Equipo de medición de distancia

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

Los sistemas DME se utilizan en todo el mundo y se basan en estándares establecidos por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), ^[1] RTCA, ^[2] la Agencia de Seguridad Aérea de la Unión Europea (AESA) ^[3] y otros organismos. Algunos países exigen que las aeronaves que operan bajo reglas de vuelo por instrumentos (IFR) estén equipadas con un interrogador DME; en otros, solo se requiere un interrogador DME para realizar ciertas operaciones.

Aunque se permiten los transpondedores DME independientes, estos suelen combinarse con un sistema de guía azimutal para proporcionar a las aeronaves una capacidad de navegación bidimensional. Una combinación habitual es un DME ubicado junto con un transmisor de rango omnidireccional (VOR) VHF en una única estación terrestre. Cuando esto ocurre, las frecuencias del equipo VOR y del DME se combinan. ^[1] Esta configuración permite a una aeronave determinar su ángulo azimutal y la distancia desde la estación. Una instalación VORTAC (un VOR ubicado junto con un TACAN ) proporciona las mismas capacidades a las aeronaves civiles, pero también proporciona capacidades de navegación 2D a las aeronaves militares.

Los transpondedores DME de baja potencia también están asociados con algunas instalaciones de sistemas de aterrizaje por instrumentos (ILS), localizadores ILS y sistemas de aterrizaje por microondas (MLS). En esas situaciones, la frecuencia/espaciado de pulsos del transpondedor DME también se empareja con la frecuencia ILS, LOC o MLS.

La OACI caracteriza las transmisiones DME como de frecuencia ultraalta (UHF). También se utiliza el término banda L. ^[4]

El sistema DME, desarrollado en Australia, fue inventado por James "Gerry" Gerrand ^[5] bajo la supervisión de Edward George "Taffy" Bowen mientras trabajaba como jefe de la División de Radiofísica de la Organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth (CSIRO). A principios de los años 50, Amalgamated Wireless Australasia Limited implementó otra versión diseñada del sistema, que operaba en la banda de 200 MHz VHF . El Departamento Federal de Aviación Civil denominó a esta versión nacional australiana DME(D) (o DME Domestic), y la versión internacional adoptada posteriormente por la OACI como DME(I).

El principio del DME es similar al de la función de medición de distancia del radar secundario , excepto que las funciones de los equipos 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 . Para mantener la compatibilidad, el DME es funcionalmente idéntico al componente de medición de distancia del TACAN.

En su primera iteración, un avión equipado con DME utilizó el equipo para determinar y mostrar su distancia desde un transpondedor terrestre mediante el envío y la recepción de pares de pulsos. Las estaciones terrestres suelen estar ubicadas junto con los VOR o VORTAC. Un DME de baja potencia puede estar ubicado junto con un ILS o MLS, donde proporciona una distancia precisa hasta el punto de aterrizaje, similar a la que proporcionan las balizas de señalización ILS (y, en muchos casos, permite la eliminación de estas últimas).

Una función más reciente de los DME es la navegación de área DME/DME (RNAV). ^{[6] [7]} Debido a la precisión generalmente superior de los DME en relación con los VOR, la navegación con dos DME (utilizando trilateración/distancia) permite operaciones que la navegación con VOR/DME (utilizando 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 comprende un transmisor/receptor (interrogador) UHF (banda L) en la aeronave y un receptor/transmisor ( transpondedor ) UHF (banda L ) en tierra.

150 pares de pulsos de interrogación por segundo. La aeronave interroga al transpondedor terrestre con una serie de pares de pulsos (interrogaciones) y, después de un retardo de tiempo preciso (normalmente 50 microsegundos), la estación terrestre responde con una secuencia idéntica de pares de pulsos. El receptor DME en la aeronave busca pares de pulsos de respuesta (modo X = espaciado de 12 microsegundos) con el intervalo y el patrón de respuesta correctos para su patrón de interrogación original. (Los pares de pulsos que no coinciden con el patrón de interrogación de la aeronave individual, por ejemplo, no sincrónicos, se denominan pares de pulsos de relleno o señales espontáneas . Además, las respuestas a otras aeronaves que, por lo tanto, no son sincrónicas también aparecen como señales espontáneas).

