Guía Vertical y Conceptos Relacionados en Aviación

1. Guía Vertical (VG)

La Guía Vertical (VG) abarca todo el conjunto de información, comandos y sistemas que permiten el control preciso de la trayectoria de altitud de una aeronave a lo largo de todas las fases del vuelo. En esencia, VG se refiere a los medios mediante los cuales la tripulación de vuelo o un sistema automatizado gestiona la posición del avión en la dimensión vertical—cambios de altitud relativos a una referencia en tierra o la posición del plan de vuelo. Esto incluye señales electrónicas (como las de la senda de planeo de un Sistema de Aterrizaje Instrumental o una senda de planeo basada en GPS), guía calculada de aviónica integrada (por ejemplo, el Sistema de Gestión de Vuelo o FMS) y ayudas visuales como los Indicadores de Trayectoria de Aproximación de Precisión (PAPI) y los Indicadores de Pendiente de Aproximación Visual (VASI).

Dónde y Cómo se Utiliza la Guía Vertical

La guía vertical es esencial desde el despegue hasta el aterrizaje. Durante la salida y ascenso, los sistemas VG mantienen la separación de obstáculos y el cumplimiento de las Salidas Estándar por Instrumentos (SID). En crucero, VG asegura vuelo nivelado a altitudes asignadas para un rendimiento óptimo y separación del tráfico. Durante el descenso y la aproximación, VG se vuelve crítico—especialmente en condiciones meteorológicas instrumentales (IMC) donde la posición vertical respecto al terreno y obstáculos no es visualmente evidente. Los sistemas automáticos usan VG para seguir trayectorias de descenso complejas, cumplir restricciones de cruce y alinearse con el ángulo de aproximación deseado. En la aproximación final, VG—como el proporcionado por la senda de planeo en un ILS o una senda derivada de GPS—asegura que la aeronave descienda en un ángulo seguro y estable hasta el umbral de la pista.

Fundamentos Técnicos y Contexto Regulatorio

El Anexo 10 de OACI (Telecomunicaciones Aeronáuticas), el Anexo 14 (Aeródromos) y PANS-OPS (Procedimientos para los Servicios de Navegación Aérea – Operaciones de Aeronaves, Doc 8168) definen los requisitos para los sistemas de guía vertical, su precisión, integridad y capacidades de alerta. VG se categoriza como “precisión” si cumple estándares rigurosos de precisión y alerta de guía (por ejemplo, ILS Categoría I, II, III), o como “aproximación con guía vertical” (APV) si proporciona una senda de planeo estabilizada sin cumplir todos los criterios de aproximación de precisión (por ejemplo, LPV, LNAV/VNAV). Los sistemas visuales (PAPI, VASI) están regulados bajo el Anexo 14 y brindan referencias verticales a los pilotos durante la aproximación y el aterrizaje.

Ejemplo Operativo

Durante una aproximación ILS, el piloto automático o el director de vuelo se acopla a la señal de senda de planeo, guiando a la aeronave por una trayectoria de descenso precisa de 3 grados hacia la pista. Durante una STAR (Ruta Estándar de Llegada), el FMS calcula el perfil de descenso necesario y comanda la guía vertical para cumplir con las restricciones de altitud publicadas, haciendo la transición sin problemas de crucero a aproximación.

2. Navegación Vertical (VNAV)

La Navegación Vertical (VNAV) es una función dentro de la aviónica moderna que automatiza la gestión de la altitud de la aeronave, velocidad vertical y, en ocasiones, la velocidad, a lo largo de una ruta lateral definida. VNAV utiliza datos de rendimiento de la aeronave, condiciones ambientales (vientos, temperatura) y restricciones operacionales (altitudes y velocidades en puntos de ruta) para generar un perfil vertical—básicamente, un plan de cuándo y cómo la aeronave ascenderá, crucerá, descenderá y nivelará. La lógica VNAV es parte integral de los Sistemas de Gestión de Vuelo (FMS) avanzados y está disponible en la mayoría de aviones modernos de línea y jets ejecutivos, así como en algunas aeronaves avanzadas de aviación general.

