GBAS: MÁS QUE UN “NUEVO” SISTEMA DE APROXIMACIÓN DE PRECISIÓN

Por: Rafael Pecos Macías

Vamos a hacer un paréntesis en la serie de artículos centrados en el concepto PBN de la OACI y sus diferentes aplicaciones, presentes y futuras, y vamos a dedicar éste a hablar un poco más detenidamente del GBAS, dado que fue el último sistema sobre el que hicimos una breve reseña en el anterior artículo de la serie, y porque empieza a contar con un número significativo de procedimientos en operación y ya se están empezando a hacer pruebas para la puesta en servicio de su categoría II. Todo ello sin estar formalmente incluida dentro de la PBN, por el momento, esta aplicación de aproximación RNAV. Aunque empieza a perfilarse como el sustituto más sólido del ILS.

Comencemos viendo qué es el sistema de aumentación de la señal de satélites basado en tierra o ground based augmentation system, en inglés. El GBAS es el sistema de aumentación local que provee correcciones diferenciales y supervisión de la integridad de los datos del sistema GNSS empleado como referencia, hoy día GPS y GLONASS, a partir del procesado de la señal recibida del mismo sistema GNSS por antenas de referencia, sitas normalmente en el aeropuerto.

Esta señal GBAS, convenientemente tratada y presentada a bordo de las aeronaves equipadas al efecto se emplea operativamente, por el momento, para maniobras de aproximación de precisión.

Hay que destacar que el GBAS es un sistema con capacidad potencial para dar servicio también al resto de fases del vuelo en TMA dentro de su volumen de cobertura, como son las salidas, las llegadas e incluso el movimiento en tierra.

Vídeo explicativo de qué es y cómo funciona el GBAS (fuente: Airbus)

Recordemos que el GBAS es uno de los tres tipos de aumentación de las señales de constelaciones globales de satélites (GNSS). Los otros dos tipos de aumentaciones son las embarcadas o ABAS; y las basadas también en señales de otras constelaciones no globales de satélites, las SBAS. Ambas introducidas resumidamente en los artículos ya publicados sobre PBN.

Cabe señalar que, aun existiendo las SARPs[1] de la OACI (Anexo 10, vol. I) para los sistemas globales de satélites (GNSS) GPS y GLONASS, éstos sólo reúnen los requisitos necesarios de exactitud de la posición exigidos para ruta y para, como mucho, aproximaciones de no precisión, incluso considerando ABAS, por el momento.

Es de ahí de donde surgió la necesidad para desarrollar sistemas basados en satélites capaces de proveer los requisitos suficientes para realizar aproximaciones de precisión, uno de los cuales es el GBAS.

Estos estándares de exactitud de la posición de los sistemas GPS y GLONASS no incluyen otros errores como los debidos a la atmósfera o los propios del receptor.
(ref.: Anexo 10, vol. I de la OACI)

 

Las maniobras de aproximación GBAS aún no las ha incluido la OACI dentro de su concepto PBN, como ya indicábamos, aunque sí apoya abiertamente su uso. La razón principal es debida a unas cuestiones de definición formal, pero con toda probabilidad se incluirá dentro del mismo concepto PBN. De hecho, por el momento, la OACI ya ha dado los primeros pasos para ello con las últimas enmiendas a los Anexos 6 y 10 al Convenio de Aviación Civil Internacional y al material PANS-OPS. En estos documentos ya se introduce una nueva clasificación de las aproximaciones instrumentales, con una ordenación más lógica de todas las existentes, tanto de precisión como de no precisión, y convencionales como RNAV. También, su documento SOIR, el que versa sobre las operaciones a pistas paralelas o casi paralelas, incluirá ya en la siguiente enmienda la consideración de los nuevos sistemas de aumentación satelital para estas aproximaciones, como son el SBAS y el GBAS. Pero, por ahora, lo cierto es que el GBAS aún no está incluido en su Manual de la PBN (Doc. 9613).

Conviene recordar que las aplicaciones del sistema GBAS, enfocadas a la aviación, son aplicaciones de navegación de área (RNAV), al igual que todas las aplicaciones de la PBN, que también se basan en una navegación RNAV en contraposición a la navegación convencional o de punto a punto.

Implantaciones actuales y pruebas de futuro

El sistema GBAS se usa por el momento principalmente para maniobras de aproximación, como iremos viendo en el artículo, pero también comprobaremos que tiene potencial para ser usado en otras fases del vuelo, como ya ocurre para algunos aeródromos de la federación rusa en los que provee servicio para los procedimientos de llegada y de salida.

