Equipos de medición de distancia

En aviación , el equipo de medición de distancia ( DME ) es una tecnología de radionavegación que mide el alcance oblicuo (distancia) entre una aeronave y una estación terrestre mediante la medición del retardo de propagación de las señales de radio en la banda de frecuencia entre 960 y 1215 megahercios ( MHz ). Se requiere línea de visión directa entre la aeronave y la estación terrestre. Un interrogador (a bordo) inicia un intercambio transmitiendo un par de pulsos, en un "canal" asignado, a la estación terrestre transpondedora. La asignación del canal especifica la frecuencia portadora y el espaciado entre los pulsos. Después de un retardo conocido, el transpondedor responde transmitiendo un par de pulsos en una frecuencia que está desplazada 63  MHz de la frecuencia de interrogación y que tiene una separación especificada. ^{[ 1 ]}

Los sistemas DME se utilizan en todo el mundo, siguiendo las normas establecidas por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), ^{[ 1 ]} la RTCA, ^{[ 2 ]} la Agencia Europea de Seguridad Aérea (EASA) ^{[ 3 ]} y otros organismos. Algunos países exigen que las aeronaves que operan bajo reglas de vuelo instrumental (IFR) estén equipadas con un interrogador DME; en otros, un interrogador DME solo es necesario para realizar ciertas operaciones.

Aunque se permiten transpondedores DME independientes, estos suelen combinarse con un sistema de guiado azimutal para proporcionar a las aeronaves capacidad de navegación bidimensional. Una combinación común consiste en un DME ubicado junto con un transmisor de radiofaro omnidireccional VHF (VOR) en una única estación terrestre, denominada VOR/DME. En este caso, las frecuencias de los equipos VOR y DME se sincronizan. ^{[ 1 ]} Esta configuración permite a la aeronave determinar su ángulo azimutal y la distancia a la estación, lo que proporciona una capacidad de localización 2D aproximada. El DME es compatible con el componente de medición de distancia del TACAN , el equivalente militar del VOR/DME con una medición de distancia más precisa. Una instalación VORTAC (VOR con TACAM) permite a las aeronaves militares y civiles acceder al posicionamiento 2D.

Los transpondedores DME de baja potencia también se utilizan en algunos sistemas de aterrizaje instrumental (ILS), localizadores ILS y sistemas de aterrizaje por microondas (MLS). En estos casos, la frecuencia/espaciado de pulsos del transpondedor DME se sincroniza con la frecuencia del ILS, LOC o MLS.

La OACI caracteriza las transmisiones DME como de ultra alta frecuencia (UHF). También se utiliza el término banda L. ^{[ 4 ]} El DME es similar en principio a la función de alcance de radar secundario , excepto que las funciones del equipo en la aeronave y en tierra están invertidas. El DME fue un desarrollo de posguerra basado en los sistemas de identificación amigo-enemigo (IFF) de la Segunda Guerra Mundial .

Desarrollado en Australia, el DME fue inventado por James "Gerry" Gerrand. ^{[ 5 ]} En 1945, después de que Edward George Bowen se convirtiera en Jefe de la División de Radiofísica en CSIRO , Brian Cooper desarrolló el DME. Basado en el radar transpondedor Rebecca/Eureka , el sistema de 200 MHz pesaba menos y utilizaba un dial en lugar de una pantalla. En 1946, la Organización Provisional de Aviación Civil Internacional adoptó el modelo de aerovías VOR y DME . En 1947, el sistema se implementó en aeronaves comerciales y, para 1953, todas las aeronaves comerciales en Australia estaban equipadas con él. ^{[ 6 ] [ 7 ]}

En su primera versión, un avión equipado con DME utilizaba el equipo para determinar y mostrar su distancia a un transpondedor terrestre mediante el envío y la recepción de pares de pulsos. Las estaciones terrestres suelen estar ubicadas junto a VOR o VORTAC. Un DME de baja potencia (100 W) puede ubicarse junto a un ILS o MLS, donde proporciona una distancia precisa al punto de aterrizaje, similar a la que proporcionan las balizas marcadoras del ILS .

Una función más reciente para los DME es la navegación de área DME/DME ( RNAV ). ^{[ 8 ] [ 9 ]} Debido a la precisión generalmente superior de los DME en comparación con los VOR, la navegación usando dos DME (usando trilateración /distancia) permite operaciones que la navegación con VOR/DME (usando acimut/distancia ) no permite. Sin embargo, requiere que la aeronave tenga capacidades RNAV, y algunas operaciones también requieren una unidad de referencia inercial .

Un transpondedor terrestre DME típico para navegación en ruta o terminal tendrá una  salida de pulso pico de 1 kW en el canal UHF asignado.

