- Sistema VOR
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QUE ES EL SISTEMA VOR
El sistema VOR (“Very Hign Frecuency Omnirange” o RadioFaro Omnidireccional de VHF) es una radioayuda para la navegación en ruta de corto alcance (~200 mn). Calcula la posición de la aeronave a partir de señales/datos transmitidos por una o varias emisoras específicas. Fue desarrollado en EE.UU. y puesto por primera vez en servicio en 1949. Proporciona una guía para las rutas aéreas y para la aproximación de no precisión (nonprecision approach o NPA) de las aeronaves. Se llama aproximación de no precisión porque solamente dan información sobre la localización de dirección o distancia (localización lateral) de la plataforma pero no la altura con respecto al suelo (localización vertical). La localización vertical se incorpora en los instrumentos llamados de precisión, como los sistemas de aterrizaje ILS y MLS, y el GPS.
Radiofaro
El sistema VOR se encarga de transmitir la señal/información a través de radiofaros. Un radiofaro es una estación de radio situada en una posición perfectamente geolocalizada, que hace posible localizar la posición relativa y/o la dirección de la estación receptora Hay dos tipos fundamentales de radiofaros:
• Radiofaros no direccionales (NDB - Non directional beacons -) con goniómetros automáticos (ADF - Automatic Direction Finders -)
• Sistemas de señal compuesta, formado por estaciones emisoras de radio que envían de forma automática y continua señales, que permiten determinar la dirección y/o el alcance haciendo uso de la información contenida en la señal (sistema VOR)
VENTAJAS Y DESVENTAJAS VOR FRENTE A NBDs
Los radiofaros no direccionales tienen una ventaja principal sobre el sistema VOR: son más sofisticado. Las señales del sistema NDB (no direccional) siguen la curvatura de la Tierra, de tal manera que se pueden detectar a mayor distancia y menor altura.
La desventaja del sistema NDB frente al sistema VOR es su mayor sensibilidad a las condiciones atmosféricas, a la presencia de terreno montañoso, a la refracción en la costa y a las tormentas eléctricas, especialmente a distancias considerables del radiofaro.FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA VOR
El sistema VOR determina el ángulo θ entre la dirección que une la aeronave con la estación VOR y la dirección del Norte Magnético, indicando así, la dirección del avión al transmisor, y definiendo la línea de posición (LOP) o radial. La intersección de dos radiales determina la posición de la aeronave. Conocido el ángulo de VOR y la distancia a éste (por ejemplo: Mediante la radioayuda DME), es posible calcular la distancia lateral (o Cross Track Error, XTE) entre el avión y la aerovía.
El radiofaro VOR-N funciona en la banda de frecuencias de 112 a 118 MHz. La frecuencia asignada a cada estación VOR se llama canal (120 en total). La separación entre canales adyacentes es de por lo menos 50 KHz. VOR-T opera en la banda de 108 a 112 MHz, con 80 canales separados por 50 KHz. El VOR –T proporciona los mismos servicios en las rutas de aproximación al aeropuerto, con mayor precisión angular (0.5º frente a los 2º típicos del VOR-N).
A estas frecuencias la propagación es prácticamente en línea recta, requiere tener el radiofaro dentro de la línea visual, ya que la onda de superficie es demasiado débil. Lo que limita el alcance debido a la curvatura de la tierra en función de la altura del avión. Si R es el radio de la tierra, d el alcance y h la altura del avión se verifica que:
R2 + d2 = (R + h)2 + 2Rh
Teniendo en cuenta que h es mucho menor que R, se puede despreciar frente a 2Rh, con lo que resulta (d y h en km):
Aplicando esta fórmula para una altura de 10 km se obtienen un alcance de 357 km.
La normativa OACI (Organización de Aviación Internacional) establece una cobertura óptima de VOR para estaciones distanciadas unos 200 km. con potencias de emisión de 200 W para el VOR en ruta y de 50 W para el VOR-T (VOR Terminal, que sirve de ayuda a la navegación y a la aproximación).
