de ese modo ser suficientemente amplia como para asegurar que la pista ha sido evacuada por la operación precedente. Del mismo modo, existen unas mínimas de separación por estela turbulenta que en general, si hablamos de dos llegadas consecutivas sin operación de despegue adicional entre ellas, son más restrictivas que las del tiempo de ocupación de pista. Es decir, una aeronave de categoría Ligera por tener mucho menos masa que una aeronave Pesada, puede sufrir unos indeseados, por peligrosos y por experiencia del pasajero, vaivenes si aterrizase tan solo 3NM  después de la pesada. Del mismo modo, son importantes las herramientas con las que cuente el controlador. La interpretación de la realidad que el controlador utiliza para tomar sus decisiones tiene una incertidumbre, una tolerancia, y en función de ellas, la separación que puede proporcionar entre aeronaves consecutivas viene determinada por la precisión de la tecnología. Se puede establecer que, en términos generales, en aeropuertos de cierta entidad, al menos se cuenta con la provisión de una separación mínima radar de 3NM el tramo de aproximación final. En otros aeropuertos más avanzados, se está operando ya con 2,5 NMs en el último tramo siempre que se den determinadas circunstancias, como por ejemplo disponer de una red de calles de salida óptima y un estudio estadístico que asegure unos tiempos de ocupación de pista de las llegadas de unos 50 segundos, en términos generales.

Para conseguir, por tanto, que las llegadas consecutivas aterricen con la menor separación posible pero dentro de la seguridad, el controlador encargado de la aproximación final se apoya en el procedimiento de llegada publicado, y en técnicas de control que fundamentalmente consisten en variar los niveles de vuelo, velocidades y el rumbo de la aeronave.

En estas últimas fases del vuelo, si no se puede conseguir la separación longitudinal requerida, se debe proveer la separación vertical, y en estos casos el nivel de vuelo o régimen de descenso de la aeronave en ocasiones es alterado para conseguir 1000 pies de diferencia con otra aeronave.

En cambio, para el reto de conseguir integrar dos llegadas consecutivas, que proviene de flujos diferentes en una misma derrota alineados con el eje de pista, el manejo de las velocidades y especialmente el de los vectores (i.e. cambios de rumbo) o directos a un punto juegan un papel decisivo.

En el ejemplo de la figura anterior, que puede representar un elevado número de aproximaciones en el mundo en el que las cartas de aproximación son trayectorias cerradas, el controlador se encuentra con un factor de presión adicional, y es que el piloto seguirá el procedimiento a no ser que se le ordene algún rumbo que le saque del mismo. Esto significa que tenemos dos aeronaves que se dirigen a un mismo punto, y existe una enorme probabilidad de que tengan intención de hacerlo a la misma hora (e.g. con una diferencia inferior a 3NMs). Por tanto, el controlador debe prever con suficiente antelación y decidir sin dilación si debe instruir una orden al piloto o no, para reducir o incrementar su velocidad o para darle un rumbo que le saque del procedimiento actual de forma que le haga volar más o menos millas, para conseguir la separación suficiente en el punto de integración.

3. Aproximación viento en cola paralelo al localizador (“open-loop”)

Pero existen también otras formas de diseñar y gestionar la aproximación a un aeropuerto.

En este caso, como se puede observar en la figura, la trayectoria que se inicia en el IAF no se conecta de forma ininterrumpida con el umbral, sino que hay un segmento de alejamiento que no conecta directamente con el segmento del localizador rumbo a la pista.

Cuando se presentan en los IAFs un número tal de llegadas que excede de la capacidad, o sin excederla no se presentan de algún modo equiespaciadas, el sistema debe estar preparado para amortiguar esta sobrecarga puntual o dicho de otro modo de ser lo suficientemente elástico para acoger esos periodos punta desbalanceados. Una forma de amortiguar es enviar a ciertas aeronaves a circuitos de espera, y posteriormente irlas incorporando de nuevo a los flujos de llegada. Pero otra forma de dotar de la mencionada elasticidad al sistema es disponiendo este sistema de alejamientos (“open-loop”) paralelos a la derrota de aproximación final. Esta elasticidad es finita y dependerá, por ejemplo, de los límites del sector aproximación final.

A continuación, se explica un ejemplo teórico utilizando unidades de tiempo sólo para una mejor comprensión del concepto de elasticidad, y no pretende referirse al concepto de “Separación Basada en Tiempo” que está fuera del alcance de este artículo. Supongamos que un aeropuerto debido a sus tiempos de ocupación de pista y añadiendo un margen de seguridad permitiera un régimen medio ideal teórico de llegadas, por ejemplo, de 90 segundos, y en los próximos 20 minutos (i.e. 1200 segundos) se presentasen 16 llegadas. Se requiere en el mejor de los casos proporcionar 15 separaciones de 90 segundos, lo que resulta en 1350 segundos. Las primeras llegadas podrán ser gestionadas con pequeños cambios de velocidad, pero a medida que pasen los minutos y lleguen las últimas aeronaves esos 150 segundos de déficit deben ser absorbidos de alguna manera.

