INFORME ESTRATÉGICO

Tecnologías para UAS

Oficina de Transferencia de Resultados de Investigación Subdirección General de Relaciones Institucionales y Política Comercial

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Realizado por: COSME HUERTAS, María Luisa (Vigilancia Tecnológica, CIMTAN, INTA) Contacto: E-mail: cosmehml@inta.es Tfno.: 983 181799 - 652837726

Revisado por: Manuel Mulero. INTA 915202181 Rafael González Armengod Laboratorio de Telemedida e Instrumentación-INTA 91 520 1428

David Poyatos Martínez - INTA

Juan Manuel Cuerda Laboratorio Radar – INTA - 91 5201365

Marzo 2009

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ÍNDICE

Índice ..................................................................................................... 3

Anexos .................................................................................................... 4

Organización del informe ........................................................................ 5

1. Objeto de estudio ............................................................................... 6

2. Introducción ....................................................................................... 6

3. Selección de fuentes de información y sentencias de búsqueda ....... 10

4. Clasificación de UAS ......................................................................... 11

4.1. Tipo de aeronave ........................................................................... 11

4.2. Capacidad de vuelo ........................................................................ 12

4.3. Capacidad de carga útil .................................................................. 13

4.4. Nivel de autonomía ....................................................................... 14

5. Tecnología de UAS ........................................................................... 15

5.1. Segmento de vuelo ....................................................................... 20

5.1.1. Vehículo aéreo ........................................................................... 20

5.1.1.1. Célula del avión ...................................................................... 20

5.1.1.2. Sistema de propulsión ............................................................. 25

5.1.1.3. Navegación, guiado y control ................................................... 31

5.1.1.4. Sistema de comunicaciones .................................................... 38

5.1.1.5. Carga útil ................................................................................ 39

5.2. Segmento de tierra ....................................................................... 48

5.2.1. Estación de control .................................................................... 49

5.2.1.1. Planeamiento de la misión, ejecución y seguimiento .............. 51

5.2.1.2. Recepción y archivado de datos .............................................. 52

5.2.1.3. Procesado de datos .................................................................. 53

5.3. Sistema de lanzamiento y recuperación ........................................ 55

5.3.1. Sistema de recuperación ............................................................ 55

5.3.2. Sistema lanzador ........................................................................ 55

5.4. Simuladores y test ........................................................................ 56

4

6. Resumen tendencias tecnológicas - Roadmap ................................. 56

7. Aplicaciones actuales y prospectiva de futuro ................................. 61

7.1. Aplicaciones militares y de defensa .............................................. 61

7.2. Aplicaciones civiles ....................................................................... 64

8. Normativa y Certificación ................................................................. 67

9. Análisis de resultados ....................................................................... 71

10. Empresas, Universidades y Centros de investigación destacados en tecnologías para UAS ............................................................................... 75

11. Estudio de mercado ....................................................................... 77

12. Resumen y conclusiones ................................................................ 80

ANOTACIONES ........................................................................................ 81

ANEXOS

Anexo I. Bases de datos y estrategias de búsqueda Anexo II. Referencias científicas Anexo III. Proyectos de investigación Anexo IV. Patentes Anexo V. Empresas y centros de investigación

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ORGANIZACIÓN DEL INFORME

Este informe se entrega en dos formatos: papel y CD (éste último incluido en la contraportada del primero). La estructura de la información contenida en el CD es la siguiente (en mayúsculas las carpetas y en minúscula los ficheros):

Informe (es el informe propiamente dicho que se entrega, además, en formato papel)

Anexo I Bases de datos y estrategias de búsqueda (listado de bases de datos y palabras clave utilizadas)

Anexo II Artículos, referencias científicas (listado de artículos utilizados para la elaboración del informe)

Anexo III Proyectos de investigación (listado de proyectos utilizados para la elaboración del informe)

Anexo IV Patentes (listado de patentes utilizadas para la elaboración del informe)

Anexo V Empresas y centros de investigación (listado de empresas y centros de

investigación involucrados en artículos, proyectos y patentes)

El fichero “Informe” es el que se entrega, además, en formato papel. Para usar

el formato CD es suficiente con editar este fichero, ya que permite acceder al resto de la información mediante hipervínculos.

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1. OBJETO DE ESTUDIO

El objetivo del presente informe estratégico es identificar las diferentes tecnologías involucradas en las plataformas aéreas no tripuladas (en adelante UAS), así como el estudio de aspectos relativos a legislación, certificaciones, tratamiento de la información….

2. INTRODUCCIÓN

Los Sistemas Aéreos no Tripulados (UAS) son sistemas de vuelo autónomos formados esencialmente por una plataforma o vehículo aéreo y una estación de control en tierra.

Los UAS pueden volar de forma autónoma o bien ser controlados de forma

remota desde la estación de control.

La aparición de los UAS viene ligada a terreno de seguridad y defensa. De hecho, se ha usado con éxito en los últimos conflictos bélicos. Pero en los últimos tiempos se ha ampliado su uso a misiones civiles, originando la aparición de un buen número de empresas y grupos de investigación interesados en este mercado.

Las ventajas que poseen este tipo de plataformas frente a los sistemas tripulados radican básicamente en evitar el riesgo a las personas en situaciones complicadas como pueden ser vuelos en entornos hostiles o con situaciones climatológicas adversas.

La tecnología de UAS, especialmente para usos civiles, tiene todavía que madurar mucho. Los retos a los que se enfrenta van desde los derivados de la tecnología necesaria, hasta los legales, pero existe un claro interés en su desarrollo. A pesar de ello, numerosos estudios y roadmaps apuntan hacia un incremento en la inversión I+D de los países ya que se prevé un crecimiento exponencial en defensa y una explosión en el mercado civil. Los expertos auguran un buen mercado para los UAS en la próxima década.

