¿Para qué se utiliza la ondulación del geoide en la aviación?

La gravedad de la Tierra no es uniforme debido a la distribución no uniforme de masa/materia. Arriba está el modelo estándar usado para describir la ondulación (diferencias arriba/abajo) del geoide: la forma de la superficie del mar de la Tierra basada en la gravedad y la rotación (los vientos y las olas no se tienen en cuenta).

Los satélites GNSS orbitan alrededor del centro de gravedad de la Tierra (un solo punto). Por lo tanto, habrá diferencias entre lo que mide un GNSS en función de su modelo de la Tierra (basado en este único punto: elipsoide) y lo real.

No todos los países se adhieren al estándar anterior, por lo que la dificultad es acordar un modelo. Los dispositivos GNSS usan tablas de búsqueda para corregir la diferencia (las dos esferas en su publicación son la diferencia entre lo que ve el satélite y lo que debería ver).

Las cabinas no se muestran a los pilotos. Utilizan altitudes/niveles indicados o de presión que trabajan sobre la presión barométrica.

Para las indicaciones de la cabina: los sistemas GNSS no pueden sustituir las mediciones estáticas de Pitot porque todos deben tener el mismo sistema y tener una frecuencia de actualización confiable que sea independiente de fuentes externas. Como muestra la imagen a continuación, una altitud/nivel basada en la presión también es ondulada debido a la presión superficial no uniforme y las tasas de caída. Los aviones vuelan hacia arriba y hacia abajo en vuelo nivelado, pero es difícil darse cuenta.

( Fuente )

Para cartografiar el terreno: cualquiera que sea el sistema que utilice un país para marcar el terreno en sus cartas, indicará la fuente en el AIP, como ha demostrado. Para el geoide, los países pueden incluso usar diferentes modelos como escribí anteriormente.

La buena noticia es que cada estación local corregirá el QNH en función de la presión a nivel del mar según el país en el que se encuentre.

RE editar:

821 ft es la ' H ', que es la elevación MSL anterior después de tener en cuenta el geoide. ' h ' es lo que mide un receptor GNSS no corregido (982' en esa imagen), y necesita corregirse con ' N ' (161'). La ondulación positiva se elimina ya que está por encima del 'datum elipsoide'.

¿Para qué se usa esto?

No se utiliza en la cabina. Se usa para cartografía local (los estándares difieren de un lugar a otro; los AIP mencionan la fuente).

RE nota:

Si una aeronave se encuentra a 35 000 pies sobre el aeropuerto de Saint Exupéry, esto ofrece dos posiciones horizontales posibles, que para las aeronaves pueden ser muy distantes.

No. Pero tengo que explicar por qué. No hay un diagrama en línea para explicarlo, ya que es un no, así que hice mi propio diagrama erróneo.

• azul es geoide
• punteado en elipsoide
• el rojo es la altura del receptor sin corregir (menos el bit que viaja a través de la Tierra)
• el círculo verde muestra las diferentes ubicaciones de la superficie en función de las normales desde las diferentes alturas del elipsoide hasta el geoide (lo que se propone; no es correcto)
• (ξ, η) es la desviación de la vertical , el ángulo proviene del suelo, ya que la topografía (diferente del geoide) no se ilustra arriba, proviene de donde se encuentran el geoide y el elipsoide (un nivel del mar correcto para ambos modelos)

Desviación de la vertical:

Imagine una mesa con patas no uniformes, de modo que dos esquinas opuestas estén al mismo nivel y las otras dos no. Si coloco una pelota en esa mesa, se moverá hacia la esquina inferior.

Si quiero medir el nivel de esta mesa contra el techo/suelo, necesitaré dos ángulos verticales, uno de norte a sur y otro de este a oeste. Si tuviéramos un ángulo, no sabríamos la dirección del nivel. Por eso se utilizan dos ángulos.

Medir esta deflexión es un elemento clave para conocer la ondulación (cambia de un lugar a otro). Ese es el ángulo que está causando esta confusión.

X y Y:

Ahora imagínese encima de un monumento, este monumento tiene coordenadas elipsoidales x e y. Luego te unes a un globo meteorológico y asciendes en línea recta (con referencia a la gravedad). Su receptor GNSS portátil no mostrará valores x e y diferentes por dos razones:

1. x e y no se derivan de z (ya sea corregido o no)
2. la ubicación de su elipsoide (x, y) no tiene nada que ver con la ondulación

La ondulación es una corrección para la z, no cambia su ubicación actual [física y medida] independientemente de la altitud. Si la altura (línea roja) está hacia arriba desde el monumento, entonces a la izquierda ya la derecha de la línea roja hay ondulaciones diferentes para diferentes ubicaciones.

