Desarrollo básico de Simulador de Control de Tráfico Aéreo (ATC)

Abstract

El Control de Tráfico Aéreo (ATC en adelante) es uno de los pilares fundamentales de la Navegación Aérea, y muy poca gente fuera del mundo Aeronáutico sabe cómo funciona. Es por ello que en este Trabajo se va a desarrollar una aplicación para acercar el mundo del ATC a gente que no esté tan familiarizada con él y quiera aprender. Además también sirve para poner en práctica los conocimientos adquiridos en el Grado con respecto a este tema. Esta aplicación se ha desarrollado mediante el desarrollador de aplicaciones de MATLAB® , pues este lenguaje de programación da mucho juego para hacer cálculos grandes y complejos, que normalmente suelen ser necesarios para la simulación de vuelo de aeronaves. Además de que se ha usado para el propósito de calcular trayectorias de aeronaves a lo largo del Grado. Al usar MATLAB® como lenguaje para esta aplicación, y al no haber datos de simulación de ATC adaptados a MATLAB® , se ha desarrollado en esta misma aplicación un Editor de Escenarios con el que crear un archivo de datos compatible con el Simulador desarrollado. Como referencia se han considerado tres Simuladores de ATC que se usan actualmente, el primero que se ha investigado es el de RAMS Plus por ISA Software, el cual está más orientado a hacer simulaciones para calcular la capacidad de un puesto de Control, además de hacer otros estudios de análisis. El segundo es BlueSky ATC, de código abierto y desarrollado por la Universidad de Delft (Países Bajos), también tiene un enfoque más analítico aunque es menos profesional y más accesible, además de similar al que se ha desarrollado en este proyecto, en el sentido de que nacen a partir de un proyecto de una Universidad. El último que se ha investigado es el simulador Aurora de IVAO, el cual permite conectarse tanto como controlador como piloto e interpretar dichos roles en un entorno virtual que se asemeja mucho al de un puesto de Control real. Este último es básicamente lo que se quiere desarrollar con este proyecto (que se ha decidido llamar ATC Maker), con la diferencia de que ATC Maker se use exclusivamente en modo solitario, mientras que el de Aurora se utiliza en modo “multijugador”. Pese a lo dicho en el párrafo anterior, sí que se pretende que pueda haber un modo “multijugador” para ATC Maker, en un sentido distinto al de Aurora, y que parte de la inspiración del nombre de ATC Maker, el videojuego “Mario Maker”. El videojuego Mario Maker consiste en un Editor de Escenarios para Pantallas del juego de Super Mario, estos escenarios se pueden almacenar en un servidor on-line y desde ahí otros jugadores se los pueden descargar y jugarlos. Algo similar podría suceder con ATC Maker, pues se ha basado un poco en ese concepto, el de crear Escenarios y Simularlos. Una vez explicado un poco la base de la que se parte para el desarrollo de ATC Maker, caben destacar ciertas limitaciones que se han impuesto para que fuera factible desarrollar esta aplicación como un Trabajo de Fin de Grado, pues hacer una aplicación de este estilo suele llevar años de desarrollo por grandes equipos de programadores, y este es un proyecto de aproximadamente un año de duración realizado por una sola persona. Por ello hay que definir estándares realistas, y establecer unos objetivos que sean posibles dentro de los límites que implica el que esto sea un TFG. El objetivo principal entonces es desarrollar una aplicación funcional que pueda crear y Editar escenarios de Simulación de ATC y luego Simularlos. Para que esto sea más factible entonces se van a determinar unos límites a las posibilidades que se van a permitir en esta aplicación. Primero de todo se va a considerar condiciones meteorológicas de cielos despejados y viento en calma, el modelaje meteorológico en MATLAB® se podría calificar como un TFG en sí mismo, de modo que se toman como condición de partida estas condiciones para reducir los parámetros de Simulación. Adicionalmente, solo se va a considerar un tipo de control, el Control de Área, el cual solo tiene en cuenta a Aeronaves en Ruta, las cuales suelen ir en régimen de crucero y por ende varían poco su altitud y velocidad, además de que los procesos de Aproximación, Despegue y Aterrizaje son bastante complejos en sí y requieren de mucha intervención por parte del Controlador, lo cual hace que Simularlos sea excesivamente complicado. Además de esto se va a considerar solo un tipo de aeronave, pues modelar las actuaciones de aeronaves también es algo digno de un TFG en sí mismo, los datos que se usan para las actuaciones que se vayan a tener en cuenta son los de un A320. Por último, para las consideraciones de distancias mínimas de separación de aeronaves, se considera que se dispone de multiradar y que siempre se está en una región con RVSM (Reduced Vertical Separation Minima), de manera que las distancias mínimas son fijas en todo momento. Con límites y expectativas definidos, se procede a desarrollar el programa, el cual se explica en detalle en el cuerpo de este documento, pero a en términos generales se tiene lo siguiente. En el Editor se determinan los distintos parámetros del Sector que se va a controlar, los cuales son: El nombre del Escenario, el cual determina el nombre del archivo .mat en el que se almacenan todos los datos del escenario, el Tiempo de Simulación, determinado como las horas de inicio y final de la Simulación, La Frontera del Sector, Las Zonas Restringidas dentro del Sector, los Puntos de Paso y Aeropuertos del Sector y, lo más importante, las Aeronaves que van a Volar en el Sector durante la Simulación. Dentro de las posibilidades de actuación de los Aeronaves, se han considerado 4: que sigan el Plan de Vuelo Establecido sin variaciones, que soliciten un Directo, que soliciten un Cambio de Nivel de Vuelo o que tomen un rumbo determinado que no consta en el Plan de Vuelo sin consultar. Estos supuestos no se habían mencionado anteriormente pero se tienen muy en cuenta en el desarrollo de la aplicación de ATC Maker. Y con esto termina el Resumen, se ampliará el contenido de lo contado aquí en los respectivos Apartados del Cuerpo del Documento.