Indudablemente EE.UU. posee el liderato en cuanto a desarrollo de UAS puesto que tanto empresas como las agencias federales invierten mucho en estos sistemas. Israel y Japón también han conseguido avances muy significativos.

En el ámbito europeo existen diversas iniciativas, tanto a nivel comunitario como de países. Entre los distintos programas se pueden mencionar:

- ADVANCED: trata de diseñar un UAS de gran altitud (HALE) para reconocimiento. España es uno de los líderes del mismo

- NEURON: el objetivo es desarrollar un UAS de combate, capaz de alcanzar objetivos con precisión a la vez que sea difícilmente detectable. En este proyecto la participación española viene de la mano de EADS-Casa para la realización del ala del avión en fibra de carbono, la estación de control y la integración del Data Link.

Dentro de los Programas Marco también se prevén líneas de desarrollo de UAS. En el VPM se encuadra el proyecto COMETS que fue coordinado desde la Universidad de Sevilla. El objetivo básico era desarrollar un sistema de coordinación

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y control de una flota de UAS en tiempo real para aplicaciones civiles. Se probó, con éxito, reconocido en los informes de la Comisión Europea, en 2005, en monitorización y detección de incendios forestales.

Dentro del VIPM se desarrolla el proyecto AWARE, en el cual la Universidad de Sevilla coordina el consorcio de empresas y centros de investigación. Se trata de integrar los UAS con redes de sensores en tierra y se contempla el despliegue autónomo de la red mediante un equipo de múltiples helicópteros autónomos. La aplicación de este sistema es para protección ante desastres, seguridad civil y cinematográfica.

Por otra parte es interesante mencionar los desarrollos realizados por INTA, que fueron los primeros en España, comenzando a primeros de los años 90. Entre su bagaje cuenta con el ALO (Avión Ligero de Observación), el sistema de vigilancia SIVA (Sistema Integrado de Vigilancia Aérea) y el avión blanco ALBA (Avión Ligero Blanco Aéreo). Actualmente trabaja en el desarrollo del HADA (Helicóptero ADaptativo Avión), el MILANO (versión de largo alcance del SIVA) y el DIANA (Avión Blanco de Bajo Coste). Además el centro del Arenosillo está dotado del equipamiento y las infraestructuras necesarias para realizar pruebas de desarrollo de distintos tipos de UAS.

El sector de los UAS es el más dinámico dentro de la industria aeroespacial, y se prevé que el mercado sea el doble en una década debido al enorme interés que está suscitando esta tecnología1. Son clave en el ámbito militar para actividades ISR (Inteligencia, Vigilancia y Reconocimiento), además de para otras muchas misiones. Todo esto requiere del desarrollo de tecnologías clave como armas de precisión, sistemas de sensores, sistemas de comunicaciones,…

El mercado civil de los UAS se abrirá poco a poco, siempre de la mano del

desarrollo de la normativa especifica para el uso del espacio aéreo, previsiblemente en la próxima década2, empezando primero por las organizaciones públicas que demandarán sistemas de observación similares a los militares. El campo de los UAS comerciales será aún más lento.

En los siguientes gráficos se ve la estimación de unidades de UAS por región y

el dinero invertido en cada una de ellas. Evidentemente EE.UU. encabeza ambas situaciones.

1 European UAV Players - Do They Have What It Takes To Capture Future Global Opportunities? 2 World Unmanned Aerial Vehicle Systems. Market Profile and Forecast 2008.

Unidades de UAS por región

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

USA

Europe

Mid East

Asia

Unidades de UAS por regiones 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 USA 1448 1668 1499 1437 189 267 1772 1722 1747 1787 Europe 368 406 385 301 283 403 572 655 492 174 Mid East 150 88 197 386 98 178 171 110 109 23 Asia 419 463 558 554 687 788 662 604 542 679

Financiación

0

500

1000

1500

2000

2500

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

USA

Europe

Mid East

Asia

Financiación por regiones (M$) 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 USA 1025 1395 1960 2000 2105 2035 1865 1765 2095 2060 Europe 200,4 183,4 325,7 308,5 470,4 655,2 697,6 761,9 623,9 566,3 Mid East 186,4 136,2 425,9 429,9 492,4 280,4 266,4 43 122 448 Asia 283,7 225,3 292,4 451,9 478,6 510,6 609,8 625,6 718,8 613

9

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Mini-UAVs

Tactical UAVs

Naval UAVs

MALE UAVs

HALE UAVs

UCAVs UAVs

Civil UAVs

Producción de unidades de UAS por tipo 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Mini-UAS 1806 1985 1965 1885 620 885 2415 2370 2120 1951 Tactical UAS 269 328 292 358 268 303 304 230 213 144 Naval UAS 1 6 6 38 27 40 48 50 56 59 MALE UAS 43 51 63 105 91 84 86 73 57 62 HALE UAS 7 8 13 11 16 13 17 14 19 27 UCAVs UAS 3 1 2 4 1 1 ----- 6 5 11 Civil UAS 307 307 317 317 345 375 372 289 427 475

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Mini-UAVs

Tactical UAVs

Naval UAVs

MALE UAVs

HALE UAVs

UCAVs UAVs

Civil UAVs

Gasto (M$) 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 Mini-UAS 50,8 57,2 59,5 56,1 60,4 52,7 54,6 53 68,2 71,3 Tactical UAS 418,5 430 744,5 848 674,5 561,5 517,5 726,5 665 310 Naval UAS 40 40 75 259,5 199,5 305 367,5 373 401,5 422,5 MALE UAS 351 470 801 939 1.081 1.032 1.140 726 588 668 HALE UAS 525 675 1.105 845 1.010 1.270 1.195 1.090 1.300 1580 UCAVs UAS 200 200 150 75 330 30 ----- 60 300 430 Civil UAS 120 120 195 220 235 254 227 237 261 241

3. SELECCIÓN DE FUENTES DE INFORMACIÓN Y SENTENCIAS DE BÚSQUEDA.

En el Anexo I Bases de datos y sentencias de búsqueda se detallan las bases de datos consultadas para la elaboración de este informe así como las sentencias de búsqueda utilizadas en cada una de ellas.