Tenga en cuenta que no podría dibujar las normales erróneas al otro lado de la línea roja si quisiera.

Consulte este artículo: ¿En qué se diferencian las alturas derivadas del GNSS de otros sistemas de altura? Explica dónde se necesita una alta precisión y los problemas que pueden surgir cuando dos países con diferentes sistemas geoidales deciden construir un puente entre ellos.

Como mencionó @JanHudec , EGPWS necesita la corrección porque su modelo es elipsoide. Entonces, el país x necesita tener un sistema mediante el cual mida el geoide, su ondulación e informe a la industria de la aviación sobre la corrección. Es por eso que cuando un aeropuerto no está en la base de datos, el piloto obtiene "precaución, terreno" cuando se encuentra en una buena aproximación.

Otra aplicación es minimizar la deriva de los sistemas de navegación inercial, ya que inherentemente indican la vertical astronómica . Es más económico corregir la deriva a través del GNSS, como en el Boeing 787 ( alineación en movimiento ).

Como piloto, todo está referenciado al altímetro o al radioaltímetro por debajo de los 200 pies AGL. Se entiende que la "altitud del GPS" está un poco cerca pero no coincidirá exactamente, pero eso es lo que nos importa.

Para los pilotos militares que hacen targeteering (en tierra, antes de la misión), es posible que profundicen bastante en este tipo de cosas, pero en el mundo de las aerolíneas, todo y solo se trata de su altímetro en el panel frente a usted.

Como ya se ha explicado, en aviones equipados para IFR, no se muestra la altura del GPS. Se usa en EGPWS, pero si tiene el mapa codificado con alturas de geoide y un modelo de geoide separado, o si tiene el mapa codificado directamente en elevaciones de elipsoide, es un detalle de implementación de EGPWS.

Sin embargo, es posible que los ultraligeros no estén equipados con instrumentos estándar y muchos pilotos complementan lo poco que tienen con unidades de GPS. A menudo, se trata de unidades exteriores portátiles simples que pueden no tener un modelo de geoide y, por lo tanto, pueden mostrar la altura del elipsoide en lugar de la altura del geoide (= altitud sobre el nivel del mar).

Entonces, mi conjetura es que la ondulación del geoide se publica en beneficio de los pilotos de ultraligeros (incluido el parapente, también el globo, etc.) que vuelan con GPS.

Aquellos que dicen que 'todo en la aviación se refiere únicamente al altímetro' están simplificando demasiado la situación actual con aproximaciones por instrumentos basadas en GNSS que brindan guía vertical. Se utilizará una altitud barométrica para determinar el punto en el que el piloto debe dar la vuelta si el entorno de la pista no es visible, pero la senda de planeo que sigue la aeronave será generada por un sistema de navegación GNSS a bordo utilizando una ondulación Geiod corregida de altura cero. ' datum en el punto de toma de contacto en la pista.

Es bien sabido que a menudo habrá diferencias entre la altitud de control especificada en un punto determinado de la ruta de descenso y la altitud barométrica real, por lo que dichas aproximaciones pueden especificar una temperatura mínima por debajo de la cual no se puede utilizar la aproximación.

Respuesta corta

• La publicación de ondulación del geoide es una recomendación de la OACI. No todos los países están preparados para ello y, por lo tanto, a menudo falta información. Los GNSS son sensores capaces de proporcionar la altura sobre el elipsoide, para obtener el valor de MSL, es necesario restar la ondulación del geoide (algunos GNSS realizan esta operación por sí mismos, otros no).

• Las tripulaciones no utilizan la ondulación y la normativa prohíbe el uso de altitudes GNSS. Para los oficiales ATC y las tripulaciones de las aeronaves, la navegación vertical en ruta y terminal se realiza exclusivamente con valores barométricos, incluso cuando la aviónica utiliza GNSS en segundo plano (como en las aproximaciones LPV/GBS).

• Por lo tanto, en este momento, las altitudes en las cartas se expresan como valores sobre el nivel del mar (MSL), la referencia de altitud común.

• El diseño de una aproximación con guía vertical GNSS requiere conocer la ondulación del geoide ya que el procedimiento comienza desde altitudes MSL, pero el punto final (cruce del umbral) del procedimiento se codifica en la base de datos de navegación utilizando alturas elipsoidales. Ejemplo, para una aproximación GBAAS, los puntos LTP, GPIP y FPAP no están referenciados a MSL, sino al elipsoide (que se diferencian de MSL por la ondulación del geoide): ^{Diseño de aproximación GBAAS (GLS) con LTP, GPIP y FPAP referenciados a altura elipsoidal H. Fuente}
  
  
  

• Es posible que pase mucho tiempo antes de que algunos países puedan publicar el valor de ondulación de las pistas, ya que determinar la ondulación en el punto de interés con una precisión de 25 cm requiere un sistema de nivelación ampliado, basado en datos gravimétricos detallados de levantamientos conectados a WGS. -84 puntos de referencia de altitud.

