Terrain Contour Matching (TERCOM)
Los Sistemas Aéreos No Tripulados (UAS) autónomos requieren cada vez más arquitecturas de navegación capaces de mantener un funcionamiento fiable en entornos donde los servicios convencionales de posicionamiento pueden encontrarse degradados o no estar disponibles. Los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) proporcionan un posicionamiento de elevada precisión en condiciones normales, pero las interferencias, el jamming, el spoofing, el enmascaramiento provocado por el terreno y otros factores pueden afectar a su disponibilidad y fiabilidad. Para las aeronaves autónomas que operan en entornos exigentes, la resiliencia de navegación se convierte, por tanto, en un requisito fundamental. En lugar de depender de una única fuente de posicionamiento, las arquitecturas UAS modernas pueden combinar navegación inercial, información del terreno, sensores embarcados y otras tecnologías complementarias para mantener una estimación robusta del estado de la aeronave. Terrain Contour Matching (TERCOM), o correlación de contornos del terreno, es uno de los conceptos asociados a la navegación referenciada al terreno. A un nivel general, TERCOM utiliza información relacionada con las características físicas y la elevación del terreno como una referencia geográfica capaz de complementar otras tecnologías de navegación.
Dentro de una arquitectura más amplia de Guiado, Navegación y Control (GNC), las tecnologías referenciadas al terreno como TERCOM pueden contribuir al desarrollo de la autonomía asegurada (Assured Autonomy): la capacidad de una plataforma autónoma para mantener un funcionamiento fiable y predecible frente a cambios o degradaciones en su entorno operativo.
¿Qué es Terrain Contour Matching (TERCOM)?
Terrain Contour Matching (TERCOM) es un concepto de navegación referenciada al terreno que utiliza características geográficas del entorno para proporcionar información adicional a un sistema de navegación.
El principio general se basa en relacionar observaciones asociadas al terreno situado bajo la plataforma o en su entorno con información de elevación previamente disponible. De este modo, el sistema dispone de una referencia geográfica adicional que puede contribuir a la solución global de navegación.
En lugar de depender continuamente de señales externas de radionavegación, este tipo de navegación utiliza características del propio entorno físico.
Dentro de una arquitectura autónoma moderna, esta información puede complementar otras fuentes de navegación como:
- Sistemas de Navegación Inercial (INS).
- GNSS cuando existen señales disponibles y fiables.
- Sistemas de datos de aire.
- Sensores embarcados capaces de observar el entorno.
- Tecnologías de navegación basadas en visión.
- Otras fuentes alternativas de posicionamiento.
El objetivo es aumentar la diversidad de información de navegación disponible para la aeronave y reducir la dependencia de una tecnología individual de posicionamiento.
Por qué TERCOM es relevante para los UAS autónomos
El vuelo autónomo depende de la disponibilidad continua de información fiable de navegación. Los sistemas de guiado y control de vuelo necesitan disponer de una estimación robusta de la posición, velocidad, actitud y otros parámetros del estado de la aeronave para mantener un funcionamiento predecible.
GNSS proporciona una importante referencia de posicionamiento absoluto, pero los UAS que operan en entornos disputados pueden encontrarse con situaciones en las que 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.
- Enmascaramiento producido por el terreno.
- Visibilidad limitada de satélites.
- Degradación temporal de servicios externos de navegación.
Las tecnologías referenciadas al terreno proporcionan una fuente alternativa de información geográfica que no requiere un acceso continuo a señales de posicionamiento por satélite.
Esta característica convierte conceptos como TERCOM en elementos relevantes para arquitecturas de navegación resiliente destinadas a operaciones autónomas en entornos GNSS degradados o GNSS denegados.
El terreno como referencia geográfica para la navegación
El terreno físico contiene características geográficas que pueden proporcionar información útil a un sistema de navegación. Variaciones de elevación, valles, crestas, pendientes y otros elementos pueden formar patrones geográficos susceptibles de ser representados mediante información digital.
Al relacionar observaciones embarcadas con información previamente disponible sobre el terreno, una arquitectura de navegación puede obtener una referencia adicional asociada al entorno geográfico de la aeronave.
