Navegación Basada en el Terreno
Los Sistemas Aéreos No Tripulados (UAS) autónomos requieren cada vez más tecnologías de navegación capaces de mantener un funcionamiento fiable en entornos complejos y disputados. Aunque los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) proporcionan un posicionamiento de elevada precisión en condiciones normales, las aeronaves autónomas no siempre pueden depender de un acceso continuo a la navegación por satélite. Las interferencias, el jamming, el spoofing, el enmascaramiento provocado por el terreno y otras formas de degradación de la señal pueden afectar a la disponibilidad de GNSS. Como consecuencia, las arquitecturas UAS resilientes combinan cada vez más diferentes tecnologías de navegación embarcadas para reducir su dependencia de una única fuente de posicionamiento. La Navegación Basada en el Terreno (Terrain Based Navigation, TBN) representa uno de los enfoques disponibles para afrontar este desafío. Mediante la utilización de información asociada al terreno circundante como parte de la solución de navegación, una aeronave autónoma puede complementar la navegación inercial y otras tecnologías de posicionamiento embarcadas cuando los servicios externos de navegación se encuentran limitados o no están disponibles.
Integrada con tecnologías de fusión de sensores y sistemas de Guiado, Navegación y Control (GNC), TBN puede contribuir al desarrollo de UAS autónomos más resilientes y capaces de mantener la continuidad de navegación en entornos operativos exigentes.
¿Qué es la Navegación Basada en el Terreno (TBN)?
La Navegación Basada en el Terreno (TBN) es un concepto amplio de navegación en el que la información asociada al terreno geográfico contribuye a determinar o mejorar la estimación de posición de una plataforma en movimiento.
En una aeronave no tripulada, este enfoque puede implicar el procesamiento de observaciones del entorno y su relación con información geográfica o del terreno previamente disponible.
Dependiendo de la arquitectura, TBN puede funcionar conjuntamente con tecnologías de navegación como:
- Sistemas de Navegación Inercial (INS).
- Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS).
- Sensores basados en radar o tecnologías láser.
- Sensores electroópticos.
- Información digital de elevación y del terreno.
- Sensores de datos de aire.
- Otras tecnologías de posicionamiento embarcadas.
El objetivo es proporcionar una fuente adicional de información geográficamente referenciada que contribuya a reforzar la solución global de navegación.
Por qué TBN es relevante para los UAS autónomos
La navegación constituye uno de los pilares tecnológicos fundamentales del vuelo autónomo. Un UAS debe mantener continuamente una estimación fiable de su estado, incluyendo posición, velocidad y orientación, para que las funciones de guiado y control de vuelo puedan operar correctamente.
En condiciones convencionales, GNSS puede proporcionar una referencia precisa de posicionamiento absoluto. Sin embargo, los UAS destinados a aplicaciones exigentes pueden encontrar entornos donde la navegación por satélite deja de ser fiable.
Entre las posibles causas se encuentran:
- Interferencias GNSS o jamming.
- Suplantación de señales GNSS o spoofing.
- Interferencias electromagnéticas.
- Obstrucción de las señales.
- Enmascaramiento producido por el terreno.
- Pérdida temporal de visibilidad de satélites.
La Navegación Basada en el Terreno puede aportar una fuente adicional de información que no depende continuamente de la recepción de señales externas de posicionamiento por satélite.
Esta característica hace que TBN resulte relevante dentro del desarrollo de arquitecturas de navegación resilientes y aseguradas para aeronaves autónomas.
El terreno como referencia para la navegación
El entorno físico contiene características geográficas que pueden proporcionar información útil para la navegación. Variaciones de elevación, pendientes, valles, crestas y otros elementos del terreno pueden formar parte de la información geográfica utilizada por un sistema autónomo.
Dependiendo del enfoque TBN utilizado, los sensores embarcados pueden proporcionar observaciones relacionadas con el entorno circundante. Los algoritmos de navegación pueden relacionar posteriormente estas observaciones con información almacenada del terreno o de elevación.
La información obtenida puede contribuir a mejorar la estimación de la posición geográfica de la aeronave.