El sistema DME consta de un transmisor/receptor UHF (banda L) (interrogador) en la aeronave y un receptor/transmisor UHF (banda L) ( transpondedor ) en tierra.

Una señal de radio tarda aproximadamente 12,36  µs en recorrer 1 milla náutica (1852 m) hasta el objetivo y de vuelta. La diferencia de tiempo entre la interrogación y la respuesta, menos el retardo del transpondedor terrestre de 50 µs, y el espaciado de los pulsos de respuesta (12 µs en modo X y 30 µs en modo Y), es medida por el circuito de temporización del interrogador y convertida en una medida de distancia ( alcance oblicuo ), en millas náuticas, que luego se muestra en la pantalla DME de la cabina.    

La fórmula de distancia, distancia = velocidad × tiempo , es utilizada por el receptor DME para calcular su distancia a la estación terrestre DME. La velocidad en el cálculo es la velocidad de propagación del pulso de radio, que es la velocidad de la luz (aproximadamente 300 000 000 m/s o 162 000 nm/s ). El tiempo en el cálculo es ½( tiempo total − retardo de respuesta ), por lo que la distancia es c × ½( tiempo total − retardo de respuesta ), donde c es la velocidad de la luz.  

La precisión de las estaciones terrestres DME es de 185 m (±0,1 nmi ). ^{[ 10 ]} Es importante comprender que el DME proporciona la distancia física entre la antena de la aeronave y la antena del transpondedor DME. Esta distancia se suele denominar «alcance oblicuo» y depende trigonométricamente de la altitud de la aeronave sobre el transpondedor, así como de la distancia terrestre entre ambos.

Por ejemplo, una aeronave situada directamente sobre la estación DME a 6076  pies (1 milla náutica) de altitud seguiría mostrando 1,0 milla náutica (1,9 km) en la lectura del DME. Técnicamente, la aeronave se encuentra a una milla de distancia, solo que en línea recta hacia arriba. El error de alcance oblicuo es más pronunciado a grandes altitudes cuando la aeronave está cerca de la estación DME.  

Las ayudas a la radionavegación deben mantener un cierto grado de precisión, dado por las normas internacionales, FAA, ^{[ 11 ]} EASA , ICAO , etc. Para asegurar que esto sea así, las organizaciones de inspección de vuelo verifican periódicamente los parámetros críticos con aeronaves debidamente equipadas para calibrar y certificar la precisión del DME.

La OACI recomienda que el error no sea mayor que (0,25  millas náuticas + 1,25 % × distancia real).

Un transpondedor terrestre DME típico tiene un límite de 2700 interrogaciones por segundo (pares de pulsos por segundo – pps). De esta forma, puede proporcionar información de distancia para hasta 100 aeronaves simultáneamente: el 95 % de las transmisiones corresponden a aeronaves en modo de seguimiento (normalmente 25 pps) y el 5 % en modo de búsqueda (normalmente 150 pps). Por encima de este límite, el transpondedor evita la sobrecarga limitando la sensibilidad (ganancia) del receptor. Las respuestas a interrogaciones más débiles (normalmente las más distantes) se ignoran para reducir la carga del transpondedor.

Las frecuencias DME se emparejan con las frecuencias VOR, y un interrogador DME está diseñado para sintonizar automáticamente la frecuencia DME correspondiente cuando se selecciona la frecuencia VOR asociada. El interrogador DME de un avión utiliza frecuencias de 1025 a 1150  MHz. Los transpondedores DME transmiten en un canal en el  rango de 962 a 1213 MHz y reciben en un canal correspondiente entre 1025 y 1150  MHz. La banda se divide en 126 canales para interrogación y 126 canales para respuesta. Las frecuencias de interrogación y respuesta siempre difieren en 63  MHz. El espaciado y el ancho de banda de cada canal son de 1  MHz y el ancho de banda de 1 MHz.

Las referencias técnicas a los canales X e Y se refieren únicamente al espaciado de los pulsos individuales en el par de pulsos DME:  un espaciado de 12 µs para los canales X y  un espaciado de 30 µs para los canales Y.

Las instalaciones DME se identifican con un código Morse de  tres letras a 1350 Hz . Si se encuentran junto a un VOR o un ILS, tendrán el mismo código de identificación que la instalación principal. Además, la DME se identificará entre las de la instalación principal. La identidad de la DME es de 1350 Hz para diferenciarse del tono de 1020 Hz del localizador VOR o ILS.  

