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UTN – FRBA – ME2 Diciembre, 2013
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ÍNDICE
Resumen ....................................................................................................................................................... 2
Introducción ................................................................................................................................................... 2
Desarrollo del trabajo .................................................................................................................................... 2
Teoría del VOR.......................................................................................................................................... 2
Principio de funcionamiento del CVOR/DVOR...................................................................................... 3
Método C-VOR ...................................................................................................................................... 4
Sistema radiante del C-VOR ................................................................................................................. 5
Generando la señal CVOR.................................................................................................................... 8
Mediciones del CVOR ............................................................................................................................. 10
Ensayos en tierra................................................................................................................................. 10
Ensayos en vuelo ................................................................................................................................ 11
Mediciones a realizar para el proyecto y resultados ........................................................................... 12
Resultados................................................................................................................................................... 13
Discusión ..................................................................................................................................................... 14
Conclusiones ............................................................................................................................................... 14
Referencias.................................................................................................................................................. 14
TABLA DE VALORES OBTENIDOS Y CALCULADOS EN LA MEDICIÓN 1 - GRÁFICO DE RESULTADOS ............................................................................................................................................ 15
TABLA DE VALORES OBTENIDOS Y CALCULADOS EN LA MEDICIÓN 2 - GRÁFICO DE RESULTADOS ............................................................................................................................................ 16
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MEDICIONES SOBRE EL RADIOFARO OMNIDIRECCIONAL EN VHF CONVENCIONAL (CVOR)
Carla Irene Repetto, Federico Giorno Docente a cargo: Ing. Alejandro Henze
Universidad Tecnológica Nacional - Facultad Regional Buenos Aires Medidas Electrónicas 2
Resumen
El proyecto desarrollado consiste en una descripción general del CVOR, su principios de funcionamiento y sus funciones dentro del sistema de Radionavegación Aeronáutica, para luego proceder a realizar mediciones y ajustes en tierra que permitan dar paso a la posterior verificación aérea
Introducción
El objetivo del presente proyecto es realizar las mediciones correspondientes al llamado "ground check" (Ensayo en tierra) del Radiofaro Omnidireccional en VHF, conocido en la actividad aeronáutica como VOR. Dado que este sistema no es de fácil acceso, se pretende en primer lugar realizar una descripción del mismo, explicando sus principios de funcionamiento y que utilidad presta a la aviación en general.
Desarrollo del trabajo
Teoría del VOR
El VOR (Very high frequency Omnidirectional Radio range) es una radioayuda recomendada por OACI [1] para la navegación de corto y mediano alcance . Su finalidad es dar una marcación acimutal a las aeronaves . Fue adoptado por la OACI en 1949. Las estaciones se sitúan cada 50 MN (92,6 km) aproximadamente, constituyendo los vértices de las líneas poligonales que determinan las aerovías utilizadas por el tráfico aéreo. El VOR permite dos funciones:
• Función navegación: Indica al piloto el acimut magnético del radial que une la aeronave y la estación. Cuando se navega por las aerovías, “de VOR a VOR” es la única información necesaria.
• Función guiado: Se utiliza para dirigirse hacia un VOR, o alejarse de él, siguiendo un radial preestablecido. En este caso, el equipo le presenta al piloto una señal de error entre el ángulo del radial en que está situada la aeronave y el radial seleccionado.
Como su nombre indica, este sistema trabaja en la banda VHF, concretamente en el rango de frecuencias de 108 MHz a 118 MHz. En algunos países se utiliza el rango de 112 MHz a 118 MHz para los VOR de ruta y de 108 MHz a 112 MHz para los situados en áreas terminales. Los canales VOR están separados 50K Hz, por lo que se dispone de 120 canales en toda la banda.
El DVOR es un equipo alternativo al CVOR que está basado en el efecto DOPPLER. Su principal ventaja es la capacidad de indicar el acimut con una precisión diez veces superior. Este tipo de equipos tienen la ventaja de dar mejores prestaciones en lugares en los que hay accidentes geográficos considerables, si bien, necesitan mayor superficie para conformar la señal VOR.
