Análisis del riesgo entre RPAS y aeronaves convencionales ... · Indicadores globales:...

Análisis del riesgo entre RPAS y aeronaves

convencionales en un espacio aéreo no segregado

Entregable 5: Desarrollo de un marco metodológico de

evaluación de riesgo para la integración de RPAS

Análisis del riesgo entre RPAS y aeronaves convencionales en un espacio aéreo no segregado

Entregable 5: Desarrollo de un marco metodológico de evaluación de riesgo para la integración de RPAS

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HOJA DEJADA INTENCIONADAMENTE EN BLANCO



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Hoja de Identificación del documento

Título: Análisis del riesgo entre RPAS y aeronaves convencionales en un espacio aéreo no segregado


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Fecha:

Fichero:

Autor: J.A. Pérez Castán, I. Armas Cabrera, G. Águeda Barbolla y S. Zambrano Hoyas

Revisor: F. Gómez Comendador

Aprobado: N.A.

Versiones:

Numero Fecha Autor Comentarios

01 04 / 06 / 2018



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Resumen Ejecutivo

Este entregable constituye un nuevo módulo a desarrollar dentro del proyecto de investigación “Definición de mínimas de separación de operación de RPAS y aeronaves convencionales” bajo el OIDATM (Observatorio para el fomento del I+D en ATM) promovido por ISDEFE en colaboración con la Universidad Politécnica de Madrid.

El “Entregable 5: Desarrollo de un marco metodológico de riesgo para analizar la integración de RPAS” tiene como objetivo desarrollar un marco metodológico de riesgo que permita determina cómo se debe realizar una integración segura de los RPAS en un espacio aéreo no segregado. Este marco metodológico se caracteriza porque abarca distintos horizontes temporales: fase de diseño y operativa.

Las tareas que se han llevado a cabo son las siguientes:

En primer lugar, se ha puesto en contexto el entregable a partir de los resultados obtenidos hasta el momento en entregables anteriores.

Se ha definido el alcance y los objetivos de este entregable que son el alcance y los objetivos de la aplicación del marco metodológico.

Se ha desarrollado un marco metodológico que abarca distintos horizontes temporales (fase de diseño y operativa). Este marco metodológico tiene como objetivo determinar la manera en la que debe realizarse una integración segura de RPAS en un espacio aéreo segregado.

Se ha definido la estructura jerarquizada que caracteriza la metodología así como las variables e indicadores operativos necesarios para su posterior aplicación.

Se ha descrito la metodología que se debe aplicar en cada uno de los horizontes temporales. La fase de diseño aborda la integración de RPAS a partir de las características físicas de un espacio aéreo y los flujos aéreos que lo constituyen. Esta fase sigue un proceso secuencial que consta de tres niveles: Análisis de la situación operacional de un espacio aéreo; Detección de aerovías y corredores aéreos seguros para RPAS; y Análisis de riesgo para la introducción de RPAS. Por otro lado, la fase operativa se centra en el análisis de programaciones en los que se introducen RPAS y consta de dos niveles: Modelización, selección y análisis de programaciones base y Análisis de programaciones con RPAS.

Se detallarán los pasos a seguir para aplicar la metodología, la cual estará estructurada en dos partes, la fase de diseño y la fase operativa, además cada una de ellas está dividida a su vez en varios niveles.

Finalmente se han resumido las principales conclusiones obtenidas durante el desarrollo de este Entregable.

Este Entregable es la base en la que sustentarán los futuros entregables tras la aplicación de esta metodología a unos espacios aéreos determinados.



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I. Índice de Contenidos

1 Introducción ................................................................................................................................13

2 Objetivos y alcance .....................................................................................................................19

3 Marco Metodológico ....................................................................................................................21

3.1 Estructura de la metodología ..................................................................................................23

3.2 Variables operativas ...............................................................................................................26

3.3 Indicadores operativos ............................................................................................................29

3.3.1 Indicadores técnicos .................................................................................................................................................................. 31

3.3.1.1 Indicadores estáticos ............................................................................................................................................................ 31

3.3.1.2 Indicadores dinámicos .......................................................................................................................................................... 34

3.3.1.3 Indicador mixto ..................................................................................................................................................................... 36

3.3.2 Indicadores globales .................................................................................................................................................................. 37

3.3.2.1 Indicadores de riesgo ........................................................................................................................................................... 37

4 Desarrollo genérico de la metodología .......................................................................................41

5 Fase de Diseño ...........................................................................................................................44

5.1 Fase de diseño – Nivel 1: Análisis de la situación operacional de un espacio aéreo ..............44

5.1.1 Caracterización aerovías y puntos de cruce .............................................................................................................................. 44

5.1.2 Cálculo y análisis de los indicadores técnicos ........................................................................................................................... 45

5.2 Fase de diseño - Nivel 2: Detección de aerovías y corredores aéreos seguros para RPAS ...47

5.2.1 Segregación por Aerovías ......................................................................................................................................................... 47

5.2.2 Segregación por nivel de vuelo.................................................................................................................................................. 48

5.3 Fase de diseño - Nivel 3: Análisis de riesgo para la introducción de RPAS ............................50

6 Fase operativa ............................................................................................................................52

6.1 Fase operativa - Nivel 1: Modelización, selección y análisis de programaciones base...........54

6.1.1 Modelización de trayectorias ..................................................................................................................................................... 54

6.1.2 Selección de programaciones base ........................................................................................................................................... 55

6.1.3 Análisis de programaciones base .............................................................................................................................................. 56

6.2 Fase operativa - Nivel 2: Análisis de programaciones con RPAS ...........................................57

7 Conclusiones y Futuros trabajos .................................................................................................58

8 Referencias .................................................................................................................................60



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II. Índice de Figuras

Ilustración 1. Metodología de riesgo desarrollada en el Entregable 4. ....................................................15

Ilustración 2. Resultados de riesgo obtenidos por la integración de 1 RPAS en aerovías en función de la velocidad media del RPAS..............................................................................................................16

Ilustración 3. Esquema de las relaciones funcionales entre las variables e indicadores operativos con la metodología. ...................................................................................................................................22

Ilustración 4. Diagrama de flujos de la metodología. ..............................................................................23

Ilustración 6. Esquema de los indicadores operativos. ...........................................................................29

Ilustración 7. Tramos críticos de una aerovía. ........................................................................................32

Ilustración 8. Secciones críticas. .............................................................................................................34

Ilustración 9. Esquema de la evolución de un conflicto. ..........................................................................38

Ilustración 10. Esquema del diseño de un área de bloqueo asociada a dos aerovías. ...........................39

Ilustración 11. Estructura jerárquica de los niveles en la fase de diseño. ...............................................41

Ilustración 12. Estructura jerárquica de los niveles en la fase operativa. ................................................42

Ilustración 5. Principales resultados para cada nivel de la metodología. ................................................43

Ilustración 13. Diagrama de fase operativa. ............................................................................................53



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III. Índice de Tablas

Tabla 1. Desglose de las variables operativas ........................................................................................28

Tabla 2. Resumen de los indicadores técnicos y globales ......................................................................31

Tabla 3. Información operativa de las aerovías. .....................................................................................44

Tabla 4. Información geométrica de un punto de cruce. .........................................................................45

Tabla 5. Ejemplo de estudio de complejidad por aerovía. ......................................................................45

Tabla 6. Ejemplo de estudio de complejidad por punto de cruce. ...........................................................46

Tabla 7. Descripción de las limitaciones de la metodología del Entregable 4 y los nuevos enfoques planteados. .....................................................................................................................................50

Tabla 8. Ejemplo programación. .............................................................................................................54



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IV. Glosario

ATC Air Traffic Control

ATM Air Traffic Management

CLS Calculated Level of Safety

EASA European Aviation Safety Agency

FAA Federal Aviation Administration

FL Flight Level

NM Nautical Miles

OACI

Organización de Aviación Civil Internacional

RPAS Remotely Piloted Aircraft System

TLS Target Level of Safety

UPM

Universidad Politécnica de Madrid



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V. Definiciones

En esta sección se recopilan las definiciones de los principales términos utilizados.

Fase de diseño – la fase de diseño valora el impacto de la introducción de RPAS en un espacio aéreo en un horizonte de planificación o diseño del espacio aéreo.

Fase operativa – la fase operativa aborda la integración de RPAS en un horizonte temporal donde ya se ha establecido una programación de aeronaves durante un periodo de una hora.

Indicador operativo – parámetro que proporciona la información que permite valorar la situación operacional del espacio aéreo con el objetivo de analizar la integración de RPAS.

Indicadores técnicos – parámetro que proporciona información del estado de las aerovías y los puntos de cruces. Los indicadores técnicos están definidos a partir de las variables estáticas y dinámicas.

Indicadores globales: proporcionan información del estado del espacio aéreo en su conjunto.

Variable operativa – Las variables operativas son aquellos elementos que modelizan el espacio aéreo y la operación de las aeronaves en un espacio aéreo

Variables estáticas – es aquella variable relacionada con la geometría del escenario escogido. Estas variables son fijas y características del sector de estudio por lo que no dependerán del periodo de estudio o del día de estudio seleccionado.

Variable dinámica – es aquella relacionada con el tráfico existente en el sector. Estas variables tienen un carácter dinámico por lo que cambian en función del tiempo en el que se realice el estudio.



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1 INTRODUCCIÓN

El OIDATM (Observatorio para el fomento de I+D en ATM1), promovido por ISDEFE, se plantea como Foro de referencia para fomentar las ideas y proyectos encaminados a la mejora y optimización en el uso y explotación del espacio aéreo aprovechando el desarrollo y aplicación de nuevas tecnologías. La Universidad Politécnica de Madrid (UPM) y en particular el departamento de Sistemas Aeroespaciales, Transporte Aéreo y Aeropuertos (SATAA) colabora con el OIDATM con el objetivo de trabajar en proyectos de investigación que pretenden dar respuesta a problemas actuales y futuros sobre la gestión del tráfico y del espacio aéreo.

Dentro de esta colaboración, uno de los proyectos que se están desarrollando es la “Definición de mínimas de separación de operación de RPAS2 y aeronaves convencionales”. Este proyecto tiene como objetivo primario analizar el impacto que supone la integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado en términos de riesgo de conflicto y el análisis de las distancias de separación entre RPAS y aeronaves convencionales. Este concepto, que parece una pregunta básica para la futura integración de los RPAS, apenas ha sido cuestionado por las principales agencias de aviación internacional, OACI3, EASA4, FAA5, etc.

Así, uno de los mayores cambios que debe abordar la aviación civil en los próximos años es la integración segura de las aeronaves RPAS dentro de un entorno operativo no segregado. La operatividad de los RPAS en algunos aspectos es similar a las aeronaves convencionales actuales pero otros factores como velocidad, peso, autonomía, o estela turbulenta entre otros, difieren claramente de los modelos actuales de aeronaves. De este modo, el riesgo que supone la operación de un sistema RPAS junto aeronaves convencionales debe ser analizado en profundidad y teniendo en cuenta todas las posibles características técnicas y operativas de los RPAS.

El presente entregable es la continuación de los entregables “Entregable 1: Revisión Bibliográfica, Concepto Operacional y Modelización Trayectoria Aeronave Convencional”, “Entregable 2: Análisis de factores para el estudio de las Distancias Mínimas de Protección” y “Entregable 3 Estimación de las Distancias Mínimas de Protección para evitar conflictos entre RPAS y aeronaves convencionales”, los cuales fueron clave para asentar las bases sobre las que se sustenta este proyecto. A partir de los mismos se realizó el “Entregable 4: Impacto sobre el riesgo de conflicto de la introducción de RPAS en un escenario de ruta” en el que se presentó el desarrollo y la aplicación de una metodología de riesgo para analizar el impacto que supone la integración de RPAS durante una fase de diseño en un espacio

1 ATM: Air Traffic Management.

2 RPAS: Remotely Piloted Aircraft System.

3 OACI: Organización de Aviación Civil Internacional.

4 EASA: European Aviation Safety Agency.

5 FAA: Federal Aviation Authority.



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aéreo no segregado.

