Navegación Referenciada al Terreno para UAS
Los Sistemas Aéreos No Tripulados (UAS) modernos deben operar cada vez con mayor frecuencia en entornos complejos donde las tecnologías convencionales de navegación pueden encontrarse degradadas, interferidas o no estar disponibles. Aunque los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) proporcionan un posicionamiento de alta precisión en condiciones normales, las interferencias, el jamming, el spoofing, el enmascaramiento provocado por el terreno o una visibilidad limitada de los satélites pueden afectar a su fiabilidad. Para aplicaciones de defensa y otras operaciones exigentes, mantener la navegación autónoma sin una dependencia continua de GNSS se está convirtiendo en una capacidad cada vez más importante. Una de las tecnologías que pueden contribuir a este objetivo es la Navegación Referenciada al Terreno para UAS (Terrain Referenced Navigation for UAS), que utiliza información del terreno circundante como una referencia adicional para la navegación.
Mediante la combinación de información del terreno con navegación inercial y otros sensores embarcados, un UAS puede mejorar la resiliencia de su solución de navegación y mantener una mayor continuidad de posicionamiento cuando la navegación por satélite deja de ser fiable. Las tecnologías de navegación referenciada al terreno pueden contribuir así al desarrollo de aeronaves no tripuladas más robustas y autónomas, capaces de operar en entornos exigentes.
¿Qué es la Navegación Referenciada al Terreno para UAS?
La Navegación Referenciada al Terreno para UAS engloba técnicas de navegación que utilizan las características del terreno que rodea a una aeronave como una fuente adicional de información para el posicionamiento.
En lugar de depender exclusivamente de señales externas de radionavegación, la aeronave puede utilizar información obtenida mediante sensores embarcados y relacionarla con datos del terreno o de elevación previamente disponibles. Esta información puede complementar la solución de navegación existente y contribuir a estimar la posición de la plataforma con respecto a su entorno.
Una arquitectura de navegación referenciada al terreno puede trabajar conjuntamente con tecnologías como:
- Sistemas de Navegación Inercial (INS).
- Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS), cuando están disponibles.
- Sensores de altitud basados en tecnologías radar o láser.
- Sensores electroópticos.
- Sistemas de datos de aire.
- Datos digitales del terreno o de elevación.
- Otros sensores de navegación embarcados.
El objetivo no consiste necesariamente en sustituir todas las fuentes convencionales de navegación, sino en aumentar la resiliencia mediante la combinación de fuentes de información complementarias.
¿Por qué necesitan los UAS tecnologías alternativas de navegación?
GNSS se ha convertido en un componente fundamental de las aeronaves no tripuladas modernas, ya que proporciona posicionamiento global preciso mediante equipos relativamente compactos y eficientes. Sin embargo, los UAS destinados a aplicaciones de defensa operan cada vez más en entornos donde no puede garantizarse una disponibilidad continua de la navegación por satélite.
Las prestaciones de navegación pueden verse afectadas por diferentes factores, entre ellos:
- Interferencias intencionadas sobre GNSS o jamming.
- Suplantación de señales GNSS o spoofing.
- Interferencias electromagnéticas.
- Enmascaramiento producido por el terreno.
- Visibilidad limitada de los satélites.
- Degradaciones temporales de la señal.
Cuando GNSS deja de ser fiable, una aeronave autónoma debe ser capaz de mantener un conocimiento suficiente de su posición y estado de vuelo mediante otras fuentes de información.
Este requisito está impulsando el desarrollo de arquitecturas de Posicionamiento, Navegación y Sincronización Asegurados (Assured Positioning, Navigation and Timing, A-PNT) orientadas a reducir la dependencia de una única tecnología de navegación.
El papel del terreno en la navegación resiliente
El terreno proporciona una referencia disponible de forma natural que no depende de la recepción continua de una señal de radionavegación externa. Montañas, valles, pendientes, variaciones de elevación y otras características geográficas pueden proporcionar información útil para complementar la estimación de posición de una aeronave.
Un sistema de navegación referenciada al terreno puede utilizar mediciones del entorno y relacionarlas con información geográfica almacenada. Los datos resultantes pueden incorporarse posteriormente a la estimación global de navegación de la plataforma.
Este concepto resulta especialmente relevante para UAS que operan sobre áreas donde el terreno presenta características geográficas suficientemente diferenciadas como para proporcionar referencias útiles de navegación.
La información del terreno puede convertirse así en una capa adicional dentro de una arquitectura de navegación resiliente, en lugar de funcionar necesariamente como una tecnología de posicionamiento aislada.
Combinación de navegación referenciada al terreno e INS
Los Sistemas de Navegación Inercial son especialmente importantes para las aeronaves autónomas porque proporcionan información de navegación sin depender continuamente de señales externas.
Un INS utiliza las mediciones procedentes de sensores inerciales para estimar parámetros como:
- Actitud de la aeronave.
