NDB-ADF, Apuntes de Ingeniería en Geodesia y Cartografía

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Automatic Direction Finder - ADF

(ESQUEMA)

Dagoberto Salazar

Automatic Direction Finder - ADF (ESQUEMA) por Dagoberto Salazar

1ra. Edición Publicado 2004

Este documento es un esquema preliminar para dictar algunos temas de la asignatura Navegación Aérea, Cartografía y Cosmografía. Contiene material con copyright y su uso es exclusivamente como material educativo. El material se presenta "tal como está" y no se da ninguna garantía sobre su exactitud o veracidad, ni sobre su utilidad o idoneidad para algún propósito específico.

Historial de revisiones Revisión 0.8 2004-05-06 Revisado por: D.S. 1er. borrador.

• 1. Automatic Direction Finder - ADF (ESQUEMA) ................................................................................
  • 1.1. Introducción ................................................................................................................................
  • 1.2. Antena de Cuadro........................................................................................................................
  • 1.3. Radiogoniómetro.........................................................................................................................
  • 1.4. ADF (rotatorio) ...........................................................................................................................
  • 1.5. ADF (fijo)....................................................................................................................................
  • 1.6. Indicadores ADF .........................................................................................................................
  • 1.7. NDB ..........................................................................................................................................
  • 1.8. Errores ADF-NDB ....................................................................................................................
    • 1.8.1. Errores Sistemáticos .....................................................................................................
    • 1.8.2. Errores Variables ..........................................................................................................
• 1-1. Antena de cuadro o "loop" ................................................................................................................... Tabla de figuras
• 1-2. Antena de cuadro recibiendo señal.......................................................................................................
• 1-3. Señales recibidas por la antena de cuadro. ...........................................................................................
• 1-4. Diagrama de recepción de la antena de cuadro. ...................................................................................
• 1-5. Diagrama de bloques del radiogoniómetro ..........................................................................................
• 1-6. Señales recibidas por la antena de cuadro + señal de referencia..........................................................
• 1-7. Señales antena de cuadro + referencia + referencia desfasada
  • ......................................................
• 1-8. Diagrama de recepción antena de cuadro + antena de referencia. .......................................................
• 1-9. Diagrama de bloques del ADF con antena rotatoria ............................................................................
• 1-10. Reacciones del sistema ADF con antena rotatoria .............................................................................
• 1-11. Diagrama de las antenas de cuadro ortogonales.................................................................................
• 1-12. Diagrama de bloques del ADF con antenas fijas................................................................................
• 1-13. Indicador ADF de carta fija ..............................................................................................................
• 1-14. Indicador ADF de carta móvil..........................................................................................................
• 1-15. RMI con dos agujas ADF/ADF........................................................................................................
• 1-16. RMI con dos agujas seleccionables ADF/VOR ...............................................................................
• 1-17. Gráfico del efecto "fading"...............................................................................................................

Capítulo 1. Automatic Direction Finder - ADF

(ESQUEMA)

1.1. Introducción

NOTA: Buena parte del material de este esquema ha sido tomado de: "Radar y Ayudas a la Navegación Aérea" de J. González Bernaldo de Quirós, y de "Instruments de Radionavigation" de Claude Alari (ENAC).

FUNCIÓN: La función del ADF es la de indicar al piloto la dirección en la cual se encuentra una radioayuda NDB (o radioemisora) dada.

El NDB (Non-Directional Beacon) es la correspondiente radioayuda en tierra, mientras que el ADF es el equipo a bordo de la aeronave. El ADF puede utilizar señales de otras fuentes, como radioemisoras comerciales.

ANCHO DE BANDA: A nivel mundial, se utiliza la banda entre 200 kHz y 1750 kHz (aunque los límites pueden variar un poco según el lugar). En Europa los NDB típicamente se encuentran en las sub-bandas 255-415 y 510-525 kHz.

Este rango de frecuencias coloca al sistema en el reino de la MF (Medium Frecuencies), existiendo ondas ionosféricas (o de cielo) y ondas de tierra. Estas últimas son capaces de llegar a largas distancias y sobrepasar obstáculos.

Correspondientemente, la longitud de onda es bastante grande comparada con las dimensiones de una aeronave: f = 200 kHz - lambda = 1500 m, y f = 1750 kHz - lambda = 171,429 m.

MODULACIÓN: En AM (amplitud modulada). Lo que se envía es la identificación de la estación en código Morse (para los NDB) o música y sonidos en el caso de las radioemisoras comerciales.

ALCANCE: 25 a 100 NM (puede ser mayor, pero aparecen problemas)

INTENSIDAD DE CAMPO REQUERIDA: 70 microVoltios/m, con S/N > 15 dB.

PRECISIÓN MEDIA: 3 a 5 grados en condiciones normales de operación.

POLARIZACIÓN: Vertical (campo eléctrico en la dirección "z"), con propagación horizontal.