El valor de ondulación es recomendado por la OACI

Manual WGS-84 / Doc 9674 :

1.4.8: Las alturas derivadas del GNSS se refieren al elipsoide WGS-84, que por lo general diferirá de la altura "normal" (ortométrica) en el mismo punto. La diferencia será significativa en el entorno del aeródromo cuando se navegue con sensores GNSS. Por lo tanto, la diferencia entre la altura ortométrica (altura del geoide, elevación) y la altura elipsoidal WGS-84 debe ponerse a disposición de la comunidad aeronáutica. La altura que separa el geoide y el elipsoide WGS-84 es la ondulación del geoide.

1.4.9: Se requiere la ondulación del geoide para las elevaciones de los aeropuertos, los umbrales de las pistas y las áreas de toma de contacto y de despegue (TLOF) o los umbrales de las áreas de aproximación final y de despegue (FATO) en los helipuertos. (Consulte también el Apéndice B.)

Por lo tanto, esta recomendación también se encuentra en el Anexo 4 (Cartas Aeronáuticas) del Convenio de Chicago:

2.18.2.1 El datum del nivel medio del mar (MSL), que da la relación de la altura (elevación) relacionada con la gravedad a una superficie conocida como geoide, se debe usar como sistema de referencia vertical.

2.18.2.2 Además de las elevaciones referenciadas al MSL, para las posiciones topográficas específicas del suelo, la ondulación del geoide (referida al elipsoide WGS-84) para esas posiciones también se publicará como se especifica para una carta en particular.

y en el Anexo 15 (Servicios de Información Aeronáutica) que también recomienda determinar la ondulación del geoide a partir del modelo gravimétrico EGM96 , y cuando no se utilice, incluir transformadas propias del modelo utilizado a EGM96.

Las recomendaciones relacionadas con la OACI aún no se implementan en todas partes

Esto no significa que todos los miembros de la OACI implementen actualmente estas recomendaciones, por ejemplo, en el Reino Unido, de la sección AIP GEN 1.7 (diferencias con la OACI):

• En el Reino Unido, OSGM02 es el modelo de geoide utilizado para determinar las alturas por encima del MSL.
• Los parámetros para la transformación de altura entre OSGM02 y EGM-96 no están publicados.
• Ondulación del geoide del centro geométrico de TLOF o de cada umbral de FATO no publicado.

o para India, GEN 1.7 :

La ondulación del geoide WSG-84 no está publicada

Desde el punto de vista del piloto, las altitudes GNSS no se utilizan en vuelo, la navegación se basa en niveles barométricos (QNE) o altitudes barométricas (QNH). Para Francia, el ejemplo en la pregunta, el AIP incluye esta advertencia:

GEN 2.1.4.2 : Se llama la atención del usuario que la publicación de la ondulación del geoide no modifica las restricciones de uso del GPS. En particular, no se debe utilizar la información de altitud proporcionada por el GPS.

MSL vs altura del geoide vs GPS/altura del elipsoide

MSL es, por definición, la altura (o altitud) por encima de la altura media de la marea. La referencia se ha determinado utilizando mareógrafos hasta hace poco tiempo. Dado que WGS-84 se ha establecido como la referencia mundial para las cartas aeronáuticas (1998), el MSL se aproxima por la superficie del geoide . La altura sobre el geoide se denomina altura ortométrica y se denomina H.

^{Elipsoide y geoide, fuente: Trimble}

MSL y H son casi equivalentes, aún así la definición del geoide se refiere a la equipotencialidad de la gravedad que coincide con la forma que tomaría la superficie del océano bajo la influencia de la gravedad y la rotación de la Tierra solamente, si otras influencias como los vientos y las mareas estuvieran ausentes. . El nivel medio real del mar puede verse influido por eventos locales (como corrientes) que se tienen en cuenta mediante un mareógrafo, mientras que el geoide es una superficie de igual gravedad.

Por otro lado, el elipsoide WGS-84 es la aproximación del volumen de la Tierra como esfera achatada perfecta de radio 6378x6357 km. También trata de coincidir con el nivel del mar en todo el mundo. La altura sobre el elipsoide se conoce como altura elipsoidal, altura sobre el elipsoide (HAE) o h.

