capítulo 2. sistemas aéreos...

Capítulo 2. Sistemas Aéreos Autónomos

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2.1 Introducción

Es innegable que la aeronáutica actual está viviendo una transición, lenta pero inexorable,

hacia aeronaves más automatizadas. El empleo de sistemas cada vez más autónomos, más

capaces de procesar la información para minimizar ha sido constante en los últimos años. Así

por ejemplo el paso de la versión 300 a la 400 del Boeing 747 redujo la tripulación de tres a dos

personas gracias al empleo de displays capaces de filtrar la información relevante

disminuyendo la carga de trabajo de la tripulación (Boeing Inc. 2009). En los últimos años el

desarrollo de la tecnología ha permitido llevar este automatismo un paso más allá, hasta el

punto de plantearse si realmente es necesaria la existencia del piloto.

En este capítulo se intentará proporcionar de forma somera una visión general y

autocontenida del estado de la técnica de los Vehículos Aéreos Autónomos de forma que, sin

necesidad de conocimientos previos, se pueda obtener una perspectiva de esta tecnología. El

autor ha intentado aportar información cuantitativa, referenciada y actualizada en la medida

de lo posible con el fin de presentar un fiel y objetivo retrato del presente y el futuro

inmediato de esta área.

2.2 Descripción

De forma genérica podemos decir que un sistema Aéreo Autónomo está compuesto por una

estación tierra (GS), un sistema de comunicaciones y un elemento aéreo1 (Fig. 2-1). El

funcionamiento del sistema se basa en que un operador en la estación tierra dirige a través de

un Data link la operación de la aeronave basándose en la información que ésta le transmite a

través de sus sensores.

En función de las características de actuaciones de la aeronave (techo en servicio, velocidad,

alcance), la carga de pago de la misma, la cobertura y capacidad de transmisión del enlace de

datos y de la autonomía (en el sentido de capacidad de toma de decisiones) del UAV la

operación del sistema variará.

1 Aunque en la bibliografía puede encontrarse fuentes que engloban la estación base con el

sistema comunicaciones, el autor considera interesante diferenciarlos, ya que pueden estar

físicamente separados e incluso incluir redes de radiofrecuencia aéreas de VHF/UHF o

comunicaciones satélite completamente independientes de la estación tierra y que

constituyen una infraestructura significativa.


Modelado, Control y Percepción en Sistemas Aéreos Autónomos

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Fig. 2-1. Elementos que componen un sistema Aéreo Autónomo y su interacción con otros agentes

2.3 Nomenclatura

Antes de profundizar en este campo, es necesario clarificar algunos conceptos. En primer lugar

definamos qué es exactamente un UAV. Según el diccionario del Departamento de Estado

estadounidense, un UAV o UA es (Office Of the Secretary of Defence 2004):

A powered, aerial vehicle that does not carry a human operator uses aerodynamic forces to provide vehicle lift, can fly autonomously or be piloted remotely, can be expendable or

recoverable, and can carry a lethal or non-lethal payload. Ballistic or semi ballistic vehicles,

cruise missiles, and artillery projectiles are not considered unmanned aerial vehicles

Que traducido

Un vehículo aéreo propulsado que no lleva bordo ningún operador humano, se sustenta

mediante fuerzas aerodinámicas, puede volar autónomamente o pilotado a distancia, puede

ser o no recuperable y puede portar carga de pago letal o no letal. Vehículos balísticos o

semibalísticos, misiles de crucero y proyectiles de artillería no son considerados vehículos

aéreos no tripulados.

Esta definición conduce a dos razonamientos:

- Es muy general, quizás demasiado, pero para cubrir con una definición el heterogéneo

y vasto mundo de estos aparatos hay que laxo en cuanto requisitos de inclusión.

- Posee un sesgo claramente militarizado, pero no olvidemos que como en toda la

aeronáutica en general la influencia de la tecnología militar es máxima.


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Partiendo de esta definición general, se emplean términos como UAV (Unmanned Aerial

Vehicle, Vehículo Aéreo no tripulado), UAS (Unmanned Aerial System, Sistema Aéreo no

tripulado) o RPV (Remotely Piloted Vehicle, Vehículo pilotado a distancia) indistintamente,

dando lugar a malentendidos y confusiones. Sin embargo estos acrónimos representan

ingenios claramente distintos.

La diferencia entre UAV y UAS es simplemente la tendencia actual a indicar que la robótica

aérea es algo más que un avión, no es simplemente la estructura, sino que es una sinergia

compleja en la que el papel de la aviónica y los algoritmos de control, sense and avoid y

percepción juegan un papel determinante, dando lugar a un sistema complejo. Otros autores

establecen la diferenciación entre los dos términos como que el UAV es el segmento aéreo del

sistema UAS que incluye estación tierra e infraestructura de comunicaciones (Excellence, US

Army UAS Center of 2009).

El término RPV hace referencia a aeronaves que vuelan sin piloto a bordo pero que son

pilotadas distancia en el sentido de que existe un piloto en algún punto que a través de un

enlace de radio recibe imágenes e información del estado de la aeronave y lo pilota como si

estuviese embarcado. Este concepto es diferente al del aparato autónomo al que un operador

(en contraposición al piloto) se le indica un destino o una trayectoria y es capaz de seguirla.

