Waas gps : el sistema de aumentación de área amplia para navegación de precisión

El Wide Area Augmentation System (WAAS) es un sistema de navegación aérea desarrollado por la Administración Federal de Aviación (FAA) de Estados Unidos para mejorar la precisión, integridad y disponibilidad del Sistema de Posicionamiento Global ( GPS ).

En esencia, el WAAS permite a las aeronaves depender del GPS para todas las fases del vuelo, incluyendo aproximaciones con tutorial vertical a cualquier aeropuerto dentro de su área de cobertura. Puede mejorarse aún más con el Sistema de Aumentación de Área Local (LAAS), también conocido por el término preferido de la OACI, Sistema de Aumentación Basado en Tierra (GBAS), en áreas críticas.

Funcionamiento del Sistema WAAS

El WAAS utiliza una red de estaciones de referencia terrestres en América del Norte y Hawái para medir pequeñas variaciones en las señales de los satélites GPS en el hemisferio occidental. Las mediciones de las estaciones de referencia se envían a estaciones maestras, que a su vez envían mensajes de corrección a satélites geoestacionarios WAAS. Estos satélites retransmiten los mensajes de corrección a la Tierra, donde los receptores GPS habilitados para WAAS los utilizan para mejorar la precisión de sus cálculos de posición.

La Organización de Aviación Civil Internacional (OACI) denomina a este tipo de sistema un sistema de aumento basado en satélite (SBAS). Europa y Asia están desarrollando sus propios SBAS: el GAGAN (India), el EGNOS (Europa), el MSAS (Japón) y el SDCM (Rusia).

Objetivos del WAAS

Un objetivo principal del WAAS era permitir a las aeronaves realizar una aproximación de Categoría I sin necesidad de equipo instalado en el aeropuerto. Esto permitiría desarrollar nuevos procedimientos de aproximación a tierra basados en GPS para cualquier aeropuerto, incluso aquellos sin equipo terrestre. Una aproximación de Categoría I requiere una precisión de 16 metros lateralmente y 4 metros verticalmente.

Precisión

La especificación WAAS requiere una precisión de posición de 7,6 metros o menos (para mediciones laterales y verticales), al menos el 95% del tiempo. Las mediciones de rendimiento reales del sistema en ubicaciones específicas han demostrado que generalmente proporciona una precisión mejor que 1 metro lateralmente y 1,5 metros verticalmente en la mayor parte de los Estados Unidos contiguos y grandes partes de Canadá y Alaska.

Integridad

La integridad de un sistema de navegación incluye la capacidad de proporcionar alertas oportunas cuando su señal proporciona datos engañosos que podrían crear peligros. La especificación WAAS exige que el sistema detecte errores en la red GPS o WAAS y notifique a los usuarios en menos de 6,2 segundos. La probabilidad de que un error que exceda los requisitos de precisión pase desapercibido es de 1×10−7, equivalente a no más de 3 segundos de datos incorrectos por año.

Disponibilidad

La disponibilidad es la probabilidad de que un sistema de navegación cumpla con los requisitos de precisión e integridad. La especificación WAAS exige una disponibilidad del 99,999% en toda el área de servicio, equivalente a un tiempo de inactividad de poco más de 5 minutos por año.

Componentes del Sistema WAAS

El WAAS se compone de tres segmentos principales: el segmento terrestre, el segmento espacial y el segmento de usuario.

Segmento Terrestre

El segmento terrestre está compuesto por múltiples Estaciones de Referencia de Área Amplia (WRS). Estas estaciones terrestres, geodésicamente precisas, monitorean y recopilan información sobre las señales GPS y envían sus datos a tres Estaciones Maestras de Área Amplia (WMS) utilizando una red de comunicaciones terrestres. Las estaciones de referencia también monitorean las señales de los satélites geoestacionarios WAAS, proporcionando información de integridad sobre ellos.

Las WMS generan dos conjuntos de correcciones: rápidas y lentas. Las correcciones rápidas son para errores que cambian rápidamente y se refieren principalmente a las posiciones instantáneas de los satélites GPS y los errores del reloj. Las correcciones lentas incluyen estimaciones de errores de efemérides y de reloj a largo plazo, así como información sobre la demora ionosférica.

Una vez generados estos mensajes de corrección, las WMS los envían a dos pares de Estaciones de Enlace Terrestre (GUS), que luego los transmiten a los satélites en el segmento espacial para su retransmisión al segmento de usuario.

Segmento Espacial

El segmento espacial consta de múltiples satélites de comunicación que transmiten los mensajes de corrección generados por las estaciones maestras WAAS. Los satélites también transmiten el mismo tipo de información de rango que los satélites GPS normales, aumentando efectivamente el número de satélites disponibles para una solución de posición.

Segmento de Usuario

El segmento de usuario es el receptor GPS y WAAS, que utiliza la información transmitida por cada satélite GPS para determinar su ubicación y la hora actual, y recibe las correcciones WAAS del segmento espacial. Los dos tipos de mensajes de corrección recibidos (rápidos y lentos) se utilizan de diferentes maneras.