Como fuentes de información adicional, y que se consideran relevantes en este estudio, están las principales asociaciones de referencia de la tecnología:

- AUVSI (www.auvsi.org/us/) - UAV Center (www.uavcenter.com) - UAV Conferences (www.uavconferences.com) - UAV Forum (www.uavforum.com) - UVS International (www.uvs-international.org) - SANCHO (www.sancho.aero)

En el siguiente listado hay una serie de estudios de UAS que se han identificado a lo largo de la elaboración del presente informe, y que pueden ser de utilidad.

ESTUDIOS DE UAS

• Unmaned Systems Integrated Roadmap. 2009-2034. DoD.

• Unmaned Systems Roadmap. 2007-2032. DoD

• UAS “Unmanned aircraft system” sobre su integración en el espacio aéreo no segregado. Abril 2008. Jesús López Nieto. Observatorio de UAVs, Robótica y Sistemas Aéreos. Ministerio de Defensa de España.

• European Civil Unmanned Air Vehicle Roadmap

Volume 1: Overview of the European Civil UAV Roadmap

Volume 2: Action Plan

Volume 3: Strategic Research Agenda

• Unmanned aircraft systems roadmap. 2005-2030. US Department of Defense.

• UAVs/UCAVs – Missions, challenges, and strategic implications for small and medium powers. 2004

• Yearbook 2008/2009. UAS The Global Perspective

• UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS. The Current Situation

• UAS Activities in Spain

• Design of Next Generation Unmanned Air Systems … Issues &Opportunities

• Survey of UAV applications in civil markets (June 2001)

• "UAV-Airworthiness, certification and access to the airspace"

• “MICRO AVIONES NO TRIPULADOS” (romangj@inta.es, Tel: 91 520113).

• Abbreviations & Acronyms Applicable to UAS

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4. CLASIFICACIÓN DE UAS

Los UAS se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios, sin que exista unanimidad en la comunidad. Esta clasificación que se proporciona a continuación es la más popularmente aceptada y está basada en el artículo “Vehículos aéreos no tripulados para uso civil. Tecnologías y aplicaciones”, del Grupo de Robótica y Cibernética de la UPM.

4.1. TIPO DE AERONAVE (tipo de despegue)

En cuanto a tipo de aeronave, la clasificación se hace en función del tipo de despegue, y se tiene así las de despegue vertical y las de despegue no vertical. Algunos tipos de aeronaves usadas para los UAS están se ven en este esquema:

Fig 1. Algunos tipos de aeronaves usadas para UAS3

La tabla siguiente muestra las características de los principales tipos de aeronaves usadas para UAS, en función de ellas, la aplicación que se le puede dar variará.

Característica Helicópteros Aeroplanos Dirigibles Quad-rotors

Capacidad de vuelo estacionario

*** **** ***

Velocidad de desplazamiento *** **** * **

Maniobrabilidad *** * * ****

Autonomía de vuelo (tiempo) ** *** **** *

Resistencia a perturbaciones externas (viento)

** **** * **

3 Vehículos aéreos no tripulados para uso civil. Tecnologías y aplicaciones.

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Característica Helicópteros Aeroplanos Dirigibles Quad-rotors

Auto Estabilidad * *** **** **

Capacidad de vuelos verticales **** * ** ****

Capacidad de carga *** **** * **

Capacidad de vuelo en interiores ** * *** ****

Techo de vuelo ** **** *** *

Tabla 1.- Clasificación según el tipo de aeronave

4.2. CAPACIDADES DE VUELO (alcance, altitud, autonomía)

En lo que respecta a las capacidades de vuelo, la clasificación que se muestra a continuación se basa en dar los datos para cada tipo de aeronave de datos tales como alcance, altitud y autonomía, entre otros.

Categoría Acrónimo Alcance (km)

Altitud de vuelo (m)

Autonomía (horas)

Carga máxima en despegue (kg)

Tipo de aeronave

Micro µ(Micro) <10 250 1 <5 H, A, otros

Mini Mini <10 150 a 300 <2 <30 H, A, P, Otros

Alcance cercano CR 10 a 30 3.000 2 a 4 150 H, A, P, Otros

Alcance corto SR 30 a 70 3.000 3 a 6 200 A, Otros

Alcance medio MR 70 a 200 5.000 6 a 10 1.250 A, Otros

Altitud baja

Penetración profunda

LADP >250 50 a 9.000 0,5 a 1 350 A

Autonomía media MRE >500 8.000 10 a 18 1250 A, H

Autonomía alta

Altitud baja LALE >500 3.000 >24 <30 A

Autonomía alta

Altitud media MALE >500 14.000 24 a 48 1.500 A, H

Autonomía alta

Altitud alta HALE >2000 20.000 24 a 48 12.000 A

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Categoría Acrónimo Alcance (km)

Altitud de vuelo (m)

Autonomía (horas)

Carga máxima en despegue (kg)

Tipo de aeronave

Combate UCAV Aprox. 1500 10.000 aprox. 2 10.000 H, A

Ofensivo LETH 300 4.000 3 a 4 250 A

Señuelo DEC 0 a 500 5.000 <4 250 A, H

Estratosférico STRATO >2000 Entre 20.000 y 30.000

>48 ND(no disponible)

A

Tabla 2.-Clasificación por capacidades de vuelo

Esta tabla recoge las aplicaciones civiles y militares. La mayor parte de los UAS están en la categoría Mini o MR, y es el aeroplano el vehículo usado con mayor frecuencia. Sin embargo, para ciertas aplicaciones, el helicóptero puede presentar ventajas.

