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Definición de mínimas de separación de operación de

RPAS y aeronaves convencionales

Entregable 1.1: Revisión Bibliográfica

Definición de mínimas de separación de operación de RPAS y aeronaves convencionales


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Hoja de Identificación del documento

Título: Definición de mínimas de separación de operación de RPAS y aeronaves convencionales – Entregable 1.1: Revisión Bibliográfica

Código:

Fecha: 24 / 02 / 2017

Fichero:

Autor: Olmos Pin, E., Pérez Castán, J.A.

Revisor: Gómez Comendador, F.

Aprobado: N.A.

Versiones:

Numero Fecha Autor Comentarios

01 24 / 02 / 2017 Olmos Pin, E.



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Resumen Ejecutivo

La revisión bibliográfica es uno de los módulos a desarrollar dentro del proyecto de investigación “Definición de mínimas de separación de operación de RPAS y aeronaves convencionales” bajo el OIDATM (Observatorio para el fomento del I+D en ATM) promovido por ISDEFE.

El entregable 1.1: Revisión bibliográfica tiene como objetivo, como su propio título indica, la revisión bibliográfica de los distintos documentos, investigaciones y trabajos que se están realizando actualmente o ya han sido realizados a lo largo del mundo en cuanto a la integración de los RPAS en un espacio aéreo no segregado. El análisis bibliográfico no se ha cerrado únicamente a este ámbito puesto que es necesario analizar conceptos ajenos como safety, mínimas de separación o riesgos, entre otros.

La justificación, objetivos y alcance del proyecto en su conjunto se presentan en este documento para centrar al lector sobre el tema a constituir por este proyecto.

A partir de esta descripción detallada de las grandes líneas de trabajo, a lo largo del documento se presenta una revisión detallada de la distinta documentación existente. Se ha constatado que uno de los principales aspectos a evaluar, la integración de los RPAS en un espacio aéreo no segregado, no ha sido analizado en profundidad en todos sus aspectos por lo que es un tema que tiene una potencialidad muy elevada.

Por otro lado, la definición de mínimas de separación para la operación de RPAS en un espacio aéreo no segregado es un tema completamente en proceso de desarrollo en el cual la documentación existente es muy escasa, centrándose esta en la evasión de conflictos en el plano horizontal. Este ámbito que es el objetivo principal del proyecto confirma la necesidad de profundizar en este tema y a su vez la complejidad del mismo.



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HOJA DEJADA INTENCIONADAMENTE NE BLANCO



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I. Índice de Contenidos

1 ANÁLISIS INICIAL. ...................................................................................................................... 9

1.1 Justificación. ............................................................................................................................ 9

1.2 Objetivos. ................................................................................................................................10

1.3 Alcance. ..................................................................................................................................10

1.4 Utilidad. ...................................................................................................................................13

2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA. .....................................................................................................15

2.1 Concepto Operacional de las Trayectorias 4D. .......................................................................15

2.2 CONSTRUCCIÓN DE SEPARACIONES MÍNIMAS. ................ ¡Error! Marcador no definido.

2.2.1 Fundamentos para la construcción de separaciones mínimas. ................................................................................................ 18

2.2.2 Influencia de la estela turbulenta sobre las separaciones mínimas entre aeronaves convencionales y un RPAS. ................. 21

2.3 Proyectos Relacionados. ........................................................................................................23

2.3.1 Modelización de la trayectoria 4D mediante BADA. .................................................................................................................. 23

2.3.2 Análisis de seguridad de las operaciones que involucran RPAS. ............................................................................................. 24

2.3.3 Resolución de conflictos entre RPAS y aeronaves convencionales en el plano horizontal. ..................................................... 31

2.3.4 Modelos de riesgo de colisión. ................................................................................................................................................... 35

2.4 Aplicación al Proyecto .............................................................................................................42

3 REFERENCIAS. .........................................................................................................................43



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II. Índice de Figuras

Figura 1: Modelo genérico utilizado para determinar las separaciones mínimas [8] ...............................19

Figura 2: Zona (lateral y vertical) susceptible a conflictos en función de la estela turbulenta [11] ..........21

Figura 3: Relación entre amenazas relacionadas con la operación de RPAS y conjuntos afectados [15] ........................................................................................................................................................25

Figura 4: Cadena de eventos relativos a la seguridad operacional del RPAS [14] .................................26

Figura 5: Barreras propuestas frente a la amenaza de una colisión en el aire [15] ................................27

Figura 6: Modelo de barreras en pajarita; Bow Tie Model [15]................................................................27

Figura 7: Barreras preventivas [15] .........................................................................................................28

Figura 8: Barreras mitigadoras [15] .........................................................................................................29

Figura 9: Cambio de rumbo necesario para un ángulo de conflicto β=180º [19, 20] ...............................32

Figura 10: Escenario del modelo ............................................................................................................36

Figura 11: Dibujo del contorno del riesgo individual para un RPAS realizando una trayectoria. [29] ......39



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III. Índice de Tablas

Tabla 1: Vigilancia radar en ruta con SSR [3] .........................................................................................17

Tabla 2: Categorías de Capacidad según [10] (*movimientos por hora saturada) ..................................20

Tabla 3: Características de los RPAS considerados [12] ........................................................................21

Tabla 4: Características de las aeronaves convencionales consideradas [12] .......................................22

Tabla 5. Modelo OACI para las distintas fases de la gestión del conflicto [15]. ......................................28

Tabla 6: Resultados de separación lateral entre aeronaves con trayectorias convergentes (el riesgo tiene unidades de accidente por hora) [27] ..............................................................................................37



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IV. Glosario

APM Aircraft Performance Model

ATC Air Traffic Control

ATM Air Traffic Management

BADA Base of Aircraft Data

CTA Controlled Time of Arrival

CTO Controlled Time Over

ENAC Ecole Nationale de lÁviation Civile (Toulouse)

GIM Ground Impact Model

HAC Heading Change

HALE High Altitude Long Endurance

MAC Mid-Air Collision

MAC-HM MAC Hazard Model

MALE Medium Altitude, Long Endurance

MINLP Mixed Integer Nonlinear Programming

NMAC Near Mid Air Collision

OACI Organización de Aviación Civil Internacional

PBN Performance-Based Navigation

RNP Required Navigation Performance

RPAS Remotely piloted aircraft system

RVSM Reduced Vertical Separation Minima

SESAR (Single European Sky ATM Research)

SESAR (Single European Sky ATM Research)

SSR Secondary Surveillance Radar

TCAS Traffic alert and Collision Avoidance System

TEM Total Energy Model

VC Velocity Change

VSM Vertical Separation Minima



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1 ANÁLISIS INICIAL.

1.1 Justificación.

SESAR1 [1] es un proyecto conjunto de la comunidad de transporte aéreo europea cuyo objetivo es la implantación de una red ATM2 europea de altas prestaciones. El proyecto nació de la necesidad de crear una visión integrada y común sobre la evolución del sistema de gestión del tránsito aéreo, con el objeto de acomodar, a través de la implantación de nuevos procedimientos y tecnologías, el incremento de demanda previsto para los próximos años y la integración de nuevos usuarios al espacio aéreo no segregado.

SESAR JU3 [2] fue creada en 2007 como asociación público-privada, asumiendo la responsabilidad de modernizar el sistema europeo ATM coordinando y concentrando todos los esfuerzos de investigación e innovación relevantes en la UE referentes a SESAR.

Los RPAS4 están cambiando el panorama de la aviación a una velocidad y a una escala sin precedentes. Representan un mercado con potencial de generar un valor significativo para la comunidad europea en diferentes aspectos, como por ejemplo en términos de eficiencia y productividad, extendiéndose a sectores más a allá de la aviación. Por esta razón, uno de los mayores cambios que debe abordar la aviación civil en los próximos años es la integración segura de los RPAS dentro de un entorno operativo no segregado. La operatividad de los RPAS en algunos aspectos es similar a las aeronaves comerciales actuales pero otros factores como velocidad, peso, autonomía, y estela turbulenta entre otros, difieren claramente de los modelos actuales de aeronaves convencionales. Así, el principal objetivo es valorar el riesgo que supone la operación de RPAS junto aeronaves convencionales mediante el cálculo de unas mínimas de separación reales que satisfagan una operatividad segura.

