10.1.2: Historia

Las primeras técnicas de navegación a principios del siglo ^XX fueron rudimentarias. La navegación se realizó vía observación del terreno y se proporcionaron a los pilotos mapas y brújulas para localizar la aeronave.

Cálculo a Muerto

Algunos años después se introdujo el cálculo a muerte. El cálculo a estima consiste en estimar la posición futura de la aeronave en función de la posición actual, la velocidad y el rumbo. A los pilotos ya se les proporcionaron anemómetros para calcular la velocidad aérea de la aeronave y el reloj para medir el tiempo. Los vuelos fueron diseñados en base a puntos (típicamente referencias en el terreno), y los pilotos tuvieron que seguir la vía establecida.

Obviamente, al intentar volar una pista de un punto a otro usando el cálculo por estima, los errores fueron tremendos. Esto se debió a tres razones principales:

• Errores en los instrumentos utilizados (anemómetro, brújula y reloj).
• Errores de pilotaje.
• Efectos de viento.

Figura 10.2: Triángulo de velocidades.

Los dos primeros son inherentes a todo tipo de navegación y siempre lo serán hasta cierto punto. Sin embargo, se están reduciendo los errores en los instrumentos. También se están minimizando los errores de pilotaje debido a los sistemas de control automático. Se puede pensar que estos dos errores convergerán a algunos valores soportables. Por el contrario, los efectos del viento son más relevantes, y aún juegan un papel clave en la incertidumbre de las trayectorias de las aeronaves. Con base en estos errores, pero en particular en los efectos del viento, se puede definir el triángulo de velocidades y los ángulos de pista y curso. Ver Figura 10.2.

Ángulo de vía (TR) (también conocido como ángulo de rumbo): Es el ángulo entre el Norte (típicamente magnético, pero también se puede utilizar el Norte geográfico) y la velocidad absoluta de la aeronave y se corresponde con la pista o curso real que el avión está volando. La velocidad absoluta de la aeronave es la suma de la velocidad aerodinámica y la velocidad del viento:\(\vec{V}_{abs} = \vec{V}_{aer} + \vec{V}_w\). A esto se le llama triángulo de velocidades.

El ángulo de rumbo (HDG): Es el ángulo entre el Norte (típicamente magnético, pero también se puede utilizar el Norte geográfico) y el vector de velocidad aerodinámica. Observe que si asumimos vuelo simétrico, también coincide con el eje longitudinal de la aeronave. Normalmente no coincide con el ángulo de vía ya que la aeronave podría tener que compensar el viento cruzado.

Por ejemplo, mirando la Figura 10.2.b, el rumbo de la aeronave es el vector que une A y B, pero la pista o curso real está representado por el vector que une A y C. Los ángulos correspondientes se calcularían estableciendo una referencia (típicamente el Norte magnético). Observe que la diferencia entre rumbo y vía se conoce como ángulo de deriva.

Algunos otros elementos que son importantes en la definición de la orientación del vuelo son: la vía deseada, el error de vía cruzada y el rodamiento:

Ángulo deseado de la pista (DTR): Es el ángulo entre el norte (típicamente magnético) y la línea recta que une dos waypoints consecutivos en el vuelo. Es la pista que queremos volar, que en condiciones ideales coincidiría con la pista que en realidad estamos volando. Desafortunadamente, esto rara vez sucede.

Error Cross-Track (XTE): Es la distancia entre la posición de la aeronave y la línea que representa la vía deseada. Observe que la distancia entre un punto y una línea es la perpendicular a la línea que pasa por el punto. Así XTE = d (DTR, TR), donde d puede definirse como la norma 2 (la distancia euclidiana).

Rodamiento: Se define como el ángulo entre el norte (típicamente magnético) y la línea recta (en una esfera o elipsoide no sería exactamente recto) que conecta la aeronave con un punto de referencia. Tenga en cuenta que el rumbo depende del punto de referencia seleccionado. Hoy en día, estos puntos suelen coincidir ya sea con ayudas de navegación localizadas en la tierra o waypoints calculados a partir de la información de al menos dos ayudas de navegación localizadas en la tierra.

Navegación Astronómica

Además de los errores ocasionados por los efectos del viento, la navegación por estima tenía un inconveniente fundamental: Se requería que los puntos seleccionados que actuaban como referencia fueran visibles por los pilotos en cualquier circunstancia. Como el lector puede imaginar intuitivamente, estos puntos a veces eran difíciles de identificar en caso de condiciones meteorológicas adversas (lluvia, niebla, etc.) o en la oscuridad durante los vuelos nocturnos. Además, fue realmente difícil obtener referencias sobre paisajes monótonos como es el caso de los océanos.

Figura 10.3: Navegación astronómica: sextante y astrolab.

Por lo tanto, los aviadores pioneros comenzaron a utilizar dispositivos astronómicos. Aparatos como el astrolabio ¹ y el sextante ² habían sido utilizados desde hace siglos para la navegación marítima. Usando estos dispositivos, los pilotos (ayudados por un hombre a bordo que era navegador término) pudieron determinar periódicamente la posición y minimizar los errores.

