Apuntes de Sistemas de Navegación Aérea - ETSI Aeronáuticos UPM

208 Pages·4.068 MB·Spanish

by  Francisco Javier Sáez Nieto

Características
Operacionales
De los Equipos
del SNA

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2.1.- INTRODUCCIÓN

Los componentes del SNA están, en general, formados por equipos
electrónicos. Sin embargo, los requisitos, en prestaciones, sobre la calidad
y estabilidad de la información útil que tratan y producen son, por razones
obvias, especialmente rigurosos en relación con otras áreas de aplicación.

Piénsese, por ejemplo, que un fallo en algunos componentes básicos del
ILS, en una maniobra de precisión en condiciones de baja visibilidad, puede
determinar un riesgo grave en una operación de aterrizaje. Del mismo
modo, un error en la presentación de la traza de una aeronave en la
pantalla de una unidad de control de tráfico aéreo puede llegar a ocasionar
un conflicto entre aeronaves.

Para medir la "calidad" de un equipo componente del SNA, cuando éste
produce información útil para la navegación o circulación aérea, es decir, un
servicio, se han definido, entre otros, los conceptos de:

- Precisión (P)
CARACTERÍSTICAS OPERACIONALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

- Integridad (I)
- Fiabilidad (R) ó Continuidad de Servicio (CS)
- Disponibilidad (A)

El concepto de precisión (P) se analizará más adelante dentro de este
capítulo:

La definición matemática de integridad (I) es:

I 1P (2.1)

Donde:
I = integridad
P = probabilidad de utilización de señales fuera de tolerancia.

Para incrementar la integridad (el objetivo ideal es I = 1), los equipos que
generan señales para la navegación o circulación aéreas incluyen una
supervisión activa o monitorización que, en caso de detectar señales fuera
de tolerancia, cancelan la operación del equipo ó lo sustituyen por otro
(cuando existe redundancia), a través de una unidad de control asociada.

El esquema básico del principio de supervisión, en el caso de señales
radiadas, es como se indica en la figura 2.1.

La incorporación del monitor (ó supervisor) y unidad de control incrementa
notablemente la integridad de las señales, pero puede que un fallo de éstos
siga tolerando la emisión de señales erróneas ó fuera de los límites de
tolerancia establecidos (fallo de integridad). Para reducir al mínimo este
efecto se ha definido la técnica "fail-safe", al objeto de garantizar que
cualquier fallo de estos elementos no inhiba su función de apagado, y no
impida, aún a costa de la supresión de la señal, la acción de orden de
apagado en caso de registrar señales fuera de tolerancia.

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CCARACTERÍSTICAAS OPERACIONAALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

F ig. 2.11. Principioo de Supervisión enn los equippos compoonentes deel SNA.

Desde otro punto de vista, lla supervissión disminnuye la "fiaabilidad (R))" del
equipo ya que un fallo en cuualquiera dde las partees (incluidoo el supervvisor)
producirá una susspensión dee las señales radiadas y, por coonsiguientee, una
perturbaación del sservicio.

La OACCI define el término dee confiabiliddad (o fiabilidad) paraa una instalaación
como ""probabiliddad de quue una insstalación funcione dentro dee las
tolerancias especificadas"", sin embaargo, en texxtos especcializados sse da
una deefinición máás precisaa de este concepto, al que coomúnmentte se
denomina "fiabilidaad" (reliability, R(t)): ""probabiliddad de quee la instalaación
no hayya fallado antes de un tiemppo (t)", es decir, es uuna función del
tiempo que cumple las condiciones límmite siguienttes:
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CARACTERÍSTICAS OPERACIONALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

R0 1

R0

Para aumentar la fiabilidad de las instalaciones se emplean configuraciones
redundantes tanto en el equipo propiamente dicho, como en la supervisión
del mismo y en el sistema de alimentación de energía de la instalación.

Relacionado con el concepto de Fiabilidad está la "Continuidad de Servicio"
(CS) ó Fiabilidad a corto plazo, concepto muy importante en Sistemas de
Aproximación de precisión (ILS, MLS).

El cuarto concepto, indicador de la calidad de un equipo de SNA, muy
relacionado con los anteriores, es la disponibilidad (o availability). La
definición
que de este concepto establece OACI es: "relación que existe entre el
tiempo real de funcionamiento y el tiempo de funcionamiento en el
que esta instalación es requerida, o está especificada como
operativa". Este concepto expresa muy bien el grado en que está a
disposición de los usuarios una instalación. Una formulación inicial para
este concepto es:

n t
A fri (2.2)
T
1 e
Donde:

A = disponibilidad
n = número de veces en que la instalación se encuentra "fuera de
servicio" por cualquier causa, dentro del tiempo especificado.
t = tiempos parciales de funcionamiento real
fri
Te = tiempo especificado como operativo.