En teoría este alcance es independiente de la potencia (siempre que esta sea suficiente para asegurar el mínimo campo inducido de 90 microvoltios por metro en el avión, exigido por la OACI). El alcance práctico es mejor que el teórico y es función de la potencia emitida, debido a que la onda emitida tiende a seguir la discontinuidad dieléctrica entre la tierra y el aire (formando una onda terrestre guiada).DIAGRAMA DE RADIACIÓN VOR
La antena transmisora VOR convencional tiene un diagrama de radiación compuesto que consiste de una parte no direccional más dos componente con forma de ocho, que resultan en un diagrama con forma de cardioide. La polarización es horizontal. El cardioide resultante rota electrónicamente a una velocidad angular de 30 vueltas por segundo (30Hz), lo que se consigue con una modulación en amplitud a 30 Hz de los componentes en forma de ocho que tiene un desfase relativo de 90º.Un receptor en la dirección a recibe una señal dependiente de la dirección, que tras ser demodulada es una función lineal de α. La señal viene dada por:
vVOR = cos(wct) + acos(wct)cos(wmt)cos(α) + acos(wct)sin(wmt)sin(α)
vVOR = cos(wct)[1 + acos(wmt − α)]
Donde a ~ 0.3 es la amplitud de las antenas con diagrama de radiación en forma de 8 frente a la omnidireccional, wm/(2π) = 30 Hz y wc es la frecuencia de la portadora.Señal
El VOR opera en la banda de 108 a 118 MHz (VHF), con 200 canales espaciados 50 KHz. Transmite, sobre una portadora de VHF con polarización horizontal, dos señales:
• Una señal de referencia omnidireccional de 30 Hz.• Una señal variable con la dirección (o rotatoria) de 30 Hz. La fase de esta señal depende de la dirección en que se encuentre el receptor.
La medida del ángulo θ o ángulo VOR, se fundamenta en la comparación de la fase entre las dos señales de 30 Hz. La estación de tierra radia un patrón cardiode que rota a 30 revoluciones/s, generando una onda senoidal a 30 Hz en el receptor del avión (señal variable). La estación de tierra también radia una señal omnidireccional, modulada en frecuencia con un tono de 30 Hz fijo (señal de referencia). El avión conoce su “marcación” o ángulo respecto al Norte, θ, por la diferencia de fase entre la señal de referencia y la señal variable. El ángulo, será máximo cuando el eje longitudinal del avión está alineado con la estación VOR.
La señal variable modula en amplitud directamente a la portadora, mostrando además una modulación espacial en fase. Como necesitamos una señal de referencia a 30 Hz y no se puede añadir otra modulación AM a la portadora a 30 Hz (ya está ocupada por la señal variable), se emplea una subportadora a 9960 Hz. Esta subportadora se modula en frecuencia con un seno a 30 Hz (dando un ancho de modulación FM de ±480 Hz. El índice de modulación FM β es 16). La subportadora modulada de 9960 Hz modula a su vez, en AM, a la portadora, con una profundidad de modulación del 30%. Además, la portadora está modulada al 10% en amplitud por un código Morse f(t) a fi = 1020Hz. Este código Morse hace de identificación, emitiendo dos o tres veces por minuto.
vVOR = cos(wct)[1 + a cos(wmt) − α ) + bcos(wut + β cos wmt) + f(t) cos wit]Emisores
Convencional
La emisora VOR más sencilla genera la modulación espacial mediante tres antenas: un par de dipolos cruzados (ortogonales entre sí) y una antena de bucle omnidireccional. El diagrama de radiación de un dipolo tiene forma de ocho. Los dos dipolos cruzados forman un ángulo de 90º, por lo que uno de los diagramas de radiación irá con sen θ y el otro con cos θ:
V1(θ) = VEcos (θ)V2(θ) = VEsin (θ)
Cada antena del dipolo cruzado es alimentada con una señal similar denominada SBO (SideBands Only), con un desfase de 90º:
E1 = E0cos (2πfVORt)cos (2πfPt)
E2 = E0sin (2πfVORt)cos (2πfPt)
fP en el intervalo [108,119.75]MHzfVOR = 30 Hz
La señal de radiofrecuencia es la suma en el espacio de las señales emitidas por los dos dipolos cruzados:E α cos (2πfPt)[sin (2πfVORt) cos(θ) + cos(2πfVORt) sin(θ) = cos (2πfPt)[sin (2πfVORt + θ)]
La señal completa en el espacio se tiene cuando se suma una señal de portadora emitida por la antena de bucle. Esta señal es omnidireccional,y por lo tanto no depende de θ. La ecuación de la señal completa:
E α cos (2πfPt)[1 + sin (2πfVORt + θ)]
La ecuación de la señal, se corresponde a un patrón de radiación cardioide con eje rotando a una frecuencia de rotación de fvor = 30 revoluciones/s, es decir, la modulación espacial buscada. En la práctica se usan dos pares de antenas de bucle de Alford. Los patrones de radiación son los mismos pero producen una polarización totalmente horizontal.Emisor VOR–Doppler
El multicamino o multipath es la principal fuente de error de los sistemas VOR. Una manera de corregirlo es usar antenas de mayor tamaño, más direccionales, y otra es utilizar el hecho de que las señales FM son menos sensibles a las reflexiones que las AM. El VOR Doppler o DVOR es una mejora de precisión al VOR Convencional CVOR (precisión de 0.5º frente a 2º respect.). DVOR se ve menos afectado por las reflexiones de obstáculos cerca de las antenas.