A diferencia de la navegación por satélite, el terreno no depende de la disponibilidad de una señal externa de radiofrecuencia. Esta característica convierte la información geográfica en un elemento especialmente interesante dentro de una arquitectura de navegación resiliente basada en múltiples fuentes.
Navegación Basada en el Terreno y Sistemas de Navegación Inercial
Los Sistemas de Navegación Inercial son fundamentales para los UAS autónomos porque permiten estimar continuamente el movimiento de la aeronave sin requerir señales externas de posicionamiento.
Un INS procesa mediciones procedentes de sensores inerciales para estimar parámetros relacionados con:
- Posición.
- Velocidad.
- Actitud de la aeronave.
- Aceleración.
- Movimiento angular.
Sin embargo, los pequeños errores de medida de los sensores inerciales se acumulan con el tiempo. Este fenómeno puede incrementar progresivamente la incertidumbre sobre la posición estimada de la aeronave.
La información basada en el terreno puede proporcionar una referencia geográfica adicional dentro de la arquitectura de navegación. Cuando se combina con INS, puede contribuir a limitar la incertidumbre acumulada durante periodos en los que las correcciones procedentes de GNSS no están disponibles o no son fiables.
La combinación de navegación inercial y navegación basada en el terreno proporciona así características complementarias especialmente relevantes para un vuelo autónomo resiliente.
Tecnologías de sensores para TBN
La Navegación Basada en el Terreno no está necesariamente vinculada a una única tecnología de sensores. Diferentes arquitecturas UAS pueden obtener información sobre su entorno mediante distintos sistemas embarcados.
Dependiendo de los requisitos de la plataforma, estos pueden incluir:
- Sensores basados en radar.
- Tecnologías de medición basadas en láser.
- Cámaras electroópticas.
- Sensores infrarrojos.
- Sistemas de medición de altitud.
- Sensores inerciales.
Cada tecnología presenta características diferentes en términos de alcance, comportamiento frente a distintas condiciones ambientales, requisitos de integración y tipo de información que puede proporcionar.
Una arquitectura de navegación modular permite a los fabricantes de UAS combinar las tecnologías de sensores más adecuadas con los sistemas existentes de navegación y control de vuelo de la aeronave.
Información digital del terreno y TBN
La información geográfica digital puede desempeñar un papel importante en la Navegación Basada en el Terreno. Dependiendo de la arquitectura específica, el sistema de navegación puede utilizar representaciones de la elevación u otras características geográficas como referencia.
Esta información proporciona una representación del entorno operativo con la que pueden relacionarse las observaciones obtenidas mediante los sensores embarcados.
La eficacia de este enfoque depende de diferentes factores, entre ellos:
- Calidad de la información disponible del terreno.
- Resolución de los datos geográficos.
- Características del área de operación.
- Precisión de los sensores embarcados.
- Perfil de vuelo de la aeronave.
La información del terreno debe considerarse, por tanto, como uno de los componentes de la arquitectura global de navegación y no necesariamente como una fuente aislada de posicionamiento.
Fusión multisensor en la Navegación Basada en el Terreno
La fusión multisensor es una tecnología clave para el desarrollo de sistemas de navegación resilientes. Permite combinar información procedente de diferentes fuentes para generar una estimación unificada y robusta del estado de la aeronave.
Una arquitectura de navegación compatible con TBN puede integrar información procedente de:
- INS.
- Sensores relacionados con el terreno.
- GNSS cuando se encuentra disponible.
- Sistemas de datos de aire.
- Magnetómetros.
- Navegación basada en visión.
- Otras fuentes alternativas de posicionamiento.
El sistema de navegación puede utilizar esta información complementaria teniendo en cuenta la disponibilidad, calidad y fiabilidad de cada una de las fuentes.
Este enfoque mejora la resiliencia al reducir el impacto que la degradación o pérdida temporal de una única fuente de navegación puede tener sobre el conjunto del sistema.
Terrain Based Navigation en entornos GNSS denegados
La operación en entornos GNSS denegados constituye uno de los principales factores que impulsan el desarrollo de tecnologías alternativas de navegación para UAS autónomos.