VNAV en la Práctica

VNAV se suele activar después del despegue, donde gestiona tasas de ascenso y aceleraciones, asegurando el cumplimiento de los procedimientos de salida. En crucero, VNAV puede ajustar la altitud para optimizar el consumo de combustible o cumplir solicitudes de ATC. El uso más crítico de VNAV es durante el descenso y la aproximación: el sistema calcula el Punto de Inicio de Descenso (T/D) y planifica un perfil de descenso que cumpla todas las restricciones de altitud y velocidad publicadas o impuestas por ATC. VNAV opera en varios modos, incluyendo “trayectoria” (siguiendo un ángulo de descenso geométrico), “velocidad” (priorizando la velocidad objetivo sobre la trayectoria) y “mantenimiento de altitud” (vuelo nivelado).

Base Técnica y Regulatoria

Los estándares de OACI y FAA (ver OACI Doc 8168, FAA AC 120-108) especifican los requisitos de rendimiento de VNAV, incluyendo precisión de la senda vertical, respuesta a restricciones y lógica de alerta. VNAV debe tener en cuenta los ajustes barométricos, desviaciones de temperatura (especialmente en Baro-VNAV) y debe proporcionar una clara indicación de los modos activos y armados. El diseño del sistema garantiza que los pilotos reciban alertas ante cualquier desviación de la senda calculada o incumplimiento de restricciones.

Ejemplo Operativo

Tras alcanzar el crucero en FL350, el piloto arma VNAV. El FMS calcula el T/D a 120 millas náuticas del aeropuerto. Al acercarse al T/D, el piloto automático comanda un descenso suave a ralentí, ajustando el régimen según sea necesario para cumplir con una restricción de “cruce 10,000 ft a 30 nm”, compensando los vientos previstos y la presión atmosférica.

3. Perfil Vertical

El perfil vertical es la representación gráfica o tabular de los cambios de altitud planificados o reales de una aeronave en su ruta, graficado como altitud versus distancia al suelo o tiempo. Incluye todos los ascensos, descensos, nivelaciones y los puntos precisos donde ocurren estas transiciones, como el Top of Climb (T/C), Top of Descent (T/D) y fixes de descenso escalonado. El perfil vertical es producto tanto del plan de vuelo lateral como de las restricciones verticales, sintetizado por el FMS u otras herramientas de planificación de vuelo.

Uso del Perfil Vertical

Los pilotos y tripulaciones utilizan el perfil vertical para anticipar cambios próximos de altitud, monitorear el cumplimiento de restricciones impuestas por ATC o procedimientos, y planificar la gestión de energía (acelerador y frenos aerodinámicos). En cabinas modernas, el perfil vertical suele mostrarse junto a la ruta lateral en la pantalla de navegación, con restricciones de altitud y nivelaciones esperadas anotadas. El FMS actualiza continuamente el perfil vertical en tiempo real, recalculando según cambie la posición de la aeronave, el viento o las autorizaciones ATC.

Detalles Técnicos

La construcción del perfil vertical implica cálculos hacia atrás y hacia adelante: el FMS suele trabajar hacia atrás desde el fix final de aproximación o descenso, integrando todas las restricciones publicadas de altitud y velocidad, datos de rendimiento (como peso y resistencia) y datos ambientales. El perfil debe asegurar el cumplimiento de los criterios de diseño de OACI y FAA para la separación de obstáculos y requisitos de aproximación estabilizada.

Ejemplo

Un piloto revisa la pantalla de perfil vertical antes del descenso, observando segmentos nivelados a 12,000 ft y 10,000 ft correspondientes a restricciones de la STAR. El FMS muestra una trayectoria de descenso continua con nivelaciones anticipadas, permitiendo al piloto planificar cambios de potencia y posible uso de frenos aerodinámicos.

4. Trayectoria Vertical

La trayectoria vertical es la trayectoria real o calculada que sigue la aeronave en el plano vertical, definida por una serie de altitudes, velocidades y ángulos de descenso o ascenso entre puntos de ruta o fixes. A diferencia del perfil vertical—que es un plan o representación—la trayectoria vertical es la ruta realizada o volada activamente, a menudo expresada como un ángulo geométrico (como una senda de planeo de 3 grados) o un descenso optimizado por rendimiento (como un descenso a ralentí).