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Generalmente se combina una estación CVOR o DVOR con un DME (Equipo Medidor de Distancia) con el objetivo de poder determinar la posición exacta del avión respecto al punto de referencia.
Actualmente la red de balizas de tierra está conformada por un número de estaciones CVOR y DVOR con un alcance máximo de 300 Km. Esta distancia se verá reducida para cada estación en función de la orografía, potencia de transmisión y restricciones publicadas.
Principio de funcionamiento del CVOR/DVOR
La navegación se produce siguiendo un radial de una estación determinada hasta entrar en el espacio de cobertura de otra estación cercana, en donde se continuará navegando por otro radial de dicha estación.
Figura 1 Red de estaciones CVOR/DVOR en tierra
El piloto selecciona mediante el actuador el radial que desea seguir. A partir de ahí, y gracias a las señales transmitidas por el CVOR/DVOR se dan las desviaciones de posicionamiento respecto del radial seleccionado (ver Figura 2). Las indicaciones que el piloto obtiene a bordo son:
• Desviación de la posición respecto al radial seleccionado.
• Indicación TO/FROM
• FLAG de navegación OFF
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Figura 2 Instrumento de navegación VOR
Para poder dar todas estas indicaciones entran en juego una serie de señales que, tratadas de una manera adecuada, conforman una señal de RF en el espacio capaz de proporcionar el guiado de las aeronaves.
Aunque las señales que intervienen en una estación CVOR y DVOR son las mismas, existen diferencias en el modo de generarlas. En cualquier caso, las indicaciones obtenidas a bordo de la aeronave serán exactamente iguales.
Método C-VOR
El VOR, también llamado C-VOR por VOR Convencional, utiliza una señal de RF que será empleada como portadora, y cuyo rango de frecuencias es el anteriormente descrito. Sobre esta señal portadora se modulan dos señales de 30 Hz (una en AM y otra en FM) . Ambas señales de 30 Hz tienen cierta relación de fase, la cual depende de la posición en la que esté situado el receptor.
Si ambas señales se manipulan de la manera adecuada, es posible hacer que el desfase entre ambas señales coincida con el ángulo geográfico entre el Norte Magnético y la posición relativa del receptor.
Para conseguir esto, una de las señales de 30 Hz deberá ser transmitida de manera que se reciba con la misma fase en todo el espacio de cobertura. A esta señal se la denomina Señal de Referencia.
La segunda señal de 30 Hz se transmitirá de forma que su fase dependa de la posición el receptor. A esta señal se la denomina Señal Variable.
En el CVOR, la señal de 30 Hz de Referencia se modulará en FM sobre una subportadora de 9960 Hz, con un desplazamiento en frecuencia de ± 480 Hz. Esta subportadora de 9960 Hz es modulada a su vez en amplitud sobre la frecuencia de portadora de la estación.
Sobre la señal portadora se modula en amplitud otra señal de 1020 Hz que proporciona el indicativo de la estación en código Morse. También es posible modular señales de voz, comprendidas entre 300 Hz y 3000 Hz. Esto se puede utilizar para dar información útil para el piloto como ser la relativa a los servicios de tránsito aéreo (ATIS) o relativa a la meteorología aeronáutica (VOLMET).
El resultado de modular todas estas señales y transmitirlas por el sistema de antenas adecuado produce en el espacio un diagrama de radiación en forma de cardiode que rota con una velocidad de 30 ciclos por segundo en sentido horario.
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Figura 3 Diferencia de fase en diversos ángulos del VOR
El espectro de frecuencias de un CVOR/DVOR es el mostrado en la figura de abajo y contiene las siguientes señales:
- Señal de 30 Hz modulada en amplitud. (f0±30 Hz)
- Señal modulada en amplitud de 9960 Hz (subportadora) modulada en frecuencia por una señal de 30 Hz y una desviación de frecuencia de ±480 Hz. (f0±9960 Hz ±480 Hz)
- Modulación en amplitud para voz (300 Hz a 3000 Hz) y código de identificación 1020 Hz.
- Señal de portadora (f0)
Figura 4 Espectro de frecuencias usado por el VOR
Sistema radiante del C-VOR
El sistema de antenas del CVOR comprende los siguientes componentes:
- Antena del CVOR
- Dispositivo de ajuste.
