Modelado y Simulación de Receptor Digital ILS: Sistema de Aterrizaje Instrumental

Abstract

El ILS (Sistema de aterrizaje instrumental) es, a día de hoy, una de las radioayudas a la navegación más importantes. El motivo es sencillo: se trata de una fase de vuelo crítica, en la cual se han producido casi la mitad de los accidentes aéreos del siglo XXI [8]. Desde sus inicios durante la Segunda Guerra Mundial, ha pasado a dar servicio a prácticamente la totalidad de los aeropuertos comerciales del mundo, que operan frecuentemente en condiciones de vuelo IFR, proporcionando guiado lateral y vertical a las aeronaves que se aproximan a los mismos. Por entonces, muchos de los cálculos de navegación aún se realizaban a mano, y podían requerir más de 5 minutos. Hoy en día, estos cálculos se completan en decenas de milisegundos por dispositivos de procesamiento digital, como pueden ser una FPGA o una DSP (Digital Signal Processing). Sin embargo, existen todavía equipos aeronáuticos pendientes de actualizarse, como puede ser el caso del receptor ILS, que utiliza una arquitectura analógica tradicional. Este trabajo propone una arquitectura digital para receptores ILS. Se comentan las múltiples ventajas que ofrecen este tipo de diseños, entre las cuales destaca la posibilidad de realizar un procesamiento posterior de aumento de precisión, como puede ser un filtro de Kalman que aprovecha las características de las señales. Tanto el modelo como los procesamientos de mejora de la navegación se han implementado en simulaciones de Matlab®. En el capítulo 1 se realiza una introducción a los sistemas de ayuda a la navegación y los procesamientos digitales; estableciéndose los antecedentes al proyecto, el alcance y los objetivos del mismo. A continuación, en el capítulo 2, se describen en detalle los elementos que componen el ILS, las características y ecuaciones que gobiernan su señal (modulación AM, frecuencias, y amplitudes), así como la arquitectura del receptor clásico. Con ello se está en disposición de abordar un diseño digital. En el capítulo 3 se presenta el diseño del receptor propuesto, además de una descripción detallada de todos los elementos que componen la cadena de recepción, basada en una arquitectura I/Q, y en la cual uno de los objetivos primordiales ha sido la optimización de la carga computacional. Se introduce el concepto de DDM (Difference in Depth Modulation) que es utilizado a lo largo de todo el trabajo, por ser la información fundamental obtenida de la señal ILS. Posteriormente, en el capítulo 4, se añaden los cálculos de navegación necesarios para obtener el vector de estado (los ángulos ߠ y ߛ ,azimutal y de planeo) a partir de los datos de la DDM. Uno de los grandes logros del trabajo ha sido una ampliación de la cobertura del sistema (hasta los 35 grados de azimut), manteniendo los diagramas de radiación oficiales de ICAO (International Civil Aviation Organization) [1]. Esto se ha conseguido gracias a la elaboración de un algoritmo de navegación no lineal y a la implementación de un filtro de Kalman para la optimización de las medidas. Dicho filtro resulta especialmente efectivo para reconstruir señales expuestas a ruido gaussiano, si bien es importante estudiar las limitaciones del mismo en ciertas condiciones. Finalmente, en el capítulo 5, se analizan los resultados de simulación obtenidos para una serie de trayectorias representativas de las aproximaciones a aeropuertos comerciales, incluyendo degradaciones de la señal y comparando la precisión ante variaciones de ciertas variables manipulables del problema. Las conclusiones se resumen en una clara mejora objetiva de la precisión respecto a las indicaciones [1] de la ICAO, y se exponen en el capítulo 6 junto a varias líneas de investigación futuras enfocadas a la mejora del sistema. A la vista de los resultados, un sistema ILS equipado con un receptor digital, estaría en disposición clara de ser utilizado para aterrizajes automáticos.