- Velocidad.
- Cambios de posición.
- Aceleración.
- Movimiento angular.
Uno de los principales desafíos de la navegación exclusivamente inercial es que pequeños errores de medida pueden acumularse con el tiempo, aumentando progresivamente la incertidumbre de la posición estimada.
La navegación referenciada al terreno puede proporcionar una fuente adicional de información que contribuya a limitar esta incertidumbre acumulada. Al combinar los datos inerciales con observaciones relacionadas con el terreno circundante, la arquitectura de navegación puede mantener una estimación más robusta del estado de la aeronave durante periodos en los que GNSS no sea fiable.
La naturaleza complementaria de INS y de las tecnologías referenciadas al terreno hace que su integración resulte especialmente relevante para una navegación autónoma resiliente.
Fusión de sensores para navegación referenciada al terreno
La navegación autónoma moderna depende cada vez más de la fusión de sensores, mediante la cual se combina información procedente de múltiples fuentes para obtener una estimación más robusta que la que podría proporcionar individualmente cada sensor.
En una arquitectura de navegación referenciada al terreno, el sistema de navegación y control de vuelo puede procesar información procedente de sensores inerciales, mediciones relacionadas con el terreno, sistemas de datos de aire, GNSS cuando se encuentra disponible y otras fuentes de navegación embarcadas.
La fusión de sensores puede proporcionar diferentes ventajas:
- Mayor continuidad de navegación.
- Reducción de la dependencia de sensores individuales.
- Mayor tolerancia ante degradaciones temporales.
- Estimaciones más robustas del estado de la aeronave.
- Mayor resiliencia en entornos disputados.
En lugar de depender de una única tecnología, el UAS puede utilizar de forma conjunta diferentes fuentes de información en función de su disponibilidad y fiabilidad.
Navegación referenciada al terreno en entornos GNSS denegados
Operar en un entorno GNSS denegado representa uno de los escenarios más exigentes para un UAS autónomo. Sin un posicionamiento fiable por satélite, la aeronave debe apoyarse en tecnologías de navegación embarcadas para mantener el conocimiento de su estado necesario para continuar con un vuelo controlado y autónomo.
La navegación referenciada al terreno puede formar parte de esta arquitectura alternativa al proporcionar información geográficamente referenciada independiente de la disponibilidad de GNSS.
Dependiendo de la configuración del UAS, una arquitectura de navegación resiliente puede combinar:
- Navegación inercial.
- Navegación referenciada al terreno.
- Navegación asistida por visión.
- Mediciones de datos de aire.
- Tecnologías alternativas de posicionamiento.
- Información GNSS cuando existen señales disponibles y fiables.
Este enfoque multisensor permite reducir la dependencia de una disponibilidad continua de GNSS y contribuir al mantenimiento de las capacidades de vuelo autónomo.
Navegación referenciada al terreno y control de vuelo autónomo
Un sistema de navegación no se limita a determinar dónde se encuentra la aeronave. La información que proporciona también resulta fundamental para las funciones de guiado y control de vuelo responsables de ejecutar la misión.
Dentro de una arquitectura de Guiado, Navegación y Control (GNC), la navegación estima continuamente el estado de la aeronave. El guiado utiliza esa información para determinar el comportamiento de vuelo requerido, mientras que el sistema de control gestiona la aeronave para ejecutar las correspondientes instrucciones.
Una solución fiable de navegación referenciada al terreno puede contribuir a funciones autónomas como:
- Ejecución de rutas.
- Navegación mediante waypoints.
- Gestión de altitud.
- Progresión autónoma de la misión.
- Gestión de contingencias.
La integración entre navegación y control de vuelo resulta especialmente importante cuando un UAS debe mantener su funcionamiento autónomo pese a la degradación de servicios externos de navegación.
Ventajas de la Navegación Referenciada al Terreno para UAS
Integrar información del terreno dentro de la arquitectura de navegación puede proporcionar diferentes ventajas a las aeronaves no tripuladas destinadas a operar en entornos exigentes.
Entre las más relevantes se encuentran:
- Menor dependencia de GNSS: la información del terreno proporciona una referencia adicional cuando las señales por satélite no están disponibles o no son fiables.
- Mayor resiliencia de navegación: diferentes fuentes complementarias pueden contribuir a mantener una estimación robusta de la posición.
- Soporte para operaciones autónomas: un posicionamiento resiliente permite al sistema de control mantener funciones autónomas durante periodos de degradación de la navegación.
- Potencial para navegación pasiva: determinados enfoques referenciados al terreno pueden reducir la dependencia de infraestructuras externas de radionavegación.
- Integración con sistemas existentes: la información del terreno puede complementar INS, GNSS y otras tecnologías embarcadas.
Estas características hacen que la navegación referenciada al terreno resulte especialmente relevante para UAS de defensa diseñados para operar en entornos disputados o con disponibilidad limitada de infraestructuras externas.