Continuando con esta línea de investigación y a partir de las conclusiones obtenidas en los distintos entregables ya realizados, el “Entregable 5: Desarrollo de un marco metodológico de riesgo para analizar la integración de RPAS y selección de escenarios de estudio” tiene como objetivo definir un marco metodológico que permita profundizar en el análisis de seguridad y riesgo que implica la integración de RPAS en un espacio aéreo de ruta no segregado. Este y los futuros entregables no pueden entenderse sin una breve explicación de las conclusiones obtenidas en el Entregable 4.

El Entregable 4 tuvo como objetivo analizar cómo varía el riesgo en un espacio aéreo no segregado debido a la integración de RPAS. Este modelo de riesgo se centra en la fase de diseño y planificación del espacio aéreo y permite cuantificar la probabilidad y el número de conflictos que pueden ocurrir en un espacio aéreo. Este modelo se desarrolló y aplicó en un escenario real en España (sector aéreo LECMPAU) comparando los indicadores de riesgo para la operación actual (solo aeronaves convencionales) con la introducción de RPAS por las distintas aerovías. Además, se realizó otro análisis para determinar cuáles eran las principales variables que afectan al riesgo de conflicto y en qué grado. El objetivo final era obtener una serie de limitaciones a la integración segura de RPAS en relación a las características que deben tener aquellas aerovías por las que no es seguro que opere un RPAS. El proceso del modelo se resume en los siguientes pasos:

1. En primer lugar, se seleccionó y adaptó el modelo de riesgo propuesto por Netjasov (1) empleado para obtener indicadores de riesgo en un escenario de ruta.

2. En segundo lugar, se describió el escenario seleccionado como caso de estudio (LECMPAU), caracterizando aquellos valores que eran necesarios para aplicar el modelo de riesgo.

3. Se obtuvo el valor del riesgo de conflicto del escenario durante un mes tipo. Este valor representa el valor límite de riesgo (Target Level of Safety - TLS) que no se debe sobrepasar con la introducción de RPAS. De este modo, este TLS es el valor límite para realizar una comparativa del escenario base (solo aeronaves convencionales) con los escenarios con RPAS.

4. A partir del escenario base se recalcularon los valores de riesgo de conflicto (Calculated Level of Safety - CLS) para distintos escenarios con RPAS. El proceso de análisis con RPAS se realizó introduciendo RPAS por cada una de las aerovías y obteniendo el valor de riesgo de conflicto del sector para cada uno de estos casos. El CLS obtenido para cada caso de estudio se comparó con el TLS del escenario base para obtener qué aerovías resultan más restrictivas a la hora de introducir por ellas RPAS y cuál es el número máximo de RPAS que pueden operar por cada aerovía en un periodo de tiempo de una hora.

5. Además, se realizó un análisis de cada una de las distintas variables que podían afectar al riesgo de las operaciones, identificando variables morfológicas (número de cruces y aerovías), geométricas (longitud de aerovías y ángulos de cruce) y operativas (flujos y velocidades medias). Se analizó cuáles de ellas eras más restrictivas y se trató de cuantificar en qué medida afectaban al riesgo.

La Ilustración 1 muestra un esquema de los pasos que son requeridos para obtener los resultados de



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riesgo del escenario base. Para cuantificar el riesgo de conflicto en todos los puntos de cruce y en las distintas aerovías del sector es necesario conocer los flujos de tráfico aéreo que operan por estos y la probabilidad de conflicto asociada al cruce. Esta probabilidad de conflicto se determina en función del tiempo que cada aeronave está expuesta a un conflicto en el mismo. Entendiendo que una aeronave se encuentra expuesta al conflicto cuando vulnera las mínimas de separación con otra aeronave, es decir, cuando se encuentra dentro de lo que se denomina sección o longitud crítica.

Ilustración 1. Metodología de riesgo desarrollada en el Entregable 4.

A partir de este proceso de análisis se determinó cuáles son las variables que afectan al riesgo de conflicto y se pueden dividir en tres bloques:

- Variables morfológicas: se refieren al número de cruces y número de aerovías que presenta el

escenario de estudio.

- Variables geométricas: son aquellas que tienen que ver con la geometría del escenario

escogido, esto es, longitud de aerovías y ángulos de cruce.

- Variables operativas: son aquellas relacionadas con el tráfico existente en el sector: el tráfico

por cada aerovía y la velocidad de las aeronaves.

Finalmente, tras aplicar el modelo descrito anteriormente y el análisis de riesgo a partir de las variables

se obtuvieron las siguientes conclusiones:

La metodología permite cuantificar el riesgo que supone introducir RPAS en un espacio aéreo no segregado y el número máximo de RPAS que pueden introducirse en un sector sin superar un límite de riesgo. Lo cual permitió detectar relaciones de seguridad – capacidad para las distintas aerovías.

El modelo de riesgo permitió detectar aquellas aerovías que prohíben la entrada de RPAS y cuales favorecen la operación de RPAS.

Los flujos de tráfico aéreo tienen una importancia relativa puesto que el análisis concluyó que aquellas aerovías que disponían de tráfico permitan la introducción de RPAS mientras que



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aquellas que no presentaban tráfico no lo permitían.

No se pudo determinar el grado de influencia del flujo de tráfico aéreo puesto que algunas aerovías permitían un mayor número de RPAS que flujo convencional mientras que otras solamente permitían un número similar de RPAS que aeronaves convencionales.

En cuanto a las velocidades medias de los flujos se concluyó que cuanto menor fuera la diferencia de velocidad entre RPAS y aeronaves convencionales existía un menor riesgo de operación.

En cuanto a las variables geométricas se determinó que la longitud de las aerovías no tenía un impacto sobre el riesgo y que no se podía establecer una relación directa entre los ángulos de cruce y el riesgo.

Por otro lado, aunque el modelo permitió cuantificar el riesgo que supone introducir RPAS y el número

de RPAS se alcanzaron una serie de conclusiones que contradecían algunas hipótesis.

No se permitía la inclusión de RPAS por aerovías que no disponen de tráfico aéreo debido a que

aumentaba el riesgo de la operación. Sin embargo, esto no quiere decir que estas aerovías no

estén disponibles para la operación de RPAS puesto que podría ser que estas aerovías fueran

más favorables para la introducción de RPAS.

La introducción de RPAS se realizó de manera uniforme por los distintos niveles de vuelo que

conformaban el escenario de estudio. Esto es una limitación que en algunos casos no coincide

con la realidad puesto que no todas las aerovías presentan la misma distribución de tráfico

convencional por los niveles de vuelo.

El modelo no permitió la mezcla de RPAS junto a aeronaves convencionales en una misma

aerovía. Esta condición impone que el riesgo no está afectado solo por la introducción de RPAS

sino también por la supresión del tráfico convencional, dando lugar a resultados no concluyentes

como el mostrado en la Ilustración 2.

Ilustración 2. Resultados de riesgo obtenidos por la integración de 1 RPAS en aerovías en función de la velocidad media del RPAS.

La Ilustración 2 muestra el riesgo total obtenido en el sector LECMPAU al introducir un RPAS a



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diferentes velocidades (250, 300 y 350 nudos) por tres aerovías diferentes. La línea roja indica el TLS y cada barra indica el riesgo en el sector (eje y) calculado para cada caso de estudio. La aerovía UN725 disponía de alto tráfico convencional (> 2,5 aeronaves/hora), la UP181 con un tráfico medio (1-2,5 aeronave/hora) y la UM190 con un tráfico bajo (< 1 aeronaves/hora). Como se puede observar, la introducción de un RPAS por la aerovía con mucho tráfico disminuye el riesgo considerablemente (barra verde). Esto es debido a que la supresión de tráfico que se está produciendo es mayor que el número de RPAS que se introduce. Sin embargo, la introducción de un RPAS por la aerovía de tráfico bajo debería aumentar el riesgo obtenido, pero esto no es cierto ya que proporciona un CLS inferior al TLS.

Otra limitación del modelo es que utilizaba valores medios para calcular el riesgo (velocidad

media de las aeronaves y número medio de aeronaves en una hora). Esta hipótesis implica que

el modelo no sea aplicable a casos de estudio reales, en los que se tenga una programación real

(velocidad distinta para cada aeronave y hora de entrada al sector).

Por lo tanto, se puede concluir que el modelo considerado en el Entregable 4 es adecuado para tener una primera aproximación sobre cómo varía el riesgo en una fase de diseño y planificación. En función de unas determinas variables y caracterizando valores tipos se pueden obtener conclusiones para abordar el problema de integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado. Sin embargo, la multitud de hipótesis consideradas y la incompatibilidad de algunas hipótesis con las conclusiones obtenidas requieren de una mejora de este modelo, así como de ampliar el horizonte temporal considerado para poder abordar todas las variables que pueden afectar a la segura integración de RPAS. Por todos estos motivos, es de gran importancia seguir profundizando en el impacto que supone la integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado, pero desarrollando nuevos modelos y mejorando los ya considerados para tener en cuenta todas las variables que anteriormente han sido identificadas. Además, se debe implementar una metodología que permita combinar las fases de diseño y planificación con una de operación para poder considerar los distintos horizontes temporales.



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2 OBJETIVOS Y ALCANCE

La finalidad de este proyecto es evaluar cómo debe realizarse la introducción segura de RPAS en un espacio aéreo no segregado. Para ello es necesario analizar cómo afecta la integración de RPAS sobre la seguridad operacional con el fin de obtener una serie de restricciones a la libre introducción de RPAS. Este Entregable desarrolla un marco metodológico que abarca distintos horizontes temporales (fase de diseño y operativa). Este es un elemento clave puesto que en cada horizonte temporal el escenario presenta unas características operativas distintas.

Los objetivos del Entregable 5 son:

Analizar los trabajos realizados previamente e identificar cuáles han sido las principales limitaciones que se han presentado hasta el momento.

Plantear la necesidad de desarrollar un marco metodológico que permita evaluar el riesgo que existe en un escenario de ruta al introducir RPAS en distintos horizontes temporales.

Realizar un desarrollo genérico del marco metodológico con el fin de exponer la estructura jerárquica a seguir.

Definir las variables y los indicadores operativos necesarios para aplicar la metodología tanto en la fase de diseño como operativa.

Desarrollar una metodología que permita analizar la introducción segura de RPAS en una fase de diseño.

Desarrollar una metodología que permita analizar la introducción segura de RPAS en una fase operativa.

Determinar los principales resultados que se obtienen tras la aplicación de la metodología en los distintos horizontes temporales

Por lo tanto, el alcance de este entregable es definir el marco metodológico que permita analizar la introducción de RPAS en un espacio aéreo no segregado.

Por último, el Entregable 5 se divide en las siguientes secciones:

Sección 1: Introducción. En la primera parte introductoria se pone en contexto el entregable, planteando los resultados obtenidos hasta el momento en entregables anteriores y analizando las necesidades existentes que deben plantearse en este nuevo trabajo.

Sección 2: Marco metodológico. En esta sección se desarrolla la justificación operacional para la definición del marco metodológico. Se presenta la estructura jerárquica que constituye la el marco metodológico en dos horizontes temporales. Además, esta sección también detalla las variables e indicadores operativos que constituyen la base de la metodología.

Sección 3: Desarrollo genérico de la metodología. Se detallan los pasos a seguir para aplicar la metodología, la cual estará estructurada en dos partes, la fase de diseño y la fase operativa. Además, se destacan los distintos niveles que las componen y los principales resultados esperados.

Sección 4: Fase de diseño. La fase de diseño tiene como objetivo valorar el impacto de la introducción de RPAS en un espacio aéreo en un horizonte de planificación o diseño del espacio



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aéreo. Esta sección detalla la metodología y estructura que debe realizarse para analizar la introducción de RPAS.