Aunque a simple vista la diferencia parezca sutil, en realidad es un salto espectacular. En el

primer caso el avión es muy similar a un avión de radio control. Es simplemente un aparato

que recibe órdenes de muy bajo nivel (en realidad señales de los actuadores correspondientes)

mientras que en el segundo existe un sistema de gestión de vuelo (FMS, Flight Management

System) que es capaz de decidir por sí mismo cómo pilotar la aeronave para evitar colisiones,

mantener rumbos frente a ráfagas de viento… Actualmente, el principal reto en el campo de la

aviación no tripulada es que los UAV tengan la autonomía (autonomous, no endurance) y la

seguridad (safety) equivalente a la de un avión tripulado. Evidentemente el paso intermedio

son los RPV, que exigen, al menos, la capacidad de un enlace de radio de gran ancho de banda

y libre de interferencias.

Con estas consideraciones puede entenderse por qué se esté empezando a imponer la

designación de vehículo aéreo autónomo en lugar de no tripulado, reflejando así mucho mejor

la realidad de lo que se pretende definir. A este respecto cabe hacer una aclaración, pertinente

en la sección de nomenclatura, y es la de la ambigüedad o polisemia del término autonomía,

que hace referencia tanto al tiempo que una aeronave puede permanecer en vuelo

(endurance) como a la capacidad de un robot de tomar decisiones (autonomous), Aunque

puede distinguirse fácilmente de qué se trata por el contexto

2.4 El UAV frente a la aeronave tripulada

Las ventajas de los UAVs respecto a los aviones pilotados son manifiestas

- Ahorro de peso. No es sólo el peso del piloto, sino el de todos los sistemas asociados,

como displays, cabina, sistemas de hábitat, asientos eyectables en el caso de cazas…

Para un avión de combate, la reducción de peso puede llegar a suponer una fracción


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considerable del MTOW (Maximum Take-off Weight, peso, máximo al despegue,). Esta

disminución de la masa de la aeronave reduce mucho el consumo de combustible y

permite crear sistemas más eficientes.

- Gran libertad de diseño. Debido a la ausencia de piloto, las cortapisas asociadas a la

presencia del mismo desaparecen. Así, es posible diseñar UAV de cualquier tamaño,

desde tan grandes como el Global Hawk (Envergadura 35,41 m.; MTOW 14.628 kg.)

hasta otros tan pequeños como el Black Widow (Envergadura 15,24 cm.; MTOW 50

gr.).

Fig. 2-2.a Black Widow

Fig. 2-2.b Global Hawk frente B-737 y U2

Fig. 2-2. Heterogeneidad de dimensiones de los UAS.

- Misiones Dull, Dirty and Dangerous (Departament of Defence 2007) (Aburridas, sucias

y peligrosas). Es una de las grandes ventajas de los UAVs militares. Es posible realizar

tareas de observación o incuso de ataque durante largos periodos de tiempo en

entorno hostiles sin poner en peligro vidas humanas, reduciendo tanto el coste social

de un conflicto como la pérdida económica que supone la muerte de un piloto

entrenado durante años.

o Dull: Como ejemplo de misiones aburridas, cabe destacar el caso de los

bombarderos B-2, que durante la operación Libertad Duradera realizaron

misiones de 44 horas. Teniendo en cuenta que la tripulación consta de dos

pilotos alojados en el pequeño habitáculo de la cabina, cabe imaginarse el

desgaste que este tipo de misiones produce.

o Dirty: Estados Unidos empleo aviones B-17s y F6Fs entre 1946 y 1948 para

tomar muestras en vivo del interior de nubes nucleares tras la explosión de

bombas atómicas. En 1948 la USAF decidió que el riesgo para las tripulaciones

era aceptable y sustituyó los aviones sin piloto por F-84 tripulados en los que

la tripulación se protegía con trajes de plomo. Varios pilotos murieron por la

radiación o por la incapacidad de salir del avión tras el accidente por el

sobrepeso (Departament of Defence 2007)

o Dangerous: es bien conocido el incidente durante la Guerra Fría en el que un

avión de reconocimiento U-2 Estadounidense tripulado por Gary Powers fue

derribado en espacio aéreo soviético el 1 de mayo de 1960, desencadenando

una crisis internacional. El piloto fue acusado de espionaje y condenado a

prisión y trabajos forzados. Este incidente llevaría a los EE.UU. a desarrollar

Firefly, un avión de reconocimiento sin piloto lanzado desde las alas de un C-


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130 Hércules y recuperado en áreas propias bien por paracaídas o por un

helicóptero en vuelo (Sánchez 2003).

- Reducidos costes. Además del importante ahorro del coste de la tripulación, muchos

UAVs, por sus pequeñas dimensiones, pueden operar sin necesidad de infraestructura

aeroportuarias (lanzados con la mano o mediante catapulta), y sin embargo llevar a

cabo valiosas misiones. Esto supone una gran flexibilidad de facto, una

“democratización” del empleo de medios aéreos, ya que muchas instituciones, desde

Universidades a empresas, no podrían permitirse el costo de estos servicios con

aeronaves tradicionales.