Tenemos ya ejemplos de maniobras de aproximación de categoría I en operación en varios lugares del Mundo, como por ejemplo: Newark, Charleston, Houston y Moses Lake en EE.UU, Málaga en España, Frankfurt y Bremen en Alemania, Sydney en Australia o Zurich en Suiza.

Y su número está aumentando progresivamente ya que están en diferentes fases de implantación para su puesta en servicio también en Dubai (EAU), Chennai (India), Shanghai (China), Gimpo (Corea del Sur), Londres-Heathrow (Reino Unido), Munich (Alemania), Melbourne (Australia), Oslo (Noruega), Rio de Janeiro (Brasil) o Santa Helena (Reino Unido). Incluso se vienen realizando ya desde septiembre de 2013 pruebas de maniobras GBAS de categoría II y III, algunas ya con autopilot, en diversos aeropuertos de toda Europa bajo el paraguas de SESAR, o en lugares como el aeropuerto de Pudong en Shangai a finales de abril de 2015, en este caso combinada con tramos anteriores con virajes de radio fijo; o también en Houston y Atlantic City en EE.UU. Esto prepara ya el terreno para que empiece a haber maniobras GBAS de categoría II y III operativas en el entorno de 2018-2019.

Vídeos explicativos sobre GBAS cat. II y III (fuente: Eurocontrol)

 

 

La Federación Rusa merece mención aparte, ya que ha desarrollado un sistema GBAS denominado “LCCS-A-2000”. Por el momento no hay mucho conocimiento detallado fuera de la misma Federación Rusa sobre el sistema en sí, aunque ya han realizado pruebas de interoperabilidad del sistema junto a Eurocontrol. Se sabe que cumplen con las SARPs de la OACI, según la intervención de las autoridades rusas en foros internacionales. Cuenta ya con diversas implantaciones en toda la Rusia continental, que se ha centrado inicialmente en los aeródromos con tráfico internacional, como Domodedovo, Pulkovo, Tyumen, Ostafyevo, Nogliki y está ampliando a otros, e incluso tiene una maniobra de aproximación en su base “Novolasarevskaja” en la Antártida. Se sabe que este sistema es compatible y es capaz de trabajar con la señal GNSS proveniente de la constelación igualmente rusa GLONASS, pero también con la constelación GPS americana.

En todo caso, la Autoridad Aeronáutica de la Federación Rusa hace campaña para instar a todas las compañías aéreas/aeronaves equipadas con GBAS a que empleen las maniobras de aproximación publicadas en sus aterrizajes en Rusia.

En cuanto a fabricantes de aeronaves, tanto Airbus como Boeing ofrecen la posibilidad de equipar a los aviones con estos sistemas. Aunque parece ser que Boeing es el que más ha apostado por esta tecnología y ya tiene en servicio unos 1300 aviones de varias familias y es un equipamiento estándar para los 787 y 747-8. Y, finalmente, compañías como Delta, United Airlines, British Airways, TUIfly, Air Berlin, Cathay Pacific, Qantas, Lufthansa, Emirates o Swiss tienen ya aeronaves equipadas y realizan de manera regular aproximaciones basadas en GBAS en los aeropuertos ya citados. Por ejemplo, Lufthansa y Emirates cuentan con todos sus A380 equipados.

Las categorías de precisión

La performance para la señal en el espacio que ha normalizado la OACI para GBAS cat. I se basa en especificaciones para el ILS y algunos de sus parámetros representan incluso una deducción conservadora de estas últimas. Igualmente ocurrirá con las especificaciones de la señal que se desarrollarán para la categoría II y para la categoría III.

En el Anexo 10 de la OACI aparece esta tabla resumen de algunos de los estándares de las señales GNSS, entre ellas, la de GBAS, que serían los correspondientes a “aproximación de precisión de categoría I”:

 

Apartándonos ligeramente del GBAS y haciendo un pequeño inciso sobre la tabla, las aproximaciones con guía vertical APV-I y APV-II hacen referencia sólo a niveles de operación de aproximación de los sistemas SBAS, pero la realidad es que estos términos no se emplearán en la operación real ni en las cartas de aproximación asociadas. Recordemos, además, que está previsto que SBAS pueda emplearse incluso para procedimientos de categoría I.

Retomando el GBAS más allá de la categoría I, como antes ya hemos apuntado, las pruebas realizadas de categoría II y III han resultado satisfactorias, y se espera que la certificación de los sistemas y las SARPs estén disponibles para 2018 como muy tarde. Eso sí, los sistemas actuales tanto del segmento de tierra como del embarcado están siendo desarrollados para que sean “actualizables” de manera sencilla a medida que las operaciones de categoría II y III sean autorizadas, evitando costosos up-grades con cambios de equipo. Por el momento, sólo Honeywell es el fabricante que está desarrollando el equipo de tierra y realizando pruebas de estas categorías de operación.