Air Traffic Control (ATC from now on) is one of the fundamental pillars of Air Navigation, and very few people outside the Aeronautical World know how it works. That is why in this Work an application is going to be developed to bring the world of ATC closer to people who are not so familiar with it and want to learn. In addition, it also serves to put into practice the knowledge acquired in the Degree with respect to this topic. This application has been developed using the MATLAB® application developer, as this programming language gives a lot of scope for large and complex calculations, which are normally necessary for aircraft flight simulation. In addition to that it has been used for the purpose of calculating aircraft trajectories along the Grade. By using MATLAB® as the language for this application, and as there is no ATC simulation data adapted to MATLAB® , a Scenario Editor has been developed in this same application with which to create a Data file compatible with the developed Simulator. As a reference, three ATC Simulators that are currently used have been investigated. The first one that has been investigated is the RAMS Plus Simulator by ISA Software, which is more oriented towards doing simulations to calculate the capacity of a Control post, in addition to doing other analysis studies. The second is BlueSky ATC, open source and developed by the University of Delft, it also has a more Analytical approach although it is less professional and more accessible, as well as similar to the one that has been developed in this project, in the sense that they are born to from a university project. The last one that has been investigated is IVAO’s Aurora simulator, which allows you to connect both as a controller and as a pilot and interpret these roles in a virtual environment that closely resembles that of a real Control post. The latter is basically what we want to develop with this project (which has been called ATC Maker), with the difference that ATC Maker is used exclusively in solo mode, while Aurora’s is used in "Multiplayer" mode. Despite what was said in the previous paragraph, it is intended that there may be a "Multiplayer" mode for ATC Maker, in a different sense from that of Aurora, and that part of the inspiration for the name of ATC Maker, the video game "Mario Maker ”. The Mario Maker video game consists of a Scenario Editor for Screens of the Super Mario game, these scenarios can be stored on an online server and from there other players can download and play them. Something similar could happen with ATC Maker, since it has been based a bit on that concept, that of creating Scenarios and Simulating them. Once the basis for the development of ATC Maker has been explained a little, certain limitations that have been imposed to make it feasible to develop this application as a Final Degree Project should be highlighted, since making an application of this style usually take years of development by large teams of programmers, and this is about a year-long project done by one person. For this reason, realistic standards must be defined, and objectives set that are possible within the limits implied by this being a TFG. The main objective then is to develop a functional application that can create and Edit ATC Simulation scenarios and then Simulate them. In order for this to be more feasible, some limits will be determined to the possibilities that will be allowed in this application. First of all, clear and calm weather will be considered, matlab weather modeling could be described as a TFG in itself, so this is limited to reduce the Simulation parameters. Additionally, only one type of control will be considered (the three types of Control are explained later, in the body of the Work), Area Control, which only takes into account En-Route Aircraft, which usually go in cruise regime and therefore their altitude and speed vary little, in addition to the fact that the Approach, Takeoff and Landing processes are quite complex in themselves, which makes Simulating them problematic. In addition to this, only one type of aircraft will be considered, since modeling aircraft actions is also something worthy of a TFG in itself, the data used for the actions to be taken into account are those of an A320 . Lastly, for considerations of minimum aircraft separation distances, it is considered that multiradar is available and that it is always in a region with RVSM (Reduced Vertical Separation Minima), so that the minimum distances are fixed at all times. With defined limits and expectations, we proceed to develop the program, which is explained in detail in the body of this document, but in broad strokes we have the following. In the Editor, the different parameters of the Sector to be controlled are determined, which are: The name of the Scenario, which determines the name of the .mat file in which all the data of the scenario is stored, the Simulation Time, determined as the start and end times of the Simulation, the Sector Border, the Restricted Zones within the Sector, the Waypoints and Airports of the Sector and, most importantly, the Aircraft that will Fly in the Sector during the Simulation . Within the possibilities of action of the aircraft, 5 have been considered: that they follow the Established Flight Plan without variations, that they request a Direct Flight, that they request a Flight Level Change, that they take a certain course that does not appear in the Plan of Flight without consulting or that are in a conflict (whether of violation of minimum separation or penetration into unauthorized airspace) and must act to avoid it following the instructions of the Controller. These limits were not previously mentioned but are carefully considered in the development of the ATC Maker application. And with this the Abstract ends, the content of what is told here in the respective Sections of the Document Body will be expanded.