Cuando n es muy grande y la distribución de fallos en el tiempo es aleatoria,
se pueden definir dos parámetros con dimensión de tiempo y definidos
como:

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CARACTERÍSTICAS OPERACIONALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

n t
MTBF  fri
n
1 (2.3)
n t
MTTR nfi
n
1
Donde:
MTBF = tiempo medio entre fallos (mean time beetwen failure).
MTTR = tiempo medio de reparaciones (mean time to repair).
t = tiempo parcial de no funcionamiento.
nfi

De las (2.3) y (2.2.), se puede obtener para la disponibilidad la siguiente
expresión:
MTBF
A (2.4)
MTBF MTTR

Como puede deducirse, la disponibilidad está muy relacionada con la
fiabilidad intrínseca del equipo (a mayor fiabilidad mayor MTBF) y con la
acción exterior de mantenimiento, que afecta al MTTR (a mejor
mantenimiento, menor MTTR). Para aumentar la disponibilidad de los
equipos del SNA existen las técnicas de "soft fail" y "bite" (built in test
equipment). La primera hace al conjunto tolerante ante fallos que no
conllevan una pérdida sustancial en la calidad de la señal y, la segunda,
introduce un autochequeo al equipo, con lo que se pueden conocer
anticipadamente problemas potenciales, mejorando su "mantenibilidad".

Como resumen, las características funcionales básicas, exigibles para un
equipo del SNA, se enuncian en la tabla siguiente, en la que además se
indica cual es el objetivo ideal y los recursos técnicos más interesantes de
que se dispone en respuesta al requisito especificado.

En la sección siguiente se describen los tres últimos conceptos, englobados
dentro de lo que denominamos "persistencia operacional". Más adelante se
estudian los aspectos relacionados con la precisión.

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CARACTERÍSTICAS OPERACIONALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

CONCEPTO VALOR SU FALLO PRODUCE:
IDEAL
PRECISION -- Posicionamiento fuera de los límites
de tolerancia
INTEGRIDAD I=1 Emisión de señales fuera de los
márgenes de tolerancia
especificados inadvertidamente
CONTINUIDAD DE CS=1 Suspensión imprevista de la señal
SERVICIO durante el tiempo en que estan
siendo utilizadas
DISPONIBILIDAD A=1 Ausencia de señales durante el
periodo especificado

2.2. CARACTERÍSTICAS DE LOS EQUIPOS DEL SNA RELACIONADOS
CON LA PERSISTENCIA

En la sección precedente se han considerado los diferentes conceptos
relacionados con la operación de los equipos del SNA. En lo que sigue se
desarrollan aquellas relacionadas con la persistencia de la señal, es decir:
Integridad, Fiabilidad (y Continuidad de Servicio) y Disponibilidad. También
se hace una referencia al concepto de Mantenibilidad.

En la figura 2.2 se presenta un esquema general de una instalación del
SNA en configuración redundante DUAL. Una arquitectura de este tipo
puede ser aplicable para sensores del tipo ILS, MLS, VOR, DME, SSR, etc.

El esquema de la fig. 2.2., es una ampliación del correspondiente a la figura
2.1 añadiéndose duplicidad de equipos (E1 y E2) y triplicidad de monitores
(M1, M2 y M3), el entorno de alimentación de energía para estos equipos
es también redundante con doble acometida y equipo de continuidad. En
este caso la unidad de control actúa, si se registra fallo, haciendo una
transferencia de equipo en primer término y, si éste subsiste, dando una
orden de apagado de la instalación. La validación de fallo registrada por los
monitores puede hacerse en lógica "o" ó "y" según el objetivo sea la mayor
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CCARACTERÍSTICAAS OPERACIONAALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

integridad o la mejjor fiabilidaad/disponibbilidad, resppectivamennte.

Fig. 2.2.- Esquemma generaal de una cconfiguracción Dual

Como ppuede apreeciarse de la figura 2.2., del equuipamiento imprescinddible,
se ha paasado a unna configuraación muchho más commpleja y, poor consiguiente,
más cosstosa. Las cuestioness son: ¿Cuál es la meejora obtennida en térmminos
de perssistencia opperativa en la instalacción? y, commo contrappartida, ¿cuuál es
el costee adicionaal?. El darr una resppuesta preecisa a esstas cuestiiones
constituuye una dissciplina teccnológica, cconocida como R&M (Reliabilityy and
Mantennibility) que no es objeeto de estee texto, sin embargo, a continuaación
se resumen, los eelementos pprácticos dde esta teoría de apliccación direecta a
los equipos del SNNA relativos a la persistencia opperacional.