Tras la actualización del Plan Maestro ATM en 2015, la integración de los RPAS se convierte en una nueva prioridad para SESAR y, por lo tanto, para el cielo único europeo. Por ello, SESAR está invirtiendo recursos en el programa SESAR 2020 para continuar desarrollando esta vía de investigación de rápida evolución. Dentro de este nuevo contexto de SESAR, los RPAS representan una nueva clase de usuarios del espacio aéreo, haciéndose necesario estudiar su concepto de operación junto a aeronaves

1 SESAR: Single European Sky ATM Research.

2 ATM: Air Traffic Management.

3 SESAR JU: SESAR Joint Undertaking.

4 RPAS: Remotely Piloted Aircraft System.



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convencionales. Las investigaciones llevadas a cabo se centran principalmente en la resolución de conflictos entre RPAS y aeronaves convencionales, su integración segura a nivel operacional en el espacio aéreo no segregado y su gestión conjunta dentro del sistema ATM. [3]

1.2 Objetivos.

Los objetivos del trabajo serán:

La identificación y modelización de los riesgos y factores que afectan a la operación conjunta de RPAS junto a aeronaves convencionales.

La definición y modelización de un modelo de riesgo de colisión con el objetivo de definir unos mínimos de separación longitudinales, laterales y verticales coherentes con la operación de RPAS y aeronaves convencionales.

1.3 Alcance.

La operación segura de RPAS en espacio aéreo controlado se debe basar en unos procedimientos de operación que, una vez identificados los posibles riesgos que se presenten, garanticen que se han mitigado todas las posibles situaciones e incidencias que se puedan producir.

Uno de los elementos o parámetros característicos más importantes será la definición de la distancia mínima de separación que se puede considerar segura entre un vehículo RPAS y una aeronave convencional, dependiendo de las características de ambos.

El trabajo que se propone plantea analizar los parámetros o elementos que influirán en la identificación y definición de la distancia mínima de separación, y la modelización de los mismos que permita calcular o estimar los valores mínimos que se pueden definir.

Los resultados esperados son:

Identificación de escenarios de riesgo entre RPAS y aeronave convencional.

Análisis de tipos de MRC para RPAS y para estimación de mínimas de separación.

Análisis de riesgo entre RPAS y aeronave convencional.

Identificación y análisis de modelos de RPAS y aeronaves comerciales.

Identificación de parámetros de influencia: - Parámetros característicos de la aeronave. - Parámetros característicos del RPAS.



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- Parámetros del escenario. - Parámetros del MRC.

Definición de Indicadores de riesgo

Modelización y simulación del MRC para estimación de mínimas de separación.

Cálculos de indicadores de riesgo.

Conclusiones y recomendaciones.

Para cumplir con los objetivos propuestos se van a llevar a cabo las siguientes actividades:

Análisis inicial.

Se definirá y acotará (espacial y temporalmente) el problema, detallando la justificación, los objetivos, el alcance y la utilidad prevista para el trabajo.

Revisión bibliográfica.

Se analizará el estado del arte en los diferentes campos:

- Trayectorias 4D según SESAR. - Integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado. - Caracterización y modelización de las trayectorias 4D para aeronaves convencionales y RPAS. - Análisis de los diferentes modelos de riesgo de colisión que consideran la operación de RPAS y

modelos para la estimación de las mínimas de separación.

Definición del concepto operacional RPAS.

Se describirá el concepto operacional de la integración de los RPAS en un espacio aéreo no segregado. Por otro lado, es necesario caracterizar el escenario base sobre el que se realizarán las simulaciones, identificando las distintas variables que se consideren clave para la simulación de los conflictos.

Modelo BADA.

Se revisará la metodología y el uso de la herramienta desarrollada por EUROCONTROL (BADA) para la modelización y simulación de aeronaves convencionales y RPAS. La modelización de la aeronave convencional se realizará en BADA 4 pero debido a la falta de modelos RPAS en BADA 4 estos se tendrán que modelar basándose en BADA 3.



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Análisis de los requisitos técnicos y operativos actuales para operar con un RPAS.

Actualmente, la normativa y regulación existente en torno a la operación de un RPAS es escasa y en muchos casos no dispersa. Además, tanto la FAA y EASA disponen de documentación sobre los requisitos técnicos y operativos que debe cumplir un RPAS para su posible integración en un espacio aéreo.

Identificación y modelización de potenciales conflictos.

En este apartado se analizará en detalle los posibles tipos de conflictos que pueden existir entre un RPAS y una aeronave convencional siendo un primer escenario la fase de ruta y un segundo escenario la operación en un TMA. Esta búsqueda de potenciales conflictos se centrará en analizar el conflicto en el plano vertical y no horizontal puesto que actualmente la gran mayoría de los esfuerzos se han centrado en la resolución de conflictos en el plano horizontal. Una vez identificados se caracterizará los indicadores KPI que permitirán evaluar el conflicto. Una vez definidos y caracterizados los potenciales conflictos se procederá a la modelización y simulación de los distintos conflictos entre un RPAS y una aeronave convencional utilizando software específico (MatLab) sobre el que se han desarrollado las trayectorias 4D y el modelo BADA.

Modelización de la mínima de separación.

Los modelos para construir mínimas de separación han evolucionado desde los propuestos por Reich en la fase de ruta en los años 60, ampliando su alcance con los modelos Brook y aceptados posteriormente por la OACI para calcular mínimas de separación válidas en distintos escenarios operativos. Sin embargo, esta documentación es compleja y dispersa puesto que cada modelo parte de unas hipótesis distintas. El objetivo de este apartado es encontrar los principios básicos en los que se han basado y adaptarlos a la utilización de un RPAS, para ello se realizará un análisis de riesgos basado en árboles de fallo donde se identifiquen, detecten y comparen las principales diferencias entre la operativa de un RPAS y una aeronave convencional y la influencia de su operatividad en un entorno no segregado.

Modelización del MRC para estimar mínimas de separación.

Este apartado resultará clave para la estimación de las mínimas de separación puesto que se definirá el modelo que evaluará la pérdida o no de la mínima de separación, además, se identificarán los principales factores que afectarán al MRC y su relación con las trayectorias de vuelo, los tipos de conflicto y se identificarán indicadores de riesgo con los que validar los resultados del MRC.



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Factores de influencia.

Una vez definido el MRC y las características inherentes a las trayectorias de un RPAS y una aeronave convencional, se definirán y analizarán los distintos factores de influencia que generarán una incertidumbre asociada a la metodología desarrollada. Este apartado engloba la búsqueda bibliográfica de cómo se han tratado los distintos factores de influencia en investigaciones previas y documentación en la que sustentarse.

Simulaciones de MonteCarlo.

El último apartado antes de proceder a las conclusiones consiste en la realización de simulaciones de MonteCarlo con el objetivo de precisar los distintos valores de mínima de separación asociados a cada tipo de conflicto. Una vez que el MRC ya está definido y caracterizado y los factores de influencia propios del mismo y de las trayectorias 4D también, las simulaciones de MonteCarlo son la herramienta matemática idónea para la obtención de relaciones causales entre los factores de influencia y su efecto sobre las mínimas de separación. Estos resultados se validarán de acuerdo a los indicadores de riesgo definidos en el apartado 9.

Conclusiones.

Se revisarán los resultados del estudio, estableciendo las conclusiones, las limitaciones, la aplicabilidad de los modelos y las recomendaciones de desarrollo futuro.

1.4 Utilidad.

El trabajo podrá ser empleado como una herramienta que permita conocer la evolución de las trayectorias de los RPAS y aeronaves convencionales en un espacio aéreo no segregado según la actuación sobre las mismas de los parámetros contemplados y sus correspondientes variaciones.

Por otro lado, a partir de las diferentes prestaciones de los RPAS y de las aeronaves convencionales con las que comparte espacio aéreo y basándose en un modelo de riesgo de colisión se podrán definir unas mínimas de separación coherentes con la operación de RPAS en un espacio aéreo no segregado. De esta manera será posible evaluar si las mínimas de separación actuales son válidas o si existe la posibilidad de reducir o la obligación de aumentarlas.



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2 REVISIÓN BIBLIOGRÁFICA.

2.1 Concepto Operacional de las Trayectorias 4D.

Una de las medidas clave que propone SESAR [1] para alcanzar estas metas es la utilización de trayectorias 4D por parte de los usuarios del Espacio Aéreo, aumentando la capacidad del mismo y disminuyendo el impacto ambiental.

