Procedimiento de vigilancia por radar de las turbulencias de estela.

Procedimiento para caracterizar el estado y la evolución de una turbulencia de estela provocada por unaaeronave,

a partir de las señales de radar reflejadas por esta turbulencia, siendo analizadas estas señales a travésde células de análisis de dimensiones dadas en distancia y rumbo, caracterizado porque comprende:

- una primera etapa (51) preliminar de detección, durante la que, para cada célula, se busca detectar la presenciade una turbulencia, siendo realizada la operación de detección mediante análisis Doppler en alta resolución de laseñal correspondiente a cada célula de análisis;

- una segunda etapa (52) principal durante la que se determina la fuerza de la turbulencia detectada mediante elcálculo de la circulación L y de la varianza Γ de la velocidad tangencial de las masas de aire, en el interior de laturbulencia, siendo determinadas las dos informaciones L y Γ después de la descomposición espectral de laseñal recibida;

- una tercera etapa (53) principal durante la que se analiza la evolución del espectro Doppler en alta resoluciónde la señal recibida, obtenida durante la primera etapa (51), para determinar la edad de la turbulencia detectadaasí como la forma y la extensión de esta turbulencia;

15 la segunda y la tercera etapas principales se implementan en paralelo, independientemente una de la otra, paracada célula de análisis para la que se haya detectado una turbulencia como resultado de la primera etapa (51).

Procedimiento de vigilancia por radar de las turbulencias de estela La presente invención se refiere al campo del control del tráfico aéreo y de la seguridad aérea en general. Se refiere más particularmente a la reglas de seguridad que regulan las distancias relativas entre aeronaves que siguen una 5 detrás de la otra en un mismo corredor aéreo, principalmente durante las fases de despegue y durante las fases de aproximación y de aterrizaje.

En el campo del control del tráfico aéreo, de las distancias de seguridad entre aviones, se han establecido normas dictadas por la OACI (Organización de Aviación Civil Internacional) con el fin de evitar los peligros ligados al encuentro por los aviones de las turbulencias de estela (o “Wake Vortex” según la denominación anglosajona)

generadas por un avión que les precede. Una turbulencia de ese tipo es, en efecto, particularmente peligrosa cuando el avión que la atraviesa está en una situación de vulnerabilidad, tal como la que experimenta durante las fases de despegue y aterrizaje, en particular durante la entrada en la zona de guiado por el ILS (es decir “Instrument Landing System” según la denominación anglosajona) para la aproximación a la pista de aterrizaje, mientras se encuentra a una distancia relativamente reducida del suelo y en zonas de navegación relativamente complicadas.

Actualmente, por razones de seguridad, y debido a que la evolución en el transcurso del tiempo de estas turbulencias es relativamente mal conocida, las distancias que separan dos aeronaves, impuestas por la OACI, corresponden a unos márgenes de seguridad grandes. Estas distancias de seguridad no tienen en cuenta en particular las condiciones meteorológicas (turbulencia natural de la atmósfera) que condicionan la velocidad de debilitación del fenómeno, ni las condiciones aerológicas (viento de través por ejemplo) que condicionan su desplazamiento en el espacio.

Frente al incremento constante y rápido del tráfico aéreo y a la llegada de nuevos aviones de gran capacidad (Airbus A380 y Boeing B747-8) , se plantea doble un problema ligado a las dos limitaciones antagonistas siguientes:

-una primera limitación traduce el hecho de que un avión de gran capacidad produce unas turbulencias de estela más importantes que el avión de capacidad media o de pequeña capacidad. De este modo, y en ausencia de

parámetros complementarios, la distancia de seguridad que debe respetar un avión que sigue a uno de gran capacidad debe ser, en sentido absoluto, naturalmente más importante que en el caso de que el mismo avión siga a uno de media o pequeña capacidad; particularmente en la fase de despegue y aterrizaje. Esta limitación se traduce en un alargamiento previsible de los tiempos de espera durante los despegues y los aterrizajes para los aviones que se encuentren colocados detrás de un avión de gran envergadura.

- una segunda limitación traduce el hecho de que para hacer circular un tráfico aéreo sin mayores retenciones, es necesario acelerar las rotaciones para evitar la congestión de las terminales aéreas.

Frente a estas limitaciones antagonistas, una solución consiste en complicar las infraestructuras aeroportuarias para permitir a las aeronaves seguir, tanto en el despegue como en el aterrizaje, unas trayectorias (corredores) diversificadas, de manera que puedan seguirse los aviones de manera relativamente próxima tomando unos ejes de despegue o de aterrizaje diferentes que permitan a cada avión no atravesar la estela del avión que le precede mientras que aún sea peligrosa la turbulencia de estela. Sin embargo esta solución, además del hecho de que necesita la implementación de equipos de guiado relativamente sofisticados, de los que no muchos aeropuertos están provistos, ya no permite determinar si la distancia de seguridad aplicada a esta u otra circunstancia es una distancia justa suficiente o si por el contrario está estimada demasiado ampliamente.