Cuando no existe un posicionamiento fiable por satélite, la aeronave debe apoyarse en sus sistemas embarcados para mantener una estimación suficientemente robusta de su estado.
Una arquitectura de navegación resiliente puede combinar diferentes tecnologías, como:
- Navegación inercial.
- Terrain Based Navigation.
- Navegación asistida por visión.
- Mediciones de datos de aire.
- Tecnologías alternativas de posicionamiento.
En lugar de depender de una única tecnología destinada a sustituir GNSS, este enfoque crea diferentes capas complementarias de información para la navegación.
TBN puede constituir una de estas capas al aportar información geográficamente referenciada derivada del entorno físico.
TBN dentro de la arquitectura de Guiado, Navegación y Control
En los UAS autónomos, la navegación debe estar estrechamente integrada con la arquitectura general de Guiado, Navegación y Control.
El sistema de navegación estima dónde se encuentra la aeronave y cómo se está desplazando. El sistema de guiado determina el comportamiento de vuelo requerido, mientras que el sistema de control gestiona la aeronave de acuerdo con esas instrucciones.
Una solución de navegación robusta apoyada por TBN puede proporcionar información para funciones autónomas como:
- Gestión de rutas.
- Navegación mediante waypoints.
- Gestión de la trayectoria de vuelo.
- Progresión autónoma de la misión.
- Gestión de contingencias.
Integrar la navegación resiliente directamente dentro de la arquitectura GNC permite mantener un comportamiento autónomo más predecible a medida que cambian las condiciones de navegación.
Terrain Based Navigation y Terrain-Aided Navigation
Terrain Based Navigation (TBN) y Terrain-Aided Navigation (TAN) son conceptos estrechamente relacionados, y su terminología puede variar dependiendo de la aplicación y de la arquitectura del sistema.
TAN suele poner el énfasis en el uso de información derivada del terreno para asistir o complementar una solución de navegación existente, especialmente un Sistema de Navegación Inercial.
TBN puede entenderse de una forma más amplia como una familia de enfoques de navegación en los que la información geográfica o del terreno forma parte de la arquitectura de posicionamiento de la aeronave.
En la práctica, ambos conceptos comparten un objetivo fundamental: utilizar el entorno físico como una referencia adicional para aumentar la resiliencia del posicionamiento.
La implementación concreta y la terminología utilizada dependerán de los sensores, algoritmos de navegación, datos geográficos y arquitectura empleados por cada plataforma.
TBN y Terrain Contour Matching (TERCOM)
Terrain Contour Matching (TERCOM) es otro concepto relacionado con la navegación referenciada al terreno. Mientras que TBN describe un enfoque más amplio para utilizar información geográfica en el posicionamiento, TERCOM representa un concepto más específico de correlación con el terreno.
A un nivel general, TERCOM utiliza información relacionada con la elevación del terreno y relaciona las características observadas con información geográfica almacenada para proporcionar una referencia de navegación.
Esta diferenciación es importante porque Terrain Based Navigation puede abarcar diferentes tecnologías de sensores y enfoques de navegación, mientras que TERCOM hace referencia a un concepto particular dentro de la familia más amplia de tecnologías de navegación referenciadas al terreno.
Ventajas de la Navegación Basada en el Terreno para UAS
La integración de TBN dentro de una arquitectura UAS autónoma puede proporcionar diferentes ventajas:
- Menor dependencia de GNSS: el terreno proporciona una fuente adicional de información geográficamente referenciada.
- Mayor resiliencia de navegación: TBN puede complementar la navegación inercial y otras tecnologías embarcadas.
- Soporte para entornos GNSS denegados: la información del terreno puede seguir siendo útil cuando la navegación por satélite no está disponible.
- Compatibilidad multisensor: TBN puede integrarse dentro de una arquitectura más amplia de fusión de sensores.
- Soporte para la autonomía: una navegación resiliente proporciona información fiable a las funciones autónomas de guiado y control de vuelo.
Estas ventajas hacen que las tecnologías basadas en el terreno resulten especialmente relevantes para UAS que deben operar con una menor dependencia de infraestructuras externas de navegación.