- Contra antena
- Dipolo monitor
- Cableado
La antena CVOR consta de los siguientes elementos:
- Dos radiadores omnidireccionales
- Dos dipolos cruzados (formada por dos pletinas cruzadas)
- Las extensiones de las pletinas superior e inferior del dipolo.
- Tubo central y escudos.
- Cables coaxiales.
El sistema radiante está compuesto por dos antenas omnidireccionales de cuadro Alford ubicadas en la parte superior e inferior del sistema radiante, y dos dipolos de banda lateral llamados Dipolo A y Dipolo B formando 90º entre sí.
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Figura 6 Representación esquemática de la antena de un CVOR
La disposición de las dos antenas omnidireccionales (antenas de bucle Alford) y los dos dipolos cruzados (dipolos magnéticos) dan lugar a un diagrama de radiación característico válido para ángulos de elevación altos. Esto garantiza que el cono de silencio es inferior a 60°.
Una característica de las antenas utilizadas es que las componentes de interferencia de polarización vertical permanecen insignificantemente pequeñas hasta los ángulos de elevación altos, incluso sin una jaula de polarización (necesaria con los tipos más antiguos de antenas CVOR).
En la Figura 7 pueden verse los dipolos y antenas de cuadro Alford que componen una antena típica de un CVOR
Figura 7 Vista del sistema radiante del CVOR
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En la Figura 8 puede verse el diagrama de radiación vertical de las dos antenas de cuadro Alford de manera combinada en el CVOR.
Figura 8 Diagrama de radiación de las antenas Alford del CVOR
Figura 9 Diagrama de radiación de una antena de cuadro Alford – 3D
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Figura 10 Diagrama de radiación de los dipolos cruzados de SBO
Generando la señal CVOR
El giro de la señal VOR se genera electrónicamente. La señal de portadora es radiada por las antenas de cuadro Alford con características omnidireccionales. Esta señal se superpone en el espacio con la señal variable radiada por los dipolos cruzados, lo que resulta en una modulación en amplitud de la señal Variable (30 Hz) cuya relación de fase respecto a la señal de Referencia depende del ángulo de azimut relativa de la aeronave.
Figura 11 Señales que intervienen en la generación de la señal VOR
El resultado de la superposición de las señales se muestra en la Figura 11. Aquí solo se muestra la modulación de amplitud de la señal de 30 Hz. Si incluimos la modulación de amplitud de la subportadora de 9960 Hz resulta en una señal como la mostrada en la Figura 12.
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Figura 12 Señal compuesta del DVOR
La profundidad de la modulación de las frecuencias individuales se puede modificar dentro de ciertos límites. Los valores nominales son:
- Señal de navegación 30 Hz (Variable) 30%
- Señal Subportadora 9960 Hz: 30%
- Desviación en frecuencia de la Subportadora: 16
- Voz 30%
- Código de Identidad 5% a 10%
En el caso del CVOR, será el transmisor quien genere la señal de portadora, amplificándola y modulando en amplitud la señal Subportadora de 9960 Hz. Previamente, esta subportadora ha sido modulada en frecuencia con una desviación de ±480 Hz e índice de modulación 16, lo que originará una señal de 30 Hz FM. Posteriormente esta señal se transmitirá por las antenas omnidireccionales de cuadro Alford.
Por otro lado se generarán dos señales de banda lateral (SBO) llamadas Banda Lateral A (SBA) y Banda Lateral B (SBB). Estas señales tendrán una frecuencia de portadora igual a la anterior, con la salvedad de que estas señales serán Bandas Laterales con portadora suprimida.
Esta señal será modulada al 100% por dos señales de audio de 30 Hz desfasadas entre sí 90º. Luego se enviarán a los dos dipolos cruzados tal y como se muestra en la Figura 13. Obsérvese la inversión en la fase de la señal portadora en cada uno de los ciclos de la señal de 30 Hz.