Uso y Control

En vuelo automatizado, el FMS y el piloto automático usan la trayectoria vertical para generar comandos de cabeceo y empuje, asegurando que la aeronave permanezca en el ángulo de descenso o ascenso deseado. En la aproximación, la trayectoria vertical suele definirse por un ángulo de descenso constante desde el Fix de Aproximación Final (FAF) hasta el umbral de la pista, asegurando que la aeronave evite obstáculos y esté estabilizada para el aterrizaje. En vuelo manual, los pilotos usan indicadores de trayectoria vertical (como el indicador de desviación vertical del PFD) para mantener el ángulo de descenso deseado.

Aspectos Técnicos y Regulatorios

El cálculo de la trayectoria vertical está sujeto a estrictos requisitos de precisión e integridad, especialmente en aproximaciones con guía vertical (APV) y aproximaciones de precisión. El FMS debe considerar continuamente los cambios en velocidad sobre el suelo, viento, temperatura y rendimiento de la aeronave para mantener la trayectoria correcta. En algunas aproximaciones (por ejemplo, Baro-VNAV), la trayectoria vertical es sensible al ajuste del altímetro y la temperatura, requiriendo revisiones prevuelo cuidadosas.

Ejemplo Operativo

En una aproximación RNAV (GPS), el FMS calcula un ángulo de descenso geométrico de 3 grados desde el FAF hasta la pista, proporcionando guía continua de trayectoria vertical al piloto automático y mostrando la desviación vertical al piloto.

5. Sistema de Gestión de Vuelo (FMS)

El Sistema de Gestión de Vuelo (FMS) es el “cerebro” de aviónica integrado en la mayoría de aeronaves comerciales y ejecutivas modernas, responsable de automatizar la navegación, la guía vertical y lateral y la gestión del rendimiento. El FMS se conecta con sensores de navegación (GPS, DME, IRS), computadoras de datos de aire y sistemas de piloto automático/director de vuelo para sintetizar un plan de vuelo completo, incluyendo perfiles laterales y verticales.

Uso Funcional

El FMS se programa antes del vuelo con la ruta planificada, altitud de crucero y datos de rendimiento (peso, combustible, índice de coste). Calcula la trayectoria vertical óptima, incluyendo top of climb (T/C), crucero, top of descent (T/D) y todas las nivelaciones intermedias para satisfacer las restricciones publicadas y las impuestas por ATC. Durante el vuelo, el FMS actualiza dinámicamente el plan de vuelo y el perfil vertical en respuesta a cambios de viento, temperatura, autorizaciones ATC o desviaciones. Genera comandos de cabeceo, empuje y velocidad para el piloto automático y autothrust, asegurando la adherencia al perfil planificado.

Detalles Técnicos y Normas

El diseño del FMS está regulado por ARINC 702 (estándar FMS), Manual PBN de OACI (Doc 9613) y RTCA DO-178/DO-254 para integridad de software y hardware. El sistema debe proporcionar clara indicación de modos, alertas robustas por violaciones de restricciones e interfaces intuitivas para entradas del piloto. Los FMS en aeronaves más nuevas también permiten funciones “direct-to” y de replanificación, permitiendo modificar rápidamente el plan de vuelo y la guía vertical asociada.

Ejemplo Operativo

Durante el descenso a un aeropuerto principal, el FMS gestiona un descenso a ralentí, ajustando el régimen para cumplir una restricción de STAR de “cruce 10,000 ft a 250 nudos”, teniendo en cuenta vientos de frente y desviaciones de temperatura. El piloto automático y el autothrust siguen los comandos del FMS, asegurando una aproximación estabilizada.

6. Guía de Vuelo

La Guía de Vuelo abarca la aviónica a bordo, leyes de control e interfaces hombre-máquina que traducen la información de navegación y perfil de vuelo en comandos accionables para las superficies de control y motores de la aeronave. Esto incluye el piloto automático (AP), director de vuelo (FD), autothrottle/autothrust (AT) y los sistemas de visualización asociados.

