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Juan José Calvente y Rafael E. Márquez

Ingeniero de Telecomunicación y director División UAS en AERTEC; Ingeniero de Telecomunicación y director de Desarrollo de Negocio Aerospace&Defence Systems en AERTEC.

Comunicaciones en sistemas aéreos no tripulados (UAS)

Cada vez más en nuestro día a día tenemos presentes las capacidades de los sistemas aéreos no tripulados para colaborar con otros medios técnicos, por ejemplo en situaciones de emergencia. Estos complejos sistemas se componen fundamentalmente de tres elementos: un vehículo aéreo, una estación de tierra y enlaces de comunicaciones de diferente propósito que los conectan entre sí. A continuación se describen someramente las características y funcionalidades de cada uno de estos enlaces.

Fotos: AERTEC

Los sistemas aéreos no tripulados, conocidos en el ámbito de la industria aeronáutica como UAS (Unmanned Aerial Systems) o RPAS (Remotely Piloted Aerial Systems), y más comúnmente conocidos entre el público general como drones, son sistemas autónomos multipróposito capaces de ejecutar una amplia diversidad de misiones tanto en el ámbito civil como en el militar.

Existen diversas clasificaciones de estos sistemas en función de sus características de peso, cargas de pago integradas, autonomía, envergadura, etc., pero en el presente artículo no nos ocuparemos del enfoque operativo de los UAS sino de presentar un breve análisis sobre los enlaces de comunicaciones que utilizan estos sistemas para desarrollar satisfactoriamente diferentes misiones.

Componentes de un sistema UAS
Un sistema UAS se compone principalmente de un vehículo aéreo, equipado tanto con la aviónica y sistemas generales necesarios para el vuelo como de todos los sensores y subsistemas de misión necesarios –habitualmente referidos como carga de pago–, de varios enlaces de comunicaciones y de una estación de tierra donde se ubican tanto el piloto responsable del vuelo como el operador de la carga de pago. Sobre el vehículo aéreo se disponen, por tanto, y siempre de acuerdo con el mejor criterio técnico relativo a seguridad, aeronavegabilidad y centro de gravedad, las antenas y sistemas de comunicaciones necesarios para comunicarse con la estación de tierra. En la estación de tierra se ubican a su vez los receptores necesarios para poder recibir con la máxima calidad los datos enviados desde la plataforma no tripulada, y entre ambos se dispone un medio de transmisión conocido y modelable en cuanto a sus propiedades físicas de transmisión para conectar ambos dispositivos.

Los drones son sistemas autónomos multipróposito capaces de ejecutar una amplia diversidad de misiones tanto en el ámbito civil como en el militar

La operación de los UAS más evolucionados técnicamente es 100% automática, es decir, una vez diseñado y validado el plan de vuelo en tierra, se procede a su carga por medio de una conexión cableada o inalámbrica en el autopiloto interno de la aeronave. Este autopiloto es capaz de interpretar el plan de vuelo y de gestionar el despegue, misión y aterrizaje del sistema de forma automática sin ninguna intervención del piloto ubicado a kilómetros de distancia en la estación de tierra; este solo se verá obligado a intervenir en caso de detectarse alguna amenaza o incidencia durante el vuelo o, por supuesto, para modificar en tiempo real el plan de vuelo nominal de acuerdo con las necesidades operacionales de la misión.

Lógicamente, en función del tipo de UAS y del propósito de su operación –recuerden que estamos englobando bajo este acrónimo a pequeños multirrotores de apenas cientos de gramos hasta grandes plataformas de varias toneladas de peso utilizadas para inteligencia, vigilancia y reconocimiento que surcan los cielos a más de 20.000 pies de altura– los equipos de comunicaciones tanto embarcados como terrestres varían mucho en sofisticación y características técnicas.

 

Enlaces físicos de comunicaciones
Adicionalmente, las bandas de comunicación y los algoritmos de encriptación utilizados en cada caso pueden diferir bastante en función de la ubicación geográfica y del operador de la misión pero, independientemente de tamaño y propósito, en la mayoría de UAS podemos encontrar hasta cinco enlaces físicos de comunicaciones para la gestión de navegación y misión de la plataforma no tripulada que cubren las funcionalidades descritas, a saber:

Enlace de mando y control:

Se trata de un radioenlace bidireccional en la banda UHF (por ejemplo: 433MHz, 868 MHz, 915Mhz ó 2.4Ghz). Es el enlace primario del UAS y su objeto es enviar los datos de mando y control, y carga de pago entre la aeronave y la estación de tierra. Son sistemas que obviamente requieren que haya RLOS (Radio Line of Sight) entre aeronave y la estación de control de tierra, por lo que es fundamental tener en cuenta aspectos de orografía, interferencias, meteorología, potencia y rango de alcance del sistema de comunicaciones durante el planeamiento de la misión.

Enlace de respaldo:

De manera habitual, en sistemas que obviamente permitan albergarlos por tamaño y peso, se instala un sistema de comunicaciones satelital como sistema de respaldo al primario de mando y control. Los sistemas de comunicaciones satelitales permiten operaciones BRLOS (Beyond Radio Line of Sight), ampliando por tanto el rango de operación. En este sentido hay desde soluciones satelitales con ancho de banda reducido (ej. IRIDIUM), que normalmente se utiliza solo como back-up del comando y control en situaciones de emergencia cuando tras un tiempo máximo de espera no se consigue comunicar por el sistema primario, hasta soluciones que permiten el envío tanto de comando y control como de datos y vídeo.