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Figura 13 Sistema radiante del CVOR
Una vez transmitidas ambas señales, la portadora (CSB) y las bandas laterales (SBO), se obtendrá una modulación espacial en amplitud de una señal de 30 Hz . En la siguiente figura pueden verse estas señales. En este ejemplo, por simplicidad, se ha supuesto una portadora (RF carrier) sin modulación en el transmisor.
Figura 14 Modulación espacial de la señal de 30 Hz AM sobre la portadora
La suma de estas señales en el espacio dará lugar a un diagrama de radiación giratorio en sentido horario con forma de cardioide.
Mediciones del CVOR
Ensayos en tierra [2]
El VOR debe inspeccionarse de conformidad con los procedimientos recomendados por el fabricante. Los procedimientos de chequeo en tierra (Ground Check) son similares para cualquier VOR.
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El método empleado consiste en medir, con una antena monitora (receptora), los valores de campo eléctrico y de fase en el campo cercano. Para ello es necesario marcar puntos predeterminados (mojones) y fijarlos en el terreno, en los 360 grados alrededor de la caseta. También es posible hacerlo en el borde de la contraantena (pero no menos de 4 longitudes de onda λ de la antena).
Los resultados de los ensayos en tierra se deben comparar con los resultados obtenidos en vuelo para establecer importantes parámetros. Esta comparación permite determinar el grado de deterioro general del VOR, y decidir con qué periodicidad se efectuarán las inspecciones en vuelo.
Los parámetros principales que deben chequearse en tierra periódicamente para determinar si el VOR y el equipo de control están funcionando con normalidad son:
- La distribución de error y alineación del rumbo.
- Exactitud de la frecuencia portadora.
- Potencia de salida de la portadora.
- Niveles de modulación de subportadora de 9960 Hz, señal de referencia FM y señal variable AM.
- Alarmas del equipo monitor:
- Fase (de la desviación del rumbo).
- De las señales de modulación (subportadora, variable y referencia).
- Pruebas de indicación de funcionamiento en TWR.
- Prueba de alimentación de EGA.
Es importante destacar que los ensayos en tierra se realizan con anterioridad a una verificación aérea.
Ensayos en vuelo [3]
Es el paso previo a la puesta en servicio, se hace posterior a los ensayos en tierra. Se trata de correlacionar ambos ensayos.
La verificación en vuelo del CVOR permite determinar si hay algún área de su cobertura que no satisfaga las tolerancias de funcionamiento, y en esos casos proceder a su corrección y llegado el caso a su restricción operativa.
La necesidad de realizar los ensayos en vuelo obedece al hecho que debido a factores ambientales como ser la orografía u otros obstáculos en el lugar de emplazamiento de esta radioayuda la marcación de radiales que reciben las aeronaves pueden no coincidir con las medidas en los ensayos en tierra producto de reflexiones no deseadas.
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Ahora, si la palabra final la tiene la verificación aérea, para que es necesario el ensayo en vuelo?, pues bien esto obedece a un factor económico determinado por el costo de la hora de vuelo, y se desprende del hecho que si bien el ensayo en tierra no asegura el éxito de la verificación aérea, el no éxito del ensayo en tierra muy probablemente implique el no éxito del ensayo en vuelo y por lo tanto la repetición del ensayo.
Mediciones a realizar para el proyecto y resultados
Estas mediciones se llevaron a cabo el día 15 de noviembre de 2013 en el aeródromo de San Antonio de Areco en la provincia de Buenos Aires y se circunscribieron a las mediciones denominadas Ground Check, mas específicamente a las de distribución de error y alineación del rumbo.
El instrumento utilizado es un PIR que se trata de un instrumento de medición portátil que recibe las señales de radiofrecuencias del VOR y analiza los parámetros de modulación y de información de navegación contenida en dicha señal, presentándolos en el display, tal como se puede apreciar en la figura de abajo.
En primer lugar se procedió al armado del setup de medición, cuyo esquema se ve en la figura de abajo, en la misma también podemos apreciar la ubicación del dipolo monitor sobre el techo de la caseta, apoyado sobre puntos de sujeción fijos posicionados alrededor del borde exterior de la contraantena, equiespaciados cada 20°.
