Históricamente, las comunicaciones eran el segundo requisito más buscado después de la navegación. Se utilizaban para controlar el tráfico y evitar colisiones, difundir información meteorológica y gestionar mensajes operativos.

Al principio, un controlador aéreo podía ponerse en contacto con una aeronave y solicitar su posición, que era determinada por la tripulación de vuelo a partir de sus sistemas de navegación. Dado que la posición procedente de esas fuentes no era muy precisa, las aeronaves bajo control del tráfico aéreo (ATC) tenían que estar muy separadas de otras aeronaves para evitar colisiones cerca de los principales centros de distribución. Durante la Segunda Guerra Mundial se desarrolló un método de localización de aeronaves que no requiriera la comunicación vocal con la tripulación. La altitud y la posición de la aeronave se calculaban con el ángulo de elevación (ε) del radar y la distancia (R) entre el radar y la aeronave (que se estimaba por el tiempo de viaje de las ondas de radio multiplicado por la velocidad de la luz). Esta es una fórmula simplificada, sin embargo, la fórmula original tiene en cuenta la curvatura de la tierra y la refracción de las ondas de radio en la atmósfera.

Un segundo problema era la dificultad de identificar positivamente un avión. Los reflejos del radar primario de las aeronaves hostiles y amigas eran más o menos iguales. Identificación de Amigo o Enemigo(IFF) junto con el radar secundario se desarrolla para resolver este problema.

Modo A y Modo C

El sistema IFF tiene 5 modos, Modo 1 a Modo 5. Nos centraremos en el Modo 3 en este artículo ya que es el más popular y es adoptado por las aeronaves civiles también.

El Modo 3 tiene dos submodos diferentes. El primero es el Modo A, que es de 4 dígitos, código octal (los dígitos están entre 0-7) que proporciona la identidad temporal. El Modo C es la información de altitud de presión de la aeronave.

El equipo IFF se llama transpondedor, abreviatura de transmisor-respondedor. Antes o durante cada vuelo, los pilotos pueden ser instruidos por el personal de ATC para «Squawk XXXX». XXXX en este contexto es el código del Modo 3/A. El código del Modo 3/A es la identidad temporal de la aeronave para ese ATC. El piloto ajusta entonces el código de Modo 3/A de su transpondedor al código solicitado. Este código se envía entonces como respuesta a las interrogaciones de Modo 3/A por parte del ATC. El código de Modo 3/A puede ser utilizado para otros fines además de la identificación. Algunos códigos importantes del Modo 3/A utilizados con fines no identificativos son:

• 1200: Generalmente utilizado por las aeronaves bajo las Reglas de Vuelo Visual(VFR)
• 7700: Utilizado durante una emergencia
• 7600: Utilizado cuando falla la comunicación por radio
• 7500: Utilizado durante el secuestro (interferencia ilegal) de la aeronave

El modo 3/C es información de altitud de presión que se utiliza junto con el modo 3/A. El Modo 3/A puede utilizarse solo, pero el Modo 3/C sólo puede utilizarse con el Modo 3/A. Esta información de altitud tiene incrementos de 100 pies.

Los pilotos pueden activar o desactivar las respuestas del Modo 3/A y del Modo 3/C del transpondedor. Pero si están activados, el transpondedor responde a las interrogaciones del Modo 3/A y del Modo 3/C con respuestas del Modo 3/A y del Modo 3/C para compartir la información de identificación y de altitud.

El Radar de Vigilancia Secundaria (SSR) se utiliza para interrogar a los transpondedores de las aeronaves. El SSR se coloca generalmente encima del radar primario, por lo que miran en la misma dirección. Este sistema se denomina Air Traffic Control Radar Beacon System (ATCRBS). Ambos radares giran al mismo tiempo/dirección y el SSR envía interrogaciones en un haz de ondas de radio. Cualquier aeronave que pase por ese haz responderá adecuadamente. De este modo, la dirección de la aeronave (estimada por el radar primario) y los datos de identificación/altitud del transpondedor pueden correlacionarse para identificar positivamente la aeronave y obtener una posición tridimensional fija de la misma.

Desventajas del Modo 3/A y del Modo 3/C

Aunque estos primeros sistemas ayudaron a resolver el problema de la identificación y la fijación tridimensional, eran intrínsecamente insuficientes.

• Las respuestas del Modo 3/C no tenían detección/corrección de errores. Para solucionar esto, se realizan múltiples interrogaciones para elegir la respuesta más «popular» como la respuesta de altitud correcta. Esto provocaba que la frecuencia de respuesta estuviera hinchada.
• Múltiples aeronaves en la misma dirección del radar respondían a las interrogaciones simultáneamente. Esto crea confusión, difícil de resolver qué respuesta pertenece a qué aeronave.
• Los códigos de modo 3/A se están volviendo insuficientes en algunas regiones superpobladas ya que consiste en 4 dígitos octales solamente (8⁴ oportunidades).

