Aterrizajes seguros de UAV sin navegación satelital

Con el uso de UAVs creciendo exponencialmente, mejorar la seguridad de su operación en entornos con interferencias, bloqueo o suplantación de identidad de la señal del navegador satelital es crítico. Un sistema simple y rentable para proteger aeronaves costosas y críticas es fundamental.

El uso de aeronaves no tripuladas (UAV) se viene expandiendo a un ritmo cada vez más acelerado, desde las más simples de clase 1, cuyos resultados en conflictos como Ucrania, Armenia-Azerbaiyán y Medio Oriente vienen llevando a su adopción a nivel global, hasta las más complejas de las clases 3 y 4, que permiten realizar vigilancia, reconocimiento e inteligencia, entre otras misiones, durante períodos de tiempo muy prolongados, cubriendo vastas superficies. En América Latina, países como Brasil, Colombia, Chile y México ya están operando UAV clase 3, especialmente el Hermes 900 de Elbit, pero se espera que otros como Argentina, Perú y Ecuador se sumen en el corto plazo, dada la creciente necesidad de controlar las fronteras, los espacios marítimos y espacios terrestres, especialmente contra actividades ilegales, como el narcotráfico y la pesca ilegal. Además, son un activo de gran importancia en misiones de búsqueda y rescate y para brindar seguridad a la navegación, manteniendo un monitoreo sobre las actividades en el mar.

En escenarios de guerra, pueden proveer inteligencia y reconocimiento, mejorando considerablemente la conciencia situacional de las fuerzas propias con un menor nivel de riesgo y mayor persistencia que las aeronaves tripuladas.

Sin embargo, los UAV no carecen de amenazas y una de las principales es la interferencia de sus sistemas de navegación y transmisión de datos. Si bien el vuelo puede ser totalmente autónomo, haciendo que la interferencia de las comunicaciones con su base no ponga en peligro su operación, la mayoría de los UAV en el mercado hace su navegación empleando sistemas GNSS de posicionamiento global, los cuales son vulnerables a ser interferidos o bloqueados. Esto puede llevar a errores de navegación que pongan en riesgo al UAV, especialmente en la fase de aterrizaje, donde una mala apreciación de su posición puede hacer que la aeronave se accidente. Como se ha visto en los conflictos recientes en Medio Oriente y Ucrania, la posibilidad de que la señal del sistema de posicionamiento global sea interferida o bloqueada es una amenaza cierta y que viene creciendo, con cada vez mayores capacidades por parte de todo tipo de actores para llevarlo a cabo.

Esta capacidad de interferir o engañar los sistemas de navegación no es exclusiva de las grandes potencias y puede estar al alcance incluso de grupos criminales, que cada vez tienen mayores recursos y más acceso a la tecnología, como ya se ve en América Latina en países como México y Colombia.

Para eso, es necesario contar con sistemas que ayuden al UAV a realizar su aproximación y aterrizaje sin depender de la señal del sistema GNSS, de manera de no correr riesgos si existe interferencia o existe algún otro problema con el sistema de navegación de la aeronave. Actualmente hay soluciones que permiten brindar seguridad en el proceso de aterrizaje sin depender de los sistemas de guiado satelital, al emplear tecnologías que, empleando láser y televisión, permiten geolocalizar exactamente a la aeronave y guiarla a la pista.

La empresa suiza RUAG tiene en este segmento una solución a través del sistema OPATS (Object Position and Tracking System) que permite la asistencia tanto en el despegue como en el aterrizaje al medir de manera constante la posición del objeto de interés. El objetivo principal es proporcionar datos de posición fiables, en tiempo real y precisos de la aeronave durante su fase de aproximación y aterrizaje, así como durante el despegue. El sistema es independiente de los sistemas GNSS al usar guiado por láser con un sensor con un campo de visión con 30x30 miliradián y una cámara de video con campo de observación de 120x90 miliradián, lo cual lo vuelve extremadamente resistente a interferencias de cualquier tipo y, a la vez, muy difícil de detectar. El láser, a la vez, es seguro para la vista (clase 3R, IEC 60825-1) y hace una actualización de la posición del UAV cada 40 ms, lo cual le da una altísima precisión.