Gracias a este tipo combinado de navegación: la navegación astronómica utilizada junto con la navegación por estima, se dieron a luz las hazañas más importantes entre los pioneros. Así, a la luz de la historia, se puede afirmar que los primeros vuelos oceánicos en 1919 (Alcock y Brown) y 1929 (Linderbergh) fueron, en parte, gracias a la implementación de la navegación astronómica, que permitió a los pilotos llegar a destino sin perderse.

Ayudas de navegación

Todas las técnicas de navegación descritas anteriormente no requirieron ningún soporte de infraestructura sobre el terreno, por lo que pueden considerarse como técnicas de navegación autónoma. No obstante, dicha navegación era complicada y requería muchos cálculos a bordo. El navegante tuvo que estar continuamente haciendo cálculos muy complicados y esto no fue operativo en absoluto.

Como consecuencia, hubo una necesidad de algún tipo de ayudas de navegación basadas en la tierra. Los primeros en aparecer, en 1918, fueron los llamados baliza aérea (faro de luz). Esto permitió el vuelo nocturno sobre áreas en red, como Estados Unidos. Sin embargo, estas ayudas fueron limitadas. En 1919 se empezaron a utilizar las radiocomunicaciones. Primero, instalar transmisores en las cabina para comunicarse. Posteriormente, utilizando la radiogoniometría. ³ Se instalaron radiogoniómetros a bordo y se realizó la navegación determinando la orientación de la aeronave respecto a dos estaciones terrestres transmisoras cuya posición se conocía.

Posteriormente, en 1932, apareció el Radio-Rango de Baja Frecuencia (LFR), que era el principal sistema de navegación utilizado por los aviones para el vuelo de instrumentos en las décadas de 1930 y 1940 hasta el advenimiento del rango omnidireccional VHF (VOR) a fines de la década de 1940. Se utilizó para la navegación en ruta así como enfoques instrumentales. Basado en una red de torres de radio que transmitían señales de radio direccionales, el LFR definió vías aéreas específicas en el cielo. Los pilotos navegaron por el LFR escuchando un flujo de códigos Morse automatizados. Era una especie de codificación binaria: escuchar un tono específico destinado a girar a la izquierda (en analogía, 1 para girar a la izquierda) y escuchar un tono específico diferente destinado a girar a la derecha (en analogía, 0 para girar a la derecha).

Desde los años 40 hacia nuestros días, las ayudas a la navegación han evolucionado significativamente. Por citar algunas evoluciones, la aparición de VOR y DME a finales de los años 40 y principios de los 50, el concepto de Navegación de Área (RNAV) a finales de los 60 y principios de los 70, el sistema de aproximación ILS completamente automatizado a finales de los 60, o incluso la navegación por satélite (aún por estar completamente operativa) contribuyeron a mejorar el rendimiento de la navegación . No los describiremos ahora, ya que todos estos tipos de navegación se estudiarán más adelante. Como consecuencia de la aparición de todas estas ayudas a la navegación a lo largo de los años, hoy en día la navegación se realiza principalmente utilizando técnicas instrumentales de navegación.

Navegación en presencia de otras aeronaves

Poder volar, no perderse, y evitar los obstáculos del terreno era al principio ya un gran reto. Al inicio, debido al número limitado de aeronaves, la navegación no consideró la posibilidad de encontrarse con otras aeronaves que pudieran ocasionar una colisión. Con la aparición de aeropuertos, atrayendo muchos aviones al mismo volumen físico, el concepto de navegación cambió inmediatamente al de circulación.

La circulación puede definirse como el movimiento hacia y desde o alrededor de algo. En la navegación aérea, apareció la necesidad de hacer circular la aeronave por ciertas estructuras definidas en el espacio aéreo o siguiendo ciertas reglas. Para evitar colisiones, se definieron algunas reglas basadas en la capacidad de poder ver y ser visto. En los casos de aproximaciones y salidas en aeropuertos, aparecía la necesidad de existencia de alguien con capacidad para asignar a los aviones una secuencia para despegar. Estos fueron los precursores de lo que hoy conocemos como controladores de tránsito aéreo. En 1935 se creó en Estados Unidos el primer centro de control de rutas aéreas.

La navegación aérea como sistema

En consecuencia, fueron necesarios los marcos jurídicos, operativos y de apoyo técnico para regular la navegación aérea. Los marcos técnicos y operativos deben proporcionar:

• Sistema de información previa a la salida: relacionado con la meteorología, limitaciones operativas y limitaciones en las ayudas a la navegación.

• Apoyo táctico a pilotos: relacionado con posibles modificaciones en las condiciones del vuelo, especialmente para evitar posibles conflictos con otras aeronaves o dentro de regiones bajo malas condiciones climáticas.

• Infraestructuras radioeléctricas: para proporcionar ayudas a la navegación de aeronaves.

Estos tres rubros han constituido los pilares básicos en lo que se denomina sistema de navegación aérea a lo largo de todo su desarrollo. En las próximas secciones se estudiará el marco técnico y operativo que conforma el sistema (basado en el denominado concepto CNS-ATM ⁴).