Hay que destacar que, en sí, esta aumentación de la señal GNSS no tiene porqué estar limitada al uso de aviones. Cualquier otra aeronave con el receptor y aviónicas adecuadas podría ser usuario de las maniobras basadas en GBAS. Aunque es muy cierto que, dados los procedimientos actualmente en vigor, por el momento estos sistemas sólo se están empleando en aviones. Su potencial es, sin duda, muy grande para el segmento de helicópteros.

El sistema GBAS

Antes de entrar a hablar de la operación de las maniobras, veamos cómo funciona el sistema GBAS, y los principales sub sistemas que lo componen:

El GBAS está compuesto por el sistema de tierra y por el sistema embarcado. El sistema de tierra, a su vez, está compuesto por un conjunto de cuatro antenas que actúan como receptores de referencia, situados no muy distantes unas de otras y normalmente dentro del recinto aeroportuario para el que el sistema da el servicio. También forma parte del segmento terrestre la instalación de procesado, que incluye los equipos para la gestión de la señal GNSS, cálculo de correcciones, generación de la señal de aumentación y monitorización de integridad. Esta unidad se encarga asimismo de facilitar los canales de comunicación con las unidades supervisoras del sistema (mantenimiento y ATC).

Y, por último, la mencionada antena emisora de la señal GBAS o VDB completaría la enumeración de los sub sistemas de tierra. Esta antena emite en la banda VHF de manera omnidireccional en un radio nominal de entre 20 y 30 NM. La señal GBAS es, por tanto, una señal de tipo digital que porta las correcciones de la señal GNSS.

Uso en aproximación y TMA

Como ya mencionábamos al inicio del artículo, el GBAS tiene capacidad potencial para ser empleado en todo el ámbito del TMA, proveyendo soporte para los procedimientos de aproximación y aterrizaje, de llegada, de salida e incluso de movimiento en superficie de todas aquellas aeronaves equipadas convenientemente. Y con la ventaja de poder hacerlo de manera simultánea para todas estas maniobras y, además, para más de un aeropuerto, siempre que se encuentren dentro del rango de cobertura de la antena emisora VHF. Esto le da ventaja sobre los actuales ILS en cuanto a costes de instalación, explotación y mantenimiento y, por supuesto, en cuanto a eficiencia, ya que permite trayectorias diseñadas de forma más flexibles que las ILS, es decir, trayectorias RNAV.

Es más, de ser necesario, estos sistemas permiten definir más de una maniobra de aproximación a cada cabecera. Todo ello eliminando también las áreas sensibles que posee el ILS, ya que el GBAS no tiene tales, y dando guiado hasta el punto de toma de contacto de forma geométrica.

Como se ve, tiene grandes bondades y ventajas respecto a los sistemas tradicionales para la aproximación y el aterrizaje, pero también tiene algunos posibles inconvenientes.

Necesita de la señal GNSS (GPS y/o GLONASS) y, por tanto, es sensible a los problemas de señal que tienen los propios sistemas GNSS como pueden ser las anomalías que sufre la ionosfera debidas a la actividad solar o las interferencias de las frecuencias de trabajo o jamming que, por otra parte, es una afección de la que no se libran tampoco el resto de sistemas de navegación y aterrizaje basados en tierra, ni las comunicaciones. Es cierto, que es un sistema particularmente resistente al spoofing, es decir, a la sustitución de la señal GNSS por otra falsa o por la propia GNSS modificada, lo que lleva a dar por buenas indicaciones de navegación que en realidad no lo son.

Todas estas incidencias son vigiladas y notificadas vía NOTAM si se conocen con antelación, especialmente las erupciones solares, y corregidas. Evidentemente, antes de poner en servicio estas maniobras se hace un estudio de interferencias para corregirla si es necesario. Y una vez puestas en servicio también se controla y se corrige cualquier interferencia que pueda afectar a la señal del GBAS.

Por el contrario y dentro de lo positivo, desde la perspectiva del piloto la operación de aproximación es muy similar a la ILS. De hecho toda la operativa y el procedimiento se diseña bajo el concepto de “ILS look-alike”. La idea es que las maniobras de precisión, o al menos todas las que tienen guiado vertical (APV), sean lo más similares posible en la operación a las ILS y su vuelo sea idéntico para el piloto. Y este es el caso del que estamos hablando.