Sección 5: Fase operativa. La fase operativa presenta el desarrollo metodológico aplicable a una serie de programaciones de aeronaves en las que se introducen RPAS.

Sección 5: Conclusiones. Por último, se resumen las principales conclusiones del Entregable.



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3 MARCO METODOLÓGICO

El objetivo de este trabajo es definir un marco metodológico que permita evaluar cómo afecta la integración de RPAS en un escenario de ruta en términos de seguridad y riesgo, con el fin de obtener una serie de restricciones a la libre introducción de RPAS en un espacio aéreo. La consideración de un análisis de seguridad tanto en las fases de diseño y planificación como en la fase operativa constituye un requerimiento fundamental para los principales reguladores aéreos. Sin embargo, la gran mayoría de los enfoques de seguridad están enfocados a realizar un estudio de seguridad cualitativo y pocos se centran en el desarrollo y aplicación de una metodología de riesgo.

La metodología que se presenta en este trabajo pretende sentar las bases de los pasos a seguir para poder valorar la integración de los RPAS en un espacio aéreo no segregado. Una condición fundamental para esta metodología es que debe servir a los agentes encargados de la realización de una operación aérea segura. Por lo tanto, el marco metodológico que se desarrolla tiene como fin ser válido para la integración de RPAS en cualquier espacio aéreo y proporcionar los pasos necesarios para su correcta implantación. Como ya se ha mencionado, este análisis requiere del estudio en detalle del diseño del espacio aéreo y de la operativa actual para poder encontrar aquellos espacios o corredores aéreos donde la introducción de RPAS tenga un menor impacto en la seguridad.

En el entregable 4 se desarrolló y aplicó una metodología de análisis de riesgo para una fase de diseño y planificación en un espacio aéreo. Esta metodología proporcionó una serie de conclusiones preliminares, descritas en la introducción, acerca del impacto que tiene la integración de RPAS. El principal resultado fue que era necesario realizar un análisis en mayor profundidad y que tuviese en cuenta distintos horizontes temporales, puesto que las características operativas en una fase de diseño y planificación (basados en el conocimiento de flujos aéreos) son diferentes a la información que se dispone en un horizonte temporal más cercano a la operación real (programación de una hora).

Por lo tanto, este entregable detalla el desarrollo de un marco metodológico que aborda la integración de RPAS considerando distintos espacios temporales (diseño y operación) y mediante una hoja de ruta jerarquizada. En primer lugar, el análisis de la planificación de un espacio aéreo permite tener un conocimiento profundo de los rasgos operativos principales, así como de limitaciones para la integración de un nuevo elemento como son los RPAS. Es importante no obviar este análisis puesto que es un elemento determinante para la futura introducción de RPAS. Sin embargo, existen una cantidad de variables operativas (velocidad de aeronaves, distribución temporal, etc.) que no son posibles de considerar en una fase de diseño. Por ello, el marco metodológico debe abordar la consideración de ambas fases. A partir de la fase de diseño se obtienen una serie de conclusiones sobre la introducción de RPAS que deben validarse o desecharse para la realización de unas programaciones en un determinado espacio aéreo. De este modo, la conjunción de estos dos horizontes temporales es crucial para valorar en todo su conjunto la viabilidad de la introducción de RPAS.

El último pilar del marco metodológico es que sigue una ruta jerarquizada, es decir, se definen los pasos metodológicos que se deben seguir para poder realizar correctamente el análisis. El orden de la estructura jerarquizada es clave y, por lo tanto, deben seguirse con cuidado puesto que los resultados de cada nivel están subordinados en mayor o menor medida a los niveles anteriores. La elección del



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desarrollo de un modelo jerárquico cumple con la estructura propuesta por ICAO (2) y EUROCONTROL (3) para la introducción de un elemento adicional a un espacio aéreo. Además, la metodología se basa en la identificación de una serie de variables operativas y unos indicadores operativos que proporcionan la información necesaria para alcanzar los objetivos propuestos. La Ilustración 3 presenta la relación funcional existente entre las variables y los indicadores operativos en el desarrollo de la metodología.

Ilustración 3. Esquema de las relaciones funcionales entre las variables e indicadores operativos con la metodología.

Bajo estos principios, el desarrollo de esta metodología sigue una serie de pasos que trata de responder a la pregunta de si es seguro introducir RPAS en un espacio aéreo. Además, no trata de responder solo a esta pregunta, sino que trata de abordar cómo debería realizarse, es decir, determinar aquellas zonas del espacio aéreo (aerovías o corredores aéreos) que permiten o favorecen su introducción y cuáles no permiten su introducción. Finalmente, se dispondrá de la capacidad para concluir cuales son los periodos de tiempo dentro en una programación real que permite la introducción de RPAS. Es evidente que la introducción de RPAS junto a aeronaves convencionales va a suponer una serie de modificaciones en la situación operativa actual puesto que, o bien su introducción estará restringida por número de RPAS y periodos temporales, o bien se limitarán unas zonas del espacio aéreo para evitar la interacción con aeronaves convencionales hasta que se alcance la suficiente experiencia.



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3.1 Estructura de la metodología

La metodología se divide en dos grandes fases:

Fase de diseño: la fase de diseño tiene como objetivo valorar el impacto de la introducción de RPAS en un espacio aéreo en un horizonte de planificación o diseño del espacio aéreo. Esta fase trabaja a partir de los datos más básicos de un volumen de espacio aéreo: el diseño de aerovías y los flujos que operan en ellos.

Fase operativa: la fase operativa por su parte trabaja en un horizonte temporal donde ya se ha establecido una programación de aeronaves durante un periodo de una hora. El objetivo es analizar cómo afecta la introducción de RPAS en una secuencia específica de aeronaves.

La Ilustración 4 representa un esquema de las principales fases de la metodología.

Ilustración 4. Diagrama de flujos de la metodología.



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Fase de diseño - Nivel 1: Análisis de la situación operacional de un espacio aéreo.

1. Estudio de la situación actual del espacio aéreo: se trata de un estudio de la situación del espacio aéreo a analizar. Se analizará tanto de manera estática como dinámica. La diferencia entre estática y dinámica es la inclusión del tráfico aéreo dentro del análisis. Así, el estudio estático del espacio aéreo analizará variables como la longitud de las aerovías y ángulos que forman en los cruces. El resultado de este análisis es obtener un ordenamiento de las aerovías y los puntos de cruce con mayor riesgo a partir de unos indicadores estáticos y dinámicos.

Fase de diseño - Nivel 2: Detección de aerovías y corredores aéreos seguros para RPAS

1. Segregación por Aerovías: A partir de los indicadores obtenidos en la fase anterior se realizará un primer análisis en función de la ocupación de las aerovías. El objetivo es detectar aquellas aerovías que están libres de tráfico aéreo y en las que la introducción de RPAS no supondría un aumento del riesgo de las operaciones. El resultado es detectar aerovías que por su nivel de ocupación pueden ser apropiadas para la introducción de RPAS.

2. Segregación por Nivel de Vuelo (FL): Encontrar aerovías por las que no opera tráfico aéreo en el espacio aéreo seleccionado puede ser complejo y que no exista ninguna aerovía que cumpla estas características. Sin embargo, no todas las aerovías disponen de tráfico aéreo en todos los niveles de vuelo. El tráfico aéreo tiende a focalizarse en los niveles aéreos superiores puesto que permite a la aeronave mejorar sus prestaciones. El escenario considerado para la introducción de RPAS es inferior a estos niveles de vuelo y por lo tanto pueden existir corredores aéreos para algunos FL que cumplan las condiciones para la integración de RPAS. Así, esta fase se centra en seleccionar aquellos FL de aerovías que no presentan tráfico aéreo y en los que la introducción de RPAS por ellos no supondría un incremento del riesgo operacional.

Este análisis permite detectar zonas del espacio aéreo (aerovías o corredores aéreos) que favorecen la introducción de RPAS sin que aumente el riesgo operacional en el sector. Sin embargo, este es un análisis primario puesto que no permite analizar cómo la introducción de los RPAS podría realizarse en zonas que sí tenga un impacto sobre la seguridad de las operaciones.

Fase de diseño - Nivel 3: Análisis de riesgo por la introducción de RPAS.

1. Se aplicará el modelo de riesgo desarrollado en el Entregable 4 para la introducción de RPAS por el espacio aéreo seleccionado. Sin embargo, este modelo es modificado para resolver los problemas identificados en el Entregable 4 que conducían a conclusiones incoherentes en algunos aspectos. El objetivo de este nivel es cuantificar el impacto que tiene la integración de RPAS en función de la aerovía considerada y la distribución de RPAS por la misma.

Este análisis permite detectar qué aerovías favorecen la introducción de RPAS y cuáles no, puesto que su introducción supondría un aumento considerable del riesgo. No obstante, este modelo presenta una serie de limitaciones que no son abordables durante la fase de diseño y requieren del estudio del riesgo operacional que supone la introducción de RPAS durante una fase operativa.

Fase operativa - Nivel 1: Modelización, selección y análisis de programaciones base.

1. Simulación de secuencias operativas de una hora de tráfico real. Esta fase tiene sus propios



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indicadores de riesgo puesto que las variables operativas son distintas. Aunque cada flujo tiene una densidad de aeronaves y una velocidad característica del mismo, en la fase táctica las aeronaves tienen características propias que son intrínsecas a su operación (velocidad y tiempo de entrada).

Fase operativa - Nivel 2: Análisis de programaciones con RPAS.

1. Se analizan programaciones en las que se introducen RPAS por las distintas aerovías. El objetivo es determinar los periodos de tiempo por los que es válido introducir RPAS por las aerovías del espacio aéreo, de acuerdo con los indicadores de riesgo. Hay que distinguir entre la introducción de RPAS por aerovías sin tráfico aéreo y aerovías con tráfico aéreo. El primer caso se puede realizar libremente mientras que en el segundo deben cumplir unas mínimas de separación con las aeronaves convencionales. De este modo, se analizarán las interacciones entre las aeronaves convencionales y RPAS y como la introducción de un RPAS puede suponer un bloqueo a la operación de aeronaves convencionales de la misma y otras aerovías.

Una vez se concluya el estudio de la introducción de RPAS en ambos horizontes temporales se dispondrá de la información necesaria para determinar cuáles son las aerovías por las que deberían introducirse los RPAS en un espacio aéreo y bajo qué circunstancias.



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3.2 Variables operativas

Las variables operativas son aquellos elementos que modelizan el espacio aéreo y la operación de las aeronaves en un espacio aéreo. Una de las innovaciones de la metodología durante la fase de diseño es separar la estructura física del espacio aéreo (aerovías, longitudes, ángulos de cruce, etc.) del tráfico aéreo que opera en él. Esta distinción se realiza puesto que una de las conclusiones alcanzadas en el Entregable 4 es que existía una fuerte limitación para conocer relaciones de influencia de la integración de RPAS debido a la mezcla heterogénea de variables del espacio aéreo y del tráfico aéreo. Por ello, se presentan dos tipos de variables dependiendo de si están relacionados con características físicas del espacio aéreo (variables estáticas) o con el tráfico aéreo (variables dinámicas):

Las variables estáticas son aquellas variables relacionadas con la geometría del escenario

escogido, esto es, aerovía del sector (𝑖), longitud de aerovías (𝐿𝑖), ángulos de cruce (𝛼𝑖𝑗),

sección crítica (𝑑𝑖𝑗)6, niveles de vuelo a considerar (𝑠), número de cruces (𝑛) y puntos de cruce

(𝑊𝑃𝑛). Estas variables son fijas y características del sector de estudio por lo que no dependerán del periodo de estudio o del día de estudio seleccionado.