Este concepto resulta especialmente relevante porque el propio terreno no depende de una infraestructura externa de navegación por satélite o de radiofrecuencia.
La utilidad del terreno como referencia de navegación puede variar según las características del entorno operativo, la información geográfica disponible, las prestaciones de los sensores, la altitud de la aeronave y otros parámetros del sistema.
Por este motivo, la navegación referenciada al terreno suele alcanzar su mayor valor cuando se integra con tecnologías complementarias en lugar de considerarse como una solución aislada de posicionamiento.
TERCOM y navegación inercial
Los Sistemas de Navegación Inercial constituyen componentes fundamentales de las aeronaves autónomas porque pueden proporcionar información continua de navegación sin depender de señales externas de radionavegación.
Mediante las mediciones procedentes de acelerómetros y giróscopos, un INS estima diferentes parámetros relacionados con el movimiento y la orientación de la aeronave.
Sin embargo, la navegación inercial está sujeta a la acumulación de incertidumbre. Los pequeños errores en las mediciones inerciales pueden aumentar con el tiempo, reduciendo progresivamente la precisión de la posición estimada cuando no existe una referencia complementaria.
La información referenciada al terreno puede aportar una referencia geográfica adicional dentro de esta arquitectura. Cuando se combina con navegación inercial, puede contribuir a limitar la incertidumbre acumulada y mejorar la resiliencia de la solución global de navegación.
Esta relación complementaria entre navegación inercial e información del terreno explica la relevancia de estas tecnologías dentro de arquitecturas diseñadas para reducir la dependencia de GNSS.
Información digital del terreno en TERCOM
Las representaciones digitales del terreno constituyen una importante fuente de información geográfica para los sistemas de navegación referenciada al entorno.
Dependiendo de la arquitectura, la información almacenada puede representar la elevación y otras características geográficas del área de operación. Las observaciones obtenidas mediante los sistemas embarcados pueden relacionarse con esta información para proporcionar una referencia adicional de navegación.
La utilidad de la información digital del terreno depende de diferentes factores, entre ellos:
- Precisión de los datos geográficos disponibles.
- Resolución de la información del terreno.
- Características del área de operación.
- Prestaciones de los sensores embarcados.
- Altitud y perfil de vuelo de la aeronave.
Los diferentes entornos geográficos pueden proporcionar distintos niveles de información útil. Las áreas con características de elevación diferenciadas pueden ofrecer referencias distintas de aquellas disponibles en terrenos relativamente uniformes.
Fusión de sensores y navegación referenciada al terreno
Los UAS autónomos modernos recurren cada vez más a la fusión multisensor para combinar información procedente de diferentes fuentes de navegación y generar una estimación unificada del estado de la aeronave.
La información referenciada al terreno puede constituir una de las entradas de esta arquitectura junto con:
- Mediciones inerciales.
- Posicionamiento GNSS cuando se encuentra disponible.
- Mediciones de datos de aire.
- Información magnética.
- Navegación basada en visión.
- Otras tecnologías alternativas de posicionamiento.
La capacidad para combinar fuentes complementarias resulta especialmente valiosa cuando la disponibilidad o fiabilidad de determinadas tecnologías de navegación cambia durante el vuelo.
En lugar de depender de un único sensor o servicio externo, la arquitectura puede aumentar su resiliencia mediante la diversidad de información disponible.
TERCOM en entornos GNSS denegados
Los entornos GNSS denegados representan uno de los escenarios más exigentes para la navegación autónoma. Cuando el posicionamiento por satélite deja de ser fiable, el UAS debe apoyarse en tecnologías embarcadas para mantener un conocimiento suficiente de su estado y posición geográfica.
Una arquitectura de navegación resiliente puede combinar navegación inercial con información referenciada al terreno y otras fuentes alternativas de posicionamiento.
A nivel de sistema, este enfoque puede contribuir a:
- Mayor continuidad de navegación.
- Menor dependencia del posicionamiento por satélite.
- Estimaciones más robustas del estado de la aeronave.
- Mayor tolerancia ante degradaciones temporales de navegación.
- Continuidad de las funciones de vuelo autónomo.
