Sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS)

Prueba en vuelo de una unidad de medición inercial mejorada mediante GNSS. Crédito: Xsens North America Inc.

Sistema AHRS. Crédito: Xsens North America Inc.

Desde hace unos años, los sistemas de referencia de actitud y rumbo vienen siendo utilizados para proporcionar al piloto la correspondiente información de vuelo con mayor precisión y fiabilidad que los tradicionales sistemas giroscópicos.

Por Raúl José Martín Palma

En los comienzos de esta serie (ver Avión & Piloto 17), mencionamos de pasada un elemento fundamental de los actuales glass cockpits: el sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS, Attitude and Heading Reference System). Dedicaremos pues este artículo al funcionamiento de este importante sistema de vuelo.

Sistemas giroscópicos

Acelerómetro de tres ejes. Crédito: SparkFun Electronics.

Tradicionalmente, la información relativa a la actitud y rumbo dentro de la aviación se obtenía a través de sistemas giroscópicos mecánicos, bien neumáticos (funcionan con un sencillo sistema de vacío) o eléctricos. De forma muy resumida, los giroscopios son dispositivos mecánicos equipados con rotores giratorios. Generalmente se utiliza un giroscopio vertical para determinar la actitud y la guiñada, mientras que se utiliza un giroscopio direccional independiente para el rumbo. La información se presenta al piloto directamente por los propios giroscopios.

En líneas generales estos sistemas mecánicos poseen una limitada fiabilidad aunque, en particular, los giroscopios neumáticos poseen un mayor número de limitaciones prácticas. Entre éstas se encuentra la imposibilidad de utilizarlos a partir de una determinada altitud (unos 30.000 pies) o a temperaturas muy bajas por debajo de -40 ºC).

Unidades de medición inercial (IMU)

Una notable mejora a los tradicionales sistemas giroscópicos vino dada por las unidades de medición inercial (inertial measurement unit, IMU). Se trata de dispositivos que, utilizando una combinación de acelerómetros y giróscopos, permiten determinar la velocidad, orientación y fuerzas gravitacionales de una aeronave.

Así, estas unidades constituyeron el elemento principal de los sistemas de navegación inercial que fueron utilizados en los primeros glass cockpits de la aviación militar y comercial. Sin embargo, estos primeros sistemas tenían un coste inasumible para la aviación ligera, por lo que en este segmento se continuaron utilizando los sistemas clásicos.

La gran desventaja de las unidades de medición inercial tiene su origen en la acumulación de errores durante su utilización. Es decir, puesto que el sistema de guiado está continuamente integrando la aceleración para calcular la velocidad y la posición, los errores de medición se acumulan (deriva).

Diversos AHRS compactos. Crédito: Xsens North America Inc.

Sistema de referencia de actitud y rumbo (AHRS)

La gran revolución en este campo fue debida a la aparición de los sistemas de referencia de actitud y rumbo (AHRS), que supusieron un notable avance sobre las unidades de medición inercial. Los sistemas AHRS fueron creados para proporcionar una mayor fiabilidad y precisión. Estos sistemas básicamente consisten en una serie de sensores en los tres ejes coordenados a partir de los cuales se obtiene la información de rumbo y actitud de la aeronave.

De esta forma, un AHRS proporciona al piloto orientación tridimensional mediante la integración de giroscopios y la combinación de los datos obtenidos mediante acelerómetros y magnetómetros. Debe señalarse que los giroscopios utilizados por los AHRS son muy diferentes de los tradicionales ya que, al igual que los acelerómetros y los magnetómetros, se trata de sistemas microelectromecánicos (MEMS). Los sistemas microelectromecánicos, desarrollados a partir de mediados de los años 1980, pueden definirse como componentes mecánicos y electromecánicos miniaturizados. Para su desarrollo se utilizan técnicas de microfabricación similares a las empleadas en la producción de circuitos integrados. Los dispositivos microelectromecánicos están constituidos por estructuras con tamaños típicos entre 1 y 100 micrómetros.

A fin de tener en cuenta la deriva giroscópica, que como hemos indicado puede producir datos erróneos, los sistemas AHRS utilizan acelerómetros y magnetómetros. El acelerómetro hace uso de la gravedad para servir tanto de referencia inicial de actitud como de referencia en vuelo. Por su parte, el magnetómetro utiliza el campo magnético de la tierra para proporcionar información de rumbo. Finalmente, el AHRS agrega toda la información de estos diferentes componentes y lleva a cabo complejos cálculos mediante los algoritmos convenientes para proporcionar datos de actitud y rumbo de gran fiabilidad.

Sistema que combina la navegación inercial con datos GPS/GNSS. Crédito: SBG Systems.

AHRS mejorado mediante GPS

Los sistemas AHRS han demostrado una gran fiabilidad y se utilizan ampliamente en nuestros días. De hecho, estos sistemas se integran con los sistemas electrónicos de instrumentos de vuelo (EFIS) que son la parte central de los glass cockpits.

Sistema de referencia de actitud y rumbo. Crédito: Watson Industries, Inc.

Pero, como es lógico, los sistemas evolucionan de forma constante. Para mejorar el rendimiento de los sistemas AHRS sometidos a aceleraciones duraderas y en condiciones bajo perturbaciones magnéticas severas, están disponibles en el mercado AHRS mejorados mediante GPS. Estos sistemas hacen uso de la señal GNSS/GPS para determinar las aceleraciones y la velocidad, que se utilizan para hacer la referencia con la gravedad más robusta, dando como resultado valores más exactos de actitud.

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