Las variables dinámicas son aquellas variables relacionadas con el tráfico existente en el sector

como son: el tráfico por cada aerovía (𝑄𝑖), el número de aeronaves (𝑚), la velocidad de las aeronaves (𝑣𝑚), número de RPAS (𝑟) y el instante en el que cada aeronave entre en el sector

(𝑡𝑚0 ) entre otras. Estas variables, como su nombre indica, son dinámicas, por lo que cambiaran

en función del tiempo en el que se realice el estudio, es decir, en función de la programación. Una programación indicará el número de aeronaves que entra en el sector, la aerovía por la que operan, su velocidad, el instante en el que entran al sector, y el nivel de vuelo por el que operan

(𝐹𝐿𝑚).

La

6 La sección crítica (𝑑𝑖𝑗) es la sección alrededor de un punto de cruce generado por al menos dos aerovías (𝑖, 𝑗) en la cual si está una

aeronave bloquea la entrada de otra aeronave de la otra aerovía debido a que se produciría un conflicto.



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Tabla 1 presenta ordenados las variables operativas que se consideran en función del enfoque.



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Tabla 1. Desglose de las variables operativas

Variables estáticas Variables dinámicas

Ángulo de cruce 𝛼𝑖𝑗 Nivel de vuelo de la aeronave

𝑚 𝐹𝐿𝑚

Velocidad media aerovía

𝑣��

Punto de cruce 𝑊𝑃𝑛 Número de aeronaves 𝑚 Velocidad aeronave 𝑣𝑚

Sección crítica 𝑑𝑖𝑗 Densidad de aerovía 𝑄𝑖 Viento 𝑊𝑥, 𝑊𝑦

Aerovía del sector

𝑖 Número de RPAS 𝑟 Posición aeronave 𝑥𝑚, 𝑦𝑚

Longitud aerovía 𝐿𝑖 Separación aeronaves 𝑠𝑒𝑝

Número de cruces

𝑛 Tiempo entrada sector 𝑡𝑚0

Número FL s Duración del conflicto 𝜏



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3.3 Indicadores operativos

Los indicadores operativos proporcionan la información que permite valorar la situación operacional del espacio aéreo con el objetivo de analizar la integración de RPAS. De este modo, los indicadores representan la situación del espacio aéreo en función de las variables operativas definidos en la sección anterior. La metodología considera dos tipos de indicadores en función del aspecto operativo a valorar:

1. Indicadores técnicos: proporcionan información del estado de las aerovías y los puntos de cruces, necesaria para analizar la integración de RPAS durante la fase de diseño. Los indicadores técnicos están definidos a partir de las variables estáticas y dinámicas. El objetivo de estos indicadores es alcanzar un conocimiento profundo del escenario y de la situación operativa, así como proporcionar evidencias para analizar la integración de RPAS. Del mismo modo que las variables operativas, los indicadores técnicos se distinguen en función de si analizan la morfología - geometría del sector (estáticos), la operativa del mismo (dinámicos) o una combinación de ambos (mixto).

2. Indicadores globales: proporcionan información del estado del espacio aéreo en su conjunto, necesaria para analizar la integración de RPAS en la fase de diseño y operativa. Son los indicadores de riesgo, capacidad e intervención ATC.

La Ilustración 5 representa un esquema sobre la distribución de los indicadores y su aplicación en los distintos horizontes temporales considerados.

Ilustración 5. Esquema de los indicadores operativos.

Por último, la



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Tabla 2 agrupa los indicadores técnicos y globales que se van a utilizar en la metodología.



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Tabla 2. Resumen de los indicadores técnicos y globales

Indicadores técnicos Indicadores globales

Indicadores estáticos Número de conflictos 𝑁𝑐

Complejidad de aerovía 𝛽 Severidad del conflicto 𝜃

Complejidad de punto de cruce 𝛾 Disponibilidad Aerovía 𝜆

Indicadores dinámicos Capacidad 𝐶

Ocupación de aerovía 𝛿 Intervención ATC 𝐼

Ocupación de punto de cruce 𝜖

Riesgo 𝜁

Indicadores mixtos

Utilidad 𝜂

3.3.1 Indicadores técnicos

Como se ha definido previamente, los indicadores técnicos proporcionan información del estado de las aerovías y los puntos de cruces. Son los elementos más básicos para analizar la situación operativa de un espacio aéreo. Estos indicadores analizan por separado las características morfológicas y geométricas del sector aéreo (estáticos), la operativa del mismo (dinámicos) o una combinación de ellos (mixto).

3.3.1.1 Indicadores estáticos

Los indicadores estáticos proporcionan la información necesaria para analizar la situación actual del espacio aéreo a partir de la morfología y geometría del sector aéreo. El objetivo es realizar un análisis previo del estado del sector a partir de la complejidad del mismo. Los indicadores estáticos están centrados en los elementos del espacio aéreo básicos de diseño: aerovía y puntos de cruce. Este análisis permite ordenar las aerovías y los puntos de cruce en función del riesgo asociado a cada uno de ellos.

El análisis realizado en el Entregable 4 concluyó que una de las carencias del modelo de riesgo empleado fue que no se podía distinguir entre características morfológicas o geométricas del sector de las características operativas. De este modo, diversas hipótesis no podían ser confirmadas debido a esta falta de información. Con el objetivo de subsanar esta deficiencia, los indicadores técnicos analizan por



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separado los rasgos geométricos (propios de las aerovías y su morfología) de los rasgos operativos. De esta forma, se espera relacionar la complejidad intrínseca a las aerovías y los puntos de cruce con la selección de aquellas aerovías que favorecen o impiden la entrada de RPAS en el espacio aéreo.

Indicador estático de complejidad de aerovía (𝜷)

La complejidad que presente una aerovía está determinada por el número de tramos de esta que se encuentren expuestos al riesgo. El riesgo dentro de una aerovía se modeliza a partir de los tramos en los que una aeronave está expuesta a sufrir un conflicto con las aeronaves de otras aerovías. Estas secciones son las secciones críticas alrededor de los puntos de cruce y el indicador relaciona el ratio de la aerovía que se encuentra expuesta a un conflicto con respecto al total de la aerovía dentro del sector.

𝛽𝑖 =∑ 𝑑𝑖,𝑗𝑗≠𝑖

𝐿𝑖 [1]

La longitud de la sección crítica es aquella sección de una aerovía durante la cual, si la aeronave no modifica su trayectoria, estará incumpliendo las mínimas de separación longitudinales con otra aeronave en las proximidades de un punto de cruce. El sumatorio de todas las longitudes críticas de la aerovía con todas las aerovías que se cruce viene determinado por la suma de la longitud de cada tramo crítico, de forma que, a mayor número de puntos de cruce de una aerovía, mayor número de secciones críticas.

Ilustración 6. Tramos críticos de una aerovía.

La Ilustración 6 muestra un ejemplo en el que tres aerovías se cruzan y se ha representado la localización

y tamaño de cada una de las secciones críticas para la aerovía 𝑖. El valor de estás secciones críticas

vendrá determinado por el ángulo formado entre aerovías (𝛼𝑖𝑗) y la separación mínima entre aeronaves



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(𝑆𝑚𝑖𝑛) cuyo valor en el espacio aéreo español es de 5NM.

𝑑𝑖𝑗 =2 . 𝑆𝑚𝑖𝑛

sin 𝛼𝑖𝑗 [2]

Aquellas aerovías que presenten un mayor indicador 𝛽𝑖 serán aquellas más conflictivas. La razón es que las aeronaves podrán constituir un conflicto durante una mayor parte de su longitud. Por lo tanto, estas aerovías no favorecen la introducción de tráfico aéreo por ellas debido a que aumentará el nivel de riesgo y, posiblemente, el número de intervenciones ATC.

Indicador estático de complejidad de punto de cruce (𝜸)

Un punto de cruce presentará una mayor complejidad dependiendo de dos factores:

El número de cruces entre pares de aerovías que concurran en él: cuanto mayor sea el número de aerovías que concurran en él mayor será el riesgo en dicho punto.

El ángulo formado entre estos cruces: el punto de cruce será más peligroso cuanto menor sea el ángulo de cruce entre aerovías.

De esta forma, combinando ambos factores, se puede determinar la complejidad de un punto de cruce con la siguiente expresión:

𝛾𝑛 = ∑ 𝑑𝑖,𝑗𝑊𝑃𝑛

𝑑𝑒𝑙𝑒𝑚 [3]

Donde ∑ 𝑑𝑖,𝑗𝑊𝑃𝑛 representa el sumatorio de las longitudes críticas en el punto de cruce (𝑊𝑃𝑛) y 𝑑𝑒𝑙𝑒𝑚

representa la longitud crítica elemental.

Además, se define la longitud crítica elemental por el cruce con una menor longitud crítica que puede darse en una geometría. Esta situación ideal es la correspondiente a la intersección de dos aerovías con un ángulo de 90º en el que no se produce continuidad en la aerovía. Por continuidad de la aerovía se entiende la situación en la que una aeronave debe cambiar de aerovía puesto que la anterior finaliza en este punto de cruce. En los casos en los que no se produce continuidad en la aerovía, la longitud crítica se calcula de la misma forma, pero suprimiendo el operador 2 del numerador de la ecuación [2] como sigue:

𝑑𝑒𝑙𝑒𝑚 =𝑆𝑚𝑖𝑛

sin 90= 𝑆𝑚𝑖𝑛 [4]

En cuanto al sumatorio de las longitudes críticas que se crean en un punto de cruce se deben tener en cuenta ciertos aspectos. Cuando dos aerovías se cruzan se crea una sección crítica en ambas aerovías de la misma longitud. Sin embargo, cuando en un punto de cruce convergen más de dos aerovías, en

cada aerovía habrá más de una sección crítica, una por cada par de aerovías. Es decir, si una aerovía 𝑖



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se cruza con una aerovía 𝑗, tendrá una sección crítica de una determinada longitud referente a dicha geometría. Pero si además se cruza con una aerovía 𝑘, habrá otra sección crítica de otra longitud referente a ese otro cruce.

Ilustración 7. Secciones críticas.

En la Ilustración 7, se muestra un ejemplo de cruce entre tres aerovías (𝑖, 𝑗 y 𝑘) en la que se producen

tres cruces (𝑖 − 𝑗, 𝑖 − 𝑘 y 𝑗 − 𝑘). Debido al cruce 𝑖 − 𝑗 se crea la sección crítica naranja de la figura, debido al cruce 𝑖 − 𝑘 se crea la sección crítica verde y debido al cruce 𝑗 − 𝑘 la sección crítica azul. Estas son de diferentes longitudes ya que el ángulo formado entre las aerovías es diferente en cada cruce, siendo así unas mayores que otras.

3.3.1.2 Indicadores dinámicos

Del mismo modo que los indicadores estáticos se centran en las características geométricas y morfológicas del sector, los indicadores dinámicos se centran en las características operativas del sector aéreo, es decir, toda la información que caracteriza la operación de aeronaves dentro del mismo. El objetivo es caracterizar la situación operativa del espacio aéreo a considerar a partir de la operativa del mismo. Esto permite organizar las características operativas de las aerovías (flujos) para poder seleccionar aquellas aerovías que pueden favorecer o impedir la introducción de RPAS.

Los indicadores dinámicos pretenden tener una relación con los indicadores estáticos en cuanto a los elementos del espacio aéreo que se quieren analizar. Anteriormente, se han definido indicadores para cada aerovía y para cada punto de cruce. Del mismo modo el indicador de ocupación de aerovía y el indicador de complejidad de punto de cruce responden a la necesidad de caracterizar estos elementos considerando únicamente la operativa del tráfico que circula por ellos.

