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Definición de mínimas de separación de operación de RPAS y aeronaves

convencionales:

Resumen ejecutivo

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

Resumen Ejecutivo

20 / 03 / 2018 I

Hoja de Identificación del documento

Título: Definición de mínimas de separación de operación de RPAS y aeronaves convencionales: Resumen ejecutivo

Código: N/A

Fecha: Marzo 2018

Fichero: N/A

Autor: J.A. Pérez Castán, I. Armas Cabrera, A. Rodríguez Sanz y D. Álvarez Álvarez

Revisor: F. Gómez Comendador

Aprobado: N/A

Versiones:

Numero Fecha Autor Comentarios

01 20/03/2018 J.A. Pérez Castán


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20 / 03 / 2018 II

Resumen Ejecutivo

Este documento tiene como objetivo resumir el trabajado realizado durante el año 2017 en el

proyecto “Definición de mínimas de separación de operación de RPAS y aeronaves

convencionales” realizado bajo el OIDATM (Observatorio para el fomento del I+D en ATM)

promovido por ISDEFE.

La finalidad de este Resumen Ejecutivo es presentar un documento que resuma el trabajo

realizado a lo largo del año 2017, destacando las principales actividades y logros alcanzados

durante el mismo. Este documento se estructura en los siguientes apartados:

1. Introducción: Breve introducción sobre la justificación y motivación para el análisis de las

nuevas mínimas de separación y distancias necesarias para la integración segura de

RPAS en un espacio aéreo no segregado.

2. Objetivos y alcance: Enumeración de los principales objetivos alcanzados durante la

realización del proyecto y descripción del alcance del mismo.

3. Concepto operacional: descripción del concepto operacional sobre la introducción de

RPAS en un espacio aéreo no segregado y las principales características y limitaciones

de su operación.

4. Mínima distancia de protección: descripción de los algoritmos para el cálculo de la

mínima distancia de protección entre un RPAS y una aeronave convencional, así como

la simulación de distintos casos de estudio para su cuantificación.

5. Riesgo de conflicto: análisis sobre el riesgo que supone la introducción de RPAS en un

espacio aéreo no segregado.

Finalmente se presentan las principales conclusiones y futuros trabajos.


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20 / 03 / 2018 III

Índice

1 Introducción ........................................................................................................................... 1

2 Objetivo y alcance .................................................................................................................. 2

3 Concepto operacional ............................................................................................................ 4

4 Distancia Mínima de Protección ............................................................................................. 7

4.1 Factores sobre la mínima de separación ....................................................................... 7

4.2 Geometrías de conflicto ................................................................................................. 1

4.3 Análisis de sensibilidad sobre los principales factores de operación ............................. 2

4.4 Estimación probabilística de la DMP .............................................................................. 4

5 Riesgo de conflicto ................................................................................................................. 7

6 Conclusiones y futuros trabajos ........................................................................................... 10

7 Publicaciones ....................................................................................................................... 13

8 Referencias .......................................................................................................................... 14


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20 / 03 / 2018 IV

Índice de figuras Ilustración 1. Desarrollo del proyecto. ............................................................................................................................ 3

Ilustración 2. Clasificación del espacio aéreo en función de los escenarios a considerar. ............................................ 5

Ilustración 3. Ratios de ascenso y descenso para los RPAS considerados y un B738. ..................................................

Ilustración 4. Esquema del sistema de comunicaciones para la integración de RPAS [9]. ........................................... 8

Ilustración 5. Diagrama de factores de influencia para la distancia mínima de protección entre un RPAS y una aeronave

convencional. ................................................................................................................................................................. 1

Ilustración 6. Geometría de conflicto 1 ........................................................................................................................... 1

Ilustración 7. Geometría de conflicto 2a ......................................................................................................................... 2

Ilustración 8. Resultados de las simulaciones de Monte Carlo en función del RLP escogido para ROC 2.000 ft/min.

Las gráficas de la izquierda son la distribución normal obtenida y la gráfica de la derecha correspondientes al boxplot

o ‘diagrama de cajas’. .................................................................................................................................................... 5

Ilustración 9. Sector LECMPAU. A la izquierda: Aerovías con tráfico y a la derecha) puntos de cruce detectados durante

el periodo de estudio. ..................................................................................................................................................... 8

Índice de tablas Tabla 1. Resumen de requisitos operativos mínimos para un RPAS en un espacio aéreo no segregado. ................... 4

Tabla 2: Resumen de requisitos mínimos a cumplir por un RPAS [6] ........................... ¡Error! Marcador no definido.

Tabla 3. Modelización de las condiciones de contorno, variables independientes y dependientes para la simulación de

MC. ................................................................................................................................................................................. 4

Tabla 4. Valores estadísticos de la DMP de las simulaciones de MC en función del RLP escogido con error cuadrático

medio. ............................................................................................................................................................................ 5


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HOJA DEJADA INTENCIONADAMENTE EN BLANCO


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1 INTRODUCCIÓN

El OIDATM (Observatorio para el fomento de I+D en ATM1), promovido por ISDEFE, se plantea como Foro de referencia para fomentar las ideas y proyectos encaminadas a la mejora y optimización en el uso y explotación del espacio aéreo aprovechando el desarrollo y aplicación de nuevas tecnologías. La UPM2 y en particular el departamento de Sistemas Aeroespaciales, Transporte Aéreo y Aeropuertos (SATAA) colabora con el OIDATM con el objetivo de trabajar en proyectos de investigación que pretenden dar respuesta a problemas actuales y futuros sobre la gestión del tráfico y del espacio aéreo.