Desafíos y consideraciones de TBN
Al igual que ocurre con otras tecnologías alternativas de navegación, las prestaciones de Terrain Based Navigation dependen tanto de la arquitectura de la aeronave como del entorno operativo.
Entre los principales factores que deben considerarse se encuentran:
- Características del terreno.
- Disponibilidad y calidad de los datos geográficos.
- Prestaciones de los sensores.
- Condiciones ambientales.
- Altitud y perfil de vuelo de la aeronave.
- Capacidades de procesamiento embarcadas.
- Integración con los sistemas de navegación existentes.
La información proporcionada por el terreno puede ser más diferenciada en determinadas áreas geográficas que en otras. Del mismo modo, las distintas tecnologías de sensores pueden presentar comportamientos diferentes dependiendo de factores ambientales como las condiciones meteorológicas, la visibilidad o las características del entorno.
Por estas razones, TBN adquiere especial valor como parte de una arquitectura diversificada de navegación en la que diferentes tecnologías se complementan entre sí.
Terrain Based Navigation y autonomía asegurada
El aumento de los niveles de autonomía en UAS requiere arquitecturas de navegación capaces de mantener un funcionamiento fiable cuando determinados sensores o servicios externos se encuentran degradados.
Este requisito está estrechamente relacionado con el concepto de autonomía asegurada (Assured Autonomy), según el cual las plataformas autónomas deben mantener un comportamiento fiable y predecible frente a condiciones operativas cambiantes.
TBN puede contribuir a la autonomía asegurada aumentando la diversidad de información disponible para la navegación de la aeronave.
Cuando se combina con navegación inercial, fusión avanzada de sensores, tecnologías alternativas de posicionamiento y sistemas robustos de control de vuelo, la información basada en el terreno puede contribuir a reducir la dependencia de una única fuente externa de navegación.
El futuro de Terrain Based Navigation
La creciente importancia de la navegación resiliente para UAS autónomos está acelerando el desarrollo y la integración de tecnologías basadas en el terreno.
Las futuras arquitecturas de navegación combinarán previsiblemente un conjunto cada vez más diverso de tecnologías complementarias, entre ellas:
- Navegación inercial avanzada.
- Terrain Based Navigation.
- Terrain-Aided Navigation.
- Navegación basada en visión.
- Tecnologías alternativas de posicionamiento.
- Fusión multisensor avanzada.
Los avances en capacidad de procesamiento embarcado, tecnologías de sensores, información geográfica y algoritmos de navegación continuarán ampliando las posibilidades de los sistemas de posicionamiento basados en el terreno.
En lugar de funcionar únicamente como sistemas de respaldo independientes, estas tecnologías pueden convertirse en componentes integrados de arquitecturas de navegación resilientes capaces de adaptarse a la disponibilidad y fiabilidad de las diferentes fuentes de información.
La Navegación Basada en el Terreno (TBN) representa un enfoque relevante para aumentar la resiliencia de navegación de los UAS autónomos. Al incorporar información asociada al entorno físico dentro de la arquitectura de navegación, TBN puede complementar la navegación inercial y otras tecnologías embarcadas, reduciendo al mismo tiempo la dependencia de una disponibilidad continua de GNSS.
Su principal valor reside en la integración. La combinación de información basada en el terreno con INS, fusión de sensores, tecnologías alternativas de posicionamiento y arquitecturas robustas de Guiado, Navegación y Control puede proporcionar una base más resiliente para el vuelo autónomo en entornos complejos y con GNSS degradado o denegado.
A medida que las aeronaves no tripuladas evolucionen hacia mayores niveles de autonomía, la navegación resiliente basada en múltiples fuentes adquirirá una importancia creciente para mantener un funcionamiento fiable y predecible en entornos operativos exigentes.
UAV Navigation-Grupo Oesía desarrolla tecnologías avanzadas de autopiloto y control de vuelo para aplicaciones no tripuladas exigentes. Sus soluciones de guiado, navegación y control están diseñadas para soportar vuelo autónomo resiliente, integración multisensor, arquitecturas de sistema flexibles y funcionamiento fiable en entornos complejos, incluyendo escenarios donde la disponibilidad de GNSS puede encontrarse degradada o denegada.