El concepto de operaciones 4D se basa en dos elementos distintos:

- La sincronización entre la trayectoria 4D del aire y de tierra, pasando de controlar el Espacio Aéreo a gestionar las trayectorias.

- Secuenciación de vuelos utilizando CTO5 o CTA6 cuando y donde se requiera. Por ejemplo, esto es útil en la activación y desactivación del espacio aéreo restringido.

Se busca que los usuarios tengan mayor peso en la toma de decisiones y entre ellas se encuentran la posibilidad de seguir la trayectoria deseada o la capacidad de autosepararse. Para mantener la separación y explotar los beneficios de estas trayectorias 4D, las aeronaves deben mantenerse dentro de volúmenes muy pequeños alrededor de su trayectoria de referencia negociada. Por ello, es necesario que las trayectorias 4D se sigan con un alto grado de exactitud, precisión, integridad de los datos y siempre desde el lado de la seguridad operacional.

También hay que tener en cuenta la existencia de una nube de información actualizada, SWIM, que facilitará la toma de decisiones y, en consecuencia, la eficiencia del sistema ATM.

Al conocer el tiempo de paso por cada waypoint, se puede conseguir una secuenciación de vuelos previa con un alto grado de cumplimiento. Además, basándose en el intercambio de información entre aeronaves y ATC a través de enlace de datos, una gestión de tráfico basada en la trayectoria puede tomar en cuenta las trayectorias preferidas del usuario, así como beneficiarse de una predicción altamente precisa de los movimientos de aeronaves.

5 CTO: Controlled Time Over.

6 CTA: Controlled Time of Arrival.



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2.2 Construcción de Separaciones Mínimas.

El servicio ATC7 proporcionado por controladores situados en tierra se encarga de proporcionar orden y eficiencia al tráfico aéreo, manteniendo en todo momento los estándares de seguridad pertinentes. Por ello, velar por el mantenimiento de las separaciones mínimas durante cualquier fase de vuelo es un objetivo primordial del servicio ATC.

Existen dos formas de prestar control de tráfico aéreo: Control por procedimientos y control radar.

En el caso de control por procedimientos, las mínimas de separación se construyen en base a la información recibida de la aeronave a través de comunicaciones aire – tierra en los puntos de notificación. El controlador recibe de esta forma instantáneas espaciadas en el tiempo de la situación del tráfico aéreo y guía a la aeronave hacia el siguiente punto de notificación evitando conflictos.

Por otro lado, el control radar se basa en la proyección en pantalla de la información de posición de la aeronave en tiempo real. De esta manera es posible disminuir las separaciones mínimas ya que el controlador tiene a su disposición la información con una tasa de actualización mayor, aumentando así su capacidad de intervención. Las aeronaves equipadas con transpondedor de radar secundario facilitan no solo la información de su posición, sino también del tipo de aeronave, matricula, velocidad e intención de trayectoria.

En el contexto de este trabajo se trabajará con control radar para establecer las separaciones mínimas. La separación horizontal se aplicará de tal manera que la distancia entre aquellas partes de las rutas previstas a lo largo de las cuales las aeronaves deben mantenerse separadas lateralmente, no sea nunca menor que una distancia establecida para la que se tengan en cuenta las inexactitudes de navegación y un margen específico de seguridad. La segunda parte del AIP contiene información relativa al espacio aéreo y su utilización: procedimientos y normas ATS, descripción del espacio aéreo, etc. Esta información se divide en siete secciones. En concreto, la sección ENR 1.6 [4] establece las mínimas de separación radar horizontal. En el caso de utilizar un radar primario se establece una separación mínima de 5NM entre dos blancos primarios o un primario y un secundario, para un escenario común para los espacios aéreos TMS, APP y TWR. Si se utiliza un radar secundario, las mínimas dependen del número de fuentes de información disponibles, es decir, el número de radares que proporcionan información sobre la posición del blanco.

7 ATC: Air Traffic Control.



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Tabla 1: Vigilancia radar en ruta con SSR8 [4]

La separación vertical se obtiene exigiendo a las aeronaves que aplican los procedimientos prescritos de reglaje de altímetro, que vuelen a diferentes niveles, expresados en niveles de vuelo o en altitudes.

En [5] se establece que la separación vertical mínima (VSM9) será nominalmente 300 m (1000 ft.) por debajo del nivel de vuelo FL 290 y nominalmente 600 m (2000 ft) a FL 290 o por encima del mismo, dentro del territorio nacional. Por otro lado, dentro de aquellos espacios aéreos en los que se aplique la reducción de la separación mínima vertical (RVSM10) [6] , las separaciones mínimas serán nominalmente 300 m (1000 ft) por debajo del nivel de vuelo FL 410 o de un nivel superior, si así se prescribe para uso en determinadas condiciones. A FL 410 o por encima de este nivel de vuelo la separación debe ser nominalmente 600m (2000ft). De esta manera la aplicación de la RVSM permite extender el espacio aéreo donde se puede mantener una distancia vertical de 1000ft entre aeronaves de FL 290 a FL 410.

El documento del AIP ENR 2.1 [7] establece las áreas de aplicación RVSM en el espacio aéreo español. Este viene definido por:

Límites verticales: FL290 y FL410 ambos inclusive

Límites laterales: - UIR Madrid: todo el espacio aéreo - UIR Barcelona: todo el espacio aéreo - UIR Canarias: todo el espacio aéreo

8 SSR: Secondary Surveillance Radar.

9 VSM: Vertical Separation Minima.

10 RVSM: Reduced Vertical Separation Minima.



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2.2.1 Fundamentos para la construcción de separaciones mínimas.

Durante el control radar, el controlador centra especialmente su atención en la supervisión del tráfico de las aeronaves en ascenso, descenso o en conflicto. Respecto a esto último, el Doc 9689 de la OACI11 [8] establece que el tiempo de anticipación requerido para resolver de forma efectiva una desviación de ruta o un conflicto depende de los siguientes factores:

Carga de trabajo del controlador

Disponibilidad de herramientas de alerta automáticas (TCAS12)

Tiempo de reacción del piloto o del controlador para iniciar la acción correctiva

Retardos en las comunicaciones tierra-aire y aire-tierra

La resolución y exactitud de los sistemas a bordo y del sistema radar

Tiempo de respuesta de la aeronave a la maniobra deseada (prestaciones de la aeronave)

Desde los comienzos de la OACI y con el fin de facilitar la armonización global, se acordó que las separaciones mínimas debían establecerse y modificarse mediante un consenso a nivel internacional. El principal objetivo del diseño del espacio aéreo es proporcionar operaciones seguras desde el punto de vista operacional durante todas las fases de vuelo. Esto incluye establecer unos requisitos de navegación mínimos a lo largo de toda la fase de vuelo, realizar estudios de vulneración de obstáculos y apoyarse en los estándares de separación para cubrir aspectos de capacidad del sector y de seguridad operacional. Existen tres parámetros que influyen a la hora de establecer un nivel predeterminado de seguridad del sistema de espacio aéreo para una densidad de tráfico dada, y por lo tanto también a la hora de establecer las mínimas de separación:

Prestaciones de navegación de la aeronave

Prestaciones de las comunicaciones de la aeronave y de las estaciones en tierra

Prestaciones de vigilancia

Por lo tanto estos son los tres parámetros utilizados para determinar cuál es el diseño del espacio aéreo apropiado (separaciones mínimas, espaciado entre rutas y sectorización), los procedimientos instrumentales necesarios y la capacidad de intervención del sistema ATC. En concreto, la metodología para determinar las separaciones mínimas está basada en modelos matemáticos que determinan la correlación entre las separaciones mínimas y los siguientes elementos:

riesgo de colisión

diseño del espacio aéreo

características de la red de rutas aéreas

11 OACI: Organización de Aviación Civil Internacional.

12 TCAS: Traffic alert and Collision Avoidance System.



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parámetros de flujo

capacidad de intervención

prestaciones de equipos de comunicaciones, navegación y vigilancia.

Actualmente se está implantando por iniciativa de la OACI el concepto de Navegación basada en Prestaciones (PBN13) [9] que supone una evolución de la navegación de área (RNAV) que aprovecha la capacidad de navegación de las aeronaves mediante la especificación de requisitos de prestaciones, en vez de basarse en el equipamiento de unos determinados sistemas de navegación. PBN especifica los requisitos de prestaciones del sistema de navegación y la funcionalidad necesaria para las operaciones propuestas en un determinado espacio aéreo. Este concepto utiliza como principal referencia el Doc 9689 anteriormente descrito.