TERCOM puede entenderse, por tanto, como uno de los posibles componentes de una arquitectura más amplia orientada a mantener capacidades de navegación cuando GNSS se encuentra degradado o denegado.
TERCOM, TAN y TBN: principales diferencias
La navegación referenciada al terreno incluye diferentes conceptos relacionados, y la terminología puede variar en función de la arquitectura o aplicación concreta.
La Navegación Asistida por Terreno (Terrain-Aided Navigation, TAN) suele poner el énfasis en utilizar información relacionada 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 entenderse de una forma más amplia como una familia de enfoques en los que la información geográfica o del terreno contribuye al posicionamiento.
Terrain Contour Matching (TERCOM) hace referencia a un concepto más específico de navegación referenciada al terreno basado en relacionar características observadas del terreno con información almacenada sobre su elevación.
Aunque estas tecnologías comparten el objetivo de utilizar el entorno físico como una referencia geográfica adicional, no deben considerarse necesariamente términos intercambiables.
Dentro de las arquitecturas UAS modernas, diferentes técnicas de navegación referenciada al terreno pueden formar parte de una estrategia multisensor más amplia.
Terrain Contour Matching y Guiado, Navegación y Control
Las tecnologías de navegación alcanzan su mayor valor cuando se integran con la arquitectura completa de Guiado, Navegación y Control (GNC) de la aeronave.
La función de navegación estima el estado de la plataforma. El sistema de guiado utiliza esta información para determinar el comportamiento de vuelo requerido, mientras que el control de vuelo gestiona la aeronave de acuerdo con esas instrucciones.
Una solución de navegación resiliente apoyada por información referenciada al terreno puede proporcionar los datos necesarios para funciones autónomas como:
- Gestión de rutas.
- Navegación mediante waypoints.
- Gestión de la trayectoria de vuelo.
- Progresión autónoma de la misión.
- Gestión de contingencias de navegación.
La integración de tecnologías resilientes de posicionamiento dentro de GNC contribuye así al objetivo más amplio de mantener un vuelo autónomo predecible frente a cambios en las condiciones de navegación.
TERCOM y Posicionamiento, Navegación y Sincronización Asegurados
El concepto de Posicionamiento, Navegación y Sincronización Asegurados (Assured Positioning, Navigation and Timing, A-PNT) responde a la necesidad de mantener capacidades fiables de navegación cuando los servicios convencionales de posicionamiento se encuentran degradados o dejan de estar disponibles.
En lugar de depender de una única fuente, las arquitecturas A-PNT pueden combinar múltiples tecnologías complementarias para aumentar la resiliencia.
La navegación referenciada al terreno puede contribuir a este objetivo proporcionando información geográfica que no depende continuamente de la recepción de GNSS.
En combinación con navegación inercial, fusión multisensor y otras tecnologías alternativas de posicionamiento, la información del terreno puede constituir una capa adicional dentro de una arquitectura diversificada de navegación.
Este enfoque reduce la dependencia de una única fuente y contribuye al desarrollo de sistemas autónomos capaces de operar frente a condiciones cambiantes de navegación.
TERCOM para Autonomía Asegurada
La Autonomía Asegurada (Assured Autonomy) requiere algo más que la capacidad de realizar funciones autónomas en condiciones ideales. Una plataforma autónoma debe mantener también un comportamiento fiable y predecible cuando cambian los sensores disponibles, los servicios de navegación o las condiciones del entorno.
La resiliencia de navegación constituye, por tanto, un componente fundamental de la autonomía asegurada.
Si una aeronave autónoma no puede mantener suficiente confianza en la estimación de su posición y estado, otras funciones autónomas también pueden verse afectadas. Disponer de diferentes referencias complementarias de navegación permite reducir esta dependencia.
La navegación referenciada al terreno puede contribuir a la autonomía asegurada incorporando otra fuente de información geográfica dentro de la arquitectura de navegación de la aeronave.
En combinación con INS, fusión de sensores, sistemas robustos de control de vuelo y otras tecnologías alternativas de navegación, TERCOM y otros enfoques referenciados al terreno pueden formar parte de sistemas autónomos diseñados para mantener un funcionamiento fiable frente a la degradación de fuentes individuales de navegación.