Pero la reducción de costes no sólo afecta a la difusión de la aeronáutica entre las

instituciones con menor capacidad económica. Aun en organizaciones con grandes

medios materiales el ahorro es siempre importante. Así por ejemplo, la USAF ha

podido constatar que el costo operacional de los UAS es muy inferior al de las

aeronaves tripuladas. Por otra parte, si bien es cierto que el costo de sistemas

equivalentes en los UAS es ligeramente superior por la reducción de precio, el coste de

adquisición suele ser bastante inferior. Como ejemplo sirva el hecho de que por el

precio de un obsoleto F-14 Tomcat se puede equipar un escuadrón completo de

Predator (Kumar 1997). Si bien es cierto que las capacidades de uno y otro no son

comparables, no deja de ser un dato cualitativo a tener en cuenta. La diferencia de

precio se acentúa aún más si se actualizan los datos con aeronaves más modernas

como el Eurofighter, el F-22 o el F-35.

Estudios más recientes muestran que, para tareas y prestaciones similares, el costo de

adquisición es elevado para aviones tripulados, el de operación es mayor para los UAS

por razones logísticas y por requerir de personal más especializado (Haddal 2010). En

estos mismos informes se concluye que las mejoras tecnológicas, como la

minimización del operador humano, terminaran de inclinar la balanza a favor de los

UAVs.

- Expansión de envolvente de vuelo: actualmente los aviones se diseñan para operar

dentro de los límites de la fisiología humana. En el caso de aviones de combate, esto

supone una gran limitación, ya que los misiles resultan mucho más ágiles y veloces por

carecer de esta cortapisa pudiendo alcanzar sus blancos. Al prescindir de piloto se

elimina también esa desventaja, obteniéndose aeronaves más capaces y seguras.

Todo ello justifica el gran incremento de UAVs de los últimos años (Fig. 2-3), tanto en aparatos

como en número de investigadores y fabricantes


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Fig. 2-3. Evolución del mercado de UAS en los últimos años

2.5 Breve historia de la aviación no tripulada

El primer vuelo exitoso de una aeronave sin piloto se produjo en 1917, cuando Peter Cooper y

Elmer Sperry, que consiguieron controlar mediante radio un Curtiss N-9 modificado de la

marina americana volando niveladamente durante 50 millas.

El siguiente gran hito fue la adaptación de varios B-24 y B-17 en RPV, al menos durante la fase

de aproximación, guiados por sistema de televisión. El sistema, conocido como BQ-7 fue

desarrollado en 1944 por la Navy´s Special Air Unit y se destino a bombardear instalaciones de

misiles V-2 en Francia. Los resultados no fueron demasiado satisfactorios y el programa se

ralentizó hasta que en 1960 la USAF comenzó el programa AQM-34 Ryan FireBee o Lightning

Bug en diferentes versiones que, por primera vez, fueron diseñados desde el principio como

aviones sin piloto para ser lanzadas desde una aeronave. Este programa fue un éxito

realizando entre 1964 y 1975 34.000 misiones de observación con unos mil aparatos.


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Fig. 2-4. Imagen de un Firebee

El éxito del programa AQM-34 llevó a Israel a adquirir 12 Firebee en los años 70 siendo

empleados para reconocimiento y señuelo en la Guerra del Yom Kippur. A partir de ese

momento las empresas israelíes IAI, Israel Air Industries, y Tadiran comenzaron a fabricar sus

propios UAVs, iniciando así un largo periodo de desarrollo de diversos vehículos aéreos no

tripulados que situarían a Israel a la cabeza mundial en la producción de dichos ingenios

(Sánchez 2003). Así los Mastiff, Sansón y Dalila fueron empleados con gran éxito en

coordinación con aviones tripulados en 1982 en la operación Libertad para Galilea en la

eliminación de defensas antiaéreas, bien haciendo de plataformas de reconocimiento o como

elementos de interferencia.

Fig. 2-5. Fotografía de un Tadiran Mastiff

El éxito de los UAVs Israelíes en varias operaciones reavivó el interés estadounidense en el

tema y los empleó en la Guerra del Golfo. Así, durante la operación Tormenta del desierto el


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Pioner fue ampliamente utilizado para proporcionar imágenes en tiempo real. Durante todo el

conflicto hubo al menos uno de estos aparatos en vuelo y sólo uno de ellos calló a causa del

fuego enemigo en 522 salidas y 1641 horas de vuelo (Breen 1996)

Otros países como Francia, Sudáfrica, Reino Unido e incluso Pakistán también mostraron su

interés en esta Tecnología.

A partir de la Guerra del Golfo Estados Unidos decidió invertir en UAVs mayores y con más

autonomía, no sólo en señuelos y microUAVs, desarrollando General Dynamics en Gnat 750 en

1994, germen del actual Predator, que junto con los Hunter actuaron reconociendo y

designando blancos en la Guerra de los Balcanes.

