Equipo de medición de distancia

En aviación, el equipo de medición de distancia (DME) es una tecnología de radionavegación que mide el rango inclinado (distancia) entre una aeronave y una estación terrestre cronometrando la propagación. Retraso de las señales de radio en la banda de frecuencia entre 960 y 1215 megahercios (MHz). Se requiere línea de visibilidad entre la aeronave y la estación terrestre. Un interrogador (aerotransportado) inicia un intercambio transmitiendo un par de impulsos, en un "canal" asignado, a la estación terrestre del transpondedor. La asignación de canal especifica la frecuencia portadora y el espacio 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 en 63 MHz y que tiene una separación especificada.

Los sistemas DME se utilizan en todo el mundo, utilizando estándares establecidos por la Organización de Aviación Civil Internacional (OACI), RTCA, la Agencia de Seguridad Aérea de la Unión Europea (EASA) y otros organismos. Algunos países exigen que las aeronaves que operan según las reglas de vuelo por instrumentos (IFR) estén equipadas con un interrogador DME; en otros, un interrogador DME sólo es necesario para realizar determinadas operaciones.

Si bien se permiten transpondedores DME independientes, los transpondedores DME generalmente se combinan con un sistema de guía de azimut para proporcionar a las aeronaves una capacidad de navegación bidimensional. Una combinación común es un DME colocado con un transmisor de alcance omnidireccional (VOR) VHF en una única estación terrestre. Cuando esto ocurre, las frecuencias de los equipos VOR y DME se emparejan. Una configuración de este tipo permite a una aeronave determinar su ángulo de azimut y la distancia desde la estación. Una instalación VORTAC (un VOR ubicado conjuntamente con un TACAN) proporciona las mismas capacidades a las aeronaves civiles pero también proporciona capacidades de navegación 2-D 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/espaciamiento de pulsos del transpondedor DME también se empareja con la frecuencia ILS, LOC o MLS.

La OACI caracteriza las transmisiones DME como de frecuencia ultra alta (UHF). También se utiliza el término banda L.

Desarrollado en Australia, el DME fue inventado por James "Gerry" Gerrand 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 del Commonwealth (CSIRO). Amalgamated Wireless Australasia Limited implementó otra versión diseñada del sistema a principios de la década de 1950, operando en la banda VHF de 200 MHz. El Departamento Federal de Aviación Civil se refirió a esta versión nacional australiana como DME (D) (o DME nacional), y la versión internacional posterior adoptada por la OACI como DME (I).

DME es similar en principio a la función de alcance del radar secundario, excepto que las funciones del equipo en la aeronave y en tierra están invertidas. DME fue un desarrollo de posguerra basado en los sistemas de identificación amigo o enemigo (IFF) de la Segunda Guerra Mundial. Para mantener la compatibilidad, DME es funcionalmente idéntico al componente de medición de distancia de TACAN.

Operación

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

Una función más nueva para los DME es la navegación de área DME/DME (RNAV). Debido a la precisión generalmente superior del DME en relación con el VOR, la navegación utilizando dos DME (usando trilateración/distancia) permite operaciones que la navegación con VOR/DME (usando azimut/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 máxima de 1 kW en el canal UHF asignado.

Hardware

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

Tiempo

Modo de búsqueda

150 pares de pulsos de interrogación por segundo. La aeronave interroga al transpondedor terrestre con una serie de pares de impulsos (interrogaciones) y, después de un retraso de tiempo preciso (normalmente 50 microsegundos), la estación terrestre responde con una secuencia idéntica de pares de impulsos. El receptor DME de la aeronave busca pares de pulsos de respuesta (modo X = espaciado de 12 microsegundos) con el intervalo correcto y el patrón de respuesta a 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.).

Modo de seguimiento

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 fija en la estación terrestre DME una vez que reconoce que una secuencia de pulsos de respuesta particular tiene el mismo espacio que la secuencia de interrogación original. Una vez que el receptor está bloqueado, tiene una ventana más estrecha para buscar los ecos y puede mantener el bloqueo.

Cálculo de distancia

Una señal de radio tarda aproximadamente 12,36 microsegundos en viajar 1 milla náutica (1852 m) hasta el objetivo y regresar. La diferencia de tiempo entre la interrogación y la respuesta, menos el retardo de 50 microsegundos del transpondedor de tierra y el ancho de pulso de 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 a una medición de distancia (rango inclinado), 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 tasa 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 ½(tiempo total − retraso de respuesta).