Es decir, una aeronave volará la STAR o recibirá vectores radar de la misma manera que para cualquier maniobra de aproximación, lo cual le llevará a interceptar el tramo intermedio. El piloto seleccionará en este caso la aproximación GBAS en el FMS, es decir, estará seleccionando en un receptor multi modo un número de canal en vez de una frecuencia ILS. Una vez que la aeronave reciba la señal GBAS y esté establecida para final todas las pantallas de presentación mostrarán información idéntica a la convencional para un ILS en el guiado. Las únicas ligeras diferencias se producirán en las informaciones particulares del sistema GBAS o la fraseología entre controlador y piloto. Es más, se tendrá disponible de forma constante la “distance to go”, igual que con un DME convencional, y la presentación de las desviaciones vertical y horizontal, igual que la convencional LOC/GS.

A su vez, también las cartas de aproximación presentan pocas diferencias con las ILS, debido a la filosofía ya mencionada de “ILS look-alike”. Incluso pueden ser más claras que las propias ILS al no tener que contemplar una maniobra “degradada de funcionamiento” como ocurre con las “sólo LOC” (localizador del ILS) cuando la senda está fuera de servicio u otras informaciones de ayudas convencionales como radiales VOR o las asociadas a las balizas. En las maniobras GBAS o se tiene el guiado completo vertical y horizontal o el sistema estará no utilizable, si no se dan los requisitos mínimos de señal establecidos por la OACI.

Todo esto se puede ver en las siguientes cartas y, además, comprobar que los mínimos de aproximación de cat. I son idénticos para GBAS e ILS..

Cartas de aproximación a RWY26L de Houston Int. Airport. Compartiva entre ILS y “GLS” (Fuente: FAA, a través de www.airnav.com)

 

Carta de aproximación “GBAS” Z a RWY31 del Aeropuerto de Málaga, con descripción completa (Fuente: ENAIRE, AIS, AIP-España a través de www.enaire.es)

Conviene en este punto hacer una precisión con respecto al título de estas cartas. Habrán observado los lectores que hasta aquí hemos estado empleando sólo “GBAS”. Es muy posible que algún lector haya ya volado “GLS”, otros “GBAS” e incluso alguno “LAAS”. Estos tres términos hacen referencia a la misma maniobra de aproximación.

La OACI, en principio, en su doc. 8168 PANS-OPS ha recomendado denominar a estas cartas GLS para continuar con la idea de maniobras de precisión, que también denotan las ILS y MLS. Se ha llegado a acuñar de manera no oficial incluso el término “xLS”, para hacer referencia a cualquier procedimiento de aproximación y aterrizaje de precisión.

Pero esto representa también un pequeño problema en las comunicaciones orales, ya que puede ser confundida la autorización para proceder a un aterrizaje guiado por el sistema GBAS o GLS con ILS o MLS, si existen para esa cabecera.

En el documento PANS-ATM, doc. 4444, la OACI recomienda para las autorizaciones de aproximación el uso de fraseología: “CLEARED (type of approach) RUNWAY (number)”. Y en algunos otros ejemplos emplea claramente GBAS en vez de GLS, como: “NOTIFIQUE ESTABLECIDO SOBRE LOCALIZADOR [ILS] (o SOBRE CURSO DE APROXIMACIÓN GBAS/SBAS/MLS)”. Es decir, que aún la OACI ha de decidirse si se debe emplear finalmente el término GLS o el término GBAS, tanto para los nombres de las cartas como para las comunicaciones piloto-controlador.

El único término que ya no se emplea para dar nombre a las cartas es el estadounidense LAAS, de Local Area Augmentation System, que ya sólo se usa para indicar el canal a sintonizar en las maniobras de aproximación, ya que la FAA estadounidense hace tiempo que decidió adoptar la terminología de PANS-OPS. En España, se ha optado por GBAS por razones de seguridad operacional, como se ve en las cartas del Aeropuerto de Málaga.

Un sistema en el que confiar

Estos procedimientos de vuelo GBAS, al igual que las soluciones PBN, ya no se basan en señales radioeléctricasque generan físicamente las trayectorias en el espacio, o sólo en ellas, como ocurría con las ayudas a la navegación “convencionales” con los ILS. Ahora, las trayectorias se crean en la propia aeronave o las envía el equipo de tierra, dependiendo del sistema concreto, y luego el equipo de a bordo las procesa para su presentación a la tripulación, las navega y supervisa su correcto seguimiento. Siempre depende de una serie de pasos desde el diseño hasta la presentación y seguimiento del vuelo, en los que hay varias etapas de codificación y de descodificación. Esto podría llegar a generar cierta desconfianza en quien ha de volar estas maniobras.