El ataque del 11S con la consiguiente operación en Afganistán Libertad Duradera y la Invasión

de Irak han supuesto el despegue definitivo de los UAVs en el mundo militar. Dos muestras

contundentes de esto son la entrada en producción del Global Hawk estando aún en fase de

desarrollo para atender las tareas de reconocimiento y el notable incremento en el

presupuesto estadounidense a partir de los atentados de las Torres Gemelas que muestra la

Fig. 2-6 (OSD 2002)

Fig. 2-6: Perfil presupuesto estadounidense para UAVs

Como último punto de esta breve revisión histórica, merezca la pena destacar la inclusión de

misiles Hellfire en Predator, demostrando en Afganistán una alta letalidad contra blancos

móviles (Sánchez 2003). Esto supone un paso cualitativo importante, pues supone un cambio

de mentalidad desde la plataforma de observación a avión con capacidad de ataque por sí

mismo.


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Fig. 2-7. Predator disparando un misil Hellfire

2.6 Clasificación de los UAS

Existen múltiples criterios para clasificar los UAVs. Algunos se basan en la división civil/militar,

otros en el sistema de recogida y/o lanzamiento, por aplicaciones… Pero la más extendida es la

basada en el MTOW (Maximum Take off Weight) que, en términos generales, conlleva unas

prestaciones de autonomía y alcance (Tabla 1).

Tabla 1. Clasificación de los UAVs

Dentro de esta clasificación resulta de interés analizar la distribución del número de UAVs. En

la Fig. 5-3 se aprecia como la mayor parte de la producción se centra en UAV de pequeño

tamaño (comprendido entre Micro y Medium Range), ya que este segmente presenta la


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facilidad de empleo (requiere poca infraestructura), desarrollo (dimensiones y prestaciones de

los equipos e aviónica) y la viabilidad económica necesaria para facilitar su desarrollo. Existe

otro nicho de mercado que incluye los MALEs, HALEs y UCAVs. Este segundo grupo, si bien es

menos numeroso, es económicamente más importante, puesto que representan proyectos

tecnológicos muy innovadores y costosos auspiciados por entidades militares,

fundamentalmente estadounidenses. Ejemplos de este segundo grupo pueden ser el Predator

B, el Global Hawk y el X-45.

Fig. 2-8. Distribución de UAVs por segmentos

2.7 Aplicaciones de los UAVs

Se ha mostrado las capacidades de los UAVs. Estas aptitudes pueden emplearse en tantos

campos como se desee. De entre ellos caben destacar:

- Monitorización de fenómenos ambientales: como fuegos forestales (Merino 2006),

nubes tóxicas, tsunamis, terremotos… (Adams 2011)

- Reabastecimiento en vuelo: aunque es una tecnología aún en desarrollo (Fig. 2-10), ya

hay experimentos de reabastecimiento en vuelos entre UAVs y aeronaves tripuladas

(Pultrych 2010).

- Vigilancia de fronteras: existen varios informes que muestran las ventajas del empleo

de esos aparatos para garantizar la integridad de los límites nacionales (Haddal 2010).

Esto ha decantado a países como Estados Unidos para la adquisición de Predators para

este cometido (Homeland Security NewsWire 2010)


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- Patrulla marítima: las largas misiones de patrulla sobre las aguas del mar donde

cualquier movimiento destaca respecto a la uniformidad parecen idóneas para los

UAVs. Como muestra de ello está el caso de la adaptación de un Predator B para la

Protección de las Aguas estadounidense bajo la designación Guardian (US CUstoms

and Border Protection s.f.)

- Cartografía: existen diferentes líneas de investigación en lo referente a cartografía

digital mediante UAVs, desde las basadas en modelos de elevación del terreno

mediante barridos laser o radares de apertura sintética a las basadas en rectificación

de imágenes aéreas para analizar la superficie, incluso en tiempo real (Gademer 2009).

Algunos autores realizan fusión sensorial para combinar la información de ambos

sensores (Nagai 2008)

- Reconocimiento: como se expuso en la revisión histórica, las labores de

reconocimiento fueron el primer cometido asignado. Si bien es cierto que en sus

primeras acciones fue estratégico, rápidamente se incluyó el táctico con labores sobre

el campo de batalla. Actualmente, el pequeño tamaño de muchos aparatos permiten

incluso a un soldado llevar a su espalda un UAV lanzado con su propio brazo para

disponer de una visión panorámica de su entorno más inmediato.

- Apoyo aéreo cercano: como se expuso en la revisión histórica, los Predator están

desarrollando tareas de interdicción con amplio éxito demostrado en los actuales

conflictos de Irak y Afganistán.

- Penetración furtiva: los UAVs de observación táctica poseen pequeño tamaño,

pequeña firma de radar y son bastante silenciosos, los que los hace idóneos para las

tareas de infiltración furtiva.

- Blanco y señuelo: las pruebas de nuevo armamento, así como el entrenamiento de

pilotos de combate. En España, el Instituto Nacional de Técnicas Aeroespaciales

dispone de dos modelos, el ALBA, para entrenamiento de artillería antiaérea y el

DIANA para prácticas más avanzadas (INTA 2009)

- Comprobación de infraestructuras: en casos como gaseoductos, oleoductos

(Aeronautics 2007), redes eléctricas… es de especial interés por la longitud del la obra

a chequear y la inaccesibilidad del terreno que en muchas ocasiones recorren.