La antena DVOR se compone de una circunferencia formada por 26 parejas de antenas de dipolo y una antena de dipolo (omnidireccionales) en el centro. En cada instante sólo hay 3 antenas alimentadas, la central (o referencia) y una pareja. Conectando secuencialmente las antenas de una agrupación podemos simular una antena que gira y produce una modulación en FM sintética debida al desplazamiento Doppler. Una antena del par transmite a fp+9960 Hz y la otra a fp-9960 Hz. La conmutación del par activo se realiza de modo que desde el receptor el DVOR se ve como un par giratorio de antenas a fvor= 30 revoluciones/s .
El desplazamiento Doppler conseguido con la rotación aparente es:
Δf= v / λ = wVOR · a · sen(θ) / λΔf= 2πfVOR·a·sen(θ)·fP / c
v la velocidad de la antena en la dirección del observador (aeronave).
c la velocidad de la luz(3×108 m/s)
a el radio de la circunferencia (6.76 m)
fVOR =30 Hz la frecuencia de rotación aparente de la antena (30 Hz)
fP la frecuencia de la portadora de VHF
En el receptor se suma la señal de la antena que se aleja y de la antena que se acerca, cada una con un desplazamiento doppler diferente (±(Vsenθ/λ) respectivamente). La señal suma resultante es una subportadora en 9960 Hz, modulada en frecuencia según la expresión:
svar,dvor = cos [2πfSPt)+ Δf cos (2πfSPt + θ)]sin(2πfPt)
fSP=9960 HzΔf= 2π·a / λ
A la señal de subportadora, en el receptor, se le añade la señal recibida de la antena central:
sREF,DVOR=1+ 30/100·cos (wVORt)sin(2πfPt)
Para asegurar la compatibilidad con el receptor, es obligatorio que el desplazamiento doppler recibido de cada antena periférica sea Δf=480 Hz. Para la banda de frecuencias de portadora del VOR eso fija el radio de la circunferencia a 6.76 m.
Receptores VOR
Diagrama de bloques
• La parte de RF es un doble receptor AM//FM conectado a un comparador de fase. La salida se filtra para obtener los cuatro canales de información.
• El canal de voz y el de identificación proporcionan la señal a los amplificadores correspondientes de audio.
• El canal de referencia se obtiene mediante un demodulador FM compuesto por un filtro para la señal de 9960 Hz que modulaba a la portadora en amplitud. Un discriminador FM obtiene de esta subportadora la señal de 30 Hz de referencia.
• Otro filtro de 30 Hz obtiene la señal variable espacialmente, obtenida por modulación espacial por la antena giratoria en tierra.
La diferencia de fase entre la señal variable y la de referencia, da una dirección no ambigua, es la marcación desde el VOR.
El receptor VOR es el mismo se trata de una señal DVOR o CVOR, ya que en ambos sistemas el receptor hace las mismas funciones, calcular el ángulo de orientación respecto a la emisora VOR, θ, a partir de la diferencia de fase entre la señal FM (transportada por la subportadora de 9960 Hz) y la señal de AM (transportada por la portadora VHF).Indicador Vor
Existen tres tipos de indicadores:
CDI (Course Deviation Indicator)
Indicador CDI.
