TCAS - Sistema de Alerta de Tráfico y Evasión de Colisión

El razonamiento lógico para una persona que no conoce el medio aeronáutico sería pensar de que dos aviones choquen en el aire es altamente improbable. Sin embargo sabemos que a medida que los aviones llegan o salen de grandes centros poblacionales estos factores se incrementan siendo algo frecuente una advertencia de rumbo de colisión o cuasi colisión. Aún la historia misma nos muestra que en lugares poco transitados y por distintos factores se produjeron colisiones aéreas.

Haciendo un pequeño y somero repaso podemos recordar algunos de los accidentes aéreos, algunos de ellos trascendentes en la historia aeronáutica mundial:

Choque en el aire sobre el Gran Cañón en 1959: Vuelo 718 United Airlines DC-7 - TWA Flight 2 Lockheed Super Constellation. 128 Víctimas – Éste accidente origina la creación de la Federal Aviation Administration Americana (FAA)

Choque en el aire sobre la ciudad de Nueva York en 1956: Vuelo 826 United Airlines DC-8 Vuelo TWA 266 Super Constellation Lockheed. 134 Víctimas – Se contabilizan 6 muertes de personas que estaban en tierra.

Choque en el aire cerca del Asheville Regional Airport en Asheville, North Carolina en 1967: Vuelo 22 Piamonte Airlines Boeing 727 / Lanseair Inc. Cessna 310. 82 Víctimas – Primer accidente mayor de una aerolínea investigado por la recientemente creada NTSB (National Transportation Safety Board)

Choque en el aire cerca de Zagreb - Yugoslavia en 1976: Vuelo 476 British Airways Hawker Siddeley Trident 3B / Vuelo 550 Inex-Adria Aviopromet Douglas DC-9. 176 Víctimas – Uno de los accidentes con mayor cantidad de víctimas.

Choque en el aire sobre San Diego, California en 1978: Vuelo 182 Pacific Southwest Airlines (PSA) Boeing 727-214 Cessna 172 privado. 144 Víctimas – 7 personas en tierra y 22 hogares destruidos. Inicia la enseñanza de CRM (-Cockpit- Crew Resources Management Gerenciamiento de Recursos de Tripulación – Cabina – ó más comúnmente conocido como Factores Humanos.)

Choque en el aire sobre Cerritos, California en 1986: Vuelo 498 Aeroméxico Douglas DC-9-32 Piper PA-28-181 Archer privado. 82 Víctimas – 15 personas en tierra.

TCAS - Sistema de Alerta de Tráfico y Evasión de Colisión
Imagen real tomadaen la caída del vuelo 498 de Aeroméxico en 1986

A raíz del accidente del vuelo 498 de Aeromexico la Federal Aviation Administration (FAA) requiere que todos los aviones comerciales sean equipados con TCAS, hasta ese momento en fase de experimentación, y además que toda aeronave que esté sobre áreas de denso tráfico aéreo estén equipadas conTransponders Modo C que pueden reportar posiciones tridimensionales.

La FAA exige a los operadores que vuelvan en y hacia losEstados Unidos que tengan equipos TCAS II en todos los aviones con capacidad superior a 30 pasajeros a partir de diciembre de 1993 y equipos TCAS I o II enlos aviones con capacidad entre 10 a 30 pasajeros desde el 31 de diciembre de 1995.

Antes de adentrarnos en el instrumental vamos a ver como se separanaviones en el aire. Existen tres formas básicas:

Control de TránsitoAéreo (ATC)Monitorea toda aeronaveen un área de servicio.Resuelve conflictos detránsito aéreo con antelación.

TCASSe activa cuando el conflicto es inminente (menosde un 1 minuto).

Identificación VisualIneficaz cuando lavisibilidad es pobre. Podemos entender, sin mediar muchoconocimiento, de que el ATC irá separando los aviones a través de uncontrolador aéreo por medio de una frecuencia de radio o la identificación visual hará que los pilotos en si sean los encargados de evitarse.




La pregunta es ¿qué es el TCAS? ¿Cómo funciona?



Básicamente es un sistema incorporado en los aviones, que veremos más adelante tiene que estar en ambos aviones, que evita la colisión en el aire. En un ejemplo típico ante unacolisión inminente el sistema alerta a través de una pantalla y por medios auditivos sobre el tráfico cercano (un aviso sonoro que alertará sobre tráficoTRAFFIC - TRAFFIC) después brindará una resolución a cada avión involucrado. En una cabina la alerta sonora indicará bajar (DESCENT - DESCENT) y en el otro avión la alerta indicará subir (CLIMB - CLIMB). Después de la maniobra indicada al resolverse la colisión, en ambos aviones, sonará un aviso de conflictosolucionado (CLEAR CONFLICT).