Indicador de ocupación de aerovía (𝜹)

A partir de los datos proporcionados en cada programación con relación al número de aeronaves que entra en el sector, y sabiendo por qué aerovía opera cada una de ellas, se puede obtener el tráfico total



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de cada aerovía en un determinado periodo de tiempo (𝑄𝑖). Obteniendo la velocidad media a la que operan estas aeronaves por dicha aerovía (𝑣��), se puede obtener el tráfico máximo que puede existir en

ella (𝑄𝑖𝑚á𝑥) a partir de la siguiente expresión:

𝑄𝑖𝑚á𝑥 =

(𝑣��)

𝑆𝑚𝑖𝑛 [5]

A partir del tráfico real de la aerovía (𝑄𝑖) y el máximo (𝑄𝑖𝑚á𝑥), se puede obtener el indicador de

ocupación de la aerovía.

𝛿𝑖 =𝑄𝑖

𝑄𝑖𝑚á𝑥

[6]

Se ha seleccionado como elemento clave para la ocupación de la aerovía el flujo máximo de la aerovía puesto que actualmente, aunque pueden existir variaciones entre las velocidades de las aeronaves, estas se encuentran en términos medios muy similares. Únicamente cuando se introduzcan RPAS sí que se podrá observar cómo el valor del flujo máximo disminuye puesto que la velocidad media será inferior.

Indicador dinámico de ocupación de punto de cruce (𝝐)

Si se tienen en cuenta las variables dinámicas de un sector, la complejidad de un punto de cruce vendrá condicionada por la cantidad de aeronaves que pasen por él. Por tanto, con el fin de valorar la ocupación de un punto de cruce en función de sus variables dinámicas, se puede obtener 𝜖 mediante el sumatorio de la ocupación de las aerovías que convergen en dicho punto.

𝜖𝑛 = ∑ 𝛿𝑖

𝑖,𝑗€𝑊𝑃𝑛

𝑖≠𝑗

= ∑𝑄𝑖

𝑄𝑖𝑚á𝑥

𝑖€𝑊𝑃𝑛

[7]

Ambos indicadores permiten organizar las aerovías y los puntos de cruce de manera que los que tengan un valor superior serán aquellos que tengan un mayor nivel de tráfico y, por el contrario, habrá aerovías y puntos de cruce que sean nulos y por lo tanto no exista circulación de tráfico aéreo.

Indicador dinámico de riesgo (𝜻)

Este indicador es una continuación del indicador 𝜖 porque se basa en la misma información (indicador 𝛿) pero tiene una finalidad distinta. El indicador 𝜖 es un contador relativo del tráfico aéreo que circula por un punto de cruce, mientras que el indicador 𝜁 es un indicador de la posibilidad de conflictos entre aeronaves de dos aerovías que coinciden en un punto de cruce. La siguiente ecuación especifica que

para obtener el indicador 𝜁 se debe sumar los productos del indicador 𝛿 por pares de aerovías que



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coinciden en un punto de cruce.

𝜁𝑛 = ∑ 𝛿𝑖𝛿𝑗

𝑖,𝑗€𝑊𝑃𝑛

𝑖≠𝑗

[8]

De esta forma, el indicador 𝜁 especifica para qué puntos de cruce se pueden producir conflictos. En el caso de que haya un punto de cruce en el coincidan varias aerovías y solo exista tráfico por una de ellas

este indicador será cero (𝜁 = 0), pero en el caso de que haya tráfico por más de una aerovía este será distinto de cero (𝜁 ≠ 0). Por lo tanto, este indicador es el precursor del indicador de riesgo.

Además, este mismo indicador sirve como valor referente para establecer la segregación de tráfico aéreo por aerovías y FL. Para ello es necesario calcular el valor total obtenido en un espacio aéreo a partir de la suma de todos los indicadores por punto de cruce:

𝜁𝑡𝑜𝑡 = ∑ 𝜁𝑛 [9]

3.3.1.3 Indicador mixto

Los indicadores mixtos son combinaciones de los indicadores dinámicos y estáticos que permiten un nuevo ordenamiento de los elementos fijos del espacio aéreo.

Indicador mixto de utilidad (𝜼)

El indicador mixto proporciona una primera valoración sobre el coste asociado a introducir un RPAS por una aerovía. Se define con el objetivo de tener una primera valoración de los elementos del espacio aéreo (aerovías y puntos de cruce) teniendo en cuenta la influencia del diseño y del tráfico aéreo. Este indicador considera conjuntamente los indicadores estáticos y dinámicos.

Tanto para las aerovías como para los puntos de cruce se han obtenido un indicador estático y otro

dinámico. El indicador mixto de utilidad (𝜂) es el producto de los indicadores estático y dinámico para cada elemento. Así, este indicador permite relacionar la complejidad del diseño de una aerovía (o punto de cruce) con la cantidad de tráfico que opera por este elemento. Por lo tanto, se ha considerado que un mismo indicador puede abarcar tanto las aerovías como los puntos de cruce puesto que la finalidad es la misma.

𝜂𝑖 = 𝛽𝑖𝛿𝑖 para aerovías

𝜂𝑖 = 𝛾𝑖𝜖𝑖 para puntos de cruce [10]



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3.3.2 Indicadores globales

Por último, los indicadores globales proporcionan información del estado del espacio aéreo en su conjunto. De este modo, permiten valorar la situación integral del espacio aéreo después de analizar la integración de RPAS. Son los indicadores que concluirán si la integración de RPAS es viable y en qué condiciones. Para alcanzar estas conclusiones, se abordarán tres tipos de indicadores en función del ámbito operacional a considerar:

Indicador de riesgo: contabiliza el riesgo que supone la operación de aeronaves convencionales y RPAS en un espacio aéreo. En función del horizonte temporal considerado se considerarán distintos indicadores. Cada modelo analizará la situación a partir de indicadores como el número de conflictos, la severidad del conflicto o el nivel de riesgo del sector.

Indicador de capacidad (𝑪): contabiliza el número de RPAS y aeronaves convencionales que pueden operar en un espacio aéreo sin exceder el nivel de seguridad previamente definido.

Indicador de intervención ATC (𝑰): contabiliza el número de intervenciones del ATC que son necesarias para asegurar que no se produce ninguna vulneración de las mínimas de separación.

3.3.2.1 Indicadores de riesgo

El objetivo de los indicadores de riesgo es analizar el impacto que supone la introducción de RPAS en función de la aerovía seleccionada con el fin de detectar qué aerovías o corredores aéreos favorecen su introducción y cuáles lo imposibilitan. Los indicadores de riesgo dependen del horizonte temporal en el que se vayan a utilizar y, por tanto, no todos son válidos en los dos horizontes temporales considerados. Dentro de los indicadores de riesgo se definen los siguientes indicadores:

Número de conflictos (𝑵𝒄)

Es el número de veces que se infringen las mínimas de separación horizontales (5 NM).

𝑁𝑐 = 𝑛ú𝑚𝑒𝑟𝑜 𝑣𝑒𝑐𝑒𝑠 min(𝑠𝑒𝑝(𝑡)) < 𝑆𝑚𝑖𝑛 [11]

Donde min(𝑠(𝑡)) es la mínima distancia a la que se cruzan las aeronaves.

Severidad del conflicto (𝜽)

La severidad del conflicto es un indicador de la gravedad del conflicto puesto que no todos los conflictos conllevan la misma gravedad. Como muestra la ¡Error! No se encuentra el origen de la referencia.,

ada vez que se produce un conflicto su severidad viene determinada por la duración del conflicto (𝜏) y la

mínima distancia que se alcance entre estas aeronaves (min(𝑠(𝑡))). Por lo tanto, la severidad se

obtiene como el producto de estas dos variables:

𝜃 = min(𝑠𝑒𝑝(𝑡)) 𝜏 [12]



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Ilustración 8. Esquema de la evolución de un conflicto.

Disponibilidad de aerovías (𝝀)

El último indicador considerado en la fase táctica es la disponibilidad de las aerovías (𝜆). Este indicador tiene como objetivo calcular la disponibilidad de las aeronaves que operan por las aerovías a sufrir un conflicto. De este modo, se conocerá qué aerovías favorecen la introducción de RPAS puesto que la introducción de los mismos supone un menor riesgo de exposición a sufrir conflictos con otras aeronaves.

Para entender en detalle este concepto y cómo se estima se propone el siguiente ejemplo. Suponga la situación en la que una aeronave va a entrar en el espacio aéreo como muestra la ¡Error! No se

ncuentra el origen de la referencia.. Esta aeronave que recorre la aerovía 𝑖 coincide en un punto de cruce con otra aerovía 𝑗 por la que operan otras aeronaves. En el instante en el que la aeronave de la

aerovía 𝑖 entra en el sector (𝑡𝑚0 ) existe un área de bloqueo en la aerovía 𝑗 de manera que: si una

aeronave de la aerovía 𝑗 ocupa el área de bloqueo en el instante 𝑡𝑚0 se producirá un conflicto entre

ambas aeronaves. Esta área de bloqueo se encuentra caracterizada por las velocidades de ambas aeronaves, la distancia al punto de cruce y la sección crítica asociada al punto de cruce. Por lo tanto,

cada aeronave que opere en la aerovía 𝑖 generará su propia área de bloqueo y la ocurrencia de un conflicto depende de la situación relativa de las aeronaves en la aerovía 𝑗.



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Ilustración 9. Esquema del diseño de un área de bloqueo asociada a dos aerovías.

El indicador 𝜆 representa el ratio de tiempo que las aerovías por las que se introducen RPAS se encuentran bloqueadas porque su introducción supondría la aparición de un conflicto. Es decir, la exposición al riesgo de conflicto de un RPAS es la relación entre el tiempo que la aerovía no está disponible y el tiempo de exposición (en este caso una programación de una hora).

𝜆(𝑖) =𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑛𝑜 𝑑𝑖𝑠𝑝𝑜𝑛𝑖𝑏𝑙𝑒 𝑝𝑎𝑟𝑎 𝑅𝑃𝐴𝑆 𝑝𝑜𝑟 𝑙𝑎 𝑎𝑒𝑟𝑜𝑣í𝑎 𝑖

𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑒𝑥𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 (1ℎ) [13]

Como se ha descrito previamente, el objetivo de este proyecto se centra en el impacto sobre la seguridad y el riesgo que la integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado. Aunque se pueden extraer algunas primeras conclusiones en términos de capacidad y del impacto sobre el ATC, el objetivo primario de esta fase del proyecto no es analizar en profundidad estos aspectos. Un análisis profundo y coherente sobre la capacidad y la carga de trabajo del ATC requiere de un desarrollo complejo que valore todos los elementos involucrados. De este modo, se plantea para futuros trabajos la posibilidad de desarrollar e implementar estos conceptos con un mayor nivel de detalle.



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4 DESARROLLO GENÉRICO DE LA METODOLOGÍA

Una vez explicado el marco metodológico, así como las variables e indicadores operativos a considerar, se profundiza en la descripción de la metodología. Para ello esta sección detalla cuál es la ruta jerarquizada a seguir para poder aplicarla a los casos de estudio, describiendo cada una de sus partes (fase de diseño y fase operativa) así como los diferentes niveles por los que estas están compuestas. La aplicación de la metodología a un escenario real se realizará en futuros entregables.

En primer lugar, se desarrolla la fase de diseño (sección 5) compuesta por tres niveles:

1. Análisis de la situación operativa actual del espacio aéreo caso de estudio (nivel 1), 2. Detección de aerovías y corredores aéreos seguros para la integración de RPAS (nivel 2), y, 3. Análisis del riesgo que se producirá en la integración de estos (nivel 3).

Esta fase es necesaria para identificar cómo afecta la introducción de RPAS a un espacio aéreo en un horizonte de planificación. Así, el análisis en la fase de diseño tiene como variables de entrada el diseño del espacio aéreo y la caracterización de los flujos aéreos que operan por el mismo. Los resultados que se esperan obtener son:

Conocimiento profundo del espacio aéreo en el que se pretende integrar RPAS junto a aeronaves convencionales.

Determinación de aerovías y corredores aéreos (niveles de vuelo de aerovías) que permiten la segregación de las mismas para la introducción de RPAS.

Cuantificación del riesgo (probabilidad y número de conflictos) que supone la integración de RPAS en un espacio aéreo.