Ventajas de Terrain Contour Matching para la navegación resiliente
Dentro de una arquitectura integrada, los conceptos de navegación referenciada al terreno como TERCOM pueden aportar diferentes ventajas:
- Menor dependencia de GNSS: el terreno proporciona una referencia geográfica adicional.
- Complemento para la navegación inercial: la información del terreno puede apoyar al INS durante periodos sin actualizaciones GNSS fiables.
- Mayor resiliencia de navegación: disponer de fuentes adicionales de información reduce la dependencia de una única tecnología.
- Soporte para entornos GNSS denegados: la información referenciada al terreno no requiere una disponibilidad continua de navegación por satélite.
- Contribución a la autonomía asegurada: una navegación resiliente favorece el funcionamiento fiable de las capacidades autónomas de guiado y control de vuelo.
El valor de estas ventajas depende de la arquitectura completa de navegación, la configuración de sensores, el entorno geográfico y los requisitos operativos del UAS.
Desafíos y consideraciones de TERCOM
La navegación referenciada al terreno también presenta diferentes aspectos que pueden influir en las prestaciones del sistema.
Entre ellos se encuentran:
- Calidad y resolución de la información del terreno.
- Características del entorno operativo.
- Prestaciones de los sensores embarcados.
- Altitud y perfil de vuelo de la aeronave.
- Capacidad de procesamiento disponible a bordo.
- Integración con navegación inercial y otras fuentes de posicionamiento.
No todos los terrenos proporcionan el mismo nivel de diferenciación geográfica, y las diferentes tecnologías de sensores pueden presentar comportamientos distintos según las condiciones ambientales.
En consecuencia, TERCOM debe considerarse dentro del contexto de una arquitectura más amplia capaz de combinar diferentes fuentes de información en función de su disponibilidad y fiabilidad.
El futuro de TERCOM y la navegación referenciada al terreno
La creciente necesidad de sistemas autónomos capaces de operar en entornos GNSS degradados y GNSS denegados está aumentando el interés por las tecnologías alternativas y complementarias de navegación.
Las futuras arquitecturas UAS combinarán previsiblemente diferentes enfoques, entre ellos:
- Navegación inercial avanzada.
- Navegación referenciada al terreno.
- Terrain-Aided Navigation.
- Navegación basada en visión.
- Tecnologías alternativas de posicionamiento.
- Fusión multisensor avanzada.
- Arquitecturas GNC integradas y resilientes.
Los avances en sensores, procesamiento embarcado, información geográfica digital y tecnologías de navegación continuarán ampliando las posibilidades de integración de la información del terreno en sistemas autónomos.
La tendencia general se dirige hacia arquitecturas adaptativas capaces de utilizar múltiples fuentes complementarias de información en lugar de depender continuamente de una única tecnología externa de posicionamiento.
Terrain Contour Matching (TERCOM) para Autonomía Asegurada representa un concepto relevante dentro del desarrollo de sistemas de navegación resilientes para UAS autónomos. Al utilizar las características del terreno físico como una referencia geográfica adicional, la navegación referenciada al terreno puede complementar los sistemas inerciales y reducir la dependencia de una disponibilidad continua de GNSS.
Su principal valor se encuentra en la integración dentro de una arquitectura multisensor. La combinación de información del terreno con navegación inercial, tecnologías alternativas de posicionamiento, fusión de sensores y sistemas robustos de Guiado, Navegación y Control puede proporcionar una base más resiliente para las operaciones autónomas en entornos complejos y GNSS denegados.
A medida que los UAS evolucionen hacia mayores niveles de autonomía, la navegación resiliente seguirá siendo un elemento fundamental para la autonomía asegurada. La capacidad de combinar múltiples fuentes complementarias de navegación puede contribuir a que las plataformas autónomas mantengan un funcionamiento fiable y predecible frente a cambios en las condiciones ambientales y de navegación.
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, tecnologías alternativas de navegación y funcionamiento fiable en entornos complejos, incluyendo escenarios donde la disponibilidad de GNSS puede encontrarse degradada o denegada.