Dentro de esta colaboración, uno de los proyectos que se están desarrollando es la “Definición de mínimas de separación de operación de RPAS3 y aeronaves convencionales”. Este proyecto tuvo como objetivo principal valorar la introducción de los RPAS considerando el impacto sobre las distancias de seguridad que se deben aplicar con estas nuevas aeronaves. Este concepto que parece una pregunta básica para el futuro desarrollo de los RPAS apenas ha sido investigado por las principales agencias de aviación internacional, OACI4, EASA5, FAA6, etc.

La segregación actual de los RPAS de otros usuarios del espacio aéreo pretende proporcionar un entorno operativo seguro. Sin embargo, el establecimiento de estas restricciones en cuanto al espacio reduce la flexibilidad de las operaciones pretendida por la comunidad ATM y limita el alcance y las prestaciones de las operaciones de todos los usuarios. Por esta razón, no solo los operadores de RPAS reclaman la integración en un espacio aéreo no segregado, sino también el conjunto de la comunidad ATM.

Así, uno de los mayores cambios que debe abordar la aviación civil en los próximos años es a la integración segura de las aeronaves 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. Por lo tanto, el riesgo que supone la operación de un sistema RPAS junto aeronaves convencionales debe ser analizado en detalle y teniendo en cuenta todos los posibles requisitos técnicos publicados por las autoridades.

1 ATM: Air Traffic Management.

2 UPM: Universidad Politécnica de Madrid.

3 RPAS: Remotely Piloted Aircraft System.

4 OACI: Organización de Aviación Civil Internacional.

5 EASA: European Aviation Safety Agency.

6 FAA: Federal Aviation Authority.


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2 OBJETIVO Y ALCANCE

El objetivo principal de este proyecto es analizar las distancias de separación aplicables a la operación de los RPAS en un espacio aéreo no segregado. Este objetivo principal ha sido posible alcanzarle a partir de los siguientes objetivos individuales:

• Revisión de la bibliografía existente sobre la introducción de RPAS en espacio aéreos no segregado: trabajos centrados en el análisis de la seguridad operacional de RPAS, algoritmos de evasión de conflictos y normativa existente sobre RPAS.

• Definición del concepto operacional para la introducción segura de los RPAS junto a aeronaves convencionales.

• Análisis de las capacidades y limitaciones operativas de los RPAS y estudio de los requerimientos exigibles para el vuelo seguro de RPAS.

• Obtención de la mínima distancia de protección. La mínima distancia de protección se define como el último instante en el que un controlador aéreo debe actuar para evitar un conflicto entre un RPAS y una aeronave convencional.

• Estudio de los factores que afectan a la construcción de las mínimas de separación y distancias de separación entre aeronaves: capacidad de navegación, capacidad de intervención y exposición al riesgo.

• Revisión de modelos de riesgo que permitan analizar la introducción de un RPAS en un espacio aéreo no segregado.

• Desarrollo de una metodología de riesgo y aplicación sobre un espacio aéreo en el que se han realizado distintas simulaciones para obtener restricciones operativas a la introducción de RPAS en un espacio aéreo.

Este trabajo es un proyecto pionero sobre el impacto que supone la introducción de RPAS en términos de seguridad en un espacio aéreo no segregado. La Ilustración 1 presenta los pasos seguidos para alcanzar los principales objetivos del proyecto.


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Ilustración 1. Desarrollo del proyecto.

Finalmente, los principales resultados han sido: la cuantificación de una mínima distancia de protección que puede ayudar al trabajo de los controladores en su futura integración; detección de los principales factores y limitaciones operativas sobre la operación de los RPAS y un primer análisis sobre una introducción estratégica de RPAS en un espacio aéreo.


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3 CONCEPTO OPERACIONAL

Los esfuerzos llevados a cabo en lo referente a la integración de los RPAS en el espacio aéreo no segregado se centran en tres retos distintos: técnicos, operativos y de regulación [1, 2]. Se considera que los RPAS tendrán que integrarse en el sistema ATM adaptándose éstos al sistema y no al revés. Esto significa que el sistema ATM no necesitará sufrir cambios importantes en sus procedimientos o funciones para asegurar las operaciones de los RPAS, los cuales tienen que demostrar que cumplen con los niveles de seguridad requeridos. En este trabajo se ha realizado una descripción de las características del sistema RPAS desde una perspectiva operacional, sin abordar retos técnicos o regulatorios.

Es fundamental armonizar y establecer un consenso sobre los procedimientos durante el proceso de integración basando las regulaciones en las disposiciones de la OACI. Las reglas que se establezcan deben ser proporcionales al tipo de operación de los distintos RPAS. Las operaciones de los RPAS tendrán lugar en un espacio aéreo compartido interaccionando con otros usuarios del espacio aéreo y originando un riesgo para las poblaciones sobrevoladas. Por ello, los RPAS deben cumplir unos requisitos mínimos en cuanto a comunicaciones, navegación, vigilancia, garantía de separación y resolución de conflictos. La Tabla 1 resume los requisitos mínimos que un RPAS debe cumplir [3, 4, 5].

Tabla 1. Resumen de requisitos operativos mínimos para un RPAS en un espacio aéreo no segregado.