Por otro lado, según el Manual PBN, Doc 9613 de la OACI [10], las mínimas de separación se pueden describir generalmente en función de tres factores: capacidad de Navegación, la exposición al riesgo y la capacidad de intervención para reducir los riesgos. La "ecuación" representada gráficamente en la Figura 1 representa los factores más importantes de los que depende la determinación de las mínimas de separación y que se detallan a continuación.

Figura 1: Modelo genérico utilizado para determinar las separaciones mínimas [10]

1. Capacidad de Navegación.

La Aplicación de Navegación identifica los requisitos resultantes de la definición del concepto de espacio aéreo tales como rutas ATS, procedimientos de vuelo instrumental (SID, STAR, etc.).

La Infraestructura de Navegación hace referencia a los sistemas terrestres o espaciales de ayuda a la navegación.

13PBN: Performance-Based Navigation.



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La Especificación de Navegación es una especificación técnica y operacional que identifica la funcionalidad requerida a los equipos de navegación. También identifica como se espera que los equipos de navegación operen dentro de un entorno de infraestructura de navegación para cumplir con las necesidades identificadas en el concepto de espacio aéreo.

2. Exposición al Riesgo.

Configuración de Rutas

Errores operacionales

Densidad del tráfico: Existen 4 categorías que se muestran en el siguientes cuadro sacado del EATM Master Plan [11].

Capacidad muy

alta Capacidad alta Capacidad media Capacidad alta

Aeropuertos y TMA

>100 movs/hs* 60 – 100 movs/hs

30 – 60 movs/hs <30 movs/hs

ACC >300 movs/hs 200 – 300 movs/hs

50 – 200 movs/hs

<50 movs/hs

Tabla 2: Categorías de Capacidad según [11] (*movimientos por hora saturada)

3. Capacidad de Intervención.

Procedimientos y herramientas ATC de comunicaciones y vigilancia. La complejidad que supone determinar las mínimas de separación se ve afectada por la disponibilidad de los servicios ATS de vigilancia y comunicaciones. Si se dispone de los servicios adecuados y suponiendo una correcta intervención del personal ATC, se facilita la mitigación de los riesgos.



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2.2.2 Influencia de la estela turbulenta sobre las separaciones mínimas entre

aeronaves convencionales y un RPAS.

Dentro del proyecto ICARUS, Pérez-Batlle et Al. Estudiaron en [12] el efecto de la estela turbulenta en ruta sobre las operaciones de RPAS HALE14 y MALE15. Debido a que estos RPAS tienen menor peso pero mayor envergadura, son más sensibles a la interacción con la estela turbulenta de las aeronaves convencionales no solo durante las fases de ascenso y descenso, sino también durante la fase de crucero. Por ello, resulta necesario estudiar esta sensibilidad con el fin de determinar separaciones mínimas que mantengan los niveles de seguridad y establecer maniobras de evasión efectivas para evitar posibles colisiones en el aire. El objetivo del estudio es generar un modelo de una estela en espiral en ruta y cuantificar su impacto sobre la aeronavegabilidad de un RPAS en conflicto.

El modelo de la estela se divide en un modelo lateral y otro vertical para simplificar los cálculos matemáticamente. En [13] se establece que la trayectoria de la estela en el plano lateral se ve afectada principalmente por el viento cruzado. Se considera que la estela turbulenta permanece activa hasta 5 minutos después del paso de la aeronave por ese punto, lo que supone 40NM. Por otro lado, la estela desciende 400-500ft/min y desaparece a 1000ft por debajo de la trayectoria de la aeronave. La Figura 2 representa las zonas de peligro en el plano horizontal y vertical en función de la estela turbulenta.

14 HALE: High Altitude Long Endurance.

15 MALE: Medium Altitude Long Endurance.

Figura 2: Zona (lateral y vertical) susceptible a conflictos en función de la estela turbulenta [13]

Tabla 3: Características de los RPAS considerados [13]



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A partir de este modelo se evalúa el impacto de la estela turbulenta de diferentes aviones comerciales sobre dos tipos diferentes de RPAS. Las siguientes tablas muestran las características de las aeronaves y los RPAS elegidos para la evaluación del impacto.

A partir de estos datos se genera la estela turbulenta para cada aeronave convencional considerada y se evalúa el impacto sobre cada RPAS. Los resultados obtenidos se muestran en la Tabla .

Las mínimas de separación de control radar son de 3NM en áreas terminales, 5NM en ruta y de 10NM en rutas oceánicas. El estudio se centra en evaluar si la estela sigue siendo lo suficientemente fuerte a estas distancias como para impactar negativamente en la operación de los RPAS. La Tabla resume los resultados. Primero se establece es tiempo que tarda cada aeronave en volar 3NM, 5NM y 10NM y a continuación se representan los umbrales de peligro para cada RPAS de referencia. En general, el tiempo que necesitan los aviones convencionales para cubrir las distancias es menor que el umbral de peligro. Por esta razón, se concluye en general que la fuerza de la estela sigue siendo lo suficientemente fuerte a las distancias consideradas para afectar a la operación del RPAS. Durante el estudio no se tiene en cuenta el efecto del viento que podría empeorar el escenario.

Tabla 4: Características de las aeronaves convencionales consideradas [13]

Tabla 5: Tiempo hasta el umbral de choque inminente (𝒕𝒆𝒕𝒉) por RPAS y aeronave convencional [13]

Tabla 6: Resultados de la evaluación del efecto de la estela turbulenta para 3NM, 5NM y 10NM [13]



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2.3 Proyectos Relacionados.

2.3.1 Modelización de la trayectoria 4D mediante BADA.

Para llevar a cabo modelizaciones de trayectorias de aeronaves es útil seguir el modelo de BADA16, desarrollado por EUROCONTROL y cuya última versión es v4.0 [14].

BADA desarrolla un modelo de actuaciones de la aeronave (APM17) aplicable para la simulación y predicción de trayectorias de aeronaves dentro del dominio ATM. La APM adoptada por BADA modeliza la aeronave como un punto másico que requiere el modelado de las fuerzas subyacentes que dan lugar a las actuaciones de la misma. BADA está estructurado en cuatro modelos: acciones, actuaciones, operaciones y limitaciones:

El modelo de acciones permite el cálculo de las fuerzas que actúan sobre el avión que causan su movimiento (fuerzas gravitacionales, aerodinámicas y propulsivas).

El modelo de propulsión proporciona un modelo asociado para calcular el consumo de combustible. El Modelo de Energía Total (TEM18), que está relacionado con los aspectos geométricos, cinemáticos y cinéticos del movimiento de la aeronave, se utiliza para calcular los resultados y la trayectoria de dicha aeronave.

El modelo de operaciones proporciona conocimiento sobre el funcionamiento de la aeronave, necesario para calcular el movimiento de la misma.

El modelo de limitaciones restringe el comportamiento de la aeronave para mantenerlo entre ciertos límites para asegurar el funcionamiento seguro de la aeronave y conseguir una mayor aproximación a la realidad. Los modelos matemáticos correspondientes se expresan en forma de expresiones polinomiales.

En este trabajo se tomará como base dicho modelo BADA adaptándolo para el escenario de estudio concreto y los objetivos finales del trabajo. La modelización de aeronaves convencionales se puede

16 BADA: Base of Aircraft Data.

17 APM: Aircraft Performance Model.

18 TEM: Total Energy Model.



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realizar utilizando BADA 4 pero debido a la falta de modelos RPAS en BADA 4 estos se tienen que modelar basándose en BADA 3.

2.3.2 Análisis de seguridad de las operaciones que involucran RPAS.

Antes de introducir a los RPAS en el espacio aéreo no segregado, hay que verificar que no ponen en riesgo a los demás usuarios del espacio y sobre todo que no vulneran los niveles de seguridad operacional actuales. Debido a que no existe un marco aceptado internacionalmente para clasificar los casos de seguridad operacional referentes a los RPAS, establecer objetivos de seguridad para la operación de los mismos en un espacio aéreo no segregado se ha convertido en un principal desafío para las autoridades de aviación.