Seguidamente se procedió a efectuar con el PIR el primer conjunto de medidas del rumbo cada 20° (coincidiendo con las posiciones fijas ubicadas en la contraantena) tabulándose los resultados en una planilla de cálculo. Este conjunto de mediciones se realizó para ambos transmisores (1 original y 2 duplicado).
Como se puede apreciar en la tabla de valores del Anexo 1, la primer columna contiene el rumbo expresado en grados (Grados), en las columnas dos y cinco, se encuentran los rumbos indicados por el instrumento de medidas para cada transmisor.
En la tercera y sexta columnas (Dif Tx1 y Dif Tx2) se encuentran valores calculados y que corresponden a la diferencia entre el valor medido y el valor correspondiente a la ubicación de la antena monitora para la medición (dato de la primer columna).
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Finalmente en la cuarta y séptima columna (Dif c/Prom Tx1 y Dif c/Prom Tx2) se encuentran los valores calculados que corresponden a la diferencia entre los valores calculados en la tercer y sexta columnas, es decir las diferencias entre lo medido y lo esperado (dato de la primer columna) con relación al promedio de las diferencias, que para el transmisor 1 fue de 5,54 grados y para el transmisor 2 fue de 5,33.
En el Anexos 1 la tabla también muestra el valor máximo, mínimo y su diferencia, correspondientes a los valores diferencia de las tercer y sexta columnas.
Con estos datos se procedió a graficar, obteniéndose la figura representada en el Anexo 1, donde se puede apreciar claramente que el transmisor 2 tiene un diagrama de errores que exceden el admitido (2°máximo a cada lado) mostrado en línea roja
De los manuales del fabricante surge que esta distribución de error se corresponde a un mal ajuste en la potencia de portadora del transmisor 2, razón por la cual se procedió a reducir 5 dbm a dicho transmisor.
Seguidamente, una vez ajustado, se dio inicio al segundo conjunto de mediciones, repitiendo el procedimiento descripto arriba, obteniéndose la Tabla de valores y su gráfica asociada que se muestran en el Anexo 2.
En este caso se puede observar una mejora notable del diagrama de error con diferencias por debajo de las máximas admitidas (< 4°).
Resultados
Resumiendo, se han realizado dos conjuntos de mediciones arrojando los siguientes resultados:
Resultado A: El equipo VOR muestra variaciones en la ubicación de sus radiales superiores a los 4°, por lo cual se procede a su ajuste.
Resultado B: Luego del ajuste, el equipo VOR entra dentro de la tolerancia admitida.
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Discusión
En el desarrollo del proyecto se pudieron realizar las mediciones denominadas "Ensayos en tierra" o "Ground Check", obteniendo los resultados esperados sobre las mismas. Asimismo, y más allá de las mediciones realizadas se pudo tomar contacto con un sistema poco frecuente de ver debido a su especificidad.
En el desarrollo de las mediciones se han podido sentir las dificultades propias de las tareas que se llevan a cabo para realizarlas, tal como las experimentadas en el laboratorio, pero además se ha podido experimentar los contratiempos que impone la realización de mediciones en el campo (al aire libre) con viento fuerte.
Conclusiones
El CVOR de San Antonio de Areco tiene una desviación de radiales menor a 4°, por lo tanto ha superado las pruebas de mediciones en tierra, y por ello está listo para la verificación aérea.
Referencias
[1] Organización de Aviación Civil Internacional - Anexo 10 “Telecomunicaciones Aeronáuticas” Volumen I Radioayudas a la Navegación" - Capítulo 3 "Especificaciones relativas a las radioayudas para la navegación". Sección 3.3 "Especificación para el radiofaro omnidireccional VHF (VOR)". Pág. 3-28 a 3-32. y Adjunto C "Información y texto de orientación sobre la aplicación de las normas y métodos recomendados para ILS, VOR, PAR, radiobalizas de 75 MHz (en ruta), NDB y DME" Sección 3 "Texto de orientación referente al VOR/DVOR". Pág. ADJ C-35 a ADJ C-47. Sexta Edición - Julio 2006.