Desafíos de la navegación referenciada al terreno
La navegación referenciada al terreno también presenta desafíos técnicos que deben considerarse durante su integración en una aeronave autónoma.
Sus prestaciones pueden depender de factores como:
- Disponibilidad y calidad de los datos del terreno.
- Características del entorno de operación.
- Precisión y prestaciones de los sensores embarcados.
- Altitud y perfil de vuelo de la aeronave.
- Capacidad de procesamiento del sistema de navegación.
- Integración con la arquitectura global de GNC.
Algunos entornos geográficos proporcionan características del terreno más diferenciadas que otros. Por este motivo, las tecnologías de navegación referenciada al terreno adquieren mayor valor cuando forman parte de una arquitectura multisensor capaz de utilizar diferentes fuentes de posicionamiento según las condiciones operativas.
Navegación referenciada al terreno, TAN, TBN y TERCOM
Existen diferentes conceptos relacionados con el uso del terreno para la navegación, y la terminología puede variar según la tecnología, la arquitectura y la aplicación.
La Navegación Asistida por Terreno (Terrain-Aided Navigation, TAN) se refiere generalmente al uso de mediciones relacionadas con el terreno para complementar una solución de navegación existente, especialmente la navegación inercial.
La Navegación Basada en el Terreno (Terrain-Based Navigation, TBN) puede utilizarse en un sentido más amplio para describir enfoques en los que la información geográfica o del terreno contribuye al posicionamiento de la aeronave.
Por su parte, Terrain Contour Matching (TERCOM) es un concepto específico de navegación referenciada al terreno basado en la correlación entre las características observadas del terreno y la información de elevación almacenada.
Aunque estos conceptos están relacionados, no deben considerarse necesariamente intercambiables. Cada uno puede representar un enfoque diferente para incorporar información del terreno dentro de una arquitectura de navegación resiliente.
Navegación referenciada al terreno y autonomía asegurada
La evolución hacia mayores niveles de autonomía en UAS requiere sistemas de navegación capaces de mantener un funcionamiento fiable incluso cuando determinadas infraestructuras externas dejan de estar disponibles.
Este concepto está estrechamente relacionado con la autonomía asegurada (Assured Autonomy): la capacidad de una plataforma autónoma para mantener un comportamiento fiable y predecible frente a cambios en el entorno o ante la degradación de determinados sistemas.
La navegación referenciada al terreno puede contribuir a esta autonomía resiliente al proporcionar una fuente adicional de información para el posicionamiento dentro de la arquitectura global de navegación.
En combinación con navegación inercial, fusión de sensores, sistemas robustos de control de vuelo y tecnologías alternativas de navegación, la información del terreno puede contribuir al desarrollo de UAS menos dependientes del acceso continuo a servicios externos de posicionamiento.
El futuro de la Navegación Referenciada al Terreno para UAS
La creciente importancia de las operaciones en entornos GNSS degradados y GNSS denegados está acelerando el desarrollo de tecnologías alternativas de navegación para aeronaves no tripuladas.
Las futuras arquitecturas de navegación combinarán cada vez más diferentes tecnologías complementarias en lugar de depender de una única fuente de posicionamiento.
Entre las principales áreas de desarrollo se encuentran:
- Fusión multisensor avanzada.
- Mejora de los sistemas de navegación inercial.
- Navegación asistida por terreno.
- Navegación basada en visión.
- Tecnologías alternativas de posicionamiento.
- Arquitecturas GNC integradas más resilientes.
A medida que los UAS alcancen mayores niveles de autonomía, la capacidad para determinar su posición de forma fiable bajo diferentes condiciones operativas seguirá siendo uno de los requisitos fundamentales para garantizar un vuelo autónomo robusto.
La Navegación Referenciada al Terreno para UAS representa un enfoque relevante para mejorar la resiliencia de navegación y reducir la dependencia de una disponibilidad continua de GNSS. Al utilizar información del terreno circundante como una referencia adicional para el posicionamiento, las aeronaves no tripuladas pueden complementar la navegación inercial y otras tecnologías embarcadas cuando la navegación por satélite se encuentra degradada o no está disponible.
Su principal valor se encuentra dentro de una arquitectura de navegación multisensor. La combinación de información del terreno, navegación inercial, fusión de sensores, tecnologías alternativas de posicionamiento y sistemas robustos de control de vuelo puede proporcionar la base para desarrollar UAS autónomos más resilientes.
UAV Navigation-Grupo Oesía desarrolla tecnologías avanzadas de autopiloto y control de vuelo para aplicaciones no tripuladas de defensa. Sus soluciones de guiado, navegación y control están diseñadas para soportar navegación resiliente, vuelo autónomo, integración flexible de sensores y funcionamiento fiable en entornos complejos, incluyendo escenarios donde la disponibilidad de GNSS puede encontrarse degradada o denegada.