En 2015, dos universidades australianas (RMIT University Melbourne, Queensland University of Technology) y la organización de Investigación Científica e Industrial de la Commonwealth presentaron [15], un documento que proporciona una ampliación de los modelos causales existentes para analizar una colisión en el aire MAC19 entre una aeronave convencional y un RPAS. En este documento se proporciona una ampliación de los modelos causales existentes para analizar una colisión en el aire MAC entre una aeronave convencional y un RPAS. En concreto, se desarrolla un modelo de barreras de pajarita (“Bow Tie Model”) para analizar la seguridad operacional de los RPAS en el espacio aéreo no segregado.

La operación de los RPAS introduce varias amenazas para la seguridad operacional las cuales se dividen en diferentes niveles. La amenaza primaria considerada en este caso es la de una colisión entre un RPAS y una aeronave convencional en el aire. Las amenazas secundarias ocurren como consecuencia de la primaria, como por ejemplo: maniobras de evasión, caída de escombros, incendios o accidentes. Las autoridades de seguridad operacional en la aviación ponen espacial interés en las amenazas que tienen el potencial de causar un accidente en el que vidas humanes estén involucradas.

La siguiente Figura muestra la relación entre las amenazas y los conjuntos afectados por las mismas.

19 MAC: Mid-Air Collision.



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La FAA definió en 2009 [16] una cadena de eventos causales a partir de la clasificación del espacio aéreo en volúmenes en los que se requieren diferentes niveles de prestaciones de resolución de conflictos y autoseparación. La cadena de eventos está representada en la siguiente Figura.

Figura 3: Relación entre amenazas relacionadas con la operación de RPAS y conjuntos afectados [15]



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A continuación, se describe la cadena de eventos relativos a la seguridad operacional del RPAS planteada por la FAA.

1. Aircraft: Es el estado inicial del sistema, en el que dos aeronaves compartiendo un mismo espacio aéreo. El conjunto de todas las posibles parejas de aeronaves define el límite superior de escenarios que deben ser considerados en el estudio.

2. Traffic: Se consideran las parejas de aeronaves para las que existe la posibilidad de que sus trayectorias se solapen. Las aeronaves no tienen por qué estar necesariamente en riesgo inminente de colisión.

3. Intruder: Cuando la separación entre las dos aeronaves se reduce aún más y ambas aeronaves entran en el volumen de garantía de separación ATC

4. Threat: Cuando se vulnera la separación mínima entre las dos aeronaves que siguen trayectorias convergentes.

5. Not Well Clear: Este estado describe la situación en la que dos aeronaves se encuentran dentro la región de autoseparación una vez vulnerado el umbral de la separación mínima.

6. Inminent collision: Estado en el que la separación supera el umbral de evasión del conflicto. 7. NMAC20: Cuando las dos aeronaves se encuentran en el volumen de colisión. 8. MAC: Cuando las dos aeronaves entran finalmente en contacto 9. Damages: Estado en el que una o ambas aeronaves tienen un nivel de daños que hace

necesario prorrogar el vuelo hasta un aterrizaje de emergencia o no controlado. 10. Accident: Este estado tiene en cuenta la pérdida de vidas de las personas a bordo de la

aeronave tripulada

20 NMAC: Near Mid Air Collision

Figura 4: Cadena de eventos relativos a la seguridad operacional del RPAS [16]



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La transición entre los estados descritos anteriormente se modeliza a través de un modelo de barreras. Se trata de una herramienta cualitativa que transforma el escenario de un accidente en fallos consecutivos de barreras de seguridad. La siguiente Figura muestra las diferentes barreras propuestas por distintas entidades, recalcando la falta de consenso que existe en este ámbito.

A lo largo del documento, se utiliza un modelo de barreras de pajarita para ordenar las barreras. Estos modelos describen la relación entre las causas primarias, las causas secundarias, los controles preventivos, las barreras de mitigación de riesgos y los efectos de diferentes severidades.

EUROCONTROL FAA LACHER ACCESS PRATS COULTER

Figura 5: Barreras propuestas frente a la amenaza de una colisión en el aire [15]

Figura 6: Modelo de barreras en pajarita; Bow Tie Model [15]



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Las barreras preventivas, destinadas a evitar en la medida de lo posible que suceda una amenaza, se basan en el modelo de la gestión estratégica del conflicto de la OACI [17].

Gestión estratégica del conflicto

Provisión de la separación Resolución del conflicto

Organización y gestión del espacio aéreo

Plan operacional del usuario

Proveedor de servicio de tránsito aéreo

Garantía de separación ATC: Coordinación de sectores y Fase táctica ATC

Garantía de separación de la aeronave

Capacidad de recuperación ATC (safety nets)

Resolución de conflicto por parte de la aeronave (safety nets)

Tabla 5. Modelo OACI para las distintas fases de la gestión del conflicto [15].

Figura 7: Barreras preventivas [15]



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Por otro lado, las barreras mitigadoras, destinadas a disminuir en la medida de lo posible la severidad de los efectos, se dividen en mitigación de daños y de pérdidas de vidas.

Respecto a la clasificación de los controles del riego de colisión existentes, la clasificación propuesta se basa en la premisa que el control sobre un riesgo funcional puede reducir el mismo través de la eliminación de la amenaza, la reducción de la severidad de las consecuencias, la reducción de la probabilidad del evento o la combinación de estas dos últimas.

De esta manera los controles propuestos para la operación conjunta de RPAS y aeronaves convencionales son:

1. Ver – Sistemas que proporcionan al RPAS una visión de su tráfico circundante 2. Ser visto – Sistemas que proporcionen al resto de usuarios ver al RPAS 3. Mantenerse alejado – Estrategias operacionales que reduzcan la probabilidad de que un RPAS

se encuentre con una aeronave 4. Servicios – Servicios de tráfico aéreo que supervisen la evolución de todos los usuarios, incluido

el RPAS 5. Estrategias – Mejoras en la eficacia o la capacidad de los RPAS para gestionar el riesgo de

colisión y formación respecto a las operaciones de un RPAS

Figura 8: Barreras mitigadoras [15]



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Por otro lado, dentro del proyecto DEMORPAS (coordinado por ISDEFE y apoyado por ENAIRE, INTA, FADACATEC y CRIDA) cofinanciado por SESAR, se estudió la viabilidad de volar un RPAS en un espacio aéreo controlado no segregado [18]. Para ello, se hicieron dos ensayos reales de vuelo durante los cuales un RPAS (ALO Avión Ligero de Observación desarrollado por INTA, medio alcance, clase I, permite detección de los equipos de vigilancia) y una aeronave convencional (STEMME S-15, ligera) recibieron control ATC de distintas dependencias durante su vuelo; tierra, torre, aproximación y en ruta. Por otro lado, también se estudiaron casos específicos en los que el RPAS tuvo que cambiar a corto plazo su trayectoria de inicio, emergencias que no se dan en la aviación tripulada o conflictos entre un RPAS y una aeronave convencional. Se realizaron dos ensayos de vuelo con las siguientes características:

1. Durante el primer ensayo de vuelo, el RPAS volaba dos escenarios diferentes a una altitud de 8000ft. El primero tenía como objetivo la familiarización del piloto remoto y del controlador referente a las comunicaciones. Para ello, se tuvieron que integrar sistemas de comunicaciones y vigilancia en el RPAS. Durante el vuelo se hacían cambios en la trayectoria inicial constantes. El segundo escenario tenía como objetivo estudiar la reacción de los agentes en un caso de emergencia del RPAS (pérdida de telemetría, pérdida de posicionamiento GPS y pérdida parcial de empuje).

2. En el segundo ensayo de vuelo se introdujo una aeronave convencional para aumentar la complejidad del escenario provocando conflictos entre el RPAS y la aeronave que tenían que ser resueltos a través de instrucciones ATC.

Los datos utilizados para la evaluación de los factores humanos durante los ensayos se obtuvieron a partir de cuestionarios completados por parte de los controladores aéreos, el piloto remoto, el piloto de la aeronave convencional y las dependencias ATC involucradas en el ensayo. Por otro lado, se utilizó información aportada por el radar, el plan de vuelo y la telemetría para hacer un análisis de la trayectoria.

Los resultados obtenidos reflejaron lo siguiente:

1. Análisis de factores humanos:

La falta de formación de los pilotos remotos respecto a la fraseología en comunicaciones y la falta de costumbre, supuso un incremento en la carga de trabajo de estos pilotos.