Los UAS de media-alta autonomía, por los rangos que alcanzan, suelen hacer uso de estos sistemas satelitales de comunicaciones de forma nominal como enlaces primarios.

La operación de los UAS más evolucionados técnicamente es 100% automática

Enlace para terminación de vuelo:

La normativa aplicable a la operación de UAS está viva, y las instituciones responsables de velar por la seguridad de la navegación aérea a nivel nacional y europea (AESA y EASA respectivamente), han estado introduciendo diferentes elementos de mitigación de riesgo en las operaciones de estos sistemas durante los últimos años.

Uno de estos elementos de mitigación de riesgos es la necesidad de disponer de un Sistema de Terminación de Vuelo (FTS por sus siglas en inglés) en los UAS de ciertas dimensiones y energía cinética que en caso de pérdida de control pueden suponer un riesgo en tierra. Este sistema de terminación se activa desde una consola diferente a la propia estación de tierra en caso de situación de vuelo no recuperable, y se comunica con la aeronave mediante un radioenlace dedicado, diferente al sistema primario de mando y control. La instrucción transmitida debe garantizar la ejecución de una consigna rápida que limite los daños a terceros debidos a la operación no controlada del vuelo; instrucciones típicas serían, por ejemplo, ‘corte inmediato de potencia del motor’ y/o ‘activación de paracaídas de emergencia’.

 

Enlace para control manual:

Aún siendo la ejecución de las operaciones de despegue y aterrizaje del vehículo aéreo no tripulado totalmente automáticas, y en algunos casos también totalmente autónomas, el piloto responsable de la operación del sistema dispone de un mando manual de control, similar a los utilizados para aviones de telecontrol, para poder tomar el control en pista en caso de condiciones climatológicas adversas o de malfuncionamiento de alguno de los sistemas críticos del UAS, como los mandos de vuelo o el propio tren de aterrizaje. Estos sistemas se emplean principalmente como enlace de emergencia siempre y cuando la aeronave se encuentre en VLOS (Visual Line of Sight) con el piloto.

Enlace para carga de pago:

Habitualmente, en los sistemas UAS de mayor tamaño y prestaciones se integran sensores electrónicos giroestabilizados de alta precisión capaces de obtener imágenes y vídeos de objetivos estáticos o en movimiento a varios kilómetros de distancia, tanto en misiones diurnas como nocturnas, estas por medio de infrarrojos.

Esta información es muy necesaria en misiones críticas de vigilancia y debe transmitirse en tiempo real y con la máxima fiabilidad e integridad posibles al centro de control terrestre, para lo que se utilizan enlaces UHF y/o satelitales, con o sin encriptación hardware y/o software. Esta necesidad operativa está, por ejemplo, totalmente alineada con las nuevas capacidades proporcionadas por las redes 5G de última generación, de forma que durante los últimos meses varios operadores de telefonía, de forma conjunta con operadores UAS, han realizado ensayos satisfactorios de transmisión simultánea de varios sensores embarcados con imágenes de diferente resolución (4K, HD, Full HD…) desde las plataformas aéreas para validar la disponibilidad operativa de esta tecnología en vuelos de baja altitud (los denominados VLL) por debajo de 500 pies.

 

Sistemas robustos para el futuro cercano
En cuanto al estado del arte de aplicación de sistemas de comunicaciones en sistemas no tripulados, un concepto que cada vez gana más peso es el empleo de nubes tácticas 5G para la comunicación entre diferentes sistemas aéreos en lo que comúnmente se conoce como enjambres de drones (swarming), empleados en misiones cooperativas de diverso propósito. Esta tecnología, aunque se está empezando a desplegar, tiene todavía bastante recorrido para alcanzar su plena madurez tecnológica.

La integración de estos sistemas aéreos no tripulados UAS/RPAS en operaciones militares pero también civiles como la logística, el soporte a emergencias o incluso el transporte de personas bajo el concepto denominado movilidad aérea avanzada, es, desde nuestro humilde punto de vista, imparable, y nuestra misión como Ingenieros de Telecomunicación la entendemos en el deber de proporcionar enlaces de comunicación cada vez más fiables, robustos y seguros para poder soportar las ingentes operaciones que se avecinan en el futuro cercano.

 

Objetivos de los sistemas de comunicaciones en un UAS

Desde un punto de vista puramente funcional, los sistemas de comunicaciones disponibles en el UAS tienen cuatro objetivos diferentes:

  • Proporcionar información en tiempo real a la estación de tierra de los parámetros más relevantes del vuelo, comúnmente conocidos como telemetría, como pueden ser la posición (latitud, longitud, altitud) de la aeronave, su actitud, el estado de los sistemas embarcados, alarmas, etc.
  • Recibir en tiempo real en la estación de tierra las imágenes, vídeos y metadatos de valor añadido capturados y enviados desde el sensor ubicado en el vehículo aéreo durante la ejecución del vuelo y que se utilizan para la toma de decisiones en tierra, ya sea en un plano táctico o estratégico dentro de un ámbito civil o militar.
  • El envío de comandos hacia el vehículo aéreo por parte del piloto para modificar aspectos relacionados con el plan de vuelo.
  • El envío de comandos por parte del operador de carga de pago hacia la plataforma para modificar configuraciones, apuntamientos, etc., de los sensores embarcados.
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