El equipo es portátil, contando con un trípode con los sensores (el gimbal con el sistema láser y la cámara), una unidad electrónica con el sistema de control y la computadora, además de la batería, todo lo cual se puede cargar en un pequeño contenedor, donde además se lleva el equipo de calibración. Esto hace que sea fácil de desplegar y de operar, especialmente para cuando se opera desde pistas de aterrizaje no habituales o con poca infraestructura, a la vez que lo hace muy económico. Por otro lado, requiere un esfuerzo de mantenimiento mínimo y puede funcionar con una batería estándar. Según indica el fabricante, la primera vez que se despliega demanda una hora entre el armado y la calibración del sistema.

En la aeronave solo es necesario instalar el retrorreflector óptico de precisión, el cual es pasivo, con una cobertura de vidrio templado (opcionalmente calefaccionado), el que puede ir en la nariz, el tren de aterrizaje o el ala del UAV. La aeronave solo debe reflejar el haz láser emitido desde tierra, por lo que, dado que no emite ninguna señal, es muy difícil que el sistema de guiado sea detectado por terceros. Dado que es un sistema pequeño y simple, es fácilmente integrable en la aeronave, incluso en drones pequeños de las clases 1 y 2.

El diseño del OPATS pasó con éxito una serie de pruebas exigentes de acuerdo con las normas MIL-STD 810 y 461 y ha demostrado su valía en los entornos más hostiles, a través de más de 170 sistemas ya desplegados en todo el mundo por más de 30 operadores diferentes, en una amplia variedad de UAV, que van desde la clasificación táctica (clases 1 y 2) hasta los MALE (Medium Altitude – Long Endurance, clase 3), habiendo realizado ya miles de aterrizajes.

El OPATS, al detectar al UAV con su láser, funciona transmitiendo datos de posicionamiento confiables y precisos desde su estación terrestre a la estación de control terrestre (GCS) del UAV, los cuales pueden ser utilizados directamente por el piloto automático del UAV o para apoyar al piloto remoto. El mal tiempo o las condiciones de poca luz no influyen en el funcionamiento del OPATS en sí, aunque, se requiere una visibilidad de al menos 1000 metros. Además, al ser un conjunto de telémetro / sensor láser, se requiere una línea de visión directa (LOS) al UAV equipado con el Retro Reflector y el OPATS puede rastrear un objetivo hasta una distancia de 4,6 km.

Así, el UAV hace su navegación de manera autónoma regresando de su misión e inicia a la aproximación final hasta la ventana de guía, generalmente entre 1 y 4 km antes de la pista de aterrizaje. A partir de ese punto, el UAV se controla mediante el OPATS, resistente a interferencias y suplantación de identidad hasta que se alcanza el punto de flare, o hasta donde la aeronave requiera guía. En el aterrizaje el operador en la estación de control terrestre supervisa el procedimiento por medio de la imagen de la cámara del sensor OPATS y los datos del control de vuelo.

Integración

El OPATS no es un sistema tipo “plug-and-play”, por lo que la integración no puede ser realizada por el usuario, sino por el fabricante del UAV. Idealmente, esto conviene hacerlo durante la fase de desarrollo de la aeronave, para simplificar la integración y evitar inconvenientes. La integración con los UAV que ya están en servicio también es fácilmente alcanzable. Sin embargo, el esfuerzo de integración es mínimo, requiriéndose solo una fuente de poder de 28 voltios de corriente continua para la calefacción del sistema para evitar que el vidrio se empañe o forme hielo y pierda efectividad. En cuanto a la estación de control terrestre del UAV, solo se tienen que implementar dos datagramas en el software.

Esto también permite ofrecer sistemas no tripulados con un mayor valor y seguridad. Existiendo algunos programas de desarrollo de UAV en América Latina, es un factor para que las industrias locales tomen en cuenta, pero sobre todo es más importante que los operadores demanden a los fabricantes que los UAV que vayan a incorporar cuenten con un sistema de asistencia al aterrizaje de este tipo, dado su bajo costo de instalación y mantenimiento y el gran beneficio que genera al brindar mayor seguridad en la operación y reducir el riesgo de la pérdida del UAV por problemas en su navegación usando posicionamiento satelital.

En cuanto a los desarrollos locales, la incorporación de este tipo de sistemas como el OPATS de RUAG permite ofrecer más al operador y así volverlos más atractivos al mercado, lo cual es fundamental dada la fuerte competencia con fabricantes ya bien establecidos. Por eso, es conveniente que la industria tenga en cuenta ya desde el proceso de diseño el trabajo con empresas como RUAG para integrar estos sistemas de una manera más fácil y eficiente.