Principios Generales

• RPAS deben cumplir con la regulación y los procedimientos actuales y futuros

• Las operaciones RPAS no deben aumentar los riesgos para otros usuarios

• La integración RPAS no debe suponer para otros usuarios la integración de equipamiento adicional

• Los procedimientos entorno a la operación de los RPAS no deben diferir sustancialmente respecto a los de la aviación tripulada

Integración ATM

• La integración de los RPAS no debe implicar un impacto significativo sobre los usuarios actuales del espacio aéreo

• La provisión de servicios ATS a los RPAS debe ser transparente de cara a los ATCo

• RPAS deben cumplir con el proceso de gestión de trayectorias de SESAR

• RPAS deben cumplir con los procedimientos y reglas ATC

• RPAS deben cumplir con las prestaciones requeridas en el espacio aéreo donde vayan a operar (Concepto SESAR de espacio aéreo Managed o Unmanaged)

• El rendimiento de la aeronave y las comunicaciones con el proveedor ATS deben ser continuamente monitorizadas por el RP.

Niveles de safety

La integración de los RPAS no puede condicionar los niveles de seguridad operacional

actualmente existentes, y menos aumentar los riesgos asociados a diferentes amenazas.

Equipamiento Los RPAS deben tener el mínimo equipamiento requerido para integrarse en la clase del

espacio aéreo en la que tiene intención de volar (Managed o Unmanaged)


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DAA Los RPAS deben disponer de un método aprobado de detección y resolución de conflictos.

Todas las operaciones de los RPAS fuera de VLL no se permiten sin un sistema DAA.

Este trabajo ha planteado la interacción entre RPAS y aeronaves convencionales en dos tipos de

espacios aéreo (Ilustración 2):

• Escenario 1: Entre FL220 y FL320 se evalúa durante la fase en ruta la integración de un

RPAS con mayores prestaciones y con techo operativo mayor.

• Escenario 2: Entre FL220 y FL120 se utilizará un RPAS de una clase con menores

prestaciones de operación y con techo operativo más bajo. El escenario representa la

operación en un TMA donde las aeronaves se encuentran en evolución.

Ilustración 2. Clasificación del espacio aéreo en función de los escenarios a considerar.

Además, se han analizado las capacidades operativas de los RPAS disponibles para su modelización y comparado con las características operativas de una aeronave convencional tipo (B738). Las capacidades operativas se han obtenido de la Base de datos BADA de Eurocontrol [7]. Esta base de datos proporciona valores tipo de velocidades de ascenso, crucero y descenso en diferentes niveles de vuelo entre otros. Los datos proporcionados para los casos de crucero, ascenso y descenso son la velocidad (TAS), el combustible consumido (fuel) y el régimen de ascenso o descenso (ROC/D), este último únicamente para ascenso y descenso. La integración de los RPAS en un espacio aéreo superior por lo que se han comparado las capacidades operativas disponibles en el FL 310: velocidad (TAS), consumo de combustible, ratio de ascenso y descenso (ROCD).

La Ilustración 3 muestra las características para los RPAS disponibles y un B738 considerando el ratio de ascenso. Esta información indica que el modelo RP01 – Global Hawk es el que posee unas características operativas más cercanas a las de una aeronave comercial. El resto de RPAS no pueden comparar sus prestaciones operativas con aeronaves convencionales y por lo tanto se descartan para analizar su posible integración.


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Ilustración 3. Ratios de ascenso y descenso para los

RPAS considerados y un B738.


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4 DISTANCIA MÍNIMA DE PROTECCIÓN

El principal objetivo es calcular la Distancia Mínima de Protección (DMP) que determinará el último instante en el cual el controlador debe actuar para que el RPAS realice una maniobra de resolución de un conflicto con la aeronave convencional y asegurando que no se produce una vulneración de las mínimas de separación.

4.1 Factores sobre la mínima de separación

El fin es establecer las mínimas de protección necesarias entre un RPAS y una aeronave convencional. Por ello, para ordenar los objetivos de manera lógica en la tabla se sigue la estructura planteada en el Manual PBN, Doc. 9613 de la OACI [8]. Como ya se mencionó anteriormente, en este documento las mínimas de protección se describen en función de tres factores:

1. Capacidad de Navegación 2. Capacidad de intervención 3. Exposición al riesgo

La capacidad de navegación se divide a su vez en Especificación de Navegación y Ayudas a la Navegación Aérea. Por otro lado, la capacidad de intervención representa el potencial que tiene el sistema para actuar e intervenir adecuadamente ante una posible situación que suponga un riesgo potencial. Esta capacidad dependerá de los sistemas de vigilancia, el sistema de comunicaciones y la capacidad del sistema ATC. Por último, la exposición al riesgo estará íntimamente ligada a la complejidad del sector de espacio aéreo en el que se simulará la interacción de RPAS con aeronaves convencionales. Dentro de este factor se tendrán en cuenta una serie de indicadores relacionados con densidad de tráfico, mezcla de tráfico, estructura de flujos y tráfico en evolución.

La Ilustración 4 representa un esquema del sistema de comunicaciones típico de un RPAS. Este sistema se basa en el sistema definido en la Circular 328 de OACI [9]. El enlace entre RPA y RPS está simplificado en esta figura. Las comunicaciones entre ATC y piloto remoto pueden ser realizadas mediante una conexión directa y/o retransmitidas vía la RPA. La solución dependerá de la arquitectura de comunicaciones elegida para el RPAS.


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Ilustración 4. Esquema del sistema de comunicaciones para la integración de RPAS [9].