- Monitorización de tráfico: las técnicas actuales de monitorización de tráfico se basan

principalmente en bobinas enterradas bajo la vía (Srinivasan 2004). Sin embargo esto

presenta la limitación de que únicamente permite el conteo. El desarrollo de nuevas

técnicas vbasadas en vision aporta más información, pero presenta el problema del

soporte de la cámara. Construir mástiles es caro y poco flexible y emplear aeronaves

tripuladas es demasiado caro. Se ha demostrado cómo (Coifman 2006) es posible

emplear de forma efectiva UAV para la monitorización de tráfico.

- Seguimiento de poblaciones animales: existe un gran interés en el control de

poblaciones animales, ya sea para proteger especias en peligro, para realizar

investigaciones biológicas (Junta de Andalucía 2011) o simplemente como elemento

que facilite su captura. Diferentes aparatos han mostrado sus capacidades en estos

campos (Koski 2009).

- Pseudosatélites (Kopp 2008) : el elevado coste asociado a poner en órbita una carga de

pago hace que cualquier alternativa a los satélites sea muy tentadora. En este sentido,


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se utilizan UAVs como pseudosatélites capaces de realizar las mismas tareas de

monitorización y comunicaciones. Si bien es cierto que conllevan la pérdida de

cobertura y la ventaja de poder sobrevolar cualquier espacio aéreo sin violar la

territorialidad de ningún país, aportan mayor flexibilidad y sobre todo mucho menor

coste. Para este tipo de aplicaciones, además de UAVs convencionales con gran

autonomía empiezan a extenderse dirigibles automatizados que presentan la ventaja

de minimizar el consumo de combustible y permitir mayores altitudes.

Fig. 2-9. Esquema de funcionamiento de pseudosatélites

La lista de aplicaciones es tan extensa como permite la imaginación. En general cualquier

actividad que suponga tarea aéreas tediosas o peligrosas y pueda realizarse de forma más

segura, económica y eficiente con el empleo de UAS.

Si bien es cierto que no todas las aplicaciones comentadas son viables actualmente, existen

estimaciones para su implementación a corto plazo, una vez que la tecnología sea capaz de

afrontar los nuevos desafíos (Fig. 2-10 (Departament of Defence 2007))

Fig. 2-10. Previsión de nuevas aplicaciones por fecha


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Tabla 2. Evolución del estado de la técnica

Fig. 2-11. Distribución por orientación del producto


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2.8 Tecnologías involucradas

En cualquier desarrollo aeronáutico, dada la complejidad del sistema, ramas de prácticamente

todas las áreas de la ingeniería resultan involucradas. En el caso de UAVs, este carácter

multidisciplinar se acentúa aún más si cabe.

La automatización es uno de los principales puntos tecnológicos ya que permite minimizar la

participación humana y los requisitos de ancho de banda. Además el desarrollo de de esta área

permitirá aumentar la coordinación cooperativa entre varios aparatos, dando pie a nuevas

aplicaciones.

Otro campo destacado es el estudio de los procesos cognitivos, que influye desde dos

perspectiva. En primer lugar, los robots aéreos se emplean para extender la capacidad de

acción y percepción de las personas. Por tanto, la interfaz con el usuario debe estar lo más

orientada posible hacia el usuario humano y a su forma de percibir y razonar. Por otra parte, el

potencial del cerebro humano proporciona un potencial inigualable para afrontar diferentes

problemas. Actualmente se hace mucho hincapié en desarrollar algoritmos capaces de

mimetizar estos procesos cerebrales.

A continuación se detallan los elementos tecnológicos más críticos que convergen en el

desarrollo de los UAV: sensores, comunicaciones y sense and avoid.

2.8.1 Sensores Aunque en el Capítulo 5 se tratará con más profundidad el tema de las cámaras digitales, es

conveniente realizar una visión general de las diferentes cargas de pagos sensoriales.

Los sensores constituyen la principal carga de pago de los UAV y en la mayoría de los casos los

elementos que permiten llevar a cabo la misión asignada. Los sensores ´responden a un doble

objetivo, tanto analizar el fenómeno a estudio como permitir la operación de la aeronave al

posibilitar la navegación segura (Sense and avoid).

De entre la extensa lista de sensores empleados, caben destacar los siguientes (Excellence, US

Army UAS Center of 2009)

- Electro-ópticos (EO): son capaces de registrar la radiación electromagnética en el

espectro visible. Permiten la captura tanto de imágenes estáticas como de vídeos.

Gracias al desarrollo de las técnicas de visión artificial permiten obtener una gran

cantidad de información de las escenas.

- Infrarrojo (IR): son cámaras que operan en el espectro infrarrojo. Son similares a las

anteriores pero con la ventaja añadida de añadir una información que escapa a la

percepción humana pero tiene múltiples aplicaciones, como detección de elementos

en condiciones de baja visibilidad o camuflados, detección de fugas…

- Radar de Apertura sintéticas (SAR): proporciona imágenes todo tiempo de alta

resolución de un área extensa. Proporciona la ventaja de alto alcance de la señal de

radar y la capacidad actual de los modernos procesadores de tratar con información

compleja de alta resolución. Constituye un gran complemento a los EO por su


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independencia de las condiciones atmosféricas y de iluminación. EL SAR se ha

empleado con éxito en la recopilación del perfil del terreno, exploración mineral,

monitorización de mareas negras…

- Detectores de movimiento (MTI, Moving Target Indicator): es un radar con la

particularidad de mostrar sólo aquellos elementos en movimiento.