La Ilustración 10 presenta un esquema funcional de los distintos niveles de la fase de diseño.

Ilustración 10. Estructura jerárquica de los niveles en la fase de diseño.

En segundo lugar, se desarrolla la fase de operación (sección 6) compuesta por dos niveles:

1. Análisis de la situación operativa de programaciones de aeronaves procedentes del espacio aéreo a considerar (nivel 1),

2. Análisis de la afección debido a la introducción de RPAS en las programaciones previas (nivel 2),

Esta fase se caracteriza porque se verifica la introducción de RPAS en unas programaciones



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determinadas. Además de analizar cómo afecta esta introducción a partir de los indicadores de riesgo, los resultados que se esperan obtener son:

Conocimiento profundo de la evolución de trayectorias de las programaciones con aeronaves convencionales.

Análisis de la seguridad debido a la integración de RPAS en distintas programaciones a partir de los indicadores de riesgo.

Verificación de las aerovías y niveles de vuelo que favorecen la introducción de RPAS determinadas durante la fase de diseño.

Determinación del flujo máximo de aeronaves convencionales que permite la mezcla junto a RPAS.

Determinación de los periodos de tiempo que validan la operación de RPAS en el espacio aéreo de estudio.

Implementación de trayectorias 4D específicas para operaciones con RPAS que no impliquen un amento en el riesgo operacional.

Finalmente, el resultado de la fase operativa es triple puesto que permite: 1) analizar el impacto sobre la seguridad operacional que tiene la operación de RPAS en un espacio aéreo conjunto; 2) determinar los periodos de tiempo en los que se pueden integrar RPAS sin que suponga un incremento en la seguridad operacional; y 3) implementar trayectorias 4D a operar por RPAS en un espacio aéreo. La Ilustración 11 presenta un esquema funcional de los distintos niveles de la fase de diseño.

Ilustración 11. Estructura jerárquica de los niveles en la fase operativa.

Por lo tanto, la Ilustración 12 resume esquemáticamente los principales resultados de cada nivel de la metodología.



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Ilustración 12. Principales resultados para cada nivel de la metodología.



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5 FASE DE DISEÑO

La fase de diseño tiene como objetivo valorar el impacto de la introducción de RPAS en un espacio aéreo en un horizonte de planificación o diseño del mismo. Esta fase trabaja a partir de los datos más básicos de un volumen de espacio aéreo: el diseño de aerovías y los flujos que operan en ellos.

5.1 Fase de diseño – Nivel 1: Análisis de la situación operacional de

un espacio aéreo

Esta primera fase tiene como objetivo estudiar la situación operacional del espacio aéreo considerado. Este análisis es la primera innovación que se propone en esta metodología puesto que normalmente únicamente se analiza la distribución de tráfico aéreo en el espacio aéreo y aquí se va a estudiar también la estructura morfológica y geométrica del mismo. El objetivo es ordenar las aerovías y los puntos de cruce de acuerdo con los indicadores estáticos, dinámicos y mixtos definidos anteriormente. El proceso es el siguiente:

1. Se caracterizan las aerovías y los puntos de cruce con la información geométrica (longitud, ángulo y sección crítica) y la información dinámica (flujos y velocidades medias).

2. Se calcula y ordenan los indicadores técnicos definidos en la sección 3.3.1 (estáticos, dinámicos y mixtos) para cada aerovía y para cada punto de cruce. Con esta información se analiza cuáles de ellos tienen un mayor impacto sobre la seguridad de las operaciones.

5.1.1 Caracterización aerovías y puntos de cruce

De este modo, el primer paso para aplicar esta fase es caracterizar las aerovías y obtener la información necesaria tal y como está dispuesto en la Tabla 3. Se deberán tomar los datos medios de las aerovías dentro del espacio aéreo considerado, así como como su desglose para los niveles de vuelo a estudiar.

Tabla 3. Información operativa de las aerovías.

Aerovía 𝑳𝒊 𝑸𝒊 𝑸𝒊𝒎𝒂𝒙 𝒗�� 𝑸𝒊,𝑭𝑳𝒎𝒊𝒏

… 𝑸𝒊,𝑭𝑳𝒎𝒂𝒙 𝒗𝒊,𝑭𝑳𝒎𝒊𝒏

… 𝒗𝒊,𝑭𝑳𝒎𝒂𝒙

UL123 0.42 2.54 85.23 250.3 0.12 … 0.35 249.2 … 261.4

… … … … … … … … … … …

La Tabla 3 presenta toda la información operativa de las aerovías dentro del sector.

En cuanto a los puntos de cruce es necesario recopilar las características geométricas y morfológicas, así como las aerovías que lo constituyen. La Tabla 4 presenta la información para un punto de cruce genérico (𝑊𝑃𝑛). Este punto de cruce está constituido por unas aerovías que coinciden en él (UL123,



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UM123 y UN123). Para cada par de aerovías se muestra en la parte inferior izquierda los ángulos (𝛼𝑖,𝑗)

que forman las aerovías y en la parte superior derecha el valor de la sección crítica (𝑑𝑖,𝑗) asociada.

Tabla 4. Información geométrica de un punto de cruce.

𝑾𝑷𝒏 𝒅𝒊.,𝒋

𝜶𝒊,𝒋

UL123 UM123 UN123

UL123 - 10 14.31

UM123 23º - 26.18

UN123 68º 90º -

5.1.2 Cálculo y análisis de los indicadores técnicos

Con la información procedente de las tablas anteriores se obtiene como resultado el cálculo y ordenamiento de los indicadores técnicos para aerovías y puntos de cruce. Tanto la Tabla 5 como la Tabla 6 presentan un ejemplo donde se recoge toda la información de los indicadores aplicados.

Tabla 5. Ejemplo de estudio de complejidad por aerovía.

Aerovía 𝜷𝒊 𝜹𝒊 𝜼𝒊

UL123 0.42 0.12 0.0504

UM123 0.39 0.36 0.1404

UN123 0.28 0 0

… … … …

La Tabla 5 presenta ordenadas las aerovías de acuerdo con el indicador 𝛽 (complejidad de aerovía). Las conclusiones que se pueden extraer son:

En este caso la UL123 tiene un mayor ratio de longitud donde podría ocurrir un conflicto, comparado con el resto de aerovías del sector. Esto quiere decir que esta aerovía o bien dispone de muchos puntos de cruce o bien la geometría del cruce con las aerovías asociadas es más compleja (se aleja de un cruce de 90º). En ambos casos la aerovía UL123 es la menos favorable para introducir nuevas aeronaves.

En cuanto al indicador de ocupación de la aerovía (𝛿), la aerovía UM123 es la que tiene mayor tráfico. En este caso la aerovía UN123 no presenta tráfico ya que su indicador es cero.



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El indicador mixto (𝜂) proporciona una idea de cuál de las aerovías presenta mayor complejidad. La aerovía UM123 obtiene el mayor valor debido a que es la que presenta mayor tráfico aéreo aunque la complejidad geométrica de su aerovía no es la mayor. Por otro lado, la UN123 presenta un indicador de complejidad mixto de cero debido a que no dispone de tráfico. Sin embargo, la inclusión de un RPAS por esta aerovía supondría el menor impacto debido a que el

indicador 𝛿 = 0.02 y el indicador 𝜂 = 0.0056 seguiría siendo el más bajo.

Tabla 6. Ejemplo de estudio de complejidad por punto de cruce.

Punto de cruce 𝜸𝒏 𝝐 𝒏 𝜻𝒏 𝜼𝒏

𝑾𝑷𝟒 5.2 0.23 0.015 1.196

𝑾𝑷𝟐𝟏 3.8 0.16 0.16 0.608

… … … … …

Total … … 0.175 …

Por otro lado, de la Tabla 6 se extraen las siguientes conclusiones sobre los puntos de cruce:

El punto de cruce 𝑊𝑃4 es el que presenta una mayor complejidad (indicador 𝛾) puesto que la suma de las secciones críticas de las aerovías que coinciden en él es el mayor. Esto significa que potencialmente este cruce es el que presenta una mayor exposición a que ocurra un conflicto teniendo en cuenta únicamente las secciones críticas asociadas.

El punto de cruce 𝑊𝑃4 también es el más concurrido puesto que presenta un mayor ratio de

aeronaves que cruzan por él (𝜖).

Se ha explicado que el indicador 𝜁 representa la probabilidad de que se produzca un conflicto entre aeronaves. Este indicador únicamente tiene en cuenta que en un punto de cruce concurran pares de aerovías que disponen tráfico en ambas aerovías. Esto quiere decir que tanto el punto

de cruce 𝑊𝑃4 como el 𝑊𝑃21 pueden tener conflictos debido a que hay aeronaves por las aerovías que los constituyen. Un indicador 𝜁 = 0 significaría que no pueden ocurrir conflictos porque no existe al menos una pareja de aerovías con tráfico.

Por último, el indicador de complejidad mixta 𝜂 especifica que las aeronaves tienen un mayor

riesgo de sufrir un conflicto en el punto de cruce 𝑊𝑃4 en este ejemplo. Cuanto mayor sea este indicador mayor será el riesgo de cruzar por este punto de cruce.

Por último, se realizará una representación gráfica de las aerovías y puntos de cruce mediante código de colores o de grosor para representar la situación relativa de estos elementos.



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5.2 Fase de diseño - Nivel 2: Detección de aerovías y corredores

aéreos seguros para RPAS

El objetivo de este análisis es detectar que aerovías y corredores aéreos (conjunto de niveles de vuelo de una aerovía) permiten la integración de RPAS sin suponer un incremento de riesgo en la situación operativa. Este estudio proporcionará aquellas aerovías o corredores aéreos en los que no se produce interacciones con los flujos de otras aerovías. Además, resulta especialmente importante este análisis puesto que los flujos aéreos varían no solamente en función del nivel de vuelo sino también a lo largo del día. En un primer análisis, se consideran únicamente flujos aéreos que representan la situación general de un espacio aéreo, pero en futuros trabajos se analizará la segregación de aerovías y corredores aéreos en distintos periodos del día.

5.2.1 Segregación por Aerovías

A partir de los indicadores obtenidos en la Fase de diseño – Nivel 1 se realiza un análisis que valora la incompatibilidad de los flujos que operan por las aerovías. El objetivo es detectar aquellas aerovías que están libres tráfico aéreo, en las que la introducción de RPAS no supondría un aumento del riesgo de las operaciones. Así, el resultado es detectar aerovías que no disponen de tráfico y que se cruzan con aerovías que tampoco disponen de tráfico.

Normalmente, en un espacio aéreo no se van a encontrar este tipo de aerovías puesto que, si no hay tráfico que utilice las aerovías, estas acabarían desapareciendo. Sin embargo, la ocupación de estas aerovías varía a lo largo del perfil vertical, es decir, los niveles de vuelo más ocupados son los superiores mientras que los niveles de vuelo inferiores se encuentran relativamente desocupados. En estos niveles de vuelo inferiores es donde se plantea realizar la integración de RPAS, o al menos en una primera fase de integración. Por lo cual, es cierto que se pueden dar espacios aéreos en los que haya aerovías sin tráfico aéreos en los niveles de vuelo considerados.

Para ello será necesario realizar casos de estudio en los que se introduce flujo por aquellas aerovías que

en condiciones iniciales no presentan tráfico (𝛿 = 0). Aquellas aerovías que no incrementen el valor límite de 𝜁𝑡𝑜𝑡 serán aquellas aerovías que permitan la segregación.

La formulación del problema es como sigue:

Se supone que existe un conjunto 𝑘 de aerovías que no tienen tráfico inicialmente (𝛿𝑘 = 0).

Se realiza el experimento tantas veces como 𝑘 aerovías existan.

Cada aerovía 𝑘 transforma su tráfico al tráfico máximo (𝛿𝑘 = 1). Se elige este valor porque es el caso en el que la aerovía alcanzaría su flujo máximo teórico. De este modo se evita que puedan resultar resultados difíciles de analizar.