En los gráficos a continuacióntenemos un ejemplo gráfico de lo descripto anteriormente.

aviones
Alertade tráfico (ventana superior izquierda). Resolución coordinada en ambos aviones(ventana superior derecha). Resolución llevada a cabo por los pilotos (ventanainferior izquierda). Aviso de resolución de conflicto (ventana inferiorderecha).

En resumidas cuentas las funciones principales del TCAS en la aeronave son:
Vigilancia del espaciocircundante a la aeronave.
Rastreo de un objetivoidentificado.
Evaluación de amenazapotencial del objetivo identificado.
Muestra el tráfico aéreocircundante a la aeronave.
Cómputo y alerta decolisión con un objetivo identificado.
Muestra de aviso detráfico y/o de resolución.
Proveer alarma audible.
Coordinación aire-airepara la resolución de conflictos.

Es importante resaltar que el TCAS es un sistema del tipo cooperativo debido a que necesita que las dos aeronaves estén equipadas con este sistema para que los avisos de tráfico/resoluciones de maniobras puedan existir en ambas.

Si bien hemos visto como seresuelve una situación vamos a adentrarnos en el funcionamiento del equipamiento. El TCAS se basa en el funcionamiento del radar secundario. Si bien no es objetivo del presente artículo un análisis detallado de los modos de radar y su funcionamiento vamos a describir brevemente a los mismos:

El radar primario envía una señal (en un rango de frecuencia determinado) desde tierra, la señal rebota con un objeto en el aire y retorna a la antena emisora. Este efecto, luego de un cálculo de distancias ubica un punto (eco) en la pantalla del operador. Este sistema es básico ya que no brinda informaciones de identificación de la aeronave o su altura, datos importantes para el control de tránsito aéreo. Sin embargo con esta sola información permite tener una idea de la posición de un objeto en el espacio.

Un avance en la tecnología fue la incorporación de los radares secundarios donde el avión, seguido por un radar de estas características, está equipado con un aparato a bordo llamado Transponder puede responder al radar brindando datos como su identificación, altura, etc. a través del envío a la antena en tierra de paquetes de datos con la información necesaria.

aeronautica
Sistema de Radar Primario versus Sistemade radar Secundario.

A medida que se fueron incorporando avances tecnológicos, específicamente en los paquetes de información que llevan los datos al radar secundario, se fueron saliendo mejores Transponders. En resumen los modos de transponders se pueden resumir de la siguiente manera:

Modo A: Muestra laidentificación de la aeronave.

Modo C:
Muestra la identificación de la aeronavey su altura.

Modo S:
Muestra la identificación de la aeronave y su altura pudiendo además codificarse señales aire-aire para evitar colisión (TCAS), reportes meteorológicos, ATIS, alertas, servicio de vigilancia de tráfico. El código de identificación es único para cada aeronave (Aircraft Address). El radar interroga selectivamente a cada aeronave con transponder Modo S y alfinalizar la interrogación realiza un llamado general para incorporar nuevas aeronaves. Evita la superposición en espacios congestionados (no resueltos en ModoA/C)

En Modo A y Modo C el número identificatorio de cuatro dígitos es brindado por los servicios de tránsito aéreo antes de iniciar cada vuelo. De hecho este sistema permite al piloto poder alertar, discretamente si es necesario, anomalías como falla decomunicaciones o hasta un secuestro aéreo.
avion
Pantalla de Radar.: Eco simplede radar (cuadrante superior derecho, avión amarillo) solo se ve el eco del avión sin ninguna información. En avión con Transponder Modo A brindara identificación de la aeronave solamente (cuadrante superior izquierdo, avión en rojo identificado con AR233). En cambio en Transponder Modo C (ó Modo S entre otros datos) brindarán identificación y altura de la aeronave (al lado del ejemplo anterior se ve la misma aeronave ahora con identificación de vuelo AR233 y altura FL230).

El TCAS usa a los transponders y antenas propias para poder ubicar una aeronave cercana, analizar si representa peligro y, dependiendo del modo de transponder que se esté usando, poder coordinar una resolución conjunta de una colisión.