Modo S

La Administración Federal de Aviación (FAA) desarrolló un nuevo sistema que permite la identidad única, la interrogación selectiva y la respuesta única. Las especificaciones de este nuevo sistema eran:

• Interrogación selectiva: Para reducir las interferencias, cada aeronave puede ser interrogada selectivamente con su dirección única de 24 bits en modo S.
• Conjunto de datos más amplio: El sistema de Modo S maneja un conjunto de datos mucho mayor que la simple pareja de identificación/altitud.
• Compatibilidad con versiones anteriores: El sistema de Modo S puede trabajar con los sistemas de Modo 3 A/C(ATCRBS). Por esta razón, utilizan la misma banda de frecuencia para la interrogación y las respuestas.
• Detección de errores: se utiliza un mecanismo CRC de 24 bits para detectar errores en los mensajes del Modo S, lo que permite una comunicación sólida. Esto elimina la necesidad de múltiples interrogaciones y respuestas que se utilizan en los sistemas de Modo 3 A/C.
• Eficiencia del espectro: Gracias a la interrogación selectiva y a la detección de errores, el espectro se utiliza de forma más eficiente.

Tipos de Interrogación en Modo S

Los sistemas en Modo S tienen dos tipos de interrogación: no selectiva y selectiva. Veamos sus especificaciones y casos de uso.

Interrogaciones no selectivas del Modo S

Los sistemas del Modo S con su capacidad de retroceso tienen estos tipos de interrogación no selectiva.

• ATCRBS All Call: Los transpondedores en modo A/C responden a esta interrogación normalmente. Los transpondedores en modo S responden a esta interrogación como si fueran transpondedores en modo A/C, con la misma forma de onda.
• ATSCRBS/Modo S All Call: Los transpondedores en modo A/C responden con datos de ID/altitud. Los transpondedores en modo S responden con información de ID/altitud y dirección en modo S en forma de onda.
• ATCRBS Only All Call: Sólo los transpondedores con capacidad de Modo A/C responden a esta interrogación con datos de ID/Altitud. Los transpondedores de modo permanecen en silencio
• Sólo Modo S Todas las llamadas: Sólo los transpondedores en modo S responden a esta interrogación. Los transpondedores de modo A/C no responden.

Interrogación selectiva en modo S

Una vez que el sistema de modo S conoce la dirección en modo A de la aeronave objetivo, ésta se añade a la lista de direcciones en modo S de la aeronave para su interrogación selectiva. La interrogación selectiva se realiza para adquirir diferentes porciones del conjunto de datos en Modo S.

Ejemplo de uso de las interrogaciones en Modo S

Supongamos que el sistema de interrogación en Modo S arranca en frío, sin información previa almacenada. Hay transpondedores de Modo A/C y transpondedores de Modo S en las aeronaves en el espacio aéreo.

1. ATCRBS All Call se utiliza para obtener las identidades de Modo A y las altitudes de todas las aeronaves.
2. ATSCRBS/Mode S All Call o Mode S Only All Call se utiliza para adquirir todas las direcciones de Modo S de las aeronaves con capacidad de Modo S. Estas direcciones de Modo S se registran en la lista de llamadas para su uso posterior. Las aeronaves registradas pueden bloquearse para futuras llamadas en Modo S para reducir las respuestas innecesarias.
3. En este punto, el sistema de interrogación sabe qué aeronave tiene qué capacidad. Las aeronaves en Modo A/C son interrogadas con la Llamada Total sólo ATCRBS. Las aeronaves con capacidad de Modo S se interrogan con la interrogación selectiva de Modo S con la ayuda de la lista de llamada de lista.

Conjunto de datos de Modo S

Los sistemas de Modo S manejan más datos que los transpondedores de Modo A/C. Estos datos se introducen en uno de los 255 registros del Modo S, cada uno con una longitud de 56 bits. Una vez que se introducen datos válidos en estos registros, los sistemas de Modo S pueden interrogarlos selectivamente para conocer su contenido. Los sistemas en modo S ofrecen dos capacidades diferentes: vigilancia elemental (ELS) y vigilancia mejorada (EHS). Los sistemas capaces de EHS proporcionan la capacidad ELS más otros datos.

• ELS: El sistema debe proporcionar un informe automático de la identidad de la aeronave, un informe de la capacidad del transpondedor, el estado del vuelo (en el aire/en tierra), un informe de la altitud.
• EHS: El sistema proporciona la capacidad ELS, además de la altitud seleccionada en el registro (4,0), el ángulo de balanceo, la velocidad del ángulo de seguimiento, el ángulo de seguimiento real, la velocidad sobre el terreno en el registro (5,0), el rumbo magnético, la velocidad del aire indicada/número de máquina, la velocidad vertical en el registro (6,0).

