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UAV Navigation en profundidad: Altímetros

INTRODUCCIÓN

Los altímetros son dispositivos diseñados para calcular la altura de una aeronave sobre la superficie que se encuentra debajo de ella. Esta altura puede ser sobre el nivel del suelo  o sobre el nivel del mar.

En función del tipo de altímetro se usarán tecnologías diferentes para calcular esta altura, incluyendo la relación entre la densidad de presión y la altitud y la propagación y reflexión de las ondas electromagnéticas, etc.

Hay cuatro tipos principales de altímetros:

  • Altímetro barométrico.
  • Radioaltímetro.
  • GNSS (GPS, Galileo, etc.).
  • Altímetro láser.

ALTÍMETROS BAROMÉTRICOS

La altitud puede calcularse comparando la presión atmosférica a la altura actual con la presión al nivel del mar. En términos generales, cuanto mayor es la altitud menor es la presión.

Sin embargo, la presión atmosférica no sólo se ve afectada por la altitud; la presión atmosférica también puede fluctuar debido a los cambios en el clima, causando cambios tanto en la presión como en la temperatura. Estas variables deben tenerse en cuenta para obtener una lectura precisa con un altímetro barométrico.

Cálculo del altímetro barométrico.

Para calcular la altitud, un altímetro barométrico utiliza la siguiente ecuación:

Formule

donde

c es una constante que depende de la aceleración de la gravedad y de la masa molar del aire,
T es la temperatura absoluta,
P es la presión en la altitud z,
y Po es la presión a nivel del mar.

Altimeter

Ref: https://www.google.com/patents/US2099466

El dibujo de arriba muestra el altímetro de presión inventado por Victor Carbonara de la Corporación de Aviación Bendix (dibujo de la Patente de EE.UU. #2,099,466: Altímetro, cortesía de la Oficina de Patentes y Marcas de EE.UU.). Como se puede ver en la imagen, las variaciones de la presión del aire se detectan mediante un dispositivo de fuelle sellado conectado a una serie de enlaces mecánicos que amplifican el movimiento causado por el cambio de presión. La parte final de la conexión mecánica se muestra en un dial giratorio mediante un puntero de accionamiento mecánico.

RADIOALTÍMEROS

Los radioaltímeros se basan en el principio de la reflexión de los pulsos de ondas electromagnéticas por la superficie de la tierra o el mar. Estas ondas están dentro del rango del espectro radioeléctrico.  

Las ondas electromagnéticas viajan a la velocidad de la luz y, por lo tanto, el cálculo de la distancia es efectivamente inmediato. Aunque se ven afectados por las irregularidades de la superficie que generan desviaciones en la señal de radio, los radioaltímeros proporcionan un método fiable y preciso para medir la altura.

Cálculo del radioaltímetro.

La altitud se calcula midiendo el tiempo que tarda el frente de onda en viajar de la aeronave a la superficie y viceversa.

Un radioaltímetro, funciona mendiante un radioimpulso que emana de una radiobaliza a una superficie plana.

 

Radar Logic

Ref: la configuración cuando el borde posterior del radioimpulso llega a la superficie plana
.http://topex.ucsd.edu/rs/altimetry.pdf

Los cálculos del radioaltímetro utilizan el teorema de Pitágoras:

Extended Formule

donde

rp es el radio del borde de ataque del pulso,

H es la altitud,

lp es la longitud del pulso.

Como lp al cuadrado es muy pequeña, puede ser descuidada, así que rp es:

Extended Formule 2

donde

tp es el tiempo para el pulso de longitud.

Hay que tener en cuenta que el tiempo de demora entre la transmisión y la onda reflejada es demasiado corto para poder utilizar una sola antena para ambas funciones. Por lo tanto, se necesitan dos antenas que deben estar físicamente separadas para evitar interferencias.