Menos de 30 pares de pulsos de interrogación por segundo, ya que el número promedio de pulsos en BÚSQUEDA y SEGUIMIENTO está limitado a un máximo de 30 pares de pulsos por segundo. El interrogador de la aeronave se conecta a la estación terrestre DME una vez que reconoce que una secuencia de pulsos de respuesta particular tiene el mismo espaciado que la secuencia de interrogación original. Una vez que el receptor se conecta, tiene una ventana más estrecha en la que buscar los ecos y puede mantener el enlace.

Una señal de radio tarda aproximadamente 12,36 microsegundos en recorrer 1 milla náutica (1.852 m) hasta el objetivo y volver. La diferencia de tiempo entre la interrogación y la respuesta menos el retardo de 50 microsegundos del transpondedor terrestre y el espaciado entre los pulsos de respuesta (12 microsegundos en modo X y 30 microsegundos en modo Y) se mide mediante el circuito de temporización del interrogador y se convierte en una medida de distancia ( rango oblicuo ), en millas náuticas, que luego se muestra en la pantalla DME de la cabina.

El receptor DME utiliza  la fórmula de distancia, distancia = velocidad * tiempo , para calcular su distancia desde la estación terrestre DME. La velocidad en el cálculo es la velocidad del pulso de radio, que es la velocidad de la luz (aproximadamente 300.000.000 m/s o 186.000  mi/s ). El tiempo en el cálculo 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 millas náuticas ). ^[8] Es importante entender que DME proporciona la distancia física entre la antena de la aeronave y la antena del transpondedor DME. Esta distancia se conoce a menudo como "rango oblicuo" y depende trigonométricamente de la altitud de la aeronave sobre el transpondedor, así como de la distancia terrestre entre ellos.

Por ejemplo, una aeronave que se encuentre directamente sobre la estación DME a una altitud de 6076 pies (1 milla náutica) aún mostraría 1,0 milla náutica (1,9 km) en la lectura DME. La aeronave se encuentra técnicamente a una milla de distancia, solo una milla en línea recta. El error de rango oblicuo es más pronunciado a grandes altitudes cuando se está cerca de la estación DME.

Las ayudas a la radionavegación deben mantener un cierto grado de precisión, dado por estándares internacionales, FAA, ^[9] EASA , ICAO , etc. Para asegurar que esto sea así, las organizaciones de inspección de vuelo verifican periódicamente parámetros críticos con aeronaves adecuadamente equipadas para calibrar y certificar la precisión del DME.

La OACI recomienda una precisión inferior a la suma de 0,25 millas náuticas más el 1,25 % de la distancia medida.

Un transpondedor DME terrestre típico tiene un límite de 2700 interrogaciones por segundo (pares de pulsos por segundo, pps). Por lo tanto, puede proporcionar información de distancia para hasta 100 aeronaves a la vez: el 95 % de las transmisiones para 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 las interrogaciones más débiles (normalmente las más distantes) se ignoran para reducir la carga del transpondedor.

Las frecuencias DME se emparejan con 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 es de 1 MHz y un 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, espaciado de 12 microsegundos para los canales X y espaciado de 30 microsegundos para los canales Y.

Las instalaciones DME se identifican con un código Morse de tres letras de 1.350 Hz. Si se ubican junto a un VOR o ILS, tendrán el mismo código de identidad que la instalación original. Además, el DME se identificará entre los de la instalación original. La identidad del DME es de 1.350 Hz para diferenciarse del tono de 1.020 Hz del localizador VOR o ILS.

La FAA de los EE. UU. ha instalado tres tipos de transpondedores DME (sin incluir los asociados a un sistema de aterrizaje): los transpondedores de terminal (que suelen instalarse en un aeropuerto) suelen proporcionar 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 suelen proporcionar 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 suelen proporcionar 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. ^[10] El Manual de Información Aeronáutica de los EE. UU. establece, presumiblemente refiriéndose a los transpondedores DME de gran altitud: "se pueden recibir señales confiables a distancias de hasta 199 millas náuticas [369 km] a una altitud de línea de visión".