En cuanto a las comunicaciones ATC, existen diversas opciones para proporcionar las comunicaciones por voz y datos entre las dependencias ATC y el piloto remoto situado en la RPS. Estas se dividen en dos grupos principales en función de si se retransmite o no la comunicación a través del RPA:

a) A través del RPA, que es transparente al ATC y no requiere equipos adicionales en la dependencia ATC. También presenta la ventaja de ser compatible con las operaciones ATC existentes en todo el mundo, pero podría exigir un mayor ancho de banda de comunicaciones en enlace C2.

b) A través de un nuevo enlace de comunicaciones de radiodifusión directamente entre la dependencia ATC y la RPS donde se encuentre el piloto remoto, sin retransmisión de datos a través del RPA.

Por último, la Ilustración 5 representa un diagrama que resume los principales factores que afectan a la construcción de las distancias de separación entre aeronaves.


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Ilustración 5. Diagrama de factores de influencia para la distancia mínima de protección entre un RPAS y una aeronave convencional.

t de refresco 5s

XTT [NM] 2,51 Error en Ruta 500m RPAS 1,2

ATT [NM] 2,01 Continuidad 0,99999 t de transacción [s] 15 10

P (Fallo TSE) 0,05 P (Detección) >0,97 Continuidad 0,999 0,995

P (Falso Blanco) <0,001

P (Blanco múltiple) <0,003

Alcance 300km (162NM)

C2 Y COMUNICACIONES VOZ

1

Aeronave

convencion

al

Factor de RiesgoRPS-ATC

(RCP 10)

RPA-RPS

(RLP C)

MÍNIMA DE PROTECCIÓN

Capacidad de Navegación Capacidad de Intervención

Exposición el Riesgo

Especificación de

NavegaciónNAVAID En-Route Vigilancia Comunicaciones Capacidad ATC Complejidad del Sector

RNAV 5 GNSS

MEZCLA DE TRÁFICO

TRÁFICO EN EVOLUCIÓN

DENSIDAD DE TRÁFICO

ESTRUCTURA DE FLUJOS


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4.2 Geometrías de conflicto

Para lograr uno de los objetivos del proyecto, que consiste en la determinación de la Distancia Mínima de Protección (DMP) en espacio aéreo no segregado entre una aeronave convencional y un RPAS, es necesario plantear una serie de casos posibles en los que se podrían ver envueltos una aeronave convencional y un RPAS dentro del espacio aéreo. La DMP se define como la mínima distancia a la cual el RPAS debe comenzar una maniobra de evasión vertical para evitar un conflicto. Las “Geometrías de conflicto” describen los distintos casos reales o geometrías con las cuales una aeronave convencional y un RPAS podrían verse involucrados a lo largo de sus operaciones. Las geometrías de conflicto consideradas son:

- Geometría de Conflicto 1: la aeronave y el RPAS se encuentran enfrentados dentro del mismo nivel de vuelo en crucero.

- Geometría de Conflicto 2: se produce entre la aeronave y el RPAS con un cierto ángulo de encuentro entre éstas dentro de la fase de crucero.

o 2a: el ángulo de encuentro es de 30⁰. o 2b: el ángulo de encuentro es de 130⁰.

- Geometría de Conflicto 3: el encuentro entre la aeronave y el RPAS se produce en fase de evolución dentro del TMA.

Ilustración 6. Geometría de conflicto 1

La Ilustración 6 y la Ilustración 7 representan dos casos de estudio considerados. En estos casos, el estudio cinemático de las trayectorias de las aeronaves ha permitido calcular teóricamente la distancia a la que debe comenzar a ascender el RPAS para evitar un conflicto con la aeronave convencional. Esta DMP está determinada por una serie de factores operativos como la velocidad vertical y las velocidades horizontales del RPAS y de la aeronave convencional. Los resultados de las simulaciones para las geometrías de conflicto concluyen que la peor situación es la geometría de conflicto donde la DMP se encuentra en torno a valores de 12 NM.


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Ilustración 7. Geometría de conflicto 2a

4.3 Análisis de sensibilidad sobre los principales factores de operación

Se ha realizado un análisis de sensibilidad para identificar los principales parámetros que afectan la DMP, siendo los siguientes factores seleccionados para el análisis:

• Mach de vuelo de la aeronave convencional. Es importante medir la variación que supone para la determinación de la distancia mínima de protección la velocidad a la que la aeronave convencional vuela a lo largo de su trayectoria.

• Mach de vuelo el RPAS. La velocidad a la que el RPAS vuela por su trayectoria determinará las variaciones medibles de la distancia mínima de protección entre éste y la aeronave convencional.

• Ratio de ascenso del RPAS. Dada la hipótesis de partida que establece que es el RPAS el que debe realizar las maniobras necesarias para evitar posibles conflictos entre éste y la aeronave convencional, se mide la variación de la distancia a la cual el RPAS debe iniciar la maniobra que evite posibles conflictos con la aeronave convencional teniendo en cuenta la velocidad de ascenso del RPAS.

• Nivel de vuelo de encuentro entre la aeronave convencional y el RPAS. Se debe analizar si el nivel de vuelo en el cual se encuentren las trayectorias de la aeronave convencional y el RPAS influye en la variación de la DMP entre éstos.

• Diferencia de Intensidades del viento entre la aeronave convencional y el RPAS. La intensidad y dirección del viento afectan a las trayectorias seguidas por la aeronave


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convencional y el RPAS, por tanto, es necesario analizar cuáles son las variaciones que sufren estas trayectorias a la hora de determinar cuál es la DMP en base a este parámetro.

Tras realizar el análisis de sensibilidad de las distintas variables se han observado los siguientes comportamientos:

• El aumento de las velocidades de las aeronaves (𝑀𝑎𝑐ℎ𝑅𝑃𝐴𝑆 𝑦 𝑀𝑎𝑐ℎ𝐶𝑂𝑁𝑉) suponen el aumento lineal de la DMP. Esto se debe a que se aumenta la velocidad relativa de las aeronaves y es necesario aumentar la distancia para que el RPAS pueda asegurar la correcta maniobra. La variación que suponen estas variables tienen una influencia de en torno a 2-3 NM en el rango de velocidades que se ha estudiado. En el caso de que se limitara este rango de velocidades la influencia de estas variables se vería considerablemente reducido.

• El aumento del ROC supone la disminución no lineal de la DMP. Este comportamiento es lógico puesto que al aumentar la velocidad vertical se requiere menos tiempo para evitar una vulneración de la mínima de separación vertical. El impacto que supone esta variable es el mayor puesto que puede suponer un decremento de hasta 8 NM. Además, este decremento no es lineal, por lo que la reducción de la DMP se queda estancado a partir de un ROC 2000 ft. Esto puede suponer una serie de limitaciones operativas a los RPAS si desean operar en un espacio aéreo no segregado. Por un lado supondrá que se le debe exigir un ROC al RPAS en función del nivel de vuelo al que quiera operar, y segundo esta DMP puede tener un fuerte impacto en la capacidad.

• La variable FL apenas tiene una influencia sobre la DMP.

• La variable viento tiene una influencia parecida a las variables de las velocidades. Del mismo modo que estas, presenta una relación lineal con la DMP y puede tener un impacto de hasta 3 NM en el caso de mayores intensidades de viento.


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4.4 Estimación probabilística de la DMP

El último estudio se ha centrado en introducir todas las variables probabilísticas que pueden afectar a la operación real de ambas aeronaves. Además, se han introducido las variables CNS para obtener la situación real en la que el controlador debe actuar sobre el RPAS para evitar una vulneración de las mínimas de separación. La Tabla 2 presenta el resumen de la modelización de las principales variables que se han utilizado en el estudio.

Tabla 2. Modelización de las condiciones de contorno, variables independientes y dependientes para la simulación

de MC.

Condiciones de Contorno Modelización

Mach RPAS 0.5

ROC RPAS 1000, 1500 y 2000

ft/min

FL FL 270

RLP Comunicaciones A, B y C

Variables independientes

Mach aeronave convencional

0.76 – 0.8

Error de Velocidad +/−5%𝑀𝑛𝑜𝑚

Viento 𝑁(15.2, 20.3) m/s

Error de ROC 𝑁(0,100) ft/min

Error de Navegación 𝑁(0,1.005) NM

Error de Vigilancia (NM) 𝑁(0,500) m

Variables dependientes

DMP NM

La Ilustración 8 es un ejemplo de los resultados estadísticos obtenidos a partir de las simulaciones de Monte Carlo (MC) realizadas. Las principales variables consideradas han realizado variaciones en el ROC del RPAS (1000 y 2000 ft/min) y los requisitos de comunicación (RLP) entre RPA y RPS.


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Ilustración 8. Resultados de las simulaciones de Monte Carlo en función del RLP escogido para ROC 2.000 ft/min.

Las gráficas de la izquierda son la distribución normal obtenida y la gráfica de la derecha correspondientes al

boxplot o ‘diagrama de cajas’.

La Tabla 3 presenta los resultados detallados de los valores estadísticos obtenidos por las simulaciones de MC. Estos resultados confirman que la media de la DMP aumenta al aumentar el RLP pero que la desviación estándar aumenta pero en menor proporción. Además, teniendo en cuenta la variación del ROC se observa como aumenta la DMP al disminuir el ROC.

Tabla 3. Valores estadísticos de la DMP de las simulaciones de MC en función del RLP escogido con error

cuadrático medio.

Condiciones de Contorno DMP 𝑵(𝝁, 𝝈) NM 95% (2𝝈) DMP

ROC = 1.000 ft/min

RLP A (3 segundos) 𝑁(22.16, 1.79) 25.74 NM

RLP B (5 segundos) 𝑁(22.56, 1.75) 26.06 NM

RLP C (15 segundos) 𝑁(24.48, 1.76) 27.99 NM

ROC = 1.500 ft/min

RLP A 𝑁(17.68, 1.13) 19.95 NM

RLP B 𝑁(18.04, 1.10) 20.24 NM

RLP C 𝑁(19.97, 1.07) 22.10 NM

ROC = 2.000 ft/min


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RLP A 𝑁(15.44, 0.95) 17.33 NM

RLP B 𝑁(15.79, 0.90) 17.59 NM

RLP C 𝑁(17.76, 0.86) 19.48 NM

Las simulaciones de MC arrojan los siguientes resultados:

• Aumentar el tiempo necesario para las comunicaciones entre el controlador y el piloto supone aumentar la DMP. Por el otro lado, la DMP disminuye al aumentar el ROC.

• Para los distintos tipos de RLP supone aumentar un entorno al 1.5% la DMP al utilizar RLP A o B y hasta un 10% utilizar RLP C en vez de RLP A (caso ROC = 2000 ft/min). Estas variaciones no mantienen la relación existente entre las variaciones de tiempo impuestas por el uso de diferentes RLP, es decir, las variaciones entre requerir 3 o 5 segundos no mantienen una relación lineal al variar entre 3 y 15 segundos.

• Además, para un mismo RLP la variación existente de la DMP en función del ROC no es proporcional, por ejemplo, para el RLP A la variación entre usar un ROC 1000 y 1500 ft/min mejora su valor en 5.79 NM, sin embargo la variación entre usar un ROC 1500 – 2000 ft/min solamente mejora en 2.62 NM. Estas variaciones confirman la relación no lineal que existe entre estas variaciones ya presentadas en el análisis de sensibilidad sobre el ROC. Esto es un hecho importante porque aumentar el ROC en la misma cantidad (500 ft) no implica una subida proporcional en el DMP.

• Además, del mismo modo que al aumentar el RLP y disminuir el ROC el valor medio de la DMP aumenta, la desviación estándar permanece casi constante (inferior al 2%).


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5 RIESGO DE CONFLICTO

El último punto del proyecto ha sido realizar un estudio sobre el impacto que conlleva la introducción de RPAS en un escenario de ruta analizando el riesgo de conflicto y la capacidad. Para ello se ha trabajado con una metodología de riesgo que permite analizar cómo varía el número de conflictos entre un escenario base (sólo aeronaves convencionales) y una serie de variaciones del escenario en las que se han introducido RPAS. Las tareas que se han llevado a cabo son las siguientes:

• Desarrollo de una metodología de riesgo de conflicto que permita analizar el impacto que supone la integración de RPAS.

• Caracterización de un escenario operativo de ruta de acuerdo a la metodología considerada.

• Identificación, caracterización y modelización de las de las principales variables que van a afectar al riesgo de conflicto.

• Análisis de los resultados para analizar el impacto que supone la integración de RPAS tanto en términos de seguridad como en términos de capacidad.

Así, este análisis centrado riesgo de conflicto ha permitido también realizar una primera aproximación sobre el impacto en la capacidad y potenciales restricciones a la introducción de RPAS. Además, la metodología no solamente ha permitido analizar la integración de RPAS en términos de seguridad operacional y capacidad, si no que se ha estudiado las principales variables morfológicas (número de puntos de cruce), geométricas (ángulo de cruce entre aerovías y longitud de las aerovías) y operativas (densidad de las aerovías y velocidad de los RPAS).

La Ilustración 9 representa el sector LECMPAU en donde se ha aplicado la metodología de riesgo. Se ha analizado la densidad de las aerovías y se ha destacado cuales de ellas presentan tráfico. Además, se ha señalado todos los puntos de cruce en los que intersectan las distintas aerovías. Estas características son las características propias del escenario que se verán modificadas al introducir RPAS por las distintas aerovías.


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Ilustración 9. Sector LECMPAU. A la izquierda: Aerovías con tráfico y a la derecha) puntos de cruce detectados durante el periodo de estudio.

De este modo, las conclusiones obtenidas son las siguientes:

• La metodología de riesgo empleada permite detectar el número máximo de RPAS que pueden introducirse en un sector sin superar un límite de riesgo previamente establecido, pudiendo así concluir qué aerovías permiten un mayor número de estos y cuales resultan más críticas. Sin embargo, no es posible detectar en qué medida afectan algunas de las variables involucradas.

• En relación número de puntos de cruce del sector que se producen en el sector, se puede determinar que representa la variable más determinante. De esta forma, siempre que se introduzcan RPAS en el sector por aerovías en las que no existe tráfico, el número de conflictos aumentará, aumentando así el riesgo del sector.

• En cuanto a las variables relacionadas con las características del tráfico, en primer lugar, las relacionadas con la velocidad de RPAS, es posible demostrar que, a mayor velocidad


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de estos, menor será el riesgo producido en el sector. Sin embargo, en relación al volumen de tráfico de aeronaves convencionales que operen cada aerovía, solo es posible determinar que es influyente el hecho de que el tráfico sea cero o distinto de cero, de forma que, cuando es cero, el riesgo de conflicto aumenta considerablemente si se introducen RPAS por esas aerovías. Sin embargo, si el tráfico es distinto de cero, el volumen de este no influirá en un aumento del riesgo de conflicto.

• Por último, con respecto a las variables geométricas del sector, a partir de los resultados mostrados y con respecto al ángulo de cruce de las aerovías se puede determinar que es determinante solo en aquellas aerovías en las que no existe tráfico inicialmente, mostrando en estas que, a mayor ángulo de cruce, mayor será el riesgo de conflicto. En cuanto al otro factor geométrico, la longitud de las aerovías, se obtiene que su afección no es determinante y no influye en gran medida en el riesgo de conflicto de un sector, ya que, aunque a mayor longitud de las aerovías debía presentarse menor riesgo, no se ve este aspecto reflejado en los resultados.

Por lo tanto, la introducción de los RPAS en un espacio aéreo no es una tarea sencilla si no que requiere el análisis en detalle de un conjunto de factores e indicadores que permitan considerar, de una manera coherente, la viabilidad de la introducción de RPAS. Para ello, será necesario profundizar en distintos aspectos de seguridad y de capacidad para determinar las restricciones operativas o físicas que puedan afectar a la integración de los RPAS. Por último, esta metodología tiene en cuenta rasgos operativos comunes sin tener en cuenta las particularidades que pueden aparecer en secuencias operativas reales, lo cual deberá ser analizado en futuros trabajos para valorar fehacientemente la integración de los RPAS.


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6 CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS

Esta investigación es un trabajo novel en el ámbito de la introducción de RPAS en un espacio aéreo no segregado. Los resultados permitirán profundizar y aumentar el conocimiento sobre la operación segura de los RPAS. Las principales conclusiones son:

• Se ha realizado una revisión bibliográfica de los trabajos realizados para la integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado. La escasez de análisis sobre las distancias de separación entre RPAS y aeronaves convencionales confirma la necesidad de ahondar en esta línea de investigación. Además, la gran mayoría de los esfuerzos están centrados en el análisis de la detección de conflictos entre RPAS y aeronaves convencionales en el plano horizontal, siendo la resolución de conflictos en el plano vertical prácticamente inexistente.

• La definición de los requisitos técnicos y operacionales necesarios para la integración operativa de los RPAS en un espacio aéreo no segregado están en una fase inicial. La normativa generada por los distintos agentes reguladores está en fase de desarrollo y es muy variable en función del agente que se elija. Sin embargo, la EASA es la que más está trabajando para definir los requisitos técnicos necesarios para la operación de los RPAS.

• Los modelos de aeronaves se han realizado a partir del modelo BADA de Eurocontrol. BADA proporciona una serie de modelos de RPAS actuales que podrían operar en el espacio aéreo. A partir de un análisis detallado de las características operacionales de los RPAS se ha concluido que únicamente un RPAS puede operar en un espacio aéreo superior debido a las pobres actuaciones de los otros RPAS.

• Se ha realizado un análisis en profundidad de la construcción de las mínimas distancias de separación entre aeronaves. Se han identificado una serie de factores, tales como requisitos CNS necesarios o la capacidad ATC para la gestión de los distintos tráficos, que a la hora de definir las distancias mínimas de protección buscadas, tienen influencia en su establecimiento.

• La construcción de distintas geometrías de conflicto ha permitido confirmar que la peor situación en términos de seguridad es aquella en la que ambas aeronaves vuelan la misma trayectoria pero en oposición. En este caso el tiempo para resolver el conflicto es el menor y requiere una mayor DMP. Estos resultados han proporcionado unos primeros valores teóricos sobre el valor de la DMP.

• La metodología propuesta ha permitido estimar la DMP entre un RPAS y una aeronave convencional mediante la realización de una maniobra ascensional. La metodología permite modificar las variables necesarias para la operación normal de aeronaves y RPAS: velocidad de vuelo, ratio de ascenso, niel de vuelo, etc. Los modelos desarrollados se basan en las ecuaciones cinemáticas del movimiento de aeronaves, lo que permite aprovechar el carácter general de las mismas para poder valorar la combinación de distintos tipos de RPAS y de aeronaves convencionales.

• Los requisitos relacionados con las comunicaciones son los que suponen un mayor número de cambios respecto a la aviación convencional, debido a la separación física


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entre el piloto y la aeronave que ocurre en los RPAS. Esto se traduce en tiempos destinados a las comunicaciones mayores que los que se emplean para la aviación convencional actual y deja ver que las comunicaciones de los RPAS aún deben seguir siendo investigadas.

• El análisis de sensibilidad para conocer la influencia de las variables Mach de la aeronave convencional, Mach del RPAS, viento, ROC y FL.

o La única variable que no tiene un efecto sobre la DMP es el FL al que se opere. Sin embargo, el resto de variables tienen una influencia sobre la DMP.

o Al aumentar el Mach de vuelo del RPAS o de la aeronave convencional se debe aumentar la DMP. Ambas variables presentan una relación lineal.

o El viento se ha estudiado en función de la diferencia de viento sobre el RPAS y la aeronave convencional y cuanto mayor sea esta diferencia mayor será la DMP. El viento presenta una relación lineal.

o El ROC presenta un comportamiento inverso, al disminuir el ROC se debe aumentar la DMP aunque este factor no presenta una relación lineal como es en el resto de los casos. Esta característica es la más importante ya que en el caso de que se quiera cumplir con una determinada DMP será necesario requerir a los RPAS un determinado ROC para un FL. Esto puede suponer la definición de requerimientos de aeronavegabilidad para los RPAS en un espacio aéreo no segregado.

• Los valores reales de la DMP se han obtenido a partir de la simulación de Monte Carlo. Para ello se han tenido en cuenta variables operacionales (velocidad RPAS, aeronave o ratio de ascenso), variables físicas (nivel de vuelo o viento) y requerimientos operacionales (tiempos de comunicación, capacidad ATC o errores de vigilancia). Se han realizado simulaciones de Monte Carlo para introducir las variables estadísticas correspondientes en la Geometría de conflicto 1. Estas simulaciones se han realizado en función del requisito de comunicaciones y del ROC exigido al RPAS.

o Aumentar el RLP o disminuir el ROC supone un incremento de las DMP. Este incremento no es proporcional al variar RLP ni al variar el ROC. La variación no lineal del ROC confirma los resultados obtenidos en el análisis de sensibilidad.

o En función del requisito RLP y del ROC definido se obtiene una DMP en NM que cumple con el criterio de englobar el 95% de las simulaciones de Monte Carlo (2𝜎). Para un requisito RLP 3 o 5 y un ROC de 2000 ft la DMP debe ser 25 NM para el caso de error lineal,

o Además, existe una clara mejor entre la utilización de un enfoque que plantea el error lineal o el error cuadrático medio. La mejora de considerar el error cuadrático medio permite reducir la mínima de separación hasta 7 NM. El valor para un requisito RLP 3 o 5 y un ROC de 2000 ft es 18 NM.