El equipo TCAS calcula la distanciaa la aeronave interrogada de forma convencional de acuerdo con el tiempo transcurrido entre la emisión de la interrogación y la recepción de la respuesta calcula su posición. Transmite en una frecuencia de 1090 Mhz. y recibe en 1030Mhz. y en base a estas frecuencias establece un cálculo de distancia, según la siguiente fórmula:

Distancia = Tiempo transcurrido/ 12,35 mseg por NM

La marcación relativa del intruso se obtiene gracias a la direccionabilidad de al menos una de susantenas. En TCAS I posee dos antenas, una superior direccional y otra inferior omnidireccional. Para mayor precisión, TCAS II y TCAS III ambas antenas son direccionales.

La antena direccional en el TCAS es una antena de 4 elementos, la direccionalidad se consigue introduciendo un retraso determinado en la fase de la señal enviada por cada uno de los 4 elementos.

Cuando se recibe la respuesta del intruso, la diferencia de fase en la señal recibida entre dos pares de elementos de la antena, sirve para determinar la marcación relativa de la aeronave.
colision
Si el intruso se aproxima por la derecha de la aeronave el TCAS calcula la diferencia de fase entre los elementos 1-2 y 2-3. La relación entre las dos diferencias de fase representa la marcación relativa del tráfico intruso (se basa en el funcionamiento de las antenas de cuadro).

Es propiedad de poder ubicar la posición relativa y la distancia no serviría de nada si el sistema no contara con un procesador. El procesador TCAS constituye el cerebro del sistema. Seencarga de realizar la función inicial de vigilancia del espacio aéreo circundante a la aeronave. El alcance máximo del área de vigilancia oscila en el plano horizontal entre 30 - 40 NM y en plano vertical alrededor de 9900 fts.
tcas
Una vez que el procesadoridentifica un problema, sigue al intruso, evalúa el riesgo para la aeronave realiza un análisis y en coordinación da una solución para resolver el conflicto.El espacio aéreo protegido dentro del cual, el procesador, generará avisos es como una burbuja que rodea la aeronave.

El tamaño de la burbuja dependerá de la velocidad y rumbo de las aeronaves en conflicto aunque el elemento clave será el tiempo que falta hasta alcanzar el CPA (Closest Point of Aproach –punto de máxima proximidad-). Este punto es el que el TCAS tratará de evitar puesto que si se sobrepasa las aeronaves van a colisionar.

TCAS - Sistema de Alerta de Tráfico y Evasión de ColisiónEl procesador establecedos niveles de protección TAU (Tiempo estimado para alcanzar CPA)

Nivel 1: El tráfico se encuentraa unos 30 a 45 seg. del CPA y se generan únicamente avisos de tráfico tanto visuales comoacústicos pues es considerado solamente un intruso.

Nivel 2: El tráfico se encuentra a unos 20 a30 seg. del CPA y al considerarle esta vez como un peligro se generan avisos visuales y acústicos de resolución.

aviones
Un esquema ideal de la burbuja de alerta puesto que figuran distancias aproximadas ya que estas se modifican según la velocidad dela aeronave.

Como mencionamos anteriormente elTCAS dará dos tipos de avisos bien definidos:

TA (TrafficAdvisories): Tráfico cercano

RA(Resolution Advisories): Órdenes de evasión Estos avisos no serán generadospor todos los tipos de TCAS puesto que a medida que avanzó la tecnología sefueron desarrollando más características en el sistema. Según los modos deTransponders se tendrán tipos distintos de TCAS:

TCAS I: Constituye nivel básico. Proporciona solamente TA (Traffic Advisores).Necesita al menos transponder Modo A.

TCAS II:
Proporciona TA (Traffic Advisores) y RA (Resolution Advisories). Las resoluciones solo serán en plano vertical – ascenso y descenso-. Puede generar resolución coordinadas hasta para 3 tráficos intrusos a la vez. El TCAS II en ambas aeronaves proporciona resolución coordinada.

TCAS III:
Proporciona TA y RA en plano vertical y horizontal. En fase de desarrolloy prueba. En este cuadro de doble entrada se puede interpretar fácilmente que tipo de avisos proporciona el equipo. En lacolumna de la izquierda se tiene el equipamiento de la aeronave intrusa (TCAS ó TRANSPONDERS) y en las columnas de la derecha el equipamiento de nuestra aeronave.

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Los avisos de TA y RA se producende forma visual y auditiva. Como se verá más adelante hay diversas formas demostrar el aviso de tráfico. Está estandarizado que en forma visual la simbología de tráfico según su importancia y urgencia en el tratamiento:

avion

En lo que respecta a los avisos sonoros será el mismo para alertar el tráfico cercano y en lo que respecta a la resolución dependerá de la maniobra a efectuar según cada caso.