Radar Altimeter

Ref: http://www.microwavejournal.com/articles/18895-next-generation-radar-altimeter-testing

Otro tipo de radioaltímetro que se usa en la aviación es el radioaltímetro de frecuencia modulada. Este modelo aprovecha la señal reflejada y se ajustará a una frecuencia diferente a la señal transmitida. La velocidad de cambio de la frecuencia de la señal es constante, lo que significa que la altitud puede calcularse y que será proporcional a la diferencia de frecuencia entre el transmisor y el receptor.

GNSS

Los receptores del Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS) también pueden determinar la altitud por trilateración con cuatro o más satélites. Para hacer este cálculo, se utiliza de nuevo el tiempo de vuelo de las ondas de radio de un punto conocido a otro.

Sin embargo, la altitud calculada mediante el GNSS no es lo suficientemente precisa o fiable como para evitar el uso de un sistema de respaldo, como un altímetro barométrico, a menos que se utilice algún método de aumento. Los errores en el cálculo de la altura usando el GNSS están típicamente en la región de 5 metros.

Aunque son útiles para muchos vehículos aéreos no tripulados (UAV) durante el vuelo (cuando un GNSS puede proporcionar suficiente precisión para la navegación general), los GNSS no son lo suficientemente precisos como para proporcionar información de altura para maniobras de precisión como el vuelo o el aterrizaje a baja altura.

ALTÍMETRO LASER

Este tipo de altímetro funciona utilizando ondas electromagnéticas dentro del rango visible del espectro en lugar de ondas de radio.

Los láser altímetros funcionan de forma similar a los radioaltímeros. De nuevo, se mide el tiempo que tarda la señal emitida en viajar del transmisor a la superficie y viceversa.

Una vez reflejada, el haz de luz se recibe y recoge utilizando una serie de espejos y lentes que enfocan el haz en un detector de fotocélulas que es sensible a la luz infrarroja.

Radar Beam

Ref: https://gis.stackexchange.com/questions/142443/what-are-lidar-returns/143000

USO DE ALTÍMETROS EN LA AVIACIÓN

En la aviación, los altímetros se utilizan generalmente para mantener una altitud constante, ya sea durante el vuelo de rutina, las maniobras de visibilidad reducida o para acciones automáticas. También pueden utilizarse durante las fases críticas del vuelo, como el aterrizaje.

Un Modelo Digital de Elevación (DEM) es un modelo de altitud que se ha creado en un momento específico. Puede contener errores significativos, y por esta razón no es seguro confiar exclusivamente en la información proporcionada por un DEM  para la maniobra de aterrizaje; debe considerarse otra fuente de información.

Los altímetros GNSS y barométricos pueden utilizarse como parte del conjunto de sensores dentro del Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS) de un autopiloto. Los pilotos automáticos de UAV Navigation utilizan estos sensores para estimar la altitud como parte del algoritmo de estimación. Su uso mejora la precisión general del sistema y proporciona un nivel de robustez y redundancia que otros sistemas no tienen. Sin embargo, cuando se requiere una capacidad de aterrizaje de precisión o se deben prever maniobras a baja altitud dentro del Sistema de Control de Vuelo también se necesitará un dispositivo de medición de altitud de precisión, como un láser altímetro o un radar altímetro. Esos dispositivos de medición de altitud de precisión se integran sistemáticamente para los clientes con los pilotos automáticos de la UAV Navigation para un aterrizaje automático y también con modos de vuelo avanzados, como el de vuelo a ras de mar. La comunicación entre el piloto automático y el dispositivo puede ser RS-232, RS-485 o CAN. Se necesitará un conductor específico dentro del software del piloto automático para la carga útil, y UAV Navigation tiene una dilatada experiencia en la integración de estos dispositivos.

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About

UAV Navigation is a privately-owned company that has specialized in the design of flight control solutions for Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) since 2004. It is used by a variety of Tier 1 aerospace manufacturers in a wide range of UAV - also known as Remotely Piloted Aircraft Systems (RPAS) or 'drones'. These include high-performance tactical unmanned planes, aerial targets, mini-UAVs and helicopters.