Respecto a las opiniones de los ATCo:

Respecto a los pilotos de la aeronave convencional, opinaron que los aterrizajes y despegues de los RPAS suponían un riesgo potencial para las operaciones de aeronaves convencionales, especialmente para vuelos VFR. Esta opinión fue respaldada por los controladores de torre y aproximación.

2. Análisis de la trayectoria: Los mayores errores respecto al seguimiento de la trayectoria se dieron durante los virajes de radio muy pequeño realizados por el RPAS. Esto se debe a que el radar refresca datos cada 5 segundos mientras que la telemetría tiene una frecuencia de muestreo de 8 veces por segundo.

Los resultados demuestran que los factores humanos relacionados con las comunicaciones entre los pilotos remotos y los controladores de tránsito aéreo (ATCOs) necesitan mejorar en futuros ensayos.



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2.3.3 Resolución de conflictos entre RPAS y aeronaves convencionales en el plano

horizontal.

A la hora de introducir los RPAS en el espacio aéreo no segregado, las nuevas operaciones necesarias de vigilancia introducen una nueva dimensión al problema. Existen varias publicaciones que tratan de proponer maniobras de evasión de conflictos en los que están involucrados RPAS y aeronaves convencionales en función de la geometría del conflicto, del tiempo al conflicto y de la velocidad relativa.

A continuación, se presentan varios informes relacionados con la resolución de conflictos entre RPAS y aeronaves convencionales. Los artículos se centran en el plano horizontal para diseñar las maniobras de evasión del conflicto.

En 2012, E. Pastor et Al. presentaron [19, 20] dentro del contexto del proyecto ICARUS que pretende determinar las maniobras que un RPAS debe realizar para mantener las mínimas de separación prescritas actualmente con una aeronave convencional. Respecto a la resolución del conflicto, se establece que es el RPAS el que debe modificar su trayectoria mientras que la aeronave sigue su curso. De esta manera, la resolución del conflicto se hace en el plano horizontal cambiando únicamente el rumbo del RPAS.

Hipótesis iniciales:

El RPAS es pilotado desde tierra por una persona que tiene información del tráfico

circundante mediante ADS.

RPAS está bajo la supervisión de un controlador

Se estudian dos RPAS con prestaciones distintas: Predator-B (170kt) y Global Hawk (300kt)

La aeronave convencional es un A320 (500kt)

Factores que se tienen en cuenta a la hora de diseñar la maniobra de evasión:

La velocidad de ambos vehículos

Geometría del conflicto (ángulo del conflicto)

El tiempo de reacción del piloto del UAS en tierra

Prestaciones limitadas del UAS (Velocidad, prestaciones de ascenso/descenso, ángulo de

viraje)

Latencia de las comunicaciones

Pérdida de Data-Link con el UAS



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Estudio del conflicto:

Para cada ángulo de conflicto, β, se estudia la separación mínima necesaria (en NM) entre un RPAS y una aeronave convencional en función del cambio de rumbo (Δh) que hace el RPAS y del tiempo hasta el conflicto (tc). El tc representa el tiempo de anticipación al conflicto.

A continuación, se hallan los cambios de rumbo mínimos necesarios para cumplir con las mínimas de separación prescritas actualmente y finalmente se proponen las diferentes maniobras de resolución del conflicto para cada geometría estudiada. Como ejemplo se muestra una tabla resumen del cambio de rumbo necesario con un ángulo de conflicto β=180º para conseguir una separación mínima de 3NM, 5NM y 10NM, al igual que la maniobra de resolución propuesta para este caso.

Posteriormente, se definen los ángulos de transición entre los diferentes casos de conflicto considerados (β=0º, 45º, 90º, 135º, 180º) en función las prestaciones de cada dron y para la separación mínima que se desea obtener. De esta manera, conociendo el ángulo del conflicto, se sabrá la maniobra a realizar por cada dron en concreto para mantener una separación mínima determinada.

Por último, se determina el tiempo necesario para alcanzar el punto de separación mínima (tdmin) y por lo tanto resolver el conflicto, en función de tc y para cada geometría de conflicto estudiada.

Figura 9: Cambio de rumbo necesario para un ángulo de conflicto β=180º [19, 20]



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Dos años más tarde, en 2014, ENAC21 publicó [21] en el cual se presentan los resultados de unas pruebas elaboradas con un algoritmo de detección y resolución de conflictos en el plano horizontal para RPAS en el espacio aéreo inferior.

La construcción del algoritmo se basaba en la utilización de una base de datos de trayectorias de aeronaves circundantes mediante ADS-B y en la simulación de 3000 escenarios de conflicto aleatorios. El objetivo era verificar la capacidad del algoritmo de asegurar la separación entre RPAS y todas las aeronaves convencionales circundantes durante las fases de vuelo de ascenso inicial y de aproximación. El RPAS será responsable ejecutar la maniobra de la resolución del conflicto en todos los casos.

Durante el estudio se utilizaron dos tipos de UAS con velocidades distintas (80kt y 160kt) que volaban distintas trayectorias.

Se ejecutan un total de 200000 simulaciones con 82 configuraciones de los parámetros distintos, que permiten establecer los requisitos mínimos de frecuencia y tiempo de anticipación del proceso, elaborando una estrategia de detección y resolución eficiente.

Se estudian dos posibles estrategias de resolución:

Closest: se buscan desviaciones mínimas respecto a la trayectoria inicial. Se necesita más

tiempo de anticipación

Safest: Ejecución de maniobras bruscas que requieren menor tiempo de anticipación.

A partir de los resultados obtenidos, se puede deducir lo siguiente:

Una configuración razonable de los parámetros requiere establecer una separación mínima de

3NM y un tiempo de anticipación de 3-5 minutos.

La estrategia Safest aporta mejores resultados que la Closest en cuanto a la resolución del

conflicto, pero aumentan las maniobras a realizar por el UAS.

Se plantea la posibilidad de unir ambas estrategias, cambiando de una a otra en función de la

situación.

Al no tratarse de un sistema de predicción, cualquier cambio en la trayectoria de la aeronave

convencional puede ocasionar problemas, sobre todo si se utiliza la estrategia Closest.

En 2005 Kevin Ueunten et al. elaboran un estudio sobre un sistema de anticolisión para UAS [22], que

aumenta la conciencia situacional del piloto en tierra y facilita la predicción espacial y temporal de

conflictos entre la UAS y aeronaves convencionales. El sistema se basa en la modelación de los UAS

como masas de puntos 3D, por lo que el sistema se puede implementar para cualquier UAS simplemente

teniendo en cuenta su geometría y masa. No se tienen en cuenta las actuaciones individuales de cada

aeronave. El sistema está diseñado para apoyar a los UAS en los diferentes modos de vuelo y predice

21 ENAC: Ecole Nationale de lÁviation Civile (Toulouse).



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su posición futura mediante distribuciones gaussianas, en las que la media estadística se determina a

partir del movimiento cinemático 3D y la covarianza representa la propagación del modelo con un error

de tiempo continuo. De esta manera, prediciendo la trayectoria de las aeronaves circundantes, se

estiman posibles futuros puntos de conflictos con suficiente antelación para resolverlos de manera

segura. El algoritmo propuesto resulta simple, conservador y fácil de implementar. Además, los cálculos

se pueden hacer rápidamente y requieren memoria mínima computacional. Como resultado el sistema

predice la ubicación de los posibles futuros conflictos entre vehículos en un espacio aéreo amplio.

ENAC también plantea un algoritmo para la evasión de conflictos en [23]. Durante el desarrollo del estudio se considera que la separación se mantiene mediante maniobras de cambio de rumbo que se calculan mediante un modelo de optimización no lineal (MINLP22), combinándolo con un segundo modelo que maximiza el número de conflictos entre aeronaves que se pueden resolver mediante la regulación de la velocidad (VC23). Los dos modelos se resuelven secuencialmente mediante un software de programación no lineal. La solución del segundo problema es utilizada como hipótesis inicial para el primer problema y así sucesivamente. También se exponen los pasos a seguir en el algoritmo “Max VC + HAC24”, y los distintos solver para MINLP. En este caso se utilizara el solver COUENNE, que se basa en un método de ramificación y búsqueda del camino y del valor óptimo. Un aumento en el número de aeronaves, aumenta el número de variables (continuas y binarias) y restricciones a tener en cuenta durante la resolución del problema. El método de ramificación utilizado invierte un tiempo computacional excesivo cuando hay n≥6 aeronaves involucradas en el conflicto. Aun así, los resultados numéricos obtenidos permiten validar el enfoque propuesto y muestran claramente el beneficio de combinar las dos maniobras de separación consideradas (Cambio de rumbo y regulación de la velocidad). Por otra parte, este enfoque es también útil para su aplicación en una situación en tiempo real, en la que la regulación de la velocidad actuaría como primer filtro para regular el tráfico, y los cambios de rumbos permitirían obtener un espacio aéreo libre de conflictos.