Figura 1-2. Antena de cuadro recibiendo señal

Se puede apreciar claramente que debido a que la "Antena 1" (Ant. 1 en el dibujo) y la "Antena 2" (Ant.

2. están separadas una cierta distancia, y además existe un ángulo entre la señal que llega y el plano que une las antenas, la primera recibe la señal antes que la segunda. Por esto existe un desfase entre ambas, y por tanto una diferencia (la salida de la antena de cuadro NO es cero en este caso).

En la siguiente figura se ilustra la forma de las señales recibidas por la antena 1 (y1), la antena 2 (y2) y la diferencia entre ellas ( y3 = y2 - y1 ), que es realmente la salida de la antena de cuadro.

Figura 1-3. Señales recibidas por la antena de cuadro.

Ahora bien, si realizamos un diagrama de recepción de estas antenas, el resultado es una figura de "ocho", donde la recepción es mayor cuando la señal llega paralela al plano de la antena de cuadro, y nula cuando viene perpendicularmente.

Figura 1-4. Diagrama de recepción de la antena de cuadro.

Esta característica es aprovechada para hallar la dirección de donde proviene la señal. El "radionavegante" a bordo del avión tenía en su panel de control una ruedecilla (acoplada a un indicador de dirección) con la que podía girar a voluntad (y manualmente) la antena de cuadro, mientras simultáneamente escuchaba con sus audífonos la señal de audio proveniente del emisor (NDB o estación de radio comercial).

Cuando el radionavegante dejaba de escuchar la señal significaba que el plano de la antena de cuadro estaba perpendicular a la dirección en la cual se encontraba el emisor, tomando nota de dicha dirección (mostrada en el indicador) y marcándola en su carta de navegación.

El método anterior encuentra la dirección pero EXISTE UNA AMBIGÜEDAD EN EL SENTIDO, pues el emisor puede estar a un lado u otro del plano de la antena de cuadro. Esta ambigüedad era resuelta tomando otros emisores como referencia, y hayando la intersección de las direcciones, o llevando un registro cuidadoso de la trayectoria del avión desde el inicio del vuelo.

La siguiente figura ilustra el diagrama de bloques del radiogoniómetro:

Figura 1-6. Señales recibidas por la antena de cuadro + señal de referencia.

Si la señal de referencia se desfasa 90

(y5) podemos apreciar que prácticamente entra en fase con y3, que es la salida de la antena de cuadro cuando la ANTENA 1 ESTÁ MÁS CERCA DEL EMISOR QUE LA ANTENA 2. Correspondientemente, y5 estará en CONTRAFASE con y3 si es la antena 2 la que está más cerca del emisor (y6 = y1 - y2). Lo anterior se representa en el siguiente gráfico:

Figura 1-7. Señales antena de cuadro + referencia + referencia desfasada 90

.

Esta característica de la recepción se aprovecha para determinar el sentido en el que se encuentra el sector y así resolver la ambigüedad que padecía el radiogoniómetro. Si se hace un diagrama de recepción de la combinación antena de cuadro + antena de referencia, se obtiene una CARDIOIDE:

Figura 1-8. Diagrama de recepción antena de cuadro + antena de referencia.

Entonces, la señal de la antena de cuadro es introducida alternativamente a dos combinadores que generan 2 cardioides: Uno recibe y3 (y2-y1) y el otro y6 (y1-y2). Éstos a su vez también reciben y5 y la salida de ambos alimenta a un comparador.

El resultado de la comparación es amplificado y alimenta a su vez al motor que mueve el cuadro. Este motor girará en un sentido u otro según el signo de la comparación, dejando de mover la antena cuando la señal de ambas cardioides es igual. Un acoplador "selsyn" conectado al motor del cuadro transmite la señal hasta un indicador en la cabina de vuelo.

Esto se visualiza mejor con un diagrama de bloques del sistema:

Figura 1-9. Diagrama de bloques del ADF con antena rotatoria

El siguiente esquema muestra las cardioides que el comparador está recibiendo de los combinadores y cómo el sistema reacciona según cada caso:

resolviera la ambigüedad de sentido sin necesidad de rotar la antena de cuadro, mejorándose la confiabilidad del sistema.

Para ello, se utilizan dos antenas de cuadro colocadas ortogonalmente. La que tiene su plano a lo largo del eje longitudinal del avión (adelante-atrás) es la "antena coseno", mientras aquella cuyo plano coincide con el eje transversal es la antena seno".

De esta manera se tienen dos diagramas de recepción en "ocho", perpendiculares entre sí, que generarán sus respectivas cardioides al ser adecuadamente combinados con la señal proveniente de la antena de referencia. Observe el siguiente diagrama:

Figura 1-11. Diagrama de las antenas de cuadro ortogonales

De forma análoga al caso del ADF con antena rotatoria, las señales provenientes de las antenas de cuadro son combinadas con la señal de la antena de referencia y alimentan alternativamente (con una frecuencia de alternancia de 100 Hz) a un comparador de fases. La salida de éste son los valores de seno y coseno del ángulo theta entre el eje longitudinal del avión y la posición de la estación.