Una vez modificado el indicador 𝛿𝑘 se vuelven a calcular los indicadores para obtener el valor total 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 1).

El análisis de los casos de estudio arroja los siguientes resultados:

El caso en el que el valor total obtenido sea superior al valor total inicial implica que esta aerovía



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no permite segregación. El motivo es que la inclusión de tráfico por esta aerovía implica que puedan aparecer conflictos con flujos de otras aerovías.

El caso contrario sí que permite segregación puesto que la introducción de aeronaves por esta aerovía no supone la aparición de conflictos con otros flujos de tráfico.

𝑆𝑖 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 1) > 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 0) no permite segregación la aerovía 𝑘

𝑆𝑖 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 1) = 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 0) sí permite segregación la aerovía 𝑘 [14]

Por lo tanto, este proceso permite determinar qué aerovías dentro del espacio aéreo considerado permiten segregar el tráfico aéreo.

5.2.2 Segregación por nivel de vuelo

Este análisis es la continuación del estudio anterior. La segregación por aerovías determina que aerovías permiten la segregación de RPAS en todos los niveles de vuelo considerado. Sin embargo, esta segregación puede ser difícil ya que la distribución del tráfico no es constante en los distintos niveles de vuelo ni a lo largo del día. La distribución vertical del tráfico aéreo en las aerovías puede impedir la segregación de RPAS en una aerovía, pero esto no quiere decir que no existan corredores de espacio aéreo (conjunto de niveles de vuelos de una aerovía) que permitan una segregación más limitada. Por lo

tanto, este análisis sigue el mismo proceso desarrollado para el apartado anterior pero para cada FL (𝑠) de cada aerovía dentro del espacio aéreo. Este mayor nivel de detalle puede proporcionar mejores resultados que el análisis anterior porque la distribución vertical del tráfico aéreo varía mucho en cada aerovía.

El proceso para analizar la segregación por nivel de vuelo es similar al caso anterior:

Se supone que existe un conjunto 𝑘 de aerovías que no tienen tráfico inicialmente (𝛿𝑘 = 0).

Se realiza el experimento tantas veces como 𝑘 aerovías existan.

Para cada aerovía se realiza el experimento tantas veces como 𝑠 niveles de vuelo se analicen.

Cada aerovía 𝑘 y en cada FL 𝑠 transforma su tráfico inicial (𝛿𝑘𝑠 = 0) al tráfico máximo (𝛿𝑘

𝑠 =1).

Una vez modificado el indicador 𝛿𝑘𝑠 se vuelven a calcular los indicadores para obtener el valor

total 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘𝑠 = 1).

El análisis de los resultados puede arrojar los siguientes resultados:

El caso en el que el valor total obtenido sea superior al valor total inicial implica que esta aerovía no permite segregación. El motivo es que la inclusión de tráfico por esta aerovía implica que puedan aparecer conflictos con flujos de otras aerovías.

El caso contrario sí que permite segregación puesto que la introducción de aeronaves por esta aerovía no supone la aparición de conflictos con otros flujos de tráfico.

𝑆𝑖 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘𝑠 = 1) > 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘

𝑠 = 0) no permite segregación la aerovía 𝑘 en el [15]



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FL 𝑠

𝑆𝑖 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘𝑠 = 1) = 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘

𝑠 = 0) sí permite segregación la aerovía 𝑘 en el FL

𝑠

Por lo tanto, este análisis permite determinar qué FL (𝑠) de qué aerovías dentro del espacio aéreo considerado permite segregar el tráfico aéreo.



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5.3 Fase de diseño - Nivel 3: Análisis de riesgo para la introducción

de RPAS

Este es el último análisis por realizar en la fase de diseño puesto que para un estudio en mayor profundidad es necesario avanzar a una fase operativa. En la fase de diseño – Nivel 1 se han obtenido los indicadores técnicos de acuerdo con el espacio aéreo considerado. En la fase de diseño - Nivel 2 se han encontrado aerovías y/o niveles de vuelo dentro de las mismas que permiten la segregación de tráfico aéreo. Por último, la fase de diseño – Nivel 3 permite detectar las aerovías que favorecen e impiden la introducción de RPAS en función del impacto sobre el riesgo de las operaciones.

En el nivel 2, se han identificado las aerovías o niveles de vuelo permiten la introducción de RPAS sin un impacto en el riesgo de las operaciones. Sin embargo, este análisis no tiene en cuenta cómo afecta la integración de RPAS por el resto de las aerovías. Atendiendo al resultado que proporciona la ecuación (11) del nivel 2, esta ecuación responde a una condición binaria: o se permite la introducción de tráfico

aéreo por una aerovía (𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 1) = 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 0)) o no se permite (𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 = 1) > 𝜁𝑡𝑜𝑡(𝛿𝑘 =0)). En ambos casos, los indicadores definidos anteriormente no permiten realizar un análisis cualitativo de la variación del riesgo operacional que implica la integración de RPAS. Tampoco permite tener un conocimiento más profundo de las interrelaciones entre el flujo, el diseño del espacio aéreo, las características operativas de los RPAS y el riesgo de las operaciones. Por lo tanto, el último análisis en la fase de diseño evalúa cómo afecta la integración de RPAS en las aerovías que no permiten una segregación inicial de RPAS.

Para realizar este análisis se aprovecha el modelo presentado en el Entregable 4 pero con una serie de modificaciones para responder a las limitaciones que imponía. El desarrollo de este modelo no se presenta en este Entregable puesto que se encuentra en el Entregable 4. No obstante, sí que se introducen las principales limitaciones que el modelo imponía y las medidas planteadas para resolverlas en la Tabla 7:

Tabla 7. Descripción de las limitaciones de la metodología del Entregable 4 y los nuevos enfoques planteados.

Limitación Nuevo enfoque

El modelo de riesgo no permite separar la influencia de las variables operativas de las variables geométricas del espacio aéreo

Se desarrolla la metodología a partir de los indicadores técnicos descrita en la Fase de diseño – Nivel 1

La introducción de RPAS no permitía detectar aquellas aerovías o corredores aéreos que no supusieran un incremento del riesgo

Se desarrolla un nuevo análisis a partir de los indicadores técnicos descrita en la Fase de diseño – Nivel 2

La introducción de RPAS se planteó únicamente En la Fase de diseño – Nivel 3



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mediante una distribución uniforme a lo largo de los FL que constituyen el espacio aéreo considerado. Esto permitía introducir un número de RPAS muy superior a las aeronaves convencionales lo que invalidaba los resultados

plantea nuevos casos de estudio en los que se analiza la introducción de RPAS con distintas distribuciones verticales.

La introducción de los RPAS solamente se puede realizar

tras intercambiar el flujo de aeronaves convencionales

por RPAS. Este análisis no permite la mezcla de RPAS

junto a aeronaves convencionales por la misma aerovía.

Se plantean casos de estudio en la Fase operativa – Nivel 2 en los que se mezclan aeronaves convencionales y RPAS por una misma aerovía

La limitación detectada en la Tabla 7 y que se pretende resolver atiende a la forma en la que se distribuye la introducción RPAS verticalmente. ´La aplicación presentada en el sector LECMPAU del entregable 4 se realizó introduciendo RPAS por una aerovía de manera uniforme a lo largo de los niveles de vuelo analizados. Esto suponía que para una aerovía sin tráfico aéreo inicial se añadían RPAS por todos los niveles de vuelo. Pero en los casos que se intercambiaba el tráfico convencional por RPAS, este se introducía de manera uniforme por lo que no respondía a la distribución vertical del tráfico convencional. Este aspecto arrojaba resultados en los que aerovías con 2 aeronaves convencionales por hora permitían hasta 20 RPAS por hora.

Para resolver este problema, se propone la realización de los siguientes casos de estudio para la introducción de RPAS y que abordan todas las situaciones posibles. Estos casos de estudio permitirán adquirir un mejor conocimiento de la operación del sector y donde la introducción de RPAS puede suponer un menor impacto en un espacio aéreo de acuerdo a los indicadores globales:

Introducción de RPAS de manera uniforme por todos los FL considerados.

Introducción de RPAS por los mismos niveles de FL que son utilizados por las aeronaves convencionales y con la misma distribución que presenten estos.

Introducción de RPAS por los FL libres manteniendo las aeronaves convencionales, es decir, rellenar los FL con los RPAS que están operando.

De este modo, estos tres tipos de experimentos complementarán los resultados obtenidos en el Entregable 4 y que no permitían alcanzar todo el conocimiento del sector tras la introducción de RPAS.



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6 FASE OPERATIVA

Una vez abandonada la fase de diseño se analiza la introducción de RPAS en una fase operativa. Como se ha comentado anteriormente, la metodología empleada en la fase estratégica presenta ciertas limitaciones que requiere que se ahonden en esta nueva fase operativa. Estas limitaciones son:

La metodología no permite la mezcla de RPAS junto a aeronaves convencionales, por lo que la

introducción de RPAS supone la eliminación del tráfico convencional y su sustitución por tráfico

RPAS.

La fase de diseño utiliza valores medios para obtener los resultados de riesgo (velocidad media

de las aeronaves por cada aerovía, número medio de aeronaves a la hora por cada aerovía) lo

que da lugar a que esta metodología no sea aplicable a casos de estudio reales, en los que se

tenga una programación real (velocidad de cada aeronave, hora a la que cada aeronave entra

en el sector).

No permite validar la realización de una trayectoria 4D (posición más tiempo) por parte de un

RPAS en un espacio aéreo.

En particular, resulta necesario hacer hincapié en la diferencia de los horizontes temporales de la fase de diseño y operativa. En ambos horizontes temporales las variables operativas con las que se modeliza el escenario o las operaciones aéreas y la información que se dispone son completamente diferentes. La fase operativa está caracterizada por la desaparición de unos flujos genéricos (modelizados por su densidad y la velocidad media) y se dispone de una programación de operaciones. Esta programación de vuelos cumplirá las características del escenario operativo pero cada una de las aeronaves que lo constituyen presentará características propias (velocidad y tiempo de entrada). Además, la caracterización de la ruta a operar y la hora de entrada de cada aeronave permiten plantear las bases para plantear la posible introducción de trayectorias 4D. La Ilustración 13 describe el proceso que sigue la fase operativa:

1. Fase operativa 1 – Nivel 1: Modelización, selección y análisis de programaciones base. a. Modelización de trayectorias: se modelizan las trayectorias de vuelo de las aeronaves

convencionales que constituyen una programación de una hora. b. Selección de programaciones base: se seleccionan distintas programaciones del

escenario de estudio que aborden distintos periodos temporales. c. Análisis de las programaciones base: a partir de la simulación de las trayectorias se

analiza cómo evoluciona la separación entre ellas y se determinan los indicadores globales.

2. Fase operativa – Nivel 2: Análisis de programaciones con RPAS. Se introducen trayectorias de RPAS en las programaciones estudiadas en el Nivel 1 y se analiza cómo afecta su integración sobre los indicadores globales.



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Ilustración 13. Diagrama de fase operativa.



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6.1 Fase operativa - Nivel 1: Modelización, selección y análisis de

programaciones base

6.1.1 Modelización de trayectorias

El primer paso es la modelización (y posterior simulación) de las trayectorias de vuelo de las aeronaves convencionales que constituyen una programación. Las programaciones que se consideran en la fase operativa son de un periodo de una hora y deben cumplir con las características operativas del escenario considerado. Es decir, el número de aeronaves que operan por una aerovía deben corresponder con las características de flujos aéreos considerados en la fase de diseño.

Cada programación está caracterizada por la siguiente información:

Número de aeronaves (𝑚),

Hora de entrada de cada aeronave (𝑡𝑚0 ),

Aerovía por la que opera (𝑖),

Nivel de vuelo por el que opera (𝐹𝑚), y

Velocidad de vuelo (𝑣𝑚).