4.3. CAPACIDAD DE CARGA ÚTIL

Otra clasificación que se puede proporcionar es atendiendo a la capacidad de carga útil. Esta capacidad se mide como capacidad de carga en el despegue (TOW). Así se tiene:

Tabla 3.-Clasificación atendiendo a la capacidad de carga útil.

Clase de UAS Máxima TOW Rango Alcance Típico (km)

Típica altura Máxima(m)

Clase 0 <25 Cercano 15 300

Clase 1 25-500 Corto 15-150 4500

Clase 2 500-2000 Medio 150-1000 9000

Clase 3 >2000 Largo >1000 <3000

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4.4. NIVEL DE AUTONOMÍA

Según el nivel de autonomía se tiene la siguiente clasificación:

Tabla 4.- Clasificación según grado de autonomía.

En el documento “Robótica de seguridad y defensa”, hay un listado de desarrollos recientes en UAS, con fotografías, y datos diversos de interés.

Blanco móvil (Drone)

Nivel 1 No autónomo

Nivel 2 Maniobra autónoma

Nivel 3 Piloto Inteligente Limitado

Nivel 4 Piloto Inteligente completo

Trayectoria de Vuelo

en 4 dimensiones

Preprogramada

Preplanificada preprogramada

Preplanificada, preprogramada

Parcialmente autónomo.

Posibilidad de cálculo de ruta

Posibilidad de cálculo de ruta

Presencia del piloto Por seguridad Guiado y control Continuo

Como Nivel 1

Supervisión continúa.

Guiado y control ocasional

Solo como respaldo

Posibilidad de actuación del Piloto

Solo en despegue y aterrizaje

Manipulación Como Nivel 1 Posible Solo como respaldo

Necesidad de actuación del Piloto

Solo en FTS En todos los

casos

Cuando no hay maniobra automática

Ocasionalmente Solo como respaldo

Piloto automático No No No Limitado Completo

Presencia de ATC Supervisión Contacto continuo con el operador

Contacto continuo con el operador

Contacto continuo con el operador y con el piloto automático

Contacto continuo con el piloto automático.(con el operador como respaldo)

Intervención de ATC

Petición o activación del FTS

Por petición del operador

Por petición del operador

Por petición del Operador o del piloto automáticos

Por petición del piloto automático(del operador por respaldo)

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5. TECNOLOGÍA DE UAS

Como es bien conocido el sistema UAS tiene dos partes diferenciadas. Por un lado estaría el segmento de vuelo, que comprende el vehículo aéreo y por otro, se tiene el segmento terrestre, que consta de la estación de control. Aparte se considera el sistema lanzador y de recuperación. Se estudiarán de forma detallada las tecnologías del vehiculo aéreo y de la estación de control. De las relativas al sistema lanzador y al sistema de recuperación tan sólo se dará un listado lo más completo posible de los principales apoyos desarrollados.

UAV

UCAV

ESTACIÓN DE CONTROL(Cabina transportable o no)- Equipos para comunicaciones- Procesado de datos- Calculo- Visualización - Monitorización y control

SISTEMA LANZADOR- Catapulta- Neumática- Hidráulica- Cohete

VEHICULO AÉREO- Armadura: - fuselaje - alas - cola- Motor, Sistema de propulsión- Sistema de navegación y guiado- Sistema de comunicaciones- Carga útil: - sensores/camaras - armas (UCAV)

SISTEMA DE RECUPERACIÓN- Aterrizaje sobre ruedas o patines- Red- Cable- Paracaídas- Airbag

SEGMENTO DE VUELOSEGMENTO DE VUELO

SEGMENTO DE TIERRA

Esquema de tecnologías de UAS4

Hay que tener en cuenta que se está intentando globalizar datos de todos los tipos de plataformas que poseen tamaños muy variables (desde los micro, como el Black Widow de 15 cm de diámetro hasta el Global Hawk de 40m de envergadura) y diferentes sistemas de sustentación dependiendo del tipo (ala fija, rotatorias, batientes, rotores, …)

Al lado de cada uno de los Items se encuentra el símbolo . Pinchando sobre él, se accede al listado de documentos relacionado.

El presente informe se ha elaborado sobre un resultado total de 1.808 documentos extraídos de bases de datos controladas (referencias científicas, proyectos de investigación y patentes), y completado con documentos y referencias encontradas en bases de datos no controladas (web, revistas, trípticos…).

4 Informe VT. Vehículos Aéreos no Tripulados. Círculo de Innovación en Microsistemas y Nanotecnología. CIMN. 2004.

16

El análisis que se va a realizar de los resultados se va a hacer sobre los 1.808 documentos anteriormente mencionados.

ANALISIS TECNOLOGIAS INVOLUCRADAS

Segmento de vuelo

Segmento de tierra

Sist. lanzador y de

recuperación

En este grafico se aprecia con claridad que el mayor volumen en cuanto a investigaciones, con un 75%, está en torno al segmento de vuelo. El segmento de tierra ocupa un 17%, mientras que el 8% restante correspondería al sistema lanzador y de recuperación.

6525

16

73

122

143

24 114

21

17

24

374

194

53

26

257 134

0

50

100

150

200

250

300

350

400

Aerodinámica

Antenas

Archivado y recepción de datos

Armas

Baterias

Cámaras

Combustibles

Fuselaje

MonitorizaciónMotores

Navegación, guiado y control

Planeamiento de la misión yejecución

Procesado de datos

Refueling

Sensores y actuadores

Sist. lanzador y de recuperación

Sistema de comunicaciones

17

Esta tela de araña recoge todas y cada una de las tecnologías que se han desglosado en el apartado anterior. En ella se observa un claro dominio en investigación dentro del campo navegación, guiado y control, seguido por planeamiento de la misión y ejecución, así como el apartado sensores y actuadores. Estos tres aspectos están todos relacionados con la importante cuestión en certificación de estas aeronaves como es el desarrollo de sistemas Sense&Avoid que aseguren que estos aviones son elementos seguros tanto para el trafico aéreo como para la población.