La aproximación de viento en cola permite alargar, de forma limitada, el recorrido planificado originalmente un numero de segundos suficiente para ir creando los huecos necesarios en el tramo de aproximación final.

3.1 Caso práctico

A partir de lo explicado anteriormente se muestra un estudio analítico con datos reales.

Es un registro de 11 aeronaves ordenadas según su hora real de paso por Out_A. Se muestra la columna del tiempo de paso real frente a una situación ficticia ideal de separación de 90 segundos con su precedente. Nota: por simplicidad, a efectos de este ejemplo teórico no se ha considerado la separación adicional por estela turbulenta de una aeronave de categoría media detrás de una aeronave pesada.

En una situación ideal se buscaría tener una secuenciación perfecta, en las que las aeronaves se mantuvieran separadas en tiempo aproximadamente 90 segundos. Existen situaciones que debido a la complejidad y naturaleza del tráfico esto no puede ser posible. Esto deriva en que dos aeronaves puedan llegar al punto “Out_A” con apenas una separación inferior a 30 segundos y 0.3 NM de separación longitudinal, como es el caso del ejemplo de la aeronave con indicativo DAL194, que llega con una diferencia de 5 segundos respecto a la precedente (TAM8114).

Como se observa en este ejemplo real, este sistema ha sido lo suficientemente elástico como para absorber hasta 1515 segundos que estas 11 aeronaves necesitaban para ser secuenciadas adecuadamente. En el peor de los casos, el UAL 140 necesitó una elasticidad puntual de 225 segundos para poder espaciarse adecuadamente del WZZ2SN.

Conclusiones: Ventajas y desventajas del viraje en base

La demanda de tráfico de la operación de llegadas en la aproximación final es variable. Estas operaciones de llegada no se presentan de forma equiespaciada, sino que por el contrario hay periodos en los que se concentran en un número mayor al que soporta la geometría propia de las separaciones mínimas.

Elasticidad:

Para resolver estas pequeñas sobrecargas de forma táctica se disponen de unos elementos que dotan de la necesaria flexibilidad y elasticidad al sistema.

El uso de esperas es una de las herramientas que se dispone para gestionar dichas sobredemandas para aportar elasticidades del orden de minutos. No obstante, el hecho de tener llegadas realizando esperas produce una carga de trabajo indeseada a los controladores del sector donde se encuentre dicha espera, dificultando adicionalmente la gestión del resto de aeronaves que utilicen dicho sector. Además, desde el punto de experiencia del pasajero, no es bien recibida la constatación visual de ver el aeropuerto y dar vueltas sobre él. Por todo ello, se intenta utilizar en la menor medida posible este tipo de estrategias.

La gestión de velocidades y vectores, en un sistema “closed-loop” le permite al controlador aportar la elasticidad necesaria, pero en este caso serían decenas de segundos.

El uso de las aproximaciones tipo “open-loop” explicadas en este artículo, se alinea con lo explicado en las “closed-loop”, pero la elasticidad que es capaz de proporcionar es también de minutos al igual que las esperas, pero con la posibilidad adicional de hacer una gestión más microscópica o quirúrgica, ya que directamente permite incidir en la separación final de entrega a la torre de las llegadas con granularidad de décimas de milla náutica. A modo de ejemplo, sirva como referencia que por cada milla de alejamiento se puede proporcionar una elasticidad puntual a una llegada del entorno de unos 30 segundos.

Factor Humano del controlador:

En un sistema de aproximación tipo “open-loop”, las llegadas en alejamiento se encuentran libres de conflicto con trayectorias paralelas, por lo que la presión sobre el controlador en la toma de decisiones es menor.

Líneas de investigación abiertas

Este estudio ha analizado una forma de dotar a la gestión de arribadas con una elasticidad adicional, por medio de aproximaciones “open-loop”, pero ¿existen otras líneas de investigación viables para el mismo objetivo?

Se ha abierto una nueva investigación sobre otra vía para dotar de elasticidad al sistema con el objetivo de descargar de carga de trabajo al controlador del sector final, e incluso de disminuir la necesidad de esperas. Para ello, se intentará predecir la elasticidad que requiere cada llegada unos 30-60 minutos antes de su aterrizaje, para intentar proporcionársela desde ese momento de forma paulatina y casi imperceptible por medio de variaciones pequeñas de velocidad por cada uno de los controladores de ruta y de TMA que vaya a atravesar. Estas pequeñas variaciones de velocidad deben causar poca o nula afectación al consumo de combustible de la aeronave, y no debería afectar a la gestión del tráfico de los controladores de los sectores que atraviese. Esta leve modificación de velocidad implementada desde unos 30 minutos antes de su llegada podría llegar a aportar una elasticidad adicional por vuelo del orden de 80-100 segundos.