La Tabla 8 presenta un ejemplo de una programación base en la que aparece especificada la información previamente descrita.

Tabla 8. Ejemplo programación.

Aeronave Hora de entrada Aerovía (𝒊) 𝑭𝑳𝒎 𝒗𝒎

1 00:00 UM123 250 400

2 02:00 UN123 270 420

3 05:00 UT123 260 410

… … … … …

De este modo, la trayectoria cada aeronave 𝑚 depende de las siguientes condiciones iniciales:

𝑓𝑚(0) = 𝑓𝑚(𝑡𝑚0 , 𝑖, 𝐹𝐿𝑚, 𝑣𝑚) [16]

Con estas condiciones iniciales se simula la trayectoria de cada aeronave mediante la utilización de algoritmos siguiendo las siguientes ecuaciones:

𝑑𝑥𝑚

𝑑𝑡= 𝑣𝑚,𝑥 + 𝑊𝑥(𝐹𝐿) [17]



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𝑑𝑦𝑚

𝑑𝑡= 𝑣𝑚,𝑦 + 𝑊𝑦(𝐹𝐿)

𝑧𝑚 = 𝐹𝐿𝑚

Donde 𝑊𝑥(𝐹𝐿) y 𝑊𝑦(𝐹𝐿) son las componentes horizontales del viento en el FL considerado y

(𝑥𝑚, 𝑦𝑚) son las coordenadas de la aeronave 𝑚. Estas ecuaciones asumen una serie de hipótesis que es necesario destacar porque, conforme se vaya profundizando en el desarrollo del modelo, se podrán introducir incertidumbres a los mismos:

Se consideran movimientos uniformes en el plano horizontal de la aeronave sin incertidumbres asociadas al pilotaje o a la velocidad. Se analizará en futuros entregables la inclusión de estas incertidumbres en el análisis de riesgo.

Se considera un movimiento horizontal sin desviaciones en el plano vertical ya que estas desviaciones en el plano vertical tendrían una influencia en la trayectoria horizontal. Se analizará en futuros entregables la inclusión de estas incertidumbres en el análisis de riesgo.

Por último, se considera que todo el flujo opera en fase de crucero sin realizar cambios de niveles de vuelo. Esto significa que no hay interacción entre las aeronaves en distintos niveles de vuelo puesto que ya están separados de manera segura.

6.1.2 Selección de programaciones base

El análisis en la fase operativa se realiza a partir de una serie de programaciones seleccionadas o programaciones base. Para seleccionar las programaciones a evaluar se debe tener en cuenta que existen múltiples programaciones distintas. Cada modificación en la velocidad de una aeronave o en la hora de entrada supone una nueva programación a estudiar. Por lo tanto, la variabilidad existente entre todas las programaciones posibles en un escenario es muy alta, lo que hace incompatible la valoración de todas ellas. Además, incertidumbres asociadas a las trayectorias (errores de posición, de vigilancia, de pilotaje, de velocidad, viento, etc.) aumenta el número de programaciones a realizar. En futuros trabajos, la posibilidad de introducir incertidumbre a las simulaciones permitirá analizar cómo afectan estas incertidumbres a la seguridad de las operaciones.

Para abordar esta problemática, en este proyecto se plantea la selección de un número determinado de programaciones base con las que analizar la futura introducción de RPAS. Estas programaciones deberían considerar distintos periodos temporales para tener la mayor homogeneización posible. No obstante, se debe priorizar el estudio durante periodos de alta densidad puesto que contienen una mayor complejidad.

Una vez seleccionada una programación base como la mostrada en la Tabla 8 se procede a simular las trayectorias y analizar la situación a partir de los indicadores globales definidos anteriormente. Estos resultados serán necesarios para comparar la situación con aeronaves convencionales frente a la situación con RPAS.



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6.1.3 Análisis de programaciones base

El cambio de horizonte temporal para el análisis de la introducción de RPAS conlleva un cambio en el análisis a realizar. Igual que en la fase de diseño, será necesario analizar los resultados obtenidos para los indicadores globales (número de conflictos, severidad de los conflictos y la exposición de las aerovías). Para ello, será necesario analizar la separación entre todos los pares de aeronaves existentes y que compartan el mismo periodo de tiempo operando en el sector. La operación de las aeronaves fuera del sector a considerar queda fuera de este trabajo ya que englobaría el estudio de otros sectores. Además, la detección de conflictos se realiza para aquellas aeronaves que operan en el mismo nivel de vuelo, ya que en esta primera fase queda descartada la interacción entre flujos de distintos niveles de vuelo o aeronaves en evolución.

La separación entre dos aeronaves se calcula mediante la siguiente ecuación.

𝑠𝑒𝑝(𝑡) = √[𝑥𝑚(𝑡) − 𝑥𝑚−1(𝑡)]2 + [𝑦𝑚(𝑡) − 𝑦𝑚−1(𝑡)]2 [18]

Donde 𝑠𝑒𝑝(𝑡) representa la evolución de la separación en función del tiempo entre dos pares de aeronaves (en este caso 𝑚 y 𝑚 − 1).



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6.2 Fase operativa - Nivel 2: Análisis de programaciones con RPAS

El último nivel de la fase operativa y de la metodología en su conjunto es la introducción de RPAS en las programaciones base seleccionadas en la fase operativa – Nivel 1. El objetivo de esta fase es similar al de la Fase diseño – Nivel 3 en el que se analiza el impacto que tiene la introducción de RPAS en un espacio aéreo, pero en un horizonte temporal distinto. Para ello es necesario realizar las simulaciones de las programaciones base, pero introduciendo trayectorias de RPAS en las mismas. Los resultados que se esperan obtener de esta fase operativa son:

Análisis de la seguridad debido a la integración de RPAS en distintas programaciones a partir de los indicadores de riesgo.

Verificación de las aerovías y niveles de vuelo que favorecen la introducción de RPAS determinadas durante la fase de diseño.

Determinación del flujo máximo de aeronaves convencionales que permite la mezcla junto a RPAS.

Determinación de los periodos de tiempo que validan la operación de RPAS en el espacio aéreo de estudio.

Implementación de trayectorias 4D específicas para operaciones con RPAS que no impliquen un amento en el riesgo operacional.

Con este fin, se plantea los siguientes casos de estudio que deberán valorarse a partir de los indicadores globales definidos en el apartado 3.3.2:

1) A partir de las programaciones base evaluadas en la sección anterior, se realizan simulaciones introduciendo RPAS por las distintas aerovías. Se distingue entre aerovías con flujos de

aeronaves existentes (𝑄𝑖 > 0 ) y sin flujos de aeronaves (𝑄𝑖 = 0) a. Para aerovías sin flujos: se realizan simulaciones variando la hora de entrada del RPAS

(𝑡𝑟0 ∈ [0 − 𝑡𝑓𝑖𝑛]). Esto permitirá tanto validar posibles trayectorias 4D a realizar por

RPAS como determinar los periodos de tiempo en los que un RPAS no aumenta el riesgo operacional por una aerovía.

b. Para aerovías con flujo: se debe tener en cuenta que en estas aerovías hay que añadir una serie de restricciones a la hora de entrada de RPAS (deben estar separadas una distancia mayor o igual a 5 NM con las aeronaves convencionales).

2) Se propone un último caso en el que se simulan RPAS por aerovías que tengan mínimo tráfico aéreo, es decir, que dispongan de tráfico pero que este sea puntual por las aerovías. De esta forma, se busca evaluar si esta aerovía podría utilizarse únicamente para RPAS obligando a estos vuelos puntuales a utilizar otras aerovías.

Finalmente, el resultado de la fase operativa es triple puesto que permite: 1) analizar el impacto sobre la seguridad operacional que tiene la operación de RPAS en un espacio aéreo conjunto; 2) determinar los periodos de tiempo en los que se pueden integrar RPAS sin que suponga un incremento en la seguridad operacional; y 3) implementar trayectorias 4D a operar por RPAS en un espacio aéreo.



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7 CONCLUSIONES Y FUTUROS TRABAJOS

El Entregable 5 ha desarrollado un marco metodológico que permite evaluar la introducción segura de RPAS en un espacio aéreo de ruta no segregado. Esta metodología aborda dos horizontes temporales para analizar la introducción de RPAS mediante las fases de diseño y operativa. Este enfoque novedoso permite considerar las variables que afectan a la operación de las aeronaves en los distintos horizontes temporales, lo cual asegura un estudio profundidad de la integración de RPAS. De este modo, las principales conclusiones que se desprenden de este trabajo son las siguientes:

Se han identificado las limitaciones que presentaba la metodología de riesgo empleada en el Entregable 4 con el objetivo de subsanarlas y proponer un nuevo enfoque. La limitación más importante era la necesidad de abordar el trabajo desde dos horizontes temporales diferentes (fase de diseño y fase operativa).

Se ha desarrollado un marco metodológico que constituye las bases para analizar la integración de RPAS en un espacio aéreo no segregado en las fases de diseño y de operación. Este marco metodológico sigue una ruta jerarquizada que debe seguirse puesto que existe una interrelación de resultados.

Se han identificado las diferentes variables que modelizan la operación de las aeronaves en un espacio aéreo. Estas han sido clasificados en dos grandes grupos: estáticos o dinámicos. Esta distinción depende de si están relacionados con características físicas del espacio aéreo (estáticas) o con el tráfico aéreo (dinámicas).

A partir de las variables operativas identificadas se han definido unos indicadores operativos que proporcionan la información necesaria para valorar la viabilidad de la integración de RPAS en un espacio aéreo. Estos indicadores se clasifican en dos grandes bloques: Indicadores técnicos (considera variables estáticas, dinámicas y una combinación de ambas), e Indicadores globales (hacen referencia a la situación global del espacio aéreo).

La fase de diseño es el primer paso de la metodología. Esta se centra en valorar el impacto de la introducción de RPAS en un espacio aéreo en un horizonte de planificación o diseño a partir de los indicadores técnicos y globales. En esta fase de diseño se parte de la información básica disponible en un volumen de espacio aéreo (diseño de aerovías y flujos aéreos). Esta fase de diseño tiene como objetivo obtener cuáles son las aerovías o corredores aéreos que permiten la integración libre de RPAS, así como la cuantificación del riesgo operativo por la introducción de RPAS en un espacio aéreo.

La fase operativa aborda la integración de los RPAS en un en un horizonte temporal donde ya se ha establecido una programación de aeronaves durante un periodo de una hora. Esta fase permite analizar cómo afecta la introducción de RPAS en una programación específica de aeronaves a partir de los indicadores globales (número de conflictos, severidad del conflicto y disponibilidad de aerovías).

La aplicación de la fase operativa permite obtener los siguientes resultados: verificación de las conclusiones obtenidas en la fase de diseño en una programación específica; Determinación del flujo máximo de aeronaves convencionales que permite la mezcla junto a RPAS; identificación de los periodos de tiempo que permiten la integración segura de RPAS; e implementación de



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trayectorias 4D para los RPAS en un espacio aéreo.

Los futuros trabajos se centran en la implementación de la metodología desarrollada en este entregable para un espacio aéreo. Para aplicar la metodología se plantea el desarrollo de una herramienta de riesgo (RIT) que permita la modelización del espacio aéreo y la simulación de trayectorias. Por lo tanto, los futuros trabajos se centrarán en la selección y caracterización de los escenarios de estudio y la aplicación del marco metodológico desarrollado en este entregable en los escenarios seleccionados.



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8 REFERENCIAS

1. Netjasov F. Framework for airspace planning and design based on conflict risk assessment Part 1 : Conflict risk assessment model for airspace strategic planning. Transp Res Part C Emerg Technol. 2012;24:190–212.

2. ICAO. Performance-based Navigation (PBN) - Doc 9613 AN/937. 2008. 3. EUROCONTROL. European Airspace Concept Handbook for PBN Implementatio, Edition 3.0.

2013.

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