Los transpondedores DME asociados a un ILS u otro método de aproximación instrumental están destinados a utilizarse durante una aproximación a una pista en particular, ya sea a uno o ambos extremos. No están autorizados para la navegación general; no se especifican ni un alcance mínimo ni una altura.

La OACI define el uso de frecuencias DME, la canalización y el emparejamiento con otras ayudas a la navegación (VOR, ILS, etc.). ^{[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 están etiquetados como 1X, 1Y, 2X, 2Y, ... 126X, 126Y. Los canales X (que llegaron primero) tienen pares de pulsos de interrogación y respuesta espaciados por 12 microsegundos. Los canales Y (que se agregaron para aumentar la capacidad) tienen pares de pulsos de interrogación espaciados por 36 microsegundos y pares de pulsos de respuesta espaciados por 30 microsegundos.

Se definen un total de 252 frecuencias (pero no se utilizan todas) para las interrogaciones y respuestas de DME, específicamente, 962, 963, ... 1213 megahertz. Las frecuencias de interrogación son 1025, 1026, ... 1150 megahertz (126 en total), y son las mismas para los canales X e Y. Para un canal determinado, la frecuencia de respuesta es 63 megahertz por debajo o por encima de la frecuencia de interrogación. La frecuencia de respuesta es diferente para los canales X e Y, y diferente para los canales numerados del 1 al 63 y del 64 al 126.

No todos los canales/frecuencias definidos están asignados. Hay "huecos" de asignación centrados en 1030 y 1090 megahertz para brindar protección al sistema de radar de vigilancia secundaria (SSR). En muchos países, también hay un "hueco" de asignación centrado en 1176,45 megahertz para proteger la frecuencia L5 del GPS. Estos tres "huecos" eliminan aproximadamente 60 megahertz de las frecuencias disponibles para su uso.

El sistema de aterrizaje por microondas (DME/P) de precisión se asigna a los canales Z, que tienen un tercer conjunto de espaciamientos entre pulsos de interrogación y respuesta. Los canales Z se multiplexan con los canales Y y no afectan materialmente el plan de canales.

En 2020, una empresa presentó su "DME de quinta generación". Aunque es compatible con los equipos existentes, esta iteración proporciona una mayor precisión (hasta 5 metros mediante triangulación DME/DME), con una reducción adicional a 3 metros mediante un refinamiento adicional. El equipo de 3 metros se está considerando como parte del proyecto europeo SESAR , con un posible despliegue para 2023.

En el siglo XXI, la navegación aérea depende cada vez más de la orientación por satélite. Sin embargo, la navegación terrestre seguirá existiendo por tres razones: ^{[ cita requerida ]}

• La señal del satélite es extremadamente débil, puede ser falsificada y no siempre está disponible;
• Una norma de la Unión Europea exige a los Estados miembros conservar y mantener ayudas a la navegación terrestres;
• Un sentimiento de soberanía o control sobre los medios de navegación de un estado. "Algunos estados quieren que la navegación en su territorio dependa de medios que ellos controlan. Y no todos los países tienen su propia constelación como el GPS de Estados Unidos o el Galileo de Europa". ^{[ atribución requerida ]}

Una ventaja del equipo de quinta generación propuesto en 2020 es su capacidad de ser verificado funcionalmente mediante vuelos con drones , lo que reducirá significativamente los gastos y los retrasos de las pruebas de certificación en vuelos tripulados anteriores. ^[11]

• Vigilancia dependiente automática – difusión (ADS-B)
• Gee-H (navegación)
• Reglas de vuelo por instrumentos (IFR)
• Baliza no direccional (NDB)
• Chisporroteo
• 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
• Simulador de instrumentos basado en Flash con DME
• Manual de aviación nacional de EE. UU. para los sistemas VOR/DME/TACAN
• Un simulador gratuito en línea de VOR y ADF con DME