La FAA de EE. UU. ha instalado tres tipos de transpondedores DME (sin incluir los asociados a un sistema de aterrizaje): los transpondedores terminales (que suelen instalarse en un aeropuerto) normalmente proporcionan servicio a una altura mínima sobre el suelo de 12 000 pies (3700 m) y un alcance de 25 millas náuticas (46 km) ; los transpondedores de baja altitud normalmente proporcionan servicio a una altura mínima de 18 000 pies (5500 m) y un alcance de 40 millas náuticas (74 km) ; y los transpondedores de gran altitud, que normalmente proporcionan servicio a una altura mínima de 45 000 pies (14 000 m) y un alcance de 130 millas náuticas (240 km) . Sin embargo, muchos tienen restricciones operativas basadas principalmente en el bloqueo de la línea de visión, y el rendimiento real puede ser diferente. ^{[ 12 ]} El Manual de Información Aeronáutica de EE. UU. afirma, presumiblemente refiriéndose a los transpondedores DME de gran altitud: "se pueden recibir señales fiables a distancias de hasta 199 millas náuticas [369 km] a altitud de línea de visión".       

Los transpondedores DME asociados a un ILS u otra aproximación instrumental están diseñados para usarse durante la aproximación a una pista específica , ya sea a uno o ambos extremos. No están autorizados para la navegación general; no se especifica ni un alcance mínimo ni una altitud mínima.

El uso de frecuencias, la canalización y el emparejamiento de DME con otras ayudas a la navegación (VOR, ILS, etc.) están definidos por la OACI. ^{[ 1 ]} 252 canales DME se definen por la combinación de su frecuencia de interrogación, espaciado de pulsos de interrogación, frecuencia de respuesta y espaciado de pulsos de respuesta. Estos canales se etiquetan como 1X, 1Y, 2X, 2Y, ... 126X, 126Y. Los canales X (que fueron los primeros) tienen pares de pulsos de interrogación y respuesta espaciados por 12  µs. Los canales Y (que se agregaron para aumentar la capacidad) tienen pares de pulsos de interrogación espaciados por 36  µs y pares de pulsos de respuesta espaciados por 30  µs.

Se definen un total de 252 frecuencias (aunque no todas se utilizan) para las consultas y respuestas del DME; concretamente, 962, 963, ..., 1213  MHz. Las frecuencias de consulta son 1025, 1026, ..., 1150  MHz (126 en total) y son las mismas para los canales X e Y. Para un canal dado, la frecuencia de respuesta es 63  MHz inferior o superior a la frecuencia de consulta. La frecuencia de respuesta es diferente para los canales X e Y, y también para los canales numerados del 1 al 63 y del 64 al 126.

No todos los canales/frecuencias definidos están asignados. Existen zonas sin asignar centradas en 1030 y 1090  MHz para proteger el sistema de radar de vigilancia secundaria (SSR). En muchos países, también hay una zona sin asignar centrada en 1176,45  MHz para proteger la frecuencia GPS L5. Estas tres zonas sin asignar reducen aproximadamente 60  MHz de las frecuencias disponibles.

El DME de precisión (DME/P), un componente del sistema de aterrizaje por microondas, se asigna a los canales Z, que cuentan con un tercer conjunto de espaciamientos de pulsos de interrogación y respuesta. Los canales Z se multiplexan con los canales Y y no afectan significativamente la configuración de canales.

En 2020, una empresa presentó su sistema DME de quinta generación. Si bien es compatible con los equipos existentes, esta versión ofrece mayor precisión (hasta 5 metros mediante trilateración DME/DME), con una reducción adicional a 3 metros gracias a una mejora posterior. El equipo de 3 metros se está considerando para su inclusión en el proyecto SESAR europeo , con una posible implementación para 2023.

En el siglo XXI, la navegación aérea depende cada vez más de la guía por satélite. Sin embargo, la navegación terrestre continuará, por tres razones:

• La señal satelital es extremadamente débil, puede ser falsificada y no siempre está disponible;
• Una norma de la Unión Europea exige a los Estados miembros que conserven y mantengan las ayudas a la navegación terrestres;
• Un sentimiento de soberanía o control sobre los propios medios de navegación de un Estado. «Algunos Estados desean que la navegación en su territorio dependa de medios que controlan. Y no todos los países tienen su propia constelación, como el GPS de Estados Unidos o el Galileo de Europa».

Una ventaja del equipo de quinta generación propuesto en 2020 es su capacidad de ser verificado funcionalmente mediante vuelos de drones , lo que reducirá significativamente el costo y las demoras de las pruebas de vuelo de certificación tripuladas anteriores. ^{[ 13 ]}

• Vigilancia dependiente automática por difusión (ADS-B)
• Gee-H (navegación)
• Reglas de vuelo instrumental (IFR)
• Baliza no direccional (NDB)
• Chorro
• Sistema de aterrizaje con transpondedor (TLS)

• Conceptos básicos de DME
• Galería de ayudas a la navegación del Reino Unido con descripciones técnicas detalladas de su funcionamiento.
• Manual Nacional de Aviación de EE. UU. para los sistemas VOR/DME/TACAN