Otra solución conocida consiste en probar a detectar la presencia de turbulencias de estela y la distancia de dichas turbulencias por medio de sensores. Se han estudiado diferentes tipos de sensores para la detección de las turbulencias de estela y, en particular, los Lidar Doppler, sistemas de emisión Láser de pulsos que permiten hacer una medición Doppler. El inconveniente principal de este tipo de sensor para una utilización operativa, es que no puede funcionar correctamente más que en tiempo despejado. Con niebla y tiempo de lluvia, el Lidar no puede ser

empleado. Además el Lidar, aunque posee una buena resolución angular, mejor en particular que un radar, dispone de resoluciones de distancia y Doppler más reducidas. En particular, el Lidar es incapaz de medir ciertos detalles en la geometría de la espiral de la turbulencia que permitan determinar, en particular, su estado de debilitación de manera que se tiene un conocimiento insuficiente de la turbulencia detectada. Además, los sistemas Lidar actuales no están en condiciones de vigilar, en un lapso de tiempo compatible con las necesidades operativas, un sector del

espacio suficientemente grande para permitir una vigilancia eficaz de una zona aeroportuaria.

Es igualmente conocido, principalmente por la Patente de Estados Unidos US 5.208.600, un captador de vigilancia para la detección y la vigilancia de las condiciones aerodinámicas en la proximidad de una trayectoria de descenso de aeronave que utiliza un emisor radar para iluminar la trayectoria de descenso. Las reflexiones de radar de las turbulencias inducidas por la aeronave, las turbulencias en el aire despejado y los vientos de través son recibidos 55 por un sistema de radar mono-pulso en el que se determina un haz Doppler suma y un haz Doppler diferencia de los ecos del radar. La suma y la diferencia de los haces Doppler son procesados con el fin de determinar las condiciones aerodinámicas en los entornos del descenso. Estas condiciones aerodinámicas se evalúan para determinar si existen unas condiciones aerodinámicas peligrosas en la zona del descenso.

La Patente de Estados Unidos US 6.480.142 enseña un procedimiento y un aparato para medir los parámetros de los flujos atmosféricos turbulentos que utilizan los desfases en frecuencia, debidas al efecto Doppler, de los ecos del radar retro-difundido por los sonidos generados por estos flujos atmosféricos turbulentos. En ese documento, las amplitudes de la banda Doppler de las señales retro-difundidas recibidas se utilizan para estimar la turbulencia del flujo atmosférico y se procesa la frecuencia media en el seno de una banda pasante para estimar su velocidad de flujo radial. Se pueden estimar la velocidad del flujo total y el ángulo de la velocidad de flujo, con relación al eje de la antena, del flujo atmosférico turbulento estimando la velocidad radial del flujo en dos posiciones radiales y procesando estas dos velocidades radiales. El procesamiento de los datos Doppler se desencadena cuando la potencia total de las señales en el interior de la banda de frecuencia Doppler sobrepasa un nivel de potencia predeterminado.

Un objeto de la invención es proponer un procedimiento que permita, en el contexto general de un tráfico aeroportuario, determinar para un avión dado si está a una distancia suficiente del avión que le precede en su ruta para no sufrir los efectos de la turbulencia de estela provocada por el avión que le precede, mientras que el mismo se encuentre en una situación vulnerable, en fase de despegue o de aterrizaje, por ejemplo.

El reto es en este caso, poder determinar en tiempo real y con todo tiempo (tiempo despejado, niebla, lluvia, ...) el comportamiento de estas turbulencias de estela con el fin de poder regular de manera dinámica, en función de la configuración de las pistas y de las condiciones meteorológicas, la distancia de seguridad entre aviones, mientras se garantiza un nivel de seguridad elevado.

Con este fin, la invención tiene por objeto un procedimiento para detectar y cualificar el estado y la evolución de una turbulencia de estela provocada por una aeronave, a partir de las señales de radar reflejadas por esta turbulencia, siendo analizadas estas señales a través de células de análisis de dimensión dadas en distancia y rumbo, caracterizado porque comprende:

-una primera etapa principal preliminar de detección propiamente dicha para detectar y localizar una turbulencia

en una célula, -una segunda etapa principal para determinar la fuerza de la turbulencia detectada, -una tercera etapa principal para determinar la edad de la turbulencia detectada así como los parámetros geométricos que la caracterizan;

la segunda y la tercera etapas se implementan en paralelo, independientemente... [Seguir leyendo]