En la cabina el funcionamiento delTCAS se muestra de manera fácil y sencilla para una rápida y correcta interpretación por parte del piloto. Según las características del avión en su instrumental se podrá presentar de la siguiente manera:

Pantalla específica para dicho cometido.
Pantalla de radar meteorológico.
Pantalla de navegación EFIS
Pantalla VSI (Vertical Speed Indicator)

Pantalla específica TCAS

colision

RadarMeteorológico


tcas

EFIS
TCAS - Sistema de Alerta de Tráfico y Evasión de Colisión

VerticalSpeed Indicator

aviones

El TCAS presentado en el VSI es,tal vez, la forma más estandarizada. En la figura se puede interpretar fácilmente los datos aportados. El rombo celeste acompañado de +18 (1800 fts.por arriba de nuestro avión) indica que el tránsito no es peligroso y que se encuentra muy por arriba de nuestra aeronave, lo mismo que el rombo celeste relleno. En ese caso el tráfico se encuentra muy por abajo (1000 fts. por debajo en descenso) de nuestra aeronave pero más cerca del trafico de +18. El círculo amarillo por delante es un tráfico que se está acercando peligrosamente, si bien está por debajo de nuestro nivel de vuelo y en régimen de descenso (200 fts por debajo) se produce aviso sonoro de TRAFFIC – TRAFFIC. El cuadrado rojo por detrás indica que hay que proceder a una resolución del conflicto inminente, la circunferencia del VSI se vuelve de color teniendo que el avión ir a la parte verde del mismo. La resolución en este caso sería ascenso para nuestro avión (CLIMB – CLIMB) y al avión intruso se le avisará que descienda (DESCEND – DESCEND). Si es necesario incrementar ascenso, descenso o mantener nivel el TCAS avisará según corresponda a cada caso. El TCAS tiene que ser programadoen el momento de agregado a la aeronave teniendo en cuenta en cada caso las performances del avión donde será instalado. El equipo deberá preveer, por ejemplo,las limitaciones en el régimen de ascenso de una aeronave turbohélice y de porte ya que no responderá de la misma manera que un turborreactor para el ascenso en la resolución de un conflicto. Independientemente de eso el equipotendrá limitaciones lógicas por distintos eventos como son:

Cualquier aviso acústicopor debajo de 500 fts +/- 100 fts. AGL (Above Ground Level).
Los avisos de resoluciónpor debajo de 1000 fts. +/- 100 fts. AGL (AboveGround Level).
El RA Descend por debajode 1100 fts. AGL (Above Ground Level).
El RA Increase Descendpor debajo de 1450 fts. AGL (Above Ground Level).
El RA Climb por encimaFL 380 (38000 fts).

En la actualidad hay desarrollospara mejorar el sistema. Se probando para su futuro ingreso a servicio de los Transponders ADS (Automatic Dependent Surveillance), en fase de experimentación y desarrollo, que daráinformación posición GPS, velocidad, identificación, rumbo e intenciones(puntos previstos de ruta). Tanto en tierra como en vuelo con y sin coberturade radar. O el AP/FD TCAS desarrollado por Airbus para ser implementado en el A350(en desarrollo) que integrará las funciones de TCAS al piloto automático (AP) yal director de vuelo (FD).

El TCAS es un sistema altamente confiable que evita las colisiones en el espacio aéreo en cualquier momento y bajo cualquier condición meteorológica. Sin embargo, al ser los humanos los que interactúan, se han producido colisiones en el aire después de suimplementación obligando a las autoridades aeronáuticas a mejorar fundamentalmentelos procedimientos (basta como ejemplo en accidente del Lago Constanza en Alemania entre un Boeing 757 de DHL y unTupolev Tu-154 de Bashkirian Airlines el 1ero de Julio del 2002. Ambos aviones con TCAS). Como todo sistema su buen y correcto uso alivia la carga de trabajoen la “oficina” del piloto garantizando advertencias y resoluciones en unaposible colisión en el aire.

Un ejemplo del funcionamiento del TCAS en vuelo






link: http://www.youtube.com/watch?v=z-6zF9PEtdU

Por M.B. y G.F.

3 comentarios - TCAS - Sistema de Alerta de Tráfico y Evasión de Colisión

@chorck
Muy buen post, me sirvio para entender un poco mas de este sistema de avionica.
@esdanieldragon
y ese efis , para que es ? casi no se distingue la imagen