Para unna mejor ccomprensióón se describen en primer lugarr los conceeptos
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CARACTERÍSTICAS OPERACIONALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

relativos a la Fiabilidad (y Continuidad de Servicio), en segundo término la
Disponibilidad, y, por último la Integridad.

2.2.1. Elementos relativos a la Fiabilidad

Al considerar a la fiabilidad como una probabilidad que es función continua
del tiempo, se consigue que los modelos matemáticos sean sencillos que
utilizan funciones de densidad y distribución de probabilidades.

Se define la "función de distribución" F(t) a la que representa la
probabilidad de que el equipo falle dentro del intervalo (0,t). Por lo tanto
F(0)=0 y F()=1. Es, por tanto, una función acotada (0F(t)1) y monótona
creciente (F(t)F(t+∆t)).

Como complementaria a esta definición se define la fiabilidad R(t) que
representa la probabilidad de que el equipo “no falle” durante el intervalo
(0,t). Por lo tanto R(0)=1 y R()=0. Obviamente esta función también será
acotada pero monótona decreciente.

La probabilidad de fallo en un intervalo infinitesimal de tiempo, (dt), será
(suponiendo continua la función de distribución) también infinitesimal. La
variación, con el tiempo, de la función de distribución da una nueva función
(f(t)) que se define como función de "densidad de probabilidad de fallo":

dFt
f t (2.4)
dt

De esta expresión se obtienen inmediatamente:

t
Ft f t·dt
0
t
Rt1Ft1 f t·dt
0
t
 f t·dt 1
0

Relacionados con la fiabilidad se definen dos conceptos que son: "vida
media" y "tasa de fallo".

Se define "vida media" (o tiempo medio entre fallos) (MTBF) de un equipo a
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CARACTERÍSTICAS OPERACIONALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

la esperanza matemática del tiempo libre de fallo, es decir, aquel que
cumple:
t 
MTBF· f t·dt  t·f t·dt
0 0

De donde resulta:

MTBF  t·f t·dt (2.5)
0

El MTBF se puede poner en función de la fiabilidad utilizando la expresión
(2.4.) obteniendo:
MTBF t·dFtt·d1Rtt·dRt
0 0 0
t·Rt Rt·dt
 
0 0

después de integrar por partes, y como al ser R(0)=1:

lim t·Rt0
t0

resulta:


MTBF  Rt·dt (2.6)
0

Estas expresiones para el MTBF (2.5) y (2.6) son consistentes con la
primera de las (2.3), sólo que, en aquel caso, los valores de la función de
distribución y del tiempo se consideraban discretas y, en este caso, ambas
funciones son continuas.

La "Tasa de Fallo" mide la probabilidad relativa de fallo en el tiempo t. Es
decir, si existe variación de la fiabilidad en un intervalo de tiempo ∆t, es
porque hay probabilidad de que en este intervalo exista fallo. Cuanto mayor
es la variación temporal relativa de fiabilidad, mayor será la probabilidad de
fallo en ese instante, de tal forma que podemos definir la tasa de fallo como:

RtRtt
tlim (2.7)
t0 t·Rt

Integrando la igualdad de (2.7), se tiene:

LnRttt·dt
0
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CCARACTERÍSTICAAS OPERACIONAALESDE LOS EQUIPOS DEL SNA

ó bien:
t
Rte0t·dt (2.8)

que derrivando noss da:
t
f tt·e0t·dt (2.9)

En equipos electróónicos, en general, laa tasa de fallo en funnción del tieempo
tiene unna forma que es conoocida comoo "curva dee la bañeraa" (Fig. 2.3..). Se
observaan tres perííodos difereenciados.

Fig. 22.3.- Evoluución típicca de la tassa de fallo en un equuipo electrrónico.

En el primero, ddesde t=0 a t=t , llaamado de fallos preematuros o de
1
"mortaliidad infanttil" la tasaa de fallo es decrecciente, hassta alcanzzar el
períodoo de establlecimiento o de tasaa de fallos constante,, esta situaación
viene ddeterminadda por defficiencias dde montaje o falloss ocultos een la
instalacción. El seggundo períoodo, entre tt y t , comprende la mmayor partte del
1 2
ciclo dee vida útil yy es la que se consideerará en loque siguee, por ser laa que
caracteriza mejoor el commportamiennto de los equiposs electrónnicos.
Finalmeente, el terccer períodoo, a partir de t , comprende unaa tasa de ffallos
2
crecientte relacionnada con el envejeecimiento dde los commponentess del
equipo.
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