Fijándonos primero en el segmento de vuelo, el siguiente gráfico nos expone las tecnologías más investigadas.

Estaríamos hablando de nuevo de la importancia investigativa que le dan al tema de navegación, guiado y control, además del apartado sensores y actuadores en cuanto a carga útil.

0

100

200

300

400Monitorización

Baterias

Armas

Combustibles

Antenas

Refueling

AerodinámicaMotores

Cámaras

Sistema de comunicaciones

Fuselaje

Sensores y actuadores

Navegación, guiado y control

18

Fijándonos en el segmento de tierra, el siguiente gráfico nos expone las tecnologías más investigadas. En este segmento se observa un claro predominio de las investigaciones en la fase de planeamiento de la misión (71%) relacionado en su mayoría con la generación de la trayectoria óptima.

Archivado y recepción de

datos9%

Planeamiento de la misión yejecución

71%

Procesado dedatos20%

Y por ultimo, en cuanto al sistema lanzador y de recuperación, se observa que ambos despiertan un interés parejo (63% del sistema de recuperación, frente a un 37% del sistema lanzador) dentro de la comunidad científica, aunque no ha sido objeto de búsquedas exhaustivas dentro del informe.

A continuación se va a proceder a realizar una exposición detallada de cada una de las tecnologías, si bien, para no hacer el documento excesivamente extenso se ha centrado en las últimas tendencias que se han estado investigando en cada uno de los apartados que se rigen según el siguiente esquema. Es un índice previo al desarrollo con hipervínculos para poder acceder de forma fácil al apartado de interés.

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5.1.- SEGMENTO DE VUELO

VEHÍCULO AÉREO

Célula del avión • Estructura • Aerodinámica y Mecánica de Vuelo • Monitorización

Sistema de propulsión

• Motores • Baterías • Combustibles • Reabastecimiento

Navegación, guiado y control • Aviónica • Navegación y guiado • Control

Sistema de comunicaciones � Lazo de telecomando � Lazo de telemetría

Carga útil

• Sensores • Inteligencia electrónica, Guerra Electrónica • Cámaras Electroópticas e Infrarrojas • Antenas • Armas

5.2.- SEGMENTO DE TIERRA

ESTACIÓN DE CONTROL

Planificación de la misión

Recepción y archivado de datos

Procesado de datos

5.3.- SISTEMA DE LANZAMIENTO Y RECUPERACIÓN

SISTEMA DE RECUPERACIÓN

SISTEMA LANZADOR

5.4.- SIMULADORES Y TEST

20

5.1.- SEGMENTO DE VUELO

El segmento de vuelo consta de vehículo aéreo propiamente dicho (UAV) y el sistema de recuperación. Hay que tener en cuenta que este segmento no es autónomo, ni en el caso de mayor autonomía. Siempre precisa de una estación terrestre que defina y supervise la misión que realiza el UAS. Ambos segmentos están unidos mediante diferentes sistemas de comunicaciones y el sistema de control se reparte entre ellos, puesto que existen funciones propias de cada uno de ellos y otras que pueden ser ejecutadas indistintamente, dependiendo del tipo de misión del avión.

5.1.1.- VEHÍCULO AÉREO

El vehículo o plataforma aérea es el elemento principal del sistema UAS. La plataforma incorpora el sistema de propulsión, posicionamiento, navegación, comunicaciones y enlaces de datos que son necesarios para controlar el vuelo, la misión, y la descarga de la información que ha recopilado la carga útil que lleva.

Por tanto en el vehículo aéreo se pueden distinguir cinco partes principales:

• Célula del avión • Sistema de propulsión • Navegación, guiado y control • Sistema de comunicaciones • Carga útil

5.1.1.1.- Célula del avión

ESTRUCTURA

El estudio de la estructura de los UAS viene direccionado en dos vertientes. Por un lado están los materiales de construcción de la estructura y por otro las diferentes configuraciones que se pueden adoptar para que el avión mejore la aerodinámica y maximice la resistencia estructural con el mínimo peso posible.

En el estudio de los materiales estructurales de estas aeronaves destaca el uso generalizado de materiales compuestos. La resina epoxi reforzada con fibra de vidrio ofrecen resistencias adecuadas. Las partes más críticas o “puntos duros” se suelen construir con fibra de carbono, aluminio aeronáutico y titanio que posee unas cualidades físico-mecánicas mejores.

En cuanto a configuraciones suelen ser convencionales, aunque en la mayoría de los casos se utilizan dos booms de cola para aliviar peso en el fuselaje posterior

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y proteger la hélice del sistema de propulsión. El ala se ubica lo más atrasada posible para poder ubicar en el volumen delantero la carga útil. El tren de aterrizaje, si lo lleva, puede ser fijo, o retráctil.

Para las diversas configuraciones hay que tener en cuenta las dimensiones, forma y material de construcción que, a su vez, están determinados por la altura de operación, la velocidad y la carga útil que lleve. Por ejemplo, las consideraciones de diseño para el UCAV 2025 son tres:

− Han de tener algún tipo de armadura para aumentar su supervivencia en ambientes de riesgo.

− Para el diseño de las alas se emplean materiales inteligentes de forma que se aumente considerablemente la maniobrabilidad del avión.

− La estructura de la armadura será de material compuesto de grafito resistente a temperaturas elevadas. Esta estructura es fuerte y muy ligera, pero es cara.

Los primeros modelos que se hicieron, y aún se hacen, son configuraciones convencionales de ala fija. Se investiga diferentes configuraciones de forma que se logre mejorar la aerodinámica. En las configuraciones de ala de forma de Delta se trata de mejorar las condiciones de vuelo generalmente para alta velocidad y existen configuraciones tipo “Canard” (p.ej: el HADA tiene como opción posible este tipo de configuración) (Vortex dynamics of delta wings undergoing self-excited roll oscillations).

También se estudian diferentes configuraciones de cola que vienen determinadas por varios parámetros de actuaciones de la aeronave, razones de estabilidad, estructurales, etc. (Aircraft e.g. drone, has tail section with curved surface extending around proportion of circumference of rotor, where section and shroud are moveable relative to one another and about rotor axis relative to fuselage).

Una de las líneas de I+D más activas en la actualidad se refiere a la mejora de prestaciones aerodinámicas y de reducción de peso a través de la incorporación de “estructuras inteligentes” (Smart structures), que suplan a los mandos tradicionales como alerones ó flaps.

Pero algo que se tiene claro en la comunidad científica es que lo ideal es que el avión se adapte a las condiciones de vuelo variando su geometría. Los flaps por ejemplo son un intento de modificar la geometría del ala para mejorar la aerodinámica durante el despegue y el aterrizaje.

El siguiente paso sería conseguir aviones flexibles, que de igual forma que los pájaros e insectos (Computations of insect and fish locomotion with applications to unconventional unmanned vehicles), adaptaran la posición y forma del ala a las necesidades de cada momento, introduciríamos aquí el concepto de “Morphing Aircraft” o avión flexible. Se trata de investigar mecanismos y materiales inteligentes (Design and fabrication of a passive 1-d morphing aircraft skin), basados en fibras elastómeras ó “memory Alloys” que puedan modificar sus propiedades y así modificar la geometría en función de las condiciones de vuelo para lograr un mejor y más efectivo control (Unified theory for the dynamics and control of maneuvering flexible aircraft). Quizá un primer paso seria la creación de

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alas flexibles (A static aeroelastic analysis of a flexible wing mini unmanned aerial vehicle).

Otra ventaja añadida de una plataforma flexible es la eficiencia de costes del avión puesto que se eliminaría la necesidad de tener aviones específicos casi para cada misión.

Entre los objetivos perseguidos por el morphing está el intentar mejorar la capacidad de actuación del avión, reemplazar las superficies de control convencional para mejorar la actuación y el sigilo de la aeronave, reducir la resistencia y la vibración y controlar el bataneo.

Como ejemplo de los esfuerzos que se están llevando a cabo en este sentido se citan dos proyectos europeos muy interesantes:

- El Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) ha puesto en marcha, con financiación parcial del MICINN, el programa PLATINO (Plataforma Ligera Aérea de Tecnologías Innovadoras) que recoge, a su vez diversos proyectos, entre los cuales, el básico se denomina HADA (Helicóptero Adaptativo Avión). Es un helicóptero y un avión a la vez. Posee unas alas que se pueden plegar o desplegar en función de las necesidades de cada momento. Entre las ventajas que posee son vuelo en crucero de máxima eficiencia, posibilidad de despegue y aterrizaje vertical. Está diseño para vigilancia (operaciones navales, fronteras, contrabando, armas, terrorismo, incendios, cosechas, trafico, rescates, …)

- En la Universidad de Bristol están desarrollando un proyecto de Morphing

Aircraft. El objetivo primordial es desarrollar una simulación integral de un avión que incluya la aerodinámica, la estructura completa, la dinámica estructural, dinámica de actuadores y control de vuelo.

Otro punto en el que se puede hacer hincapié es en el tema del camuflaje.

Algunos de estos sistemas utilizan técnicas de reducción de firma Infrarroja5 para hacer que la detección por parte del enemigo sea difícil, o armadura anti-radar6. El morphing7 también se usa para adoptar configuraciones para pasar desapercibido. Una disminución del ruido8 también seria una forma de camuflaje.

La patente Stealthy duffel bag airplane muestra una configuración de UAS interesante y novedosa. Proponen un UAS que se desinfla para poder ser transportado fácilmente en una bolsa. El conjunto es de bajo coste y sigiloso puesto que no proporciona las firmas usuales lo que lo hace apto para observaciones en campo cercano en el lugar del combate.

A nivel mundial, según los resultados obtenidos en este informe, la distribución por países estaría encabezada por EE.UU. seguido por Israel.

5 Intermat - Thermal and Radar Signature Management. 6 Radar Counters Camouflage. 06/2007 7 La Fuerza Aérea de Estados Unidos crea un UAV capaz de cargarse en los postes eléctricos. 15/12/2007. 8 Aeroacoustics Study Helps Control Noise from UAVs. 26/01/2009.

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Entre los centros que más destacan en investigación están la Universidad de California y el Instituto Technion.

AERODINÁMICA

Ya se ha comentado anteriormente la importante de reducir la resistencia aerodinámica. En este punto influye mucho el tipo de modelo. Dependiendo del uso que se le vaya a dar al aparato, la aerodinámica puede ser muy básica o muy elaborada. Por ejemplo un UAS militar que debe cumplir su misión en un entorno hostil, en poco tiempo tiene unos requerimientos aerodinámicos diferentes a un avión civil que ha de sobrevolar una zona para realizar algún tipo de estudio.

Además de la configuración aerodinámica también depende la capacidad de carga útil que posea la aeronave y la autonomía necesaria para cumplir la misión. En la patente (Aerodynamic body for an aircraft e.g. unmanned air vehicle has power plant inlets positioned in transition location associated with boundary layer fluid flow to extract a portion of the boundary layer fluid flow to reduce drag) se muestra un ejemplo de configuración basada en miles de agujeros perforados con láser, que proporciona un flujo laminar.

La Escuela Politécnica de Cataluña dentro del proyecto ICARUS realiza el estudio aerodinamico de un UAV utilizando el software de Dinámica de Fluidos Computacional (CFD) Gambit-Fluent. En una primera fase se introducirá el modelo de UAV en el software para obtener sus características aerodinámicas. La segunda fase consistirá o bien en mejorar el perfil aerodinámico de este modelo o bien en diseñar un modelo propio de UAS que satisfaga los requisitos del proyecto ICARUS.

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Un aspecto importante es el de los Micro Vehiculos (MAV) 9, donde los conceptos

clásicos de aerodinámica aplicables para Números de Reynolds altos no tienen validez, dado que estos MAVs se encuentran en rangos de Re como máximo del orden de 100.000. Este apartado ha sido estudiado en profundidad en el Informe de VT realizado por el CIMTAN “MicroVehículos Aeréos no Tripulados”. (Contacto José Román Ganzer: romangj@inta.es).

El centro de investigación que más destaca en este campo es el Instituto Technion israelí, aunque a nivel mundial EE.UU. lidera las investigaciones en este campo.

MONITORIZACIÓN de salud estructural: (“HEALTH MONITORING”)

Este aspecto constituye una línea de I+D avanzada que implica diferentes tecnologías de sensores embebidos y sistemas de información y proceso a bordo y en tierra.

Básicamente se trata de monitorizar la estructura de la aeronave de diferentes maneras para obtener datos que permitan apreciar la “salud” de los elementos estructurales y operativos de la aeronave.

El más común es la monitorización de la estructura mediante sensores que proporcionen información del estado en que se encuentra en cada momento y avisen en el caso de fallo. En el proyecto SBIR PHASE I: Composite structural damage self-sensing via electrical resistance measurement se analiza cómo se

9 Reverse Engineering and Aerodynamic Analysis of a Flying Wing UAV http://dynlab.mpe.nus.edu.sg/mpelsb/aeg/MAV2/ATSChandran.pdf

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puede cuantificar el daño sufrido en una estructura material compuesto de fibra de carbono midiendo las variaciones de la resistencia eléctrica mediante un sistema de sensores.

En otros sistemas lo que se embebe en la matriz de material compuesto son sistemas electrónicos que proporcionan un análisis térmico y mecánico de la estructura (Design of multifunctional structure with embedded electronic circuitry using composite laminate optimization techniques).

Otros grupos de investigación, como el Cornerstone Research Group Inc, (CRG), trabajan en materiales compuesto reflexivos (Reflexive composites: integrated structural health management), esto es, han desarrollado un sistema reflexivo basados en una monitorización estructural piezoeléctrica. En caso de accidente, por ejemplo, el sistema de monitorización es capaz de localizar y cuantificar la magnitud del daño, enviando una señal.

El Programa PLATINO incluye un proyecto llamado SIMAP (Sistema Inteligente de Mantenimiento Aeronáutico Predictivo) dirigido a la evaluación continua del estado de salud de una aeronave completa e incluso de una flota de aeronaves (tripuladas ó No Tripuladas), mediante el registro y análisis a bordo en tiempo real de una serie de parámetros y su tratamiento mediante técnicas de “gestión de eventos” y aplicación de redes neuronales.

En este punto no hay ningún centro y/o empresa que destaque por su relevancia. En la gráfica de países se puede apreciar que una vez más el liderazgo en cuanto a la tecnología lo posee EE.UU.

5.1.1.2.- Sistema de propulsión

El motor del avión proporciona propulsión y generación de energía para todos los sistemas de la aeronave.

Debido a la gran diversidad de tipos y tamaños de estas aeronaves nos encontramos con diferentes sistemas de propulsión que van desde los más usado como pueden ser los motores de gasolina, motores diesel, turbohélices, turborreactores…, a los motores eléctricos operando junto a baterías, paneles solares y pilas de combustible.

El objetivo común que se busca conseguir es obtener las prestaciones adecuadas de la aeronave para cumplir su misión de diseño.

Estos sistemas de propulsión tan dispares hacen que haya que establecer unos niveles de seguridad similares para todos. En este punto los investigadores tienen mucho trabajo por hacer para desarrollar sistemas seguros de óptimo rendimiento. En el documento Framework for the conceptual decomposition of unmanned aircraft

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propulsion systems propone una clasificación del sistema de propulsión de un UAS en cinco subsistemas: fuente de energía, transformador de la energía, potencia, propulsor y controlador.

Entre los requisitos de propulsión avanzada propuestos para e UCAV 2025, está el hecho de que el motor ha de incorporar un inyector para aumentar la maniobrabilidad, además de incorporar métodos de transferencia de calor que aumenten la velocidad y eficacia de la aeronave. Otro dato importante es el tipo de combustible usado, de modo que la seguridad y disponibilidad logística no se vean afectadas.

En este estudio se va a analizar por un lado la tendencia en motores, baterías, combustibles y por último el modo de reabastecimiento en vuelo.

MOTORES

Entre los diversos tipos de motores usados en UAS se pueden encontrar los

motores de hélice (gasolina, diesel,…), turbinas de gas, motores eléctricos (baterías precargadas, energía solar,…) y motores de hidrógeno.

En el segmento de los UAVs más ligeros, la tendencia mundial es la propulsión eléctrica. Así se confirma en los documentos más recientes publicados como, por ejemplo, la patente estadounidense Electric motor for unmanned aerial vehicle has magnets arranged in halbach array to provide magnetic field that exhibits halbach flux distribution and controller that selectively directs current through coils to induce second magnetic field, en la que se desarrolla un motor eléctrico para un UAS.

En el documento Optimizing Electric Propulsion Systems for UAV’s trata sobre el diseño de un sistema de propulsión eléctrica para una Mini UAS. Existen dos partes, en la primera se trata de investigar en las características típicas del sistema eléctrico, y la segunda incluye un estudio de sensibilidad de la influencia de variaciones de estas características para un diseño óptimo del sistema.

Por otro lado, se está desarrollando mucho el estudio de diferentes configuraciones de hélices. En el artículo Multidisciplinary Design Optimization of a Quiet Propeller, se describe el diseño de una hélice eficiente y silenciosa para un miniUAS eléctrico.

Un nuevo sistema de propulsión es el basado en plasma10 desarrollado por la Universidad Estatal de Oklahoma. El motor es aproximadamente del tamaño de un cigarrillo, no contiene partes móviles y podría ser montado en aviones de tan sólo 15 cm de longitud, que los soldados transportarían al campo de batalla para desplegarlos. Si las previsiones se cumplen estos UAS serían capaces de funcionar tanto a cielo abierto como en lugares cerrados y áreas urbanas.

A parte de los motores eléctricos, también son de uso generalizado los motores de explosión, turbinas y turborreactores.

10 Rocket propulsion research might advance military technology. 18/01/2008

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El liderazgo tecnológico en cuanto a motores se refiere está en EE.UU. seguido del Reino Unido.

En cuanto a empresas Sikorsky Aircraft Co. y el Instituto Technion son líderes en desarrollos de motores.

BATERÍAS

Las baterías que más se han usado en UAS son las NiMH (Hidruro metálico de

níquel), por ejemplo en el Predator UAV. Son recargables, y tienen una gran capacidad por unidad de volumen/peso. Este tipo de baterías no es el más apropiado para aplicaciones de elevado consumo que requieran grandes corrientes. Otras variantes son, por un lado, la celda de iones litio (Lithium battery system), que son más avanzadas pero de mayor coste, y por otro, las baterías de litio polímero (LIPO).

Las baterías Zinc-aire son ligeras, de larga duración y bajo coste. Ofrece

ventajas con respecto a las de litio en cuanto a costes, seguridad y efectos medioambientales. Además poseen alta energía específica, facilidad de recarga y el vehículo que la lleva tiene más autonomía de vuelo.

Muchos expertos califican estas baterías como el combustible eléctrico del futuro, pero para su uso en UAS se han de adaptar tecnológicamente en cuanto a nuevos diseños y componentes. Las que existen actualmente proporcionan tiempos relativamente cortos de vuelo. Las nuevas configuraciones y componentes alargarán estos tiempos.

En el documento Zinc-Air Batteries for UAVs and MAVs detallan que un avance en este campo viene dado por las baterías planas que se pueden configurar en casi todos los tipos de formas, de modo que casi se pueden considerar como un elemento estructural del UAS. Además evalúan las posibilidades que tienen este

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tipo de baterías de ampliar el tiempo de vuelo para las plataformas existentes y futuras.

En cuanto a Pilas de combustible es un tema que es está desarrollando mucho en los últimos tiempos. Aunque aún requiere de un desarrollo tecnológico importante, las pilas de combustible se perfilan como el sistema de propulsión del futuro por ser más eficientes a la vez que usan como fuente de alimentación el hidrógeno, lo que hace que contaminen menos. Las misiones de estas aeronaves se podrían ampliar, el avión tendría más capacidad de carga útil, serían más silenciosos,… En este sentido se están estudiando ampliamente para su uso en UAS. Por ejemplo en el documento Design studies for hydrogen fuel cell powered unmanned aerial vehicles se hace una comparación de diferentes diseños de alimentación de un UAS con una pila de combustible.

Hace tiempo que ya se han ido probando las pilas en UAS. Por citar un par de

ejemplos, en 2005, el Laboratorio de Investigación Naval (NRL) voló un micro UAV durante 3 horas y 19 minutos con una pila de combustible alimentada con hidrógeno comprimido. En 2007 la empresa Horizon Fuel Cells Technologies aplicando una nueva tecnología de pilas de combustible compacta para un microUAV fue capaz de volar durante 16 horas, utilizando un cuarto del combustible. Estiman que la distancia recorrida usando la totalidad estaría en torno a los 500 km. Como éstos, muchas otras empresas han volado UAS con este tipo de alimentación consiguiendo cada vez tiempos de vuelos más largos y mayores distancias recorridas.

También se estudia el uso conjunto de baterías y pilas de combustible, como en

este proyecto de la Universidad de California: Extending the Range of UAVs through the Use of Proton Exchange Membrane Fuel Cells and Other Renewable Energy Sources, donde han estudiado el uso de una batería de Litio junto a una pila de combustible tipo PEM. El tiempo de vuelo se ha aumentado en un 149%, concluyendo que es una opción viable y eficiente.

Por otro lado, cabe en este apartado hacer mención a las baterías de última

generación que se están incorporando en los UAS. Son las A123 son pilas de gran densidad energética, con un ciclo de vida largo y gran capacidad de almacenaje. Su principal novedad y ventaja es que es mucho más segura gracias al uso de la tecnología patentada de nanofosfatos.

EE.UU. junto a Italia son los dos países más referenciados en el campo de las

baterías.

El Instituto Tecnológico de Georgia, la Universidad de California y el Politécnico

de Torino son los centros con más publicaciones en el tema.

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COMBUSTIBLES

Los carburantes que se han venido usando son los tradicionales (gasolina,

diesel,…). Dependiendo de la cantidad que lleve limita el tiempo de duración de la misión del UAS. La elección de la alimentación es un factor muy importante ya que influye en el comportamiento del UAVS

Las investigaciones han de ir de la mano de conceptos tales como optimizar

consumos, mejorar la gestión del carburante, trabajar con los que menos contaminación produzcan y mejor rendimiento proporcionen en diferentes situaciones críticas (Minimum fuel circling flight for unmanned aerial vehicles in a constant wind).

En algún momento se ha barajado la posibilidad de usar energía nuclear. Tecnológicamente sería posible, pero no es aceptable debido al riesgo que supone una fuga.

Otra forma de alimentación de un UAS puede ser mediante energía solar. Es una energía que no contamina nada y debido a su carácter de inagotable permitiría al UAS volar de forma continuada durante meses. Para un vuelo continuo se estima que el UAS necesita al menos 2500 W/