- LIDAR (Light Detection And Ranging): El LIDAR mide la distancia y velocidad al objeto

señalado con gran precisión. Posee un funcionamiento análogo al radar con la

salvedad que las ondas de radio son sustituidas por pulsos láser. Posee por tanto

prestaciones similares al radar convencional pero con mayor precisión y menor

volumen y consumo.

- Laser-Radar (LADAR): permite la adquisición de información tridimensional de las

escenas. Puede penetrar a través de cubiertas como vegetación o camuflajes.

- Detector de explosivos químicos, biológicos, radiológicos o nucleares (CBRNE): el

desarrollo de sensores CBRNE más pequeños, ligeros y sensibles permite aplicar estos

sensores en UAVs, con claras aplicaciones a la seguridad.

- Monitorización de señales (SIGINT, Signal Intelligence): permiten la detección,

identificación, geolocalización y copia de las señales de radio del entorno, permitiendo

a los servicios de inteligencia de las fuerzas de seguridad conocer las capacidades,

disposición, composición e intenciones de los elementos vigilados. Por cuestiones de

seguridad los datos recogidos suelen ser procesados a posteriori en tierra

- Señalizadores laser: poseen una doble función. Por un lado proporcionan medidas

instantáneas de la posición y velocidad del objeto designado. Por otro, desde un punto

de vista militar, permite la señalización de blancos.

- Sensores meteorológicos: adquieren información del estado de la atmósfera (Reuder

2009), tales como presión, humedad, temperatura, radiación solar con gran precisión

2.8.2 Comunicaciones Son cruciales para permitir el flujo tanto de datos de sensores como de señales de mando y

control. Las comunicaciones aeronáuticas tradicionales se establecen y regulan a través de tres

medios diferentes (Stacey 2008):

- Señales de radio de alta frecuencia (HF): proporcionan señales de alcance

intercontinental gracias a la reflexión en la Ionosfera. Si bien el alcance proporciona

una gran ventaja, el mecanismo por el que la obtiene conlleva múltiples problemas.

Así, las interferencias y ruidos son significativos. Además, al depender de la Ionosfera,

el canal es sensible a la radiación solar, condiciones atmosféricas… Estas características

hacen que sea poco empleado en UAS

- Señales de radio muy alta frecuencia (VHF): Las comunicaciones VHF son un método

muy eficiente de establecer enlaces de datos dentro de visión. Las señales en este

rango presentan alta robustez frente a interferencias y ruidos. Es ampliamente

utilizado en comunicaciones aeronáuticas civiles y militares. En el caso de UAVs

pueden emplearse algunas de las versiones de datalink ya existentes, como VDL2, VDL

y VDL4 en el caso de civil y JTDIS/MIDS en el caso militar.


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La legislación actual estipula los rangos de frecuencia para comunicaciones

aeronáuticos tanto civiles (canalizaciones de 8,3 o 25 kHz entre 118 y 137 MHz) como

militares (Fig. 2-12).

Fig. 2-12. Frecuencias empleadas en comunicaciones militares

- Comunicaciones Satélites: permiten el establecimiento de comunicaciones más allá de

la línea directa con una gran fiabilidad del canal. Los satélites disponen de una gran

cobertura y de una alta tasa de disponibilidad, pero plantean el inconveniente del

costo de la infraestructura y del retraso asociado, muy importante para un sistema tan

dinámico como una aeronave.

Debido a la falta de fiabilidad del sistema HF en UAVs convencionales se emplea VHF para

comunicaciones dentro de la línea de visión o comunicaciones satélites para aumentar la

cobertura.

Además de estas frecuencias reservadas y legisladas por organismos internacionales, también

se emplean otras como 35, 40, 72, 900 MHz y 2.4, 5.4 GHz admitiendo en ocasiones

canalización en frecuencia en torno a ese valor central. Las frecuencias de 2.4 y 5.4 GHz suelen

ser utilizadas para la emisión de señales de vídeo o telemetría. Los autopilotos comerciales de

bajo coste más extendidos en el mercado, el AP04 de UAV Navigation (UAV Navigation 2009) y

el Piccolo II de Cloud Cap (Cloud Cap Technology 2010) emplean sistemas muy similares

basados en tecnología de espectro ensanchado por salto en frecuencia (frecuency hoping

spread spectrum) en un rango de frecuencias de entre 902-928 MHz (50 canales de 350 kHz)

con una tasa 115.2 bps y un alcance de 100 u 50 km respectivamente.

Por último, cabe destacar el uso de otros sistemas de comunicación para aeronaves de corto

alcance, como puede ser el empleo de los diferentes normalizados protocolos IEEE. La ventaja

de estos protocolos radica en que permite simplificar la gestión de las comunicaciones al poder

utilizar hardware y software ampliamente extendidos.