Precisión

La precisión de las estaciones terrestres DME es de 185 m (±0,1 nmi). Es importante comprender que el DME proporciona la distancia física entre la antena de la aeronave y la antena del transpondedor DME. Esta distancia a menudo se denomina 'rango inclinado' y depende trigonométricamente de la altitud de la aeronave sobre el transpondedor, así como de la distancia en tierra entre ellos.

Por ejemplo, una aeronave directamente sobre la estación DME a 6076 pies (1 nmi) de altitud aún mostraría 1,0 nmi (1,9 km) en la lectura del DME. El avión está técnicamente a una milla de distancia, sólo una milla hacia arriba. El error de alcance inclinado es más pronunciado en altitudes elevadas cuando se encuentra cerca de la estación DME.

Las ayudas a la radionavegación deben mantener un cierto grado de precisión, dado por los estándares internacionales, FAA, EASA, ICAO, etc. Para garantizar que así sea, los organismos de inspección en vuelo comprueban periódicamente los parámetros críticos con aeronaves debidamente equipadas para calibrar y certificar. Precisión DME.

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

Especificación

Una típica baliza de respuesta DME terrestre 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 interrogaciones más débiles (normalmente las más distantes) se ignoran para reducir la carga del transpondedor.

Datos de radiofrecuencia y modulación

Las frecuencias DME están emparejadas 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 de interrogación y 126 canales de respuesta. Las frecuencias de interrogación y respuesta siempre difieren en 63 MHz. El espaciado de todos los canales es de 1 MHz con un ancho de espectro de señal de 100 kHz.

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 microsegundos para los canales X y un espaciado de 30 microsegundos para los canales Y.

Las instalaciones de DME se identifican con un código Morse de tres letras de identidad de 1350 Hz. Si se ubica junto con un VOR o ILS, tendrá el mismo código de identidad que la instalación principal. Además, el DME se identificará entre los del centro matriz. La identidad del DME es de 1.350 Hz para diferenciarse del tono de 1.020 Hz del VOR o del localizador ILS.

Tipos de transpondedor DME

La FAA de EE. UU. ha instalado tres tipos de transpondedores DME (sin incluir los asociados con un sistema de aterrizaje): Los transpondedores de terminal (a menudo instalados en un aeropuerto) generalmente brindan 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 prestar servicio a una altura mínima de 5500 m (18 000 pies) y un alcance de 74 km (40 millas náuticas); y Transpondedores de gran altitud, que normalmente brindan 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 en gran medida en el bloqueo de la línea de visión, y el rendimiento real puede ser diferente. El Manual de Información Aeronáutica de 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] en una altitud de línea de visión".

Los transpondedores DME asociados con un ILS u otra aproximación por instrumentos están diseñados para usarse durante una aproximación a una pista en particular, ya sea en uno o ambos extremos. No están autorizados para la navegación general; no se especifica un rango mínimo ni una altura.

Uso de frecuencia/canalización

El uso de frecuencia DME, la canalización y el emparejamiento con otras ayudas para la navegación (VOR, ILS, etc.) están definidos por la OACI. 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 del DME, específicamente, 962, 963,... 1213 megahercios. Las frecuencias de interrogación son 1025, 1026,... 1150 megahercios (126 en total) y son las mismas para los canales X e Y. Para un canal determinado, la frecuencia de respuesta está 63 megahercios 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 se asignan todos los canales/frecuencias definidos. Hay 'huecos' centrado en 1030 y 1090 megahercios para brindar protección al sistema de radar de vigilancia secundario (SSR). En muchos países, también existe un 'agujero' centrado en 1176,45 megahercios para proteger la frecuencia GPS L5. Estos tres 'agujeros' eliminar aproximadamente 60 megahercios de las frecuencias disponibles para su uso.

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

Futuro

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 usando triangulación DME/DME), con una reducción adicional a 3 metros usando un refinamiento adicional. El equipo de 3 metros se está considerando como parte del proyecto europeo SESAR, con posible despliegue para 2023.

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

• La señal satelital es extremadamente débil, se puede sofocar, y no siempre está disponible;
• Una norma de la Unión Europea exige que los Estados miembros mantengan y mantengan ayudas de navegación terrestres;
• Un sentimiento de soberanía o control sobre los propios medios de navegación de un Estado. "Algunos estados quieren que la navegación sobre su territorio dependa de medios que controlan. Y no todos los países tienen su 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 para comprobar su funcionamiento mediante vuelos con drones, lo que reducirá significativamente los gastos y los retrasos de las pruebas de vuelo de certificación tripuladas anteriores.