Compuesto por una rosa de los vientos (una marcación de rumbo magnético) y una aguja indicadora de dirección hacia la emisora VOR. La aguja se desplaza hacia la derecha o hacia la izquierda (como un péndulo), indicando la dirección a seguir para volver al rumbo seleccionado.
La barra de desviación está marcada en segmentos de 2º. Además aparece un indicador TO (hacia) o FROM (desde) para el sentido de la dirección a la estación VOR. La rueda OBS (OmniBearing Selector o Selector de Rumbo) sirve para girar el anillo, de modo que el piloto pueda seleccionar un rumbo VOR respecto del que se vuela HACIA (TO) o DESDE(FROM).
HSI (Horizontal Situation Indicator)
Es considerablemente el más caro y complejo de los indicares VOR que existen. Combina la información de texto, con un display de navegación, donde se reproduce la información de una manera más coloquial.
RMI (Radio Magnetic Indicator)
Previo al indicador HSI, caracterizado por una flecha superpuesta en un tablero rotatorio que muestra la posición actual de la aeronave en la parte superior de la esfera dibujada en el tablero. La punta de la flecha señala la trayectoria a la estación, mientras que la cola de la flecha señala una trayectoria opuesta. Ambas trayectorias se diferencian en 180ºExactitud
La reglamentación actual establece que la exactitud del Receptor debe de ser de 0.4 grados con una fidelidad del 95%. La exactitud absoluta del sistema VOR es aproximadamente de 1.40. Sin embargo, los tests de calidad indican que con un grado de fidelidad del 99.94% el sistema VOR tiene un error inferior a ±0.35º.
APLICACIONES DONDE ENCONTRAMOS EL SISTEMA VOR
VOR/DME
Direccionamiento del avión con el sistema VOR/DME.El sistema de aerovías de un país se apoya actualmente en estaciones combinadas VOR-N/DME-N (N de navegación). Técnicamente la combinación se hace añadiendo una antena DME a la antena central del DVOR (o adjuntando una antena DME al grupo de antenas CVOR). Si el VOR proporciona una indicación de rumbo, el DME entrega una marcación de distancia hasta la estación, así como la velocidad y el tiempo estimado hasta el sobrevuelo de la estación. Con estos datos el piloto puede ubicarse con precisión y seguir el rumbo hacia el VOR/DME: esta trayectoria se denomina “volar sobre la aerovía”.
La sintonía de un canal VOR/DME se realiza captando la señal VHF del VOR. Existe una asignación fija del canal DME correspondiente a cada VOR de la carta de navegación por lo que es posible, en el receptor, automatizar la sintonía del DME: el piloto sólo tiene que sintonizar el canal VOR.TACAN-VOR/TAC
El sistema TACAN (“Tactical Aid to Navigation”) es una radioayuda de navegación militar, aunque puede usarse por la navegación civil. Es compatible con el DME, por lo que puede usarse directamente por él. El TACAN utiliza la polarización vertical y no es compatible por lo tanto por el VOR, aunque se puede instalar junto a un VOR para formar una estación conjunta VOR/TACAN (VORTAC), en cuya instalación se coloca la antena del TACAN sobre la del VOR.
De esta forma conjunta TACAN, DME y VOR, la estación puede usarse por los aviones equipados con TACAN (en general los militares) y los equipados con VOR/DME (civiles y militares). En esencia el TACAN es un DME modulado en modulación espacial (con diagrama giratorio) para obtener la señal variable espacialmente del VOR, y cuya señal de referencia se emite en forma de impulsos codificados.FUTURO VOR
Hoy en día muchos de estos sistemas están perdiendo pujanza frente a los sistemas tipo GPS, más exactos y con receptores muy sencillos de usar. Sin embargo, el bajo coste de los sistemas ADF los mantiene en uso, a la vez que por ejemplo la sostenibilidad financiera de otros sistemas más caros como el VOR los compromete de manera creciente. Además el sistema de GPS extendido, como el Local Area Augmentation System (LAAS) pretende usar la misma banda de frecuencias VHF que el VOR para transmitir su mensaje de corrección. Esto podría implicar el cierre de las instalaciones VOR o su desplazamiento a otras frecuencias para evitar interferencias.
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