1. Procedimiento para caracterizar el estado y la evolución de una turbulencia de estela provocada por una aeronave, a partir de las señales de radar reflejadas por esta turbulencia, siendo analizadas estas señales a través de células de análisis de dimensiones dadas en distancia y rumbo, caracterizado porque comprende:

-una primera etapa (51) preliminar de detección, durante la que, para cada célula, se busca detectar la presencia de una turbulencia, siendo realizada la operación de detección mediante análisis Doppler en alta resolución de la señal correspondiente a cada célula de análisis; -una segunda etapa (52) principal durante la que se determina la fuerza de la turbulencia detectada mediante el cálculo de la circulación L y de la varianza % de la velocidad tangencial de las masas de aire, en el interior de la turbulencia, siendo determinadas las dos informaciones L y % después de la descomposición espectral de la señal recibida; -una tercera etapa (53) principal durante la que se analiza la evolución del espectro Doppler en alta resolución de la señal recibida, obtenida durante la primera etapa (51) , para determinar la edad de la turbulencia detectada así como la forma y la extensión de esta turbulencia;

la segunda y la tercera etapas principales se implementan en paralelo, independientemente una de la otra, para cada célula de análisis para la que se haya detectado una turbulencia como resultado de la primera etapa (51) .

2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque la primera etapa principal (51) comprende a su vez:

- una primera etapa (511) de descomposición espectral en alta resolución -una segunda etapa (512) de cálculo de la entropía S del espectro Doppler en alta resolución de la señal recibida, -una tercera etapa (513) de detección de la presencia de una turbulencia para cada célula de observación, mediante comparación con un umbral fijado del nivel de entropía S medido para esta célula;

esta primera etapa principal proporciona una información (55) sobre la posición de la turbulencia detectada y una información (56) sobre la riqueza del espectro de la señal recibida correspondiente.

3. Procedimiento según la reivindicación 2, caracterizado porque la etapa (511) de descomposición espectral en alta resolución implementa un procedimiento de análisis autorregresivo regularizado que proporciona los coeficientes de reflexión ∋n del modelo autorregresivo determinado.

4. Procedimiento según la reivindicación 3, caracterizado porque, durante la segunda etapa (512) , la entropía S se calcula a partir de la relación siguiente:

−−2

N) 1 00 11∋

k

.

++

.

S = ( (n ) k) ∃ 1 ∃ln ..

++

k∗2 21) ∋k

//

, ,

en la que los términos ∋k representan los coeficientes de reflexión regularizados del modelo autorregresivo de la señal recibida.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la segunda etapa principal (52) comprende a su vez:

- una primera etapa (521) de descomposición espectral mediante transformada de Fourier de la señal recibida, -una segunda etapa (522) de normalización del espectro Doppler obtenido, -una tercera etapa (523) de detección de las componentes de nivel significativo del espectro Doppler, mediante comparación con relación a un umbral fijado, -una cuarta etapa (524) de cálculo de la circulación r de la velocidad tangencial V (r) en el interior de la turbulencia, -una quinta etapa (525) de cálculo de la varianza L de la velocidad tangencial V (r) a partir de las componentes significativas del espectro Doppler;

esta segunda etapa principal proporciona una información (57) sobre la fuerza de la turbulencia detectada.

6. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque, durante la cuarta etapa (524) , la circulación de la velocidad tangencial V (r) se determina a partir de las componentes significativas del espectro Doppler mediante la relación siguiente:

V

max

3

∃4 Vi2 ∃2F (Vi ) 32 ∃ dVi %5 Vmin max

V

42F (Vi ) 3∃ dVi V

min en la que F (Vi) representa el valor de la componente Vi del espectro Doppler, componente expresada en m/s.

7. Procedimiento según la reivindicación 5, caracterizado porque, durante la quinta etapa (525) , la varianza L de la velocidad tangencial se determina a partir de las componentes significativas del espectro Doppler mediante las 5 relaciones siguientes:

V

maxV ∃2F (V ) 3∃ dV

i ii VL 5 minV

2

max2F (Vi ) 3∃ dVi

V

min en la que F (Vi) representa el valor de la componente Vi del espectro Doppler, componente expresada en m/s.

8. Procedimiento según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizado porque la tercera etapa (53) principal comprende a su vez:

-una primera etapa (531) de determinación de las componentes de frecuencia del espectro Doppler en alta resolución de la señal recibida mediante determinación de las raíces del polinomio característico del modelo autorregresivo de la señal recibida -una segunda etapa (532) de análisis de la densidad de las componentes del espectro Doppler y de la pendiente de variación del valor de estas componentes en el transcurso del tiempo de análisis;

esta tercera etapa principal proporciona una información (58) sobre el estado de evolución de la turbulencia detectada y una información (59) sobre la geometría de ésta.