[2] Organización de Aviación Civil Internacional - Doc. 8071 "MANUAL ON TESTING OF RADIO NAVIGATION AIDS" Volume I "TESTING OF GROUND-BASED RADIO NAVIGATION SYSTEMS" Chapter 2. "Very high frequency omni- directional radio range (VOR)" Section 2.2 "Ground testing". Pág. 2-1 a 2-6. Fourth Edition - 2000.
[3] Organización de Aviación Civil Internacional - Doc. 8071 "MANUAL ON TESTING OF RADIO NAVIGATION AIDS" Volume I "TESTING OF GROUND-BASED RADIO NAVIGATION SYSTEMS" Chapter 2. "Very high frequency omni- directional radio range (VOR)" Section 2.3 "Fligth Testing". Pág. 2-6 a 2-15. Fourth Edition - 2000.
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Anexo 1
TABLA DE VALORES OBTENIDOS Y CALCULADOS EN LA MEDICIÓN 1 - GRÁFICO DE RESULTADOS
Grados Tx1 Dif Tx1 Dif c/Prom
Tx1 Tx2 Dif Tx2
Dif c/Prom Tx2
0 5,55 5,55 0,01 2,60 2,60 -2,73
20 25,80 5,80 0,26 23,55 3,55 -1,78
40 45,50 5,50 -0,04 45,30 5,30 -0,03
60 64,85 4,85 -0,69 66,70 6,70 1,37
80 85,40 5,40 -0,14 88,15 8,15 2,82
100 105,80 5,80 0,26 108,15 8,15 2,82
120 125,35 5,35 -0,19 126,50 6,50 1,17
140 145,40 5,40 -0,14 144,30 4,30 -1,03
160 165,20 5,20 -0,34 162,85 2,85 -2,48
180 185,90 5,90 0,36 182,75 2,75 -2,58
200 206,00 6,00 0,46 203,75 3,75 -1,58
220 225,75 5,75 0,21 225,45 5,45 0,12
240 245,40 5,40 -0,14 247,15 7,15 1,82
260 265,60 5,60 0,06 268,50 8,50 3,17
280 285,60 5,60 0,06 288,20 8,20 2,87
300 305,60 5,60 0,06 306,95 6,95 1,62
320 325,70 5,70 0,16 324,90 4,90 -0,43
340 345,25 5,25 -0,29 342,95 2,95 -2,38
360 365,55 5,55 0,01 362,60 2,60 -2,73
MAXIMO 6,00 8,50
MINIMO 4,85 2,60
SPREAD 10,85 11,10
Promedio 5,54 5,33
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Anexo 2
TABLA DE VALORES OBTENIDOS Y CALCULADOS EN LA MEDICIÓN 2 - GRÁFICO DE RESULTADOS
Grados Tx1 Dif Tx1 Dif c/Prom
Tx1 Tx2 Dif Tx2
Dif c/Prom Tx2
0 5,55 5,55 0,01 5,20 5,20 -0,13
20 25,80 5,80 0,26 25,50 5,50 0,17
40 45,50 5,50 -0,04 45,50 5,50 0,17
60 64,85 4,85 -0,69 64,90 4,90 -0,43
80 85,40 5,40 -0,14 85,50 5,50 0,17
100 105,80 5,80 0,26 105,60 5,60 0,27
120 125,35 5,35 -0,19 125,30 5,30 -0,03
140 145,40 5,40 -0,14 144,80 4,80 -0,53
160 165,20 5,20 -0,34 164,90 4,90 -0,43
180 185,90 5,90 0,36 185,50 5,50 0,17
200 206,00 6,00 0,46 205,65 5,65 0,32
220 225,75 5,75 0,21 225,60 5,60 0,27
240 245,40 5,40 -0,14 245,35 5,35 0,02
260 265,60 5,60 0,06 265,30 5,30 -0,03
280 285,60 5,60 0,06 285,20 5,20 -0,13
300 305,60 5,60 0,06 305,60 5,60 0,27
320 325,70 5,70 0,16 325,65 5,65 0,32
340 345,25 5,25 -0,29 345,00 5,00 -0,33
360 365,55 5,55 0,01 365,20 5,20 -0,13
MAXIMO 6,00 5,65
MINIMO 4,85 4,80
SPREAD 1,15 0,85
Promedio 5,54 5,33
