Navegación Sin Señal GNSS

Introducción

Uno de los mayores desafíos a los que se enfrenta el Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo / Sistema de Navegación Inercial (AHRS/INS) de última generación es la navegación sin señal GNSS. La navegación inercial es el proceso de calcular nuestra posición actual utilizando una previamente determinada, y adelantarla en base a velocidades tanto conocidas como estimadas (integradas), teniendo en cuenta el tiempo y el curso transcurridos. Evidentemente, cada integración está sujeta a un error acumulativo; el objetivo, por lo tanto, es reducir este error para aumentar la precisión.

Un AHRS/INS utiliza una computadora y una serie de sensores, como acelerómetros, giróscopos y ocasionalmente magnetómetros, que se utilizan continuamente para calcular: posición, orientación y velocidad de un sistema de navegación u objeto en movimiento sin necesidad de referencias externas, como los dispositivos GNSS.

UAV Navigation-Grupo Oesía desarrolla y fabrica autopilotos de alta gama y, como tal, está completamente comprometida con los productos que son capaces de llevar a cabo una navegación precisa y fiable. La navegación en entornos degradados (por ejemplo, sin señal GNSS) es un objetivo importante. A continuación se describen los resultados de las pruebas realizadas en este campo. En el sistema de UAV Navigation-Grupo Oesía se han logrado avances significativos en la estimación del viento (que es la clave para un buen rendimiento de cálculo) y en otros campos, lo que ha dado lugar a una mayor precisión de la navegación en entornos degradados.

Configuración del control de vuelo

El equipo utilizado para producir los siguientes resultados es el VECTOR, el autopiloto de vanguardia de UAV Navigation-Grupo Oesía. El VECTOR cuenta con un AHRS/INS de alta gama basado en MEMS. Ha sido diseñado para la integración del sistema en paquetes de aviónica u otras aplicaciones de detección de actitud, e incluye:

• Sistema de Referencia de Actitud y Rumbo (AHRS)
• Unidad de Medición Inercial (IMU)
• Sistema de navegación inercial (INS)
• Sistema de Datos Aéreos (ADS)
• GNSS (sólo para la comparación de datos)

VECTOR ha acumulado miles de horas de vuelo y ha demostrado su eficacia en una variedad de entornos altamente dinámicos, cosechando resultados sobresalientes.

La redundancia incorporada en el software le permite sobrevivir a los fallos de los sensores individuales, manteniendo al mismo tiempo estimaciones precisas de la posición y la ubicación. Su IMU de alto rendimiento basado en MEMS está calibrado y compensado en todo el rango de temperatura industrial.

Para simular un escenario degradado en estas pruebas, se excluyó completamente la información del GNSS, mientras que todos los demás sistemas (véase más arriba) eran funcionales.

Configuración de la plataforma

Para lograr los resultados más realistas y representativos posibles, la prueba se llevó a cabo en una aeronave de ala fija que volaba un Plan de Vuelo  preciso. La aeronave utilizada es una de las plataformas de prueba de ala fija disponibles en la flota de UAV Navigation-Grupo Oesía. La plataforma tiene una envergadura de 2,5 m y está equipada con un motor de gasolina de un solo pistón y dos tiempos.

La plataforma de prueba es capaz de llevar todos los dispositivos de medición de vuelo necesarios y es capaz de producir resultados repetibles, incluso en maniobras altamente dinámicas. A continuación se describen los planes de vuelo y las pruebas realizadas.

Procedimiento para la navegación sin señal GNSS

La plataforma despega desde una posición conocida y una vez que se alcanzan la altitud y la ubicación de la prueba, el GNSS se desactiva (la información del GNSS se sigue registrando a bordo, pero no se utiliza para la estimación). A continuación se realizan dos maniobras diferentes que caracterizan los peores escenarios de navegación sin señal GNSS o Dead-Reckoning: (1) retención circular, y (2) patrón cuadrado. Las condiciones de viento para las pruebas se midieron en la Estación de Control en Tierra como una constante de 3m/s.