El receptor GPS puede aplicar inmediatamente los datos de corrección rápidos, que incluyen los datos corregidos de posición y reloj del satélite, y determina su ubicación actual utilizando cálculos GPS normales. Una vez que se obtiene una solución de posición aproximada, el receptor comienza a utilizar las correcciones lentas para mejorar su precisión. Entre los datos de corrección lentos se encuentra la demora ionosférica.

Historia y Desarrollo del WAAS

El WAAS fue desarrollado conjuntamente por el Departamento de Transporte de los Estados Unidos (DOT) y la FAA como parte del Programa Federal de Radionavigación, comenzando en 1994, para proporcionar un rendimiento comparable al del sistema de aterrizaje por instrumentos (ILS) de categoría 1 para todas las aeronaves que posean el equipo debidamente certificado.

Antes del WAAS, el Sistema Nacional del Espacio Aéreo de los EE. UU. (NAS) no tenía la capacidad de proporcionar navegación lateral y vertical para aproximaciones de precisión para todos los usuarios en todas las ubicaciones. El sistema tradicional para aproximaciones de precisión es el ILS, que utilizaba una serie de transmisores de radio que emitían una sola señal a la aeronave. Este sistema complejo debía instalarse en cada extremo de la pista, lo que hacía que la implementación de una aproximación de precisión fuera difícil y muy costosa.

La aparición de los receptores GPS para consumidores de diversas calidades planteó una alternativa. El GPS ofrecía muchas ventajas, combinando todos los sistemas de navegación de larga distancia de una aeronave en un solo sistema fácil de usar. La FAA comenzó a planificar el cierre de sus sistemas de larga distancia existentes (VOR y NDB) en favor del GPS. Esto dejó el problema de las aproximaciones, ya que el GPS no es lo suficientemente preciso para reemplazar los sistemas ILS.

Esta falta de precisión se debe principalmente a las grandes "ondulaciones" en la ionosfera, que ralentizan la señal de radio de los satélites en una cantidad aleatoria. Dado que el GPS se basa en la medición del tiempo de las señales para medir distancias, esta ralentización de la señal hace que el satélite parezca más lejano. Las ondulaciones se mueven lentamente y pueden caracterizarse utilizando una variedad de métodos desde tierra o examinando las propias señales GPS. Al transmitir esta información a los receptores GPS cada minuto aproximadamente, esta fuente de error puede reducirse significativamente.

Esto condujo al concepto de GPS Diferencial (DGPS), que utilizaba sistemas de radio separados para transmitir la señal de corrección a los receptores. Las aeronaves podían instalar un receptor que se conectaría a la unidad GPS, la señal se transmitía en una variedad de frecuencias para diferentes usuarios. Los emisores de la potencia requerida generalmente se agrupaban alrededor de ciudades más grandes, lo que hacía que estos sistemas DGPS fueran menos útiles para la navegación de área amplia. Además, la mayoría de las señales de radio son de línea de visión o pueden ser distorsionadas por el suelo, lo que dificultaba el uso del DGPS como sistema de aproximación de precisión o cuando se volaba bajo por otras razones.

La FAA consideró sistemas que permitieran que las mismas señales de corrección se transmitieran en un área mucho más amplia, como desde un satélite, lo que condujo directamente al WAAS. Dado que una unidad GPS ya consiste en un receptor de satélite, tenía mucho más sentido enviar las señales de corrección en las mismas frecuencias utilizadas por las unidades GPS que utilizar un sistema completamente separado y duplicar así la probabilidad de falla. Además de reducir los costos de implementación al "aprovechar" un lanzamiento de satélite planificado, esto también permitió que la señal se transmitiera desde una órbita geoestacionaria, lo que significaba que un pequeño número de satélites podía cubrir toda América del Norte.

Ventajas y Desventajas del WAAS

Ventajas

• Precisión mejorada del GPS .
• Reducción de costos de implementación en comparación con los sistemas terrestres.
• Posibilidad de aproximaciones de precisión en cualquier aeropuerto.
• Mayor eficiencia en rutas de vuelo.
• Posibilidad de volar a altitudes más bajas.

Desventajas

• Vulnerabilidad a las condiciones meteorológicas espaciales.
• Limitaciones de cobertura en latitudes altas.
• Limitaciones en la precisión para aproximaciones de Categoría II o III.
• Receptor GPS certificado más costoso.
• Requisitos de infraestructura en aeropuertos para aproximaciones LPV-200.

Tabla Comparativa de Sistemas de Aumentación GPS

Las consultas habituales sobre WAAS GPS incluyen: "¿Qué es WAAS ?", "¿Cómo funciona el WAAS ?", "¿Qué tan preciso es el WAAS GPS ?", "¿Cuáles son las ventajas y desventajas del WAAS ?", "¿Qué cobertura tiene el WAAS ?".

El WAAS GPS ha revolucionado la navegación aérea, ofreciendo una solución precisa, confiable y rentable para las aproximaciones de precisión. Sin embargo, tener en cuenta sus limitaciones y considerar otras tecnologías complementarias para lograr el nivel de precisión requerido en determinadas situaciones.