Estas señales seno-coseno alimentan a los indicadores (por ejemplo, un Indicador Radio-Magnético o RMI), o a través de una interfaz ARINC 429 a un bus de datos digital.

A continuación se encuentra el diagrama de bloques típico de este sistema:

Figura 1-12. Diagrama de bloques del ADF con antenas fijas

1.6. Indicadores ADF .........................................................................................................................

Existen esencialmente tres tipos de indicadores ADF:

• ADF de carta fija.
• ADF de carta móvil.
• Indicadores Radio-Magnéticos (RMI - Radio-Magnetic Indicator).

En los indicadores ADF de carta fija la carta que indica los grados no se mueve, manteniendo siempre el 0 orientado hacia la nariz de la aeronave. Para determinar en que dirección se encuentra la estación emisora, a lo indicado por el ADF ha de sumársele lo que indique la brújula. Un ejemplo de este indicador es el siguiente:

Figura 1-13. Indicador ADF de carta fija

En cambio, en los indicadores ADF de carta móvil esta última se puede mover a voluntad del piloto mediante el giro de un botón. El piloto entonces hace coincidir la marcación de la carta con lo indicado con la brújula, obteniendo directamente la dirección en la cual se encuentra la estación con referencia al norte magnético. En la siguiente figura, note el botón de ajuste abajo a la izquierda:

Figura 1-14. Indicador ADF de carta móvil

Este cono, característico también de otras radioayudas, es llamado "cono de silencio", y su ángulo de abertura puede tener, en el caso de los NDB, hasta 45

.

El alcance de los NDB puede ir desde unas 25 NM hasta más de 100 NM, dependiendo de la potencia de emisión. Más allá de las 100 NM empiezan a aparecer importantes errores.

1.8. Errores ADF-NDB

El sistema ADF/NDB tiene errores que típicamente oscilan entre los 3 y 5 grados. Hay dos tipos principales de error que son:

1.8.1. Errores Sistemáticos

Los errores sistemáticos se pueden caracterizar previamente y tomar previsiones ante ellos. Los más importantes son:

1.8.1.1. Error Instrumental

Es el error asociado a incertidumbres en la lectura de los valores mostrados por los instrumentos. Oscila de 1 a 2 grados.

1.8.1.2. Error por presencia del avión

La aeronave es un cuerpo metálico que puede interferir con la recepción del sistema, distorsionando las señales. Sin embargo, este error puede caracterizarse de fábrica y entonces tomar medidas correctivas.

1.8.2. Errores Variables

Como su nombre lo indica, son errores cuya aparición y magnitud depende de múltiples factores, siendo esencialmente desconocidos. Los más conocidos son:

1.8.2.1. Errores atmosféricos (tormentas)

El núcleo de las grandes tormentas genera poderosas cargas electromagnéticas cuya frecuencia puede estar en la banda de trabajo del ADF. Esto ocasiona que las tormentas puedan aparecer como estaciones en tierra y el ADF apuntará hacia ellas. Es muy peligroso que el piloto las confunda con estaciones reales y vuele hacia ellas.

1.8.2.2. Errores de polarización

Ciertas condiciones pueden alterar la polarización y propagación de las señales y ocasionar errores. Las más conocidas son:

• "Efecto de línea de costa", causado por la diferente conductividad entre la corteza terrestre y el agua, ocasionando que la señal se refracte al pasar por la costa y genere indicaciones erradas.
• "Efecto montaña", en donde debido a la orografía las ondas de tierra se pueden distorsionar, apareciendo errores de medición.

1.8.2.3. Interferencia xDSL (en estudio)

La transmisión de datos por Internet utilizando la tecnología xDSL (HDSL, SDSL, VDSL y ADSL) puede generar señales que interfieran con la operación del ADF y con las comunicaciones HF.

Debido a la naturaleza de los sistemas xDSL la fuente de interferencia está distribuida geográficamente. Se están realizando estudios para determinar si el efecto acumulativo de muchas de estas señales puede alterar seriamente el funcionamiento del sistema (referencia actualizada al 21/Sep/2000).

1.8.2.4. Efecto FADING

Este efecto de "desvanecimiento" aparece porque a cierta distancia de la estación emisora las "ondas de suelo" y las "ondas de cielo" (estas últimas por rebote ionosférico) empiezan a interferir entre sí.

La interferencia entra ambas señales puede ser constructiva o destructiva según el desfase que exista entre ellas, produciéndose el efecto de una recepción errática e intermitente.

El siguiente gráfico representa la intensidad de campo versus la distancia a la estación, indicando las zonas en donde es más probable que ocurra este efecto: