Sistema de gestión de vuelo

Un sistema de gestión de vuelo ( FMS ) es un componente fundamental de la aviónica de un avión comercial moderno . Un FMS es un sistema informático especializado que automatiza una amplia variedad de tareas en vuelo, reduciendo la carga de trabajo de la tripulación hasta el punto de que los aviones civiles modernos ya no cuentan con ingenieros de vuelo ni navegantes . Una función principal es la gestión del plan de vuelo. Mediante diversos sensores (como GPS e INS , a menudo complementados con radionavegación ) para determinar la posición de la aeronave, el FMS puede guiarla a lo largo del plan de vuelo. Desde la cabina, el FMS se controla normalmente a través de una unidad de control y visualización (CDU) que incorpora una pequeña pantalla y un teclado o pantalla táctil. El FMS envía el plan de vuelo para su visualización al sistema electrónico de instrumentos de vuelo (EFIS), la pantalla de navegación (ND) o la pantalla multifunción (MFD). El FMS se puede resumir como un sistema dual que consta del ordenador de gestión de vuelo (FMC), la CDU y un bus de comunicación.

El FMS moderno se introdujo en el Boeing 767 , aunque ya existían computadoras de navegación anteriores. ^{[ 1 ]} Actualmente, existen sistemas similares al FMS en aeronaves tan pequeñas como la Cessna 182. En su evolución, un FMS ha tenido muchos tamaños, capacidades y controles diferentes. Sin embargo, ciertas características son comunes a todos los FMS.

Todos los sistemas de gestión de vuelo (FMS) contienen una base de datos de navegación. Esta base de datos contiene los elementos a partir de los cuales se elabora el plan de vuelo, definidos según el estándar ARINC 424. La base de datos de navegación (NDB) se actualiza normalmente cada 28 días para garantizar su vigencia. Cada FMS contiene únicamente un subconjunto de los datos ARINC/ AIRAC , relevantes para sus capacidades.

El NDB contiene toda la información necesaria para elaborar un plan de vuelo, que consta de:

• Puntos de referencia/Intersección
• Vías aéreas
• Ayudas a la radionavegación, incluidos equipos de medición de distancia (DME), radiotelescopios omnidireccionales VHF (VOR), balizas no direccionales (NDB) y sistemas de aterrizaje instrumental (ILS).
• Aeropuertos
• pistas de aterrizaje
• Salida instrumental estándar (SID)
• Llegada estándar a la terminal (STAR)
• Patrones de espera (solo como parte de los IAP, aunque pueden ser introducidos por orden del ATC o a discreción del piloto).
• Procedimiento de aproximación instrumental (PAI)

Los puntos de referencia también pueden ser definidos por el/los piloto(s) a lo largo de la ruta o por referencia a otros puntos de referencia mediante la introducción de un lugar en forma de punto de referencia (por ejemplo, un VOR, NDB, ILS, aeropuerto o punto de referencia/intersección).

El plan de vuelo generalmente se determina en tierra, antes del despegue, ya sea por el piloto en el caso de aeronaves pequeñas o por un despachador profesional en el caso de aviones comerciales. Se introduce en el FMS mediante la introducción manual, la selección de una biblioteca guardada de rutas comunes (Rutas de la Compañía) o a través de un enlace de datos ACARS con el centro de despacho de la aerolínea.

Durante la inspección previa al vuelo, se introduce otra información relevante para la gestión del plan de vuelo. Esto puede incluir datos de rendimiento como el peso bruto, el peso del combustible y el centro de gravedad. También se incluirán altitudes, incluida la altitud de crucero inicial. Para las aeronaves que no disponen de GPS , también se requiere la posición inicial.

El piloto utiliza el FMS para modificar el plan de vuelo durante el vuelo por diversos motivos. Un diseño de ingeniería avanzado minimiza la cantidad de teclas pulsadas para reducir la carga de trabajo del piloto en vuelo y eliminar cualquier información confusa (información potencialmente engañosa). El FMS también envía la información del plan de vuelo para su visualización en la pantalla de navegación (ND) del sistema electrónico de instrumentos de vuelo ( EFIS ). El plan de vuelo generalmente aparece como una línea magenta, junto con otros aeropuertos, radioayudas y puntos de referencia.

Algunos sistemas de gestión de vuelo (FMS) pueden calcular planes de vuelo especiales, a menudo para requisitos tácticos, como patrones de búsqueda, puntos de encuentro, órbitas de aviones cisterna para reabastecimiento en vuelo y puntos de liberación de aire calculados (CARP, por sus siglas en inglés) para saltos en paracaídas precisos.

Una vez en vuelo, una tarea principal del FMS es obtener una posición , es decir, determinar la posición de la aeronave y la precisión de dicha posición. Los FMS sencillos utilizan un solo sensor, generalmente GPS, para determinar la posición. Sin embargo, los FMS modernos utilizan tantos sensores como sea posible, como VOR, para determinar y validar su posición exacta. Algunos FMS utilizan un filtro de Kalman para integrar las posiciones de los distintos sensores en una sola posición. Los sensores comunes incluyen:

• Los receptores GPS de calidad aeronáutica actúan como sensor principal, ya que ofrecen la máxima precisión e integridad.
• Las ayudas radioeléctricas diseñadas para la navegación aérea actúan como los sensores de segunda mayor calidad. Estas incluyen:
  • Escaneo de DME ( equipo de medición de distancia ) que verifica las distancias de cinco estaciones DME diferentes simultáneamente para determinar una posición cada 10 segundos. ^{[ 2 ]}
  • Los VOR ( radiofaro omnidireccional VHF ) proporcionan una marcación. Con dos estaciones VOR se puede determinar la posición de la aeronave, pero la precisión es limitada.
• Los sistemas de referencia inercial (IRS) utilizan giroscopios láser de anillo y acelerómetros para calcular la posición de la aeronave. Son muy precisos e independientes de fuentes externas. Los aviones comerciales utilizan el promedio ponderado de tres IRS independientes para determinar la posición mediante el sistema de referencia inercial triple mixto.

El FMS verifica constantemente la información de los distintos sensores y determina la posición y precisión de la aeronave. Esta precisión se describe como el Rendimiento de Navegación Real (ANP), un círculo dentro del cual la aeronave puede encontrarse, medido como su diámetro en millas náuticas. El espacio aéreo moderno cuenta con un rendimiento de navegación requerido (RNP) establecido. Para operar en determinados espacios aéreos de gran altitud, la aeronave debe tener un ANP inferior a su RNP.

Conociendo el plan de vuelo y la posición de la aeronave, el FMS calcula la trayectoria a seguir. El piloto puede seguir esta trayectoria manualmente (de forma similar a como se sigue un radial VOR), o bien se puede configurar el piloto automático para que la siga.

El modo FMS se denomina normalmente LNAV o Navegación Lateral para el plan de vuelo lateral y VNAV o Navegación Vertical para el plan de vuelo vertical. VNAV proporciona objetivos de velocidad y cabeceo o altitud, y LNAV proporciona comandos de control de alabeo al piloto automático.

Las aeronaves sofisticadas, generalmente aviones comerciales como el Airbus A320 o el Boeing 737 , y otras aeronaves con motores turbofán, cuentan con navegación vertical ( VNAV ) de alto rendimiento. El objetivo de la VNAV es predecir y optimizar la trayectoria vertical. El sistema de guiado incluye el control del eje de cabeceo y del acelerador.

El FMS necesita un modelo de vuelo y de motor completo para disponer de los datos necesarios. La función puede generar una trayectoria vertical prevista a lo largo del plan de vuelo lateral utilizando esta información. El fabricante de la aeronave suele ser la única fuente de este modelo de vuelo completo.

El perfil vertical se genera mediante el FMS durante la fase previa al vuelo. Junto con el plan de vuelo lateral, utiliza el peso inicial en vacío, el peso del combustible, el centro de gravedad y la altitud de crucero de la aeronave. El primer paso en un rumbo vertical es ascender a la altitud de crucero. En algunos puntos de ruta SID se encuentran limitaciones verticales como "A 8000 pies o más". Se puede utilizar la reducción de empuje, o ascenso "FLEX", durante el ascenso para preservar los motores. Es necesario tener en cuenta cada factor al realizar proyecciones del perfil vertical.

La implementación de un sistema VNAV preciso es difícil y costosa, pero se traduce en ahorro de combustible, principalmente durante el vuelo de crucero y el descenso. En el vuelo de crucero, donde se consume la mayor parte del combustible, existen diversos métodos para ahorrarlo.

A medida que una aeronave consume combustible, se vuelve más ligera y puede volar a mayor altitud, donde la resistencia aerodinámica es menor. Los ascensos escalonados o de crucero facilitan esto. El sistema VNAV puede determinar dónde deben realizarse los ascensos escalonados o de crucero (en los que la aeronave asciende continuamente) para minimizar el consumo de combustible.

La optimización del rendimiento permite al FMS determinar la mejor o más económica velocidad para volar en vuelo nivelado. A menudo se la denomina velocidad ECON . Esta se basa en el índice de coste , que se introduce para dar una ponderación entre la velocidad y la eficiencia del combustible . El índice de coste se calcula dividiendo el coste por hora de operación del avión por el coste del combustible. ^{[ 3 ] [ 4 ]} Generalmente, un índice de coste de 999 da velocidades ECON lo más rápidas posible sin tener en cuenta el combustible y un índice de coste de cero da la máxima economía de combustible sin tener en cuenta otros costes por hora como el mantenimiento y los gastos de la tripulación. El modo ECON es la velocidad VNAV utilizada por la mayoría de los aviones comerciales en crucero.

El RTA (tiempo de llegada requerido) permite al sistema VNAV establecer como objetivo la llegada a un punto de referencia específico en un momento determinado. Esto suele ser útil para la programación de franjas horarias de llegada en aeropuertos. En este caso, el VNAV regula la velocidad de crucero o el índice de coste para garantizar que se cumpla el RTA.

Lo primero que calcula el VNAV para el descenso es el punto de inicio del descenso (TOD). Este es el punto donde comienza un descenso eficiente y cómodo. Normalmente, esto implica un descenso en vacío, pero para algunas aeronaves, un descenso en vacío resulta demasiado pronunciado e incómodo. El FMS calcula el TOD simulando el descenso en sentido inverso, desde el aterrizaje, pasando por la aproximación y hasta el crucero. Para ello, utiliza el plan de vuelo, el modelo de vuelo de la aeronave y los vientos de descenso. En los FMS de las aerolíneas, esta es una predicción muy sofisticada y precisa; en los FMS más sencillos (de aeronaves más pequeñas), se puede determinar mediante una regla general, como una trayectoria de descenso de 3 grados.

Desde el TOD, el VNAV determina una trayectoria prevista en cuatro dimensiones. Cuando el VNAV ordena a los aceleradores que se pongan al ralentí, la aeronave comienza su descenso siguiendo la trayectoria prevista. Si la trayectoria prevista es incorrecta o los vientos en la trayectoria de descenso difieren de las predicciones, la aeronave no seguirá la trayectoria a la perfección. La aeronave varía el cabeceo para mantener la trayectoria. Dado que los aceleradores están al ralentí, esto modulará la velocidad. Normalmente, el FMS permite que la velocidad varíe dentro de un pequeño rango. Después de esto, los aceleradores aumentan (si la aeronave está por debajo de la trayectoria) o el FMS solicita los frenos aerodinámicos con un mensaje, a menudo "RESISTENCIA REQUERIDA" (si la aeronave está por encima de la trayectoria). En las aeronaves Airbus, este mensaje también aparece en la PFD y, si la aeronave está muy por encima de la trayectoria, se mostrará "MÁS RESISTENCIA". En los aviones Boeing, si el avión se desvía demasiado de la trayectoria prescrita, cambiará de VNAV PTH (que sigue la trayectoria calculada) a VNAV SPD (que desciende lo más rápido posible manteniendo una velocidad seleccionada, similar a OP DES (descenso abierto) en los Airbus.

Un descenso ideal en ralentí, también conocido como «descenso ecológico», utiliza la mínima cantidad de combustible, minimiza la contaminación (tanto a gran altitud como en las inmediaciones del aeropuerto) y reduce al mínimo el ruido ambiental. Si bien la mayoría de los sistemas modernos de gestión de vuelo (FMS) de los grandes aviones comerciales permiten realizar descensos en ralentí, la mayoría de los sistemas de control de tráfico aéreo no pueden gestionar, por el momento, que varias aeronaves utilicen simultáneamente su propia ruta de descenso óptima hacia el aeropuerto. Por lo tanto, el control de tráfico aéreo minimiza el uso de descensos en ralentí.

• Índice de artículos sobre aviación
• Acrónimos y abreviaturas en aviónica
• Procedimiento de desplazamiento lateral estratégico

• ARINC 702A, Sistema informático avanzado de gestión de vuelo
• Aviónica, Elementos, Software y Funciones, Cap. 20, Cary R. Spitzer, ISBN 0-8493-8438-9
• Guía del usuario de FMC B737, Cap. 1, Bill Bulfer, Leading Edge Libraries
• Casner, SM. Guía del piloto para la cabina de mando de las aerolíneas modernas . Newcastle, WA, Aviation Supplies and Academics, 2007. ISBN 1-56027-683-5.
• Chappell, AR et al. "El tutor VNAV: Abordando una dificultad de conocimiento del modo para pilotos de aeronaves con cabina de cristal." IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics Part A, Systems and Humans , vol. 27, n.º 3, mayo de 1997, pp.  372–385.