La siguiente tabla explica las operaciones ejecutadas durante el vuelo:

Resultados obtenidos

Las siguientes tablas muestran el rendimiento de navegación del VECTOR en condiciones degradadas: posición real de la plataforma frente a la posición estimada (derivada de la integración realizada por el INS).

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Figure 1. Posición real versus posición estimada en modo Dead Reckoning.

Modo HOLD.   Los resultados (Figura 1 arriba) muestran que en una maniobra de 3 minutos se acumula una deriva de posición de unos 100 m en total, lo que da una tasa de deriva de posición de 33 m/min.

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Figure 2. Posición real versus posición estimada en modo Dead Reckoning.. HOLD mode.

Patrón cuadrado.   Los resultados (Figura 2 arriba) muestran que en una maniobra de 2 minutos se acumula una deriva de posición de alrededor de 70m, dando una tasa de deriva de posición de 35m/min.

El sistema de navegación visual, VNS01 potenciando las operaciones de navegación a estima de los UAS

Respondiendo a las necesidades de las operaciones de navegación a estima, UAV Navigation-Grupo Oesía ha diseñado el Sistema de Navegación Visual (VNS01) para brindar información de navegación precisa y asegurando el éxito de las misiones incluso en escenarios donde las señales GNSS no están disponibles, no son confiables o están comprometidas.

Desarrollado específicamente para abordar tales desafíos, el VNS01 ofrece una solución crítica para una amplia gama de operaciones mejorando significativamente las capacidades de los sistemas aéreos no tripulados (UAS) de categoría I y II de la OTAN que operan en entornos con señal GNSS denegada.

Al permitir un posicionamiento preciso de forma autónoma, este innovador sistema mejora en gran medida las operaciones de UAS en entornos hostiles y exigentes, lo que en última instancia aumenta la eficacia de la misión y aumenta la conciencia situacional del operador de forma global.

El VNS01 se compone de una cámara que captura imágenes durante todo el vuelo, lo que permite la creación de un mapa interno que se utilizará cuando no haya señal GNSS. Este mapa juega un papel vital en la corrección en la deriva de navegación acumulada durante la navegación a estima. Aprovechando la combinación entre odometría visual y técnicas de reconocimiento de patrones, el VNS01 se integra a la perfección con otros sensores a bordo, proporcionando al ordenador de control de vuelo (FCC) datos de posicionamiento precisos incluso en ausencia de señales GNSS.

El sistema de navegación visual VNS01 garantiza un mayor éxito de la misión al proporcionar un posicionamiento preciso autónomo en entornos con señal GNSS denegada. Incluso cuando opera en áreas sin mapas preexistentes y se basa únicamente en odometría visual, el VNS01 mantiene una tasa de deriva excepcionalmente baja de aproximadamente 10 metros por minuto, lo que garantiza una navegación confiable en todo momento.

Patrón a cuadros realizado con navegación visual. Adquisición de datos a la derecha.

Conclusión

Las pruebas realizadas han demostrado que el sistema de UAV Navigation-Grupo Oesía destaca por extraer resultados óptimos de la tecnología de sensores basados en MEMS y, por tanto, ejecutar operaciones mediante navegación inercial. Sin embargo, es importante reconocer que los resultados pueden variar de una plataforma a otra, al verse influenciadas por factores como las condiciones del viento, el rendimiento de la propia plataforma y la calidad de la instalación del piloto automático para minimizar la vibración.

Por este motivo, el Sistema de Navegación Visual (VNS01) desarrollado por UAV Navigation-Grupo Oesía ha sido diseñado específicamente para proporcionar información de navegación precisa, reduciendo la deriva acumulada de los sensores inerciales y asegurando el éxito de la misión incluso cuando la señal GNSS se ve comprometida.