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- IEEE 802.15.4 (Zigbee): se caracteriza por minimizar el consumo de potencia, con una

tasa de envío baja. Ejemplo de aplicación son algunos modelos de quadrotors, como el

Hummingbird de Ascending Technologies. Este aparato emplea módulos X-bee que,

mediante técnicas de canalización en frecuencia, comunican el host con el UAV. El Up-

link envía referencias posición y trayectorias mientras que el Downlnk transmite daos

telemétricos. Además, puede operar como aparato de radiocontrol a través de una

emisora Spectrum

- IEEE 802.15.1 (Bluetooth): Permite una conexión sencilla y la formación de redes Ad-

hoc con mayor tasas de transmisión pero a la vez mayor consumo que el Zigbee. Como

ejemplo, el CoaX, un minihelicóptero de rotor coaxial diseñado por la empresa

Skybotix, emplea este protocolo.

- IEEE 802.11 (Wifi): Se ha demostrado en varias ocasiones que es posible emplear este

estándar para soportar comunicaciones con UAVs, tanto de telemetría como de

control e incluso de imágenes. Un paso más consiste en ser capaz de definir redes ad-

hoc, lo cual permitiría facilitar los vuelos cooperativos y la gestión de Red de

Telecomunicaciones aeronáuticas (Brown s.f.).

Desde un punto de vista práctico, muchos UAVs emplean equipos de comunicación

comerciales (COTS). Esto permite abaratar precios y agilizar los desarrollos, pero también

limita los nuevos desarrollos que requiere productos a la carta para optimizar las prestaciones

de los equipos, como rango de frecuencias o integración con otros sistemas. El avance en el

área de las comunicaciones pasa por superar esta barrera de diseño.

2.8.3 Sense & Avoid La función de observación del espacio aéreo cercano para evitar obstáculos y conflictos entre

trayectorias, se denomina genéricamente Sense and Avoid. Con el fin de garantizar la

seguridad de la operación de forma que se garantice su funcionamiento aun con fallo de las

comunicaciones.

El objetivo final de esta tecnología, es garantizar la capacidad del UAV de operar en un espacio

aéreo no segregado con al menos el mismo nivel de seguridad que una aeronave tripulada.

Las técnicas de S&A se clasifican en cooperativas (como el TCAS o el ADS) o no cooperativas (P.

ej. Radar primario) en función de si el obstáculo e evitar participa del proceso de adquisición

de la información y toma de decisiones.

Como su propio nombre indica, la capacidad S&A consta de dos elementos diferenciados:

2.8.3.1 Sense

Existen diversos tipos y tecnologías de sensores utilizables en el subsistema Sense, entre los

que cabe destacar: radar, electro-ópticos, Ladar, acústicos y sistemas cooperativos.

Normalmente se deberán combinar diferentes tipos de sensores e integrar la información

generando la entrada adecuada para los procesadores encargados de la función Avoid.


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Sensor Ventajas Inconvenientes

Radar onda milimétrica

Gran precisión en distancia y velocidad

Peso, dimensiones y consumos muy elevados Pobre resolución angular

Radar laser Posición y velocidad precisos Precisión cono

Barrido limitado, requiere instalación de varios Sensible a condiciones atmosféricas

Electroópticos Gran resolución angular No determinan con precisión distancia y velocidad Muy sensibles condiciones atmosféricas

Acústicos Gran cobertura Poco sensible meteorología

Poco alcance

Tabla 3. Características de los sensores desde el punto de vista de S&A

Los sistemas denominados «cooperativos» requieren que el intruso vaya convenientemente

equipado, lo cual no se puede asegurar en todos los casos por lo que, por si solos, no

proporcionan el nivel de seguridad deseado.

La solución parece estar en la combinación de dispositivos radar y electro-ópticos que aúnan

las ventajas de ambos y anulan muchas de sus desventajas. Aunque este tipo de soluciones

incrementan considerablemente el coste y el peso del sistema Sense. En la figura siguiente se

muestra una posible configuración de un sistema combinado.

2.8.3.2 subsistema Avoid

Es el encargado de procesar la información que recibe del subsistema Sense y del FMS con el

fin de determinar si en un futuro más o menos próximo se puede producir una situación

conflictiva y en tal caso plantear una maniobra de evasión. Siguiendo las especificaciones de

Eurocontrol, el subsistema Avoid enviará a la estación de control en tierra la información que

pudiera ser de interés al piloto al mando (posible tráfico peligroso, trayectoria de la maniobra

de evasión calculada, etc.).

2.9 Integración en el espacio aéreo

Hoy por hoy, las aeronaves no tripuladas se ven obligadas a operar en espacios aéreos

segregados o restringidos (temporales o permanentes), utilizando pasillos abiertos

temporalmente para el acceso a la zona de trabajo. Se intenta evitar cualquier tipo de

conflictos con los vuelos tripulados evitando normalmente las operaciones de «cross-border»,

pues estas operaciones implican acuerdos internacionales que aún no están debidamente

establecidos. Esta situación no puede ser superada hasta que las autoridades aeronáuticas

consideren que dichas aeronaves han alcanzado un «nivel de seguridad equivalente» al de la

aviación convencional y no representan un riesgo adicional para el tráfico aéreo o los bienes

en tierra, momento a partir del cual podrán operarse estas plataformas compartiendo el

espacio aéreo con la aviación convencional.