Mientras que el elipsoide es un modelo geométrico, el geoide es un modelo físico (gravedad). Sin sorpresa, el elipsoide y el geoide no coinciden. El geoide puede estar localmente por encima (hasta +86 m) o por debajo (hasta -107 m) del elipsoide, dependiendo de las anomalías de gravedad locales (montañas, fosas oceánicas, densidad de la corteza, etc.). La diferencia se denomina ondulación del geoide (o altura del geoide) N.

Por supuesto, H = h - N, una forma vectorial, ya que el geoide y el elipsoide generalmente no son localmente paralelos .

Los receptores GNSS pueden determinar h, cualquier valor de H se calcula a partir de h y un valor de N interpolado a partir de puntos en una cuadrícula integrada establecida a partir de un modelo gravitacional, la OACI recomienda EGM-96 como modelo de gravedad global, pero GNSS más antiguo utilice el apéndice 6 de NATO STANAG 4294.

La forma en que se calcula la altitud es:

• GNSS determina una posición 3D de los satélites, expresada como x,y,z en un marco cartesiano centrado en la Tierra.
• La posición se convierte en latitud, longitud y h utilizando el modelo de elipsoide y un marco polar.
• Opcionalmente, H se calcula a partir de h usando el modelo de geoide.

Redacción utilizada en aviación para altitudes GNSS

La redacción relacionada con las alturas es bastante abusada en el campo geodésico. En el campo de la aviación/GNSS, a menudo hay una redacción específica para evitar más confusiones:

• HAE (altura sobre elipsoide) debe usarse para h.
• HAG (altura sobre el geoide) debe usarse para H.

¡y la altitud GNSS MSL a veces también se conoce como altura sobre el geoide (HAG) ( EASA )! Ambas alturas también se califican como geométricas , en el sentido de que son distancias reales, no diferencias de presión.

La altimetría GNSS no se muestra directamente a la tripulación (como señaló Cody P , algunas aviónicas pueden tener una opción para mostrarlas), pero aparece en el procesamiento automático, como en las aproximaciones LPV y los mensajes ADS-B, o en TAWS (como señaló Cody P ).

El diseño de un enfoque SBAS requiere conocer la información de ondulación del geoide

Enfoques donde la guía vertical se basa en el trabajo GNSS con un sistema de aumento basado en satélite ( SBAS ) (muy conocidos son WAAS en los EE. UU. y EGNOS en Europa, pero hay otros, incluidos MSAS, GAGAN, SDCM, SNAS, consulte este mapa ) , o GBAS/LAAS . El tramo de aproximación final del procedimiento se describe en ARINC-424 mediante un bloque de datos FAS que incorpora la altitud como HAE, por ejemplo, para describir el punto de referencia de aterrizaje (LTP/FTP).

Sin embargo, estos valores solo los utiliza el sistema de gestión de vuelo (FMS, FMGS) que calcula la ruta de aproximación GNSS. La tripulación sigue trabajando con las indicaciones barométricas/radioaltímetro para evaluar los mínimos y tomar decisiones y la aproximación se monitoriza mediante el indicador estándar de desviación de rumbo ILS.

Como el procedimiento y los sensores de la aeronave usan solo valores HAE, no es necesario convertirlos en HAG, la ondulación del geoide no es necesaria para que el proceso funcione. Sin embargo, los diseñadores de procedimientos probablemente comenzarán con altitudes MSL y las convertirán en alturas HAE según sea necesario, utilizando la información de ondulación.

El uso de GNSS en la aviación aún está en pañales, la madurez probablemente llegará con los futuros modelos ATS/ATM y la integración a marcha forzada del creciente tráfico no tripulado. Todavía está por definirse si se utilizará la altura geoide o elipsoidal, o ambas, pero...

ADS-B va a utilizar la altura elipsoidal GNSS

Los mensajes ADS-B en modo S contienen la altitud barométrica (1013,2 hPa) como en el modo C y, opcionalmente, una altitud GNSS que puede basarse en la altura del geoide o elipsoide, por ejemplo, para Airbus , depende del estándar del transpondedor ADS-B ( DO-260 ):

• A320 y A330
  • DO-260: MSL
  • DO-260A HAE o, si no está disponible, MSL
  • DO-260B: AEH
• A350 y A380: Siempre HAE

La regulación necesita definir mejor cómo se medirán las altitudes, FAA intenta avanzar en AC 20-165B :

La altitud geométrica para fines ADS-B es la altura sobre el elipsoide WGS-84 (HAE). Se requiere que la altitud geométrica sea transmitida por 14 CFR 91.227

La elección de h (HAE) está motivada por el hecho de que h es el valor bruto calculado por un receptor GNSS, mientras que H requiere una tabla de búsqueda integrada adicional.

Como ADS-B va a usar solo HAE, la información de ondulación publicada también es inútil en esta aplicación.