Por último, Hao Yi Ong y Mykel J. Kochenderfer plantean en [24] una solución al problema de la resolución de conflictos mediante procesos de Markov. En este artículo se expone un algoritmo de resolución de conflictos a corto plazo entre UAS automáticos a altitudes bajas. El objetivo es llegar a un equilibrio entre la seguridad operacional y la eficiencia de la aeronave que dependerá del entorno encada momento, de la aeronave en cuestión y de la respuesta eficaz del piloto. Para ello, el algoritmo genera avisos de tráfico a cada aeronave, basándose en la descomposición de una decisión de Markov que

22 MINLP: Mixed Integer Nonlinear Programming.

23 VC: Velocity Change.

24 HAC: Heading Change.



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integra un gran número de factores y la posterior fusión de los resultados. El problema de resolución del conflicto se formula como un proceso de decisión de Markov multiagente (varios UAS). La posición de los UAS en un estado futuro no depende de la posición de UAS en el estado anterior, sino de la decisión de actuación tomada. Computacionalmente, se descompone el problema en subproblemas en función de los agentes y una vez solucionados se fusionan en un conjunto de asesoramientos de resolución coordinados usando un esquema iterativo denominado maximización alterna. Los resultados obtenidos se ajustan bastante a la realidad y resuelve conflictos simultáneos en de manera eficiente en un tiempo del orden del milisegundo.

2.3.4 Modelos de riesgo de colisión.

Los modelos de riesgo de colisión aplicados a la navegación aérea tratan de cuantificar el riesgo que supone la realización de una operación aérea bajo unas ciertas condiciones. La primera vez que se aplicaron estos modelos fueron realizados por Reich en 1966 [25] para modelizar la validez de las mínimas de separación que más tarde la OACI tomaría como referente para definir las mínimas de separación transoceánicas tanto longitudinales como verticales [6]. Un buen resumen de las diferentes técnicas utilizadas para construir diversos modelos de riesgo de colisión se pueden encontrar en [26]. Dentro del ámbito en el que se centra este documento, resulta necesario analizar los documentos disponibles sobre la modelización de la mínima de separación y el riesgo de operar un RPAS dentro de un espacio aéreo no segregado.

La aplicación más moderna para el cálculo de las mínimas de separación se encuentra en Apéndice 1 del Manual para la Determinación de Separaciones Mínimas de la OACI [27]. En este anexo se presenta un modelo para el análisis de riesgo de colisión aplicable a la hora de determinar las mínimas de separación en distancia entre aeronaves. El modelo presentado está basado en el modelo de Reich u enfocado a una aplicación generalizada.

Suponiendo la coexistencia de dos aeronaves en un espacio aéreo, no necesariamente al mismo nivel, la probabilidad de colisión durante el vuelo es representada por Cp. A lo largo de modelo la aeronave 1

es representada como un cilindro C de diámetro λxy y altura λz. La aeronave 2, se representa mediante un punto de masa P. Para que suceda una colisión en el aire, la partícula P de be entrar en el cilindro que representa la aeronave 1. La Figura 10 presenta el escenario del modelo.



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El riego de colisión en términos de accidente por hora de vuelo se define entonces como:

𝐶𝑅 = 2 ∗ 𝑁𝑃 ∗ 𝐻𝑂𝑃(𝑇𝑐) ∗ 𝑃𝑧(h𝑧) ∗ (1 +|�̇�|

2 ∗ λ𝑧∗

𝜋 ∗ λ𝑥𝑦

2 ∗ 𝑉𝑟𝑒𝑙𝐶 )

Donde:

- CR: Riesgo de colisión

- NP: Número de parejas de aeronaves por hora

- HOP(Tc): Probabilidad de solapamiento horizontal - Tc: Tiempo de vuelo de crucero - 𝑃𝑧(h𝑧) : Probabilidad de solapamiento vertical - |�̇�| : Módulo de la velocidad vertical

- λ𝑧: tamaño vertical de la aeronave - λ𝑥𝑦: diámetro de C

- 𝑉𝑟𝑒𝑙𝐶 : Velocidad relativa respecto de C, que no es constante

- hz : separación vertical nominal entre P y C, depende linealmente de λz

Teniendo en cuenta las desviaciones laterales en x e y la distancia entre los centros de ambas aeronaves

en t>0 se puede expresar como 𝐷(𝑡) = √[𝑥1(𝑡) − 𝑥2(𝑡)]2 + [𝑦1(𝑡) − 𝑦2(𝑡)]2. Así, el objetivo es

minimizar D(t) para 0 ≤ t ≤ T+𝜏, siendo T el periodo entre notificaciones ADS o radar y 𝜏 representa el retardo debido a comunicaciones ATC y el tiempo de intervención del controlador. t=0 representa el momento de la última recepción de información ADS o radar de cualquiera de las aeronaves. Durante el modelo descrito se supone que las dos aeronaves notifican su posición simultáneamente.

Figura 10: Escenario del modelo

Aeronave 1 C

Aeronave 2

P

FL2

FL1

hz



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Hipótesis iniciales:

La incertidumbre de la velocidad de las aeronaves sigue una distribución exponencial

Todas las aeronaves se modelan como cilindros con las dimensiones anteriormente descritas, que varían en función del RNP25 de las aeronaves. Aeronaves con RNP10 tendrán diámetro y altura mayor que aeronaves con RNP4 ya que la desviación de la ruta seguida por esta última aeronave es menor.

La velocidad relativa entre las dos aeronaves depende de: - Separación mínima en uso - Tiempo de actualización de la posición (T+𝜏) - Ángulo entre los rumbos de las aeronaves - Exactitud de navegación (RNP)

A partir de estas suposiciones se estudian tres casos utilizando enlace de datos ADS:

1. Separación longitudinal cuando las dos aeronaves llevan el mismo curso 2. Separación longitudinal cuando las dos aeronaves llevan curso opuesto 3. Separación lateral en trayectorias convergentes

La siguiente tabla muestra los resultados de separación lateral entre aeronaves con trayectorias convergentes, cuando una aeronaves está entrando en el área de conflicto y la otra está saliendo de la misma.

Tabla 6: Resultados de separación lateral entre aeronaves con trayectorias convergentes (el riesgo tiene unidades de accidente por hora) [27]

25 RNP: Required Navigation Performance.



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Este modelo de riesgo, que es el más extenso para la modelización de mínimas de separación, tiene ciertas ventajas y desventajas en cuanto a su aplicación a un escenario con RPAS. Por un lado, el entendimiento de un modelo ya utilizado y validado por parte de la OACI para definir mínimas de separación permitirá ahondar en la metodología para validar la utilización de las mínimas de separación actuales por parte de los RPAS, además, es de los pocos modelos que tienen en cuenta la posible interacción del ATC. Igual que este documento, la interacción del ATC en un modelo de riesgo [28] así como las incertidumbres asociadas a una operativa del RPAS apenas han sido analizadas en detalle y la existencia de bibliografía es muy escasa.

Otro modelo que plantea el análisis del riesgo de colisión a partir del tipo de espacio aéreo y dela mínima de separación aplicable es el desarrollado por Netjasov [29]. Sin embargo, al basar la modelización en la densidad del tráfico aéreo, la velocidad media y la geometría de las rutas supone que la influencia que pueda tener un RPAS sobre la mínima de separación puede quedar completamente desaparecida al quedar absorbido bajo la influencia de la mayor demanda del tráfico convencional.