• Este artículo ha analizado el impacto que supone la integración de RPAS en un espacio aéreo a partir de una metodología de conflicto-risk para el diseño o planificación de espacios aéreos. Este trabajo pionero se ha realizado a partir de la adaptación de una metodología de riesgo y la identificación y caracterización de los factores que afectan a la


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operación aérea. El objetivo ha sido determinar cuáles son las variables geométricas y operativas que tienen una mayor influencia para la futura integración de los RPAS en un espacio aéreo no segregado. Con este objetivo, se ha seleccionado, analizado y modelizado un espacio aéreo de ruta en España y comparado como varía el riesgo de conflicto al introducir RPAS en el espacio aéreo.

o La metodología utilizada permite detectar el número máximo de RPAS que pueden introducirse en un sector sin superar un límite de riesgo previamente establecido. Reportando qué aerovías permiten un mayor número de RPAS y cuales son más críticas. Sin embargo, esta metodología no ha permitido cuantificar el grado de afección de algunas de las variables involucradas.

o El factor más determinante es el número de puntos de cruce del sector, o más concretamente, el número de cruces efectivos que se producen en el sector. De esta forma, siempre que se introduzcan RPAS en el sector por aerovías en las que no existe tráfico, el número de potenciales conflictos aumentará, así como el riesgo del sector.

Aunque este trabajo ha permitido obtener unos resultados muy positivos, es necesario seguir trabajando en el desarrollo del mismo. Para ello es necesario mejorar el conocimiento de las velocidades tipo a las que pueden operar los RPAS en una fase de vuelo en ruta. La introducción de los requisitos CNS se han realizado únicamente para la Geometría de conflicto 1 que es la más restrictiva. Sin embargo, futuros estudios deberían analizar la variación de esta mínima en función de la Geometría de conflicto para tener un mayor conocimiento de la misma, o incluso desarrollar una herramienta ATC que permita al controlador conocer exactamente en qué momento debe realizar la maniobra para evitar un conflicto diseñada ad-hoc para cada caso.

Se debe continuar trabajando en añadir el impacto que tendrían las fallas de comunicaciones y de vigilancia dentro del modelo ya que fallos en la pérdida de estos servicios pueden suponer un aumento de las DMP. Además, sería conveniente profundizar en el conocimiento del tipo de vientos en las distintas zonas para confirmar que la variación del mismo está considerada dentro de las simulaciones consideradas.

La introducción de los RPAS en un espacio aéreo no segregado no es una tarea sencilla puesto que existen un conjunto de variables y restricciones que deben ser definidas claramente antes de la integración de los RPAS. Así, este trabajo puede ser un buen punto de partida para profundizar en las relaciones existentes entre seguridad y capacidad y determinar las restricciones operativas o físicas que deberán implementarse en un futuro.


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7 PUBLICACIONES

La divulgación de parte de la investigación sobre la integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado se considera de un alto interés económico, investigador y social que se espera que tenga una gran adopción entre la comunidad ATM. Por lo tanto, el desarrollo de este trabajo ha permitido la publicación del mismo en distintos eventos y congresos de difusión científica:

• Divulgación de los objetivos y las tareas realizadas del proyecto en el World ATM Congress, 7-9 Marzo 2017, Madrid, España.

• Conflict-resolution algorithms for separation minima definition of RPAS in a non-

segregated airspace, 7th EASN International Conference on Innovation in European

Aeronautics Research, 26-29 Septiembre 2017, Varsovia, Polonia. ISSN 2523-5052.

• Conflict-Resolution Algorithms for RPAS in Non-segregated Airspace, World ATM Congress, 6-8 Marzo 2018, Madrid, España.

• Evaluación del riesgo de conflicto entre RPAS y aeronaves convencionales,

Congreso de la Ingeniería del Transporte, 6-8 Junio 2018, Gijón, España.

Además, diversas investigaciones del proyecto se encuentran en distintas fases de revisión en

principales revistas de investigación científica.


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8 REFERENCIAS

[1] K. R. e. Al., «Integration of Unmanned Aircraft System (UAS) in Non-segregated Airspace: A Complex System of Systems Problem,» Loughborough University, UK.

[2] European RPAS Steering Group, «Roadmap for the integration of civil Remotely-Piloted Aircraft Systems into the European Aviation System,» 2013.

[3] EUROCONTROL, «Unmanned Aircraft Systems – ATM collision Avoidance Requirements,» 2010.

[4] EUROCONTROL, «Specifications for the use of Military Remotely Piloted Aircraft as Operational Air Traffic Outside Segregated Airspace,» 2012.

[5] OACI, «Manual on Remotely Piloted Aircraft Systems,» 2012.

[6] Grupo de Investigación de Navegación Aérea (GINA); UPM, «Future intensive use of UASs for civil and military appplications in non-segregated airspace,» 2014.

[7] EUROCONTROL, «Base of Aircraft Data (BADA) v. 4.0,» 2015.

[8] OACI, «Doc 9613 Performance-based Navigation (PBN) Manual,» 2008.

[9] ICAO, «Sistemas de Aeronaves no Tripuladas - Cicular 328 AN/190,» 2011.

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