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Además, la gran diversidad de UAS y sus diferentes características y prestaciones, precisaría

determinar las «categorías» de UAS que habrían de ser objeto de estudio en relación a su

integración, pues muchos de estos sistemas operan a cotas muy bajas o con alcances y

permanencias en vuelo muy limitadas, tienen una baja masa o MTOW, o bien la energía

cinética que desarrollan es muy baja, por lo que no parece probable que se deban someterse a

requisitos específicos orientados a permitir su uso en espacio aéreo no segregado.

La integración es un objetivo a medio plazo (estimado para 2015-2020) y fuertemente

condicionado a dos puntos: la madurez de las tecnologías involucradas y el desarrollo de una

legislación adecuada. El primer punto se trató en el apartado 2.8. Respecto al segundo, caben

destacar las siguientes iniciativas reguladoras

- EASA: proporciona una guía de certificación para UAVs en Europa que superen los 150

kg de MTOW. Para aviones de menor masa la responsabilidad sobre las certificaciones

de aeronavegabilidad (uno de los aspectos básicos para la integración) recaería sobre

las autoridades nacionales. Tiene en cuenta diferentes perspectivas del problema

desde la visión social a la tecnológica. Establece una equivalencia entre la normativa

de aviación comercial europea existente basándose en la Energía Mecánica asociada al

vuelo de la aeronave (EASA 2005).

- FAA: la normativa actual solo permite el vuelo de UAVs cubierto bajo un Certificado

de Experimentación en el caso de UAVs comerciales y de un Certificado de

Autorización, para aparatos Gubernamentales (FAA 2012). La FAA posee un Roadmap

con diferentes hitos que se basan en la recopilación de información y en la

demostración de capacidades tecnológicas para asegurar una integración segura.

2.10 Futuro

Si bien es evidente y manifiesta la tendencia alcista del mercado de UAS, tanto en aparatos,

como aplicaciones o inversiones, prever con certeza el futuro de la aeronáutica es incierto. Así

por ejemplo, puede encontrarse desde vaticinios demasiado optimistas, como las palabras del

general Hap Arnold de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos En 1945: “En la próxima guerra

probablemente se combata con aviones sin tripulantes” (Pérez 2003) a otros más moderados,

como el director del Comité de Servicios Armados del Senado Estadounidense Michael G.

Mullen: “Hay personas que ven en el F-35 el último caza – o cazabombardero- tripulado, y yo

soy uno de ellos” (Tirpak 2009). En cualquier caso, parece que en los próximos lustros veremos

una cooperación cada vez más estrecha entre vehículos autónomos y tripulados, en que se

tendrán que desarrollar mecanismos para posibilitar una adecuada integración (Departament

of Defence 2007).

Quizás la mejor prueba de la certeza del futuro de los UAVs sea la evolución de volumen de

mercado que suponen. En la Fig. 2-6 ya se mostró la evolución del presupuesto de Estados

Unidos destinado a estos sistemas. Esto puede llevar a forjar la equivocada opinión de que el

desarrollo de los UAVs es un fenómeno local de ese país o que está únicamente vinculado a

usos gubernamentales. Como muestra del carácter universal de la proliferación de los UAS la


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Fig. 2-13 muestra unas tendencias muy similares para aplicaciones comerciales en Europa

(UAVNET 2005).

Fig. 2-13. Mercado de UAVs civiles en Europa

Desde un punto de vista tecnológico existen novedosos desarrollos en el área de la

aerodinámica que prometen una nueva generación de UAVs avanzados. En la literatura se

conocen como push factors (Departament of Defence 2007). De entre ellas cabe destacar:

- Ciencia de los materiales: el desarrollo de las nanopartículas es la clave para llevar la

miniaturización un paso más allá, así como permitir nuevas aplicaciones, como

aplicaciones de comunicación basadas en resonancias de nanotubos o materiales que

cambian sus propiedades de opacidad, transparencia y color a placer.

- Termodinámica: las células de combustible con membrana intercambiadora de

protones ofrece relaciones de potencia peso equivalente a motores de combustión

interna con la ventaja de reducir la firma acústica y simplificar la realización mecánica,

con la consiguiente reducción de mantenimiento

- Aerodinámica: el diseño bioinspirado aplicado al diseño aerodinámico se plasma en las

morphing wings, alas que optimizan la curvatura de las superficies aerodinámicas en

función de la condición de vuelo. El DARPA experimenta con un prototipo

rudimentario, pero en el futuro se espera modificar sustituir las técnicas actuales de

control de aeronaves eliminando complejos mecanismos y pesados actuadores

hidráulicos por otros más eficientes.

- Electrónica: a la profundización de los MEMS para la reducción de actuadores se une

las nanopartículas magnéticas, que tienen el potencial de aumentar la densidad de

almacenamiento hasta el Terabyte por pulgada cuadrada. El aumento de memoria irá


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acompañado de la potencia de cálculo según la Ley de Moore, habilitando nuevas

aplicaciones de algoritmos de percepción y control. Las tecnologías más vanguardistas

en ciencia de la computación como chips biológicos (“moletronics”) o computación

cuántica requiere al menos dos décadas.


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capítulo 2. sistemas aéreos...

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