El marco jurídico debe tener en cuenta los siguientes aspectos: formación y licencias del personal aeronáutico; sistemas y procedimientos de comunicación; normas sobre sistemas y prestaciones en el aire, y control del tránsito aéreo; requisitos de navegación aérea para la certificación, registro y identificación de aeronaves que realizan vuelos internacionales; y meteorología aeronáutica, mapas y cartas de navegación; entre otros. Damos a conocer un breve panorama del marco jurídico. Se realizarán análisis más a fondo en cursos posteriores en materia de derecho aéreo.

El marco de la regulación internacional (jurídica)

La primera preocupación, a principios del siglo ^XX, era la de poder volar. En los siguientes 30 años la preocupación cambió a la de poder volar a cualquier parte (dentro de las posibilidades de la aeronave), aunque en presencia de condiciones adversas de navegación, y evitar colisiones con otras aeronaves y el terreno.

La necesidad de volar a cualquier parte (incluidos los vuelos internacionales) alentó el desarrollo de un marco de regulación internacional que pudiera establecer los derechos y obligaciones al traspasar las fronteras internas. Los sistemas y equipos de navegación también deben ser uniformes, para que la tripulación pueda mantener el mismo modus operandi al traspasar fronteras.

En 1919, se creó la Comisión Internacional de Navegación Aérea (ICAN) para proporcionar regulaciones internacionales. En la práctica, era el órgano principal de un arreglo internacional que requería agentes administrativos, legislativos y judiciales. Al final de la Segunda Guerra Mundial, en noviembre de 1944, 55 estados fueron invitados a Chicago para celebrar una conferencia en la que se firmó la Convención de Chicago. La Convención de Chicago, como se estudió en el Capítulo 8, promovió el desarrollo seguro y ordenado de la aviación civil internacional en todo el mundo. Se establecen las normas y regulaciones necesarias para la seguridad, la seguridad, la eficiencia y la regularidad de la aviación, así como para la protección ambiental de la aviación. Esto obviamente incluía las regulaciones de navegación aérea. El Convenio de Chicago dio origen a la OACI, sucesora de ICAN. El desarrollo de la regulación de la OACI (ver contenidos de la convención de Chicago en el capítulo 8) ha llevado a la creación de un marco jurídico internacional.

En España contamos con AENA (Aeropuertos Españoles y Navegación Aérea), dividida en dos direcciones principales: Aeropuertos y Navegación Aérea. En cuanto a la dirección de la Navegación Aérea, su función principal es proporcionar a las aeronaves que vuelan en lo que se denomina tráfico civil (vuelos comerciales y vuelos de aviación general) todos los medios para que las aeronaves sean capaces de navegar y circular con seguridad, fluidez y eficiencia sobre el espacio aéreo bajo español responsabilidad. Por lo tanto, AENA es el Proveedor de Servicios de Navegación Aérea (ANSP) en España. También en España, el órgano regulador es AESA (Agencia Estatal de Seguridad AÉrea), que depende del Dir. General de Aviación Civil, Ministerio de Fomento. AESA es el organismo estatal que garantiza los estándares de aviación civil en toda la actividad aeronáutica en España.

Si trazamos un paralelismo, la Conferencia Europea de Aviación Civil (ECAC) es el órgano regulador europeo y la Organización Europea para la Seguridad de la Navegación Aérea (EUROCONTROL) es la ANSP en Europa. ⁵ En EEUU, tanto la función de regulador como de ANSP la ostenta la FAA.

Marco técnico y operativo

El objetivo principal de la navegación aérea es hacer posible el transporte aéreo día tras día mediante la prestación de los servicios requeridos para realizar operaciones de manera segura y eficiente. Estos servicios se prestan con base en una organización, recursos humanos, medios técnicos y un modus operandi definido.

El sistema así constituido se conoce como CNS-ATM (Comunicaciones, Navegación y Vigilancia-Gestión de Tránsito Aéreo). Por lo tanto, CNS corresponde a los medios técnicos requeridos para cumplir con el objetivo principal de la navegación aérea antes mencionada, mientras que ATM se refiere al alcance organizacional y la definición de los procedimientos operativos. El SNC se estudiará en el Capítulo 11. ATM es una parte fundamental de los llamados servicios de navegación aérea, que se estudiará en las próximas secciones.

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1. Un astrolabio es un inclinómetro elaborado, utilizado históricamente por astrónomos, navegantes y astrólogos. Sus múltiples usos incluyen localizar y predecir las posiciones del Sol, la Luna, los planetas y las estrellas, determinar la hora local dada la latitud local y viceversa.

2. El sextante es un instrumento que permite medir los ángulos entre dos objetos, como por ejemplo una estrella o planeta y el horizonte. Conociendo la elevación del sol la hora del día, se puede determinar la latitud a la que se encuentra el observador.

3. Un goniómetro es un instrumento que mide un ángulo o permite que un objeto sea girado a una posición angular precisa.

4. Como se presentará más adelante, CNS significa Comunicación, Navegación y Vigilancia; ATM significa Gestión de Tránsito Aéreo.

5. Para ser más precisos, es la ANSP en Bélgica, Países Bajos, Luxemburgo y el noroeste de Alemania