Nota: Cada mensaje en modo S, incluidos los mensajes ADS-B que se explican en la siguiente sección, llevan la dirección del remitente en modo S de 24 bits.

ADS-B

ADS-B(Automatic Dependent Surveillance Broadcast) es una función para las aeronaves de vuelo o de superficie, u otros vehículos de superficie que operan dentro del área de movimiento de la superficie del aeropuerto que transmite periódicamente su vector de estado (posición horizontal y vertical, velocidad horizontal y vertical) y otra información, de acuerdo con RTCA DO-260B.

• Automático: No se necesita ningún estímulo externo(como las interrogaciones en Modo S).
• Dependiente: Depende de las fuentes de navegación de a bordo y de los subsistemas de transmisión(principalmente GPS, ADC).
• Vigilancia: Proporciona información de vigilancia para otros usuarios
• Transmisión: El sistema ADS-B puede tener o no el conocimiento de qué usuarios están recibiendo su emisión.

Los sistemas ADS-B emiten los datos agrupados en determinados registros que se indican a continuación;

• Registro 0,5: Altitud, Latitud y Longitud del aire.
• Registro 0,6: Movimiento en Superficie, Rumbo, Latitud y Longitud.
• Registro 0,8: Identificación de la Aeronave y Categoría.
• Registro 0,9: Velocidad Este-Oeste y Velocidad Norte-Sur o Rumbo y Velocidad Aérea(dependiendo del subtipo), Velocidad Vertical, Diferencia de Altura Geométrica de la Altitud Barométrica.

Para el año 2020, todas las aeronaves comerciales y las aeronaves que vuelan en el espacio aéreo de clase A, B & C están obligadas a estar equipadas con transpondedores con capacidad ADS-B out, lo que significa que deben tener capacidad de emisión, pero no necesariamente capacidad de recibir y decodificar mensajes ADS-B.

Modo S y TCAS

TCAS es la abreviatura de Traffic Alert and Collision Avoidance System. Los TCAS utilizan interrogaciones aire-aire en Modo S para comunicarse entre sí. El sistema evalúa las amenazas de colisión según el alcance, la velocidad, la pista y la altitud de la otra aeronave.

Los sistemas TCAS interrogan entre 20 Nm y 40 Nm de alcance. Utilizan interrogaciones ATSCRBS/Modo S All Call. El transpondedor en modo S que lleva la aeronave puede entonces ser interrogado con interrogaciones selectivas para obtener más datos.

Traffic Advisory(T.A.) se activa cuando hay una posible colisión calculada en 40 segundos. La elección se deja a la tripulación en este caso, ya que es fácil detectar el intruso (otra aeronave) visualmente en 40 segundos. El aviso de tráfico es simplemente una alerta vocal.

El aviso de resolución (R.A.) se activa a los 25 segundos de la posible colisión, cuando la tripulación no maniobra la aeronave de manera que se reduzca la probabilidad de colisión. R.A. implica que no hay suficiente tiempo para detectar visualmente la aeronave intrusa. El aviso de resolución puede ser Climb! o Descend!.

Los sistemas TCA transmiten R.A. a través del Modo S a otras aeronaves. La aeronave receptora puede entonces calcular su propio R.A. que evitaría la colisión. Por ejemplo, si una aeronave decide ascender como R.A. y lo transmite, las aeronaves receptoras decidirán descender como su R.A. por lo que evitarían la colisión.

Conclusión

Aunque el Modo S se desarrolló para responder al problema de la saturación del espacio aéreo, en algunos lugares resultó insuficiente. Citando directamente al Sr. Douwe Lambers;

La introducción de muchos drones con ADS-B inundará la banda de 1090 MHz con mensajes. Esto degradará todos los sistemas que trabajan en 1090 MHz, como el Modo A/C, 1/2/3/4/5, S y TCAS. Es probable que se produzcan interferencias y en zonas congestionadas como Frankfurt o la cuenca de Los Ángeles la frecuencia ya está congestionada sin el tráfico de drones.

Se trata de una cuestión de si podemos integrar los drones con capacidad ADS-B en el sistema de vigilancia actual. La FAA apuesta por un sistema diferente para los drones para conseguir el mismo objetivo, llamado Identificación Remota. Pero el problema con los actuales sistemas de Modo S sigue siendo, ¿necesitará una actualización en el futuro?

Nota: Puede leer mi artículo sobre la integración de drones COTS en la red ATC para obtener más información sobre el tema.