De esa sensación y de la importancia que tiene para la seguridad operacional el minimizar errores, la OACI ha desarrollado enormemente todo lo relativo al diseño de esas maniobras, a la generación de las bases de datos de vuelo y a lasperformancesde los sistemas embarcados y los que han de proveer las señales. Como ya indicábamos en anteriores artículos sobre PBN, incluso se ha desarrollado un manual específico de aseguramiento de la calidad (doc. 9906) compuesto por 6 volúmenes y que abarca todas esas áreas que intervienen en la producción final de estas “nuevas” maniobras, además de algún material de guía derivado del Manual PBN, que también referimos en el primer artículo de esta serie.

Cabe indicar además que, por ejemplo, la alta integridad y precisión en el seguimiento de las trayectorias, la monitorización y alerta a bordo de los sistemas RNP, y GBAS, o la estabilidad del guiado en descenso final en comparación con las fluctuaciones de señal del ILS, son ventajas que deben dar confianza en estos nuevos sistemas. La puesta en servicio de cada una de estas nuevas soluciones se ha producido tras largos períodos de pruebas, del desarrollo conjunto de estándares internacionales y de verificaciones en vuelo y en tierra controladas, y auditadas posteriormente, por las diferentes autoridades aeronáuticas. Además, dado ya el grado de implantación y uso globalmente, empieza a haber ya una base de experiencia suficiente para detectar las posibles pequeñas mejoras que deban darse.

El futuro, ¿el GBAS?

Por otra parte, en este momento, el futuro del GBAS parece que tiene mucho recorrido. Seguramente el factor más importante que hace muy deseable una amplia expansión de este sistema es el ahorro notable de costes de instalación y mantenimiento en comparación con el ILS o el MLS. Su versatilidad, ya que un solo sistema puede dar servicio a varias cabeceras de forma simultánea, proporcionando trayectorias “a medida” del usuario, de ser necesario, o incluso asociarlo a virajes de radio fijo (RF) que posibiliten la reducción de la contaminación acústica, trayectorias más cortas y repetibles. Todo ello sin áreas sensibles en tierra como las del ILS y con una senda de descenso con guiado geométrico hasta el punto de toma de contacto, sin deformaciones como ocurre con la senda del ILS. A pesar de que su implantación globalmente ha sido relativamente menor a la de las maniobras asociadas a SBAS y que por el momento se considera sólo como un sistema complementario del ILS en los grandes aeropuertos, el establecimiento de los requisitos (SARPS) para cumplir con las categorías de aproximación II y III, que deberían estar publicados en el entorno de 2018 como mucho, hacen que sea más que probable que hagan que la expansión y aplicaciones de este sistema sea grande en el medio plazo, llegando incluso a sustituir al ILS de forma clara en un futuro. Esto último ya está siendo contemplado en los planes de futuro de algunos grandes proveedores de servicios de navegación aérea y de aeropuertos del Mundo.

Como ya hemos adelantado, está previsto que en un futuro el sistema GBAS sea una ayuda que posibilite aproximaciones con virajes de radio fijo (RF) en el tramo final y en frustrada y salida inicial, pasando a ser también un sistema válido, en este caso satelital, para ejecutar procedimientos RNP AR, que en principio los existentes hoy día se vuelan con GPS o DME/DME con altímetro barométrico. Ya se han realizado experiencias en el aeropuerto de Tokio-Narita.

A nivel de Europa, dentro del ámbito del Cielo Único Europeo, se reconoce abiertamente que el GBAS en su máximo desarrollo de categoría III es el estándar necesario y deseado. En este sentido, han venido existiendo y existen diversos proyectos de la Comisión Europea encaminados a investigar y obtener soluciones sobre algunas áreas aún a tener en cuenta, como hacer sistemas más robustos frente a las interferencias ilícitas de la señal o a las derivadas de la actividad solar, o terminar de desarrollar los ya mencionados requisitos de sistema de categoría III o de sistemas GBAS que trabajen con multi constelación y multi frecuencia. Esto se viene haciendo en el ámbito de SESAR, pero también en el equivalente norteamericano NextGen.

Es por todo esto que el GBAS ya se puede considerar como la siguiente generación de sistemas de precisión para el aterrizaje y, no tardando mucho, veremos cómo expandirá su uso dentro del resto de las operaciones en TMA y tal vez al guiado en tierra para grandes aeropuertos.

 

Agradecimientos a Patricia Callejo, jefa de la sección de certificación GNSS de ENAIRE.

[1] SARPs: Standards and Recommended Practices