En cuanto al análisis de modelos de riesgo para la integración de RPAS en un espacio aéreo segregado o no segregado, la gran mayoría de los esfuerzos se han centrado principalmente en el impacto que puede tener el uso de estos sistemas sobre la población civil [30, 31, 32]. Es decir, el objetivo es determinar el riesgo de fallecidos que podría suponer el fallo operativo de un RPAS. Entre los trabajos destacados se encuentra el de Clothier et al. [33]. En este documento se elabora un trabajo en el que evalúan el riesgo de colisión de la operación de un RPAS durante la realización de una misión. El objetivo es analizar el riesgo que va a suponer esta misión para las personas en función de la trayectoria que va a realizar el RPAS. No pretenden desarrollar un nuevo marco de trabajo para gestionar el riesgo que tienen que hacer cumplir las regulaciones, sino ayudar a aplicar el marco de trabajo al uso de RPAS. Para ello se ha construido una herramienta de evaluación de considera los siguientes factores:

𝐶𝐸 = 𝜆 ∗ 𝑃𝑐𝑎𝑠𝑢𝑎𝑙𝑡𝑦𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘𝑒

∗ 𝑃 𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘𝑒𝐼𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡

∗ 𝑃𝐼𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡

Con:

𝐶𝐸 ≡ Número esperado de fallecidos por hora de vuelo.

𝜆 ≡ Ratio de fallos del RPAS que no permite recuperación por horas de vuelo (1x10-5).

𝑃𝑐𝑎𝑠𝑢𝑎𝑙𝑡𝑦

𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘𝑒

≡Porbabilidad de un RPAS que haya golpeado a una persona produzca la muerte de

esta persona.

𝑃 𝑠𝑡𝑟𝑖𝑘𝑒

𝐼𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡

≡ Probabilidad de un RPAS golpee a una persona cuando produce un impacto en una

localización.

𝑃𝐼𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡 ≡ Probabilidad de que el RPAS produzca un impacto en una localización determinada



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La aplicación del modelo la realizan a un RPAS para un vuelo determinado cerca de Australia analizando en cada uno de los posibles puntos de la trayectoria el mapa de probabilidades que se obtendría de que en un punto de la trayectoria se produjera una fallo del RPAS.

Figura 11: Dibujo del contorno del riesgo individual para un RPAS realizando una trayectoria. [29]

En cuanto a modelos de riesgo para la integración de RPAS en un espacio aéreo integrado es más escasa la bibliografía existente actualmente. Lume y Waggoner [34] analizan la introducción sistemática de los RPAS en el espacio aéreo así como una evaluación de los riesgos que esto supone. Para ello definen tres tipos de análisis que se deben realizar para validar la operación de un RPAS: colisiones en el aire, número de muertes que puede realizar y destrozos en los edificios. Para ello es necesario conocer de antemano cual es la operación que va a realizar el RPAS para tener un marco de trabajo estipulado de análisis de riesgo, se entiende que como el RPAS aún le queda mucho desarrollo cada vez que quieran volar una operación se debe realizar un análisis de riesgo con el cual se asuma que se encuentra esa operación dentro de unos límites válidos. De esta forma, los riesgos de operar un RPAS no dependen únicamente de la fiabilidad de la aeronave sino también de las características de la zona de operación.

Weibel y Hansman [35] presentan un análisis del riesgo que supone la integración de los RPAS en la operación en un espacio aéreo integrado sobre el impacto terrestre y en colisiones en el aire. En primer lugar presentan una clasificación propia de los distintos tipos de RPAS que existen y de los que se puede obtener información desde fuentes públicas. Definiendo las categorías de los RPAS en función de su peso y de su capacidad para operar a distintas altitudes.

La metodología que han utilizada es la misma para ambas situaciones: Realizan un análisis FHA de las posibles amenazas para evaluar el impacto sobre la seguridad, desarrollando un modelo para modelizar el riesgo y analizando los requisitos que deben tener. Para ello han detectado dos posibles amenazas el



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impacto sobre tierra y colisiones en el aire.

El GMI26 considera que:

El TLS de una amenaza especificado por la FAA para aeronaves pilotadas es de 10-7 eventos por

hora de operación.

Los fallos en el sistema del UAV están modelados para ocurrir cada cierto tiempo para un tiempo

entre fallos, MTBF.

La exposición al riesgo de las personas se ha modelizado con un modelo de huella y densidad.

Además, consideran que no todas las personas que reciban un impacto morirán puesto que tiene la

población efectos de escudo como edificios, coches, etc. Factor de penetración.

Además, añaden un factor de probabilidad de mitigación del riesgo, se trata de considerar un factor

que tenga en cuenta las distintas barreras que se han ido imponiendo en los distintos aspectos. De

este modo se define el siguiente modelo:

𝐸𝐿𝑆 =1

𝑀𝑇𝐵𝐹𝐴𝑒𝑥𝑝𝜌𝑃𝑃𝑒𝑛(1 − 𝑃𝑚𝑖𝑡)

El MAC-HM27 considera que:

El TLS para colisiones en el aire es de 10-9 colisiones por hora.

El modelo se ha basado en un modelo de gas para comparar las colisiones que puede haber.

Hacen una comparación entre este modelo y los posibles choques entre las partículas de gas y el

volumen que deben prever para evitar una colisión.

Así, cada aeronave le corresponde un volumen de exposición que es la distancia que recorre en el

sector por un área de exposición, lo cual representa el volumen de riesgo de colisión. Además, si

se divide por el tiempo de exposición se obtiene el ratio de tiempo.

También añade un valor sobre las medidas de mitigación.

𝐸𝐿𝑆 =𝐴𝑒𝑥𝑝𝑑

𝑡𝑉𝑃𝑓𝑎𝑡/𝑐𝑜𝑙𝑙

26 GIM: Ground Impact Model.

27 MAC-HM: MAC Hazard Model.



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Alcanzan las siguientes conclusiones:

Hay una variación significativa de fiabilidad que se debe exigir a las RPAS en función de la

masa para asegurar el tiempo entre fallos.

Conforme se utiliza el RPAS para operar en zonas pobladas este debe aumentar su fiabilidad.

El mayor riesgo de colisión se encuentra centrado en los grandes aeropuertos porque es donde

más aeronaves se concentran, y está claro en las zonas de baja densidad donde los datos no

deben ser considerados exactos.

Como el riesgo es mayor en las aerovías se considera que se debe evaluar como mejoraría el

riesgo de colisión en función de si vuelan fuera de las aerovías. Tras implementar el modelo de

riesgo en las rutas jet sus valores indican que no llegan a 10-9 y que esa brecha que falta lo

deben de cumplir los sistemas de evasión de la colisión.

En resumen, la aplicación de modelos de riesgo de colisión para la integración de RPAS en un espacio aéreo segregado está en una fase inicial donde se están dando los primeros pasos para validar la operatividad de estas aeronaves y confirmar que la operación de las mismas no afecta a la seguridad del resto de operarios del entorno.



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2.4 Aplicación al Proyecto.

Este proyecto plantea analizar los parámetros o elementos que influirán en la identificación y definición de la distancia mínima de separación entre aeronaves convencionales y RPAS, y elaborar una modelización de los mismos que permita calcular o estimar los valores mínimos que se pueden definir.

Para cumplir con los objetivos propuestos se revisará la metodología y el uso de la herramienta desarrollada por EUROCONTROL (BADA) para la modelización y simulación de aeronaves convencionales y RPAS. La modelización de la aeronave convencional se realizará en BADA 4 pero debido a la falta de modelos RPAS en BADA 4 estos se tendrán que modelar basándose en BADA 3. Por otro lado, es necesario analizar los requisitos técnicos y operativos actuales para operar con un RPAS. Actualmente, la normativa y regulación existente en torno a la operación de un RPAS es escasa y en muchos casos no dispersa. Además, tanto la FAA y EASA disponen de documentación sobre los requisitos técnicos y operativos que debe cumplir un RPAS para su posible integración en un espacio aéreo. Habrá que identificar y modelizar los potenciales conflictos para caracterizar lo indicadores KPI que permitan evaluar el conflicto.

Una vez identificados los KPI, se desarrollará un modelo de riesgo de colisión que es clave para la estimación de las mínimas de separación. Además, se identificarán los principales factores que afectarán al MRC y su relación con las trayectorias de vuelo, los tipos de conflicto y se identificarán indicadores de riesgo con los que validar los resultados del MRC. Una vez definido el MRC y las características inherentes a las trayectorias de un RPAS y una aeronave convencional, se definirán y analizarán los distintos factores de influencia que generarán una incertidumbre asociada a la metodología desarrollada.

Una vez que el MRC ya está definido y caracterizado y los factores de influencia propios del mismo y de las trayectorias 4D también, las simulaciones de Monte Carlo son la herramienta matemática idónea para la obtención de relaciones causales entre los factores de influencia y su efecto sobre las mínimas de separación.



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