Función Práctica

En vuelo automático, el FMS genera comandos de guía lateral y vertical que se transmiten al piloto automático y autothrust. El piloto automático ajusta cabeceo y alabeo para seguir la trayectoria deseada, mientras que el autothrust gestiona la potencia de los motores para mantener las velocidades objetivo. El director de vuelo, normalmente mostrado como barras de comando o indicaciones en la pantalla principal de vuelo (PFD), proporciona guía visual de cabeceo y alabeo para vuelo manual—permitiendo al piloto volar manualmente la aeronave de forma precisa a lo largo de la trayectoria calculada.

Detalles Técnicos y Regulatorios

Los sistemas de guía de vuelo deben cumplir rigurosos estándares de certificación en integridad, redundancia y manejo de fallos (ver EASA CS-25, FAA Part 25, DO-178C). El sistema debe proporcionar indicación inequívoca de modos, alertas claras de fallo y soportar tanto la automatización total como la anulación manual. La lógica avanzada de guía de vuelo puede gestionar transiciones entre modos de ascenso, crucero, descenso y aproximación, así como permitir aproximaciones acopladas hasta mínimos CAT III en ILS.

Ejemplo

Durante un descenso gestionado, el piloto automático y el autothrust siguen la trayectoria vertical generada por el FMS, ajustando cabeceo y empuje para cumplir todas las restricciones de altitud y velocidad. Si el piloto desconecta el piloto automático, el director de vuelo permanece activo, permitiendo volar manualmente la misma trayectoria calculada con indicaciones visuales.

7. Restricción de Altitud

Una restricción de altitud es un requisito publicado o impuesto por ATC para cruzar un punto de ruta, fix o segmento de un procedimiento a, por encima, por debajo o dentro de un rango de altitud específico. Las restricciones de altitud aseguran separación de obstáculos, separación de tráfico y flujo ordenado de llegadas y salidas.

Tipos de Restricciones de Altitud

• En (Restricción Fija): La aeronave debe cruzar el fix a la altitud especificada (ej.: “CRUCE XYZ EN 10,000”).
• En o Por Encima: No debe descender por debajo de la altitud especificada en el fix (ej.: “EN O POR ENCIMA DE 5,000”).
• En o Por Debajo: No debe ascender por encima de la altitud especificada en el fix (ej.: “EN O POR DEBAJO DE 7,000”).
• Ventana (Entre): Debe estar dentro de un rango de altitud especificado (ej.: “EN O POR ENCIMA DE 6,000, EN O POR DEBAJO DE 8,000”).

Integración y Cumplimiento

El FMS incorpora todas las restricciones de altitud en el perfil vertical, asegurando que la trayectoria calculada cumpla cada requisito para separación de obstáculos y flujo ATC. El sistema planificará segmentos nivelados según sea necesario para cumplir restricciones fijas o de ventana, y ajustará los regímenes de ascenso/descenso en consecuencia. En cabina, las restricciones se muestran en la página de tramos del FMS, en la pantalla de navegación y, a veces, en la vista de perfil vertical.

Ejemplo Operativo

En la llegada a un aeropuerto congestionado, la STAR requiere cruzar “WATER” en o por encima de 7,000 ft. El FMS asegura que la aeronave no descienda por debajo de 7,000 ft hasta pasar el fix, nivelando si es necesario antes de continuar el descenso.

8. Restricción de Velocidad

Una restricción de velocidad es un requisito publicado o impuesto por ATC para cruzar un fix o punto de ruta a una velocidad indicada igual o por debajo, igual o por encima, o dentro de un rango especificado. Las restricciones de velocidad son cruciales para la secuenciación de llegadas, la gestión de reducción de ruidos y la seguridad en el espacio aéreo terminal.

Aplicación y Uso en Vuelo

Las restricciones de velocidad se programan en el FMS como parte del plan de vuelo. El FMS calcula los puntos de desaceleración y planifica reducciones de potencia o uso de frenos aerodinámicos para asegurar que la aeronave cruce el fix de restricción a la velocidad requerida. El piloto automático y el autothrust trabajan en conjunto para gestionar la velocidad, proporcionando el FMS indicaciones de velocidad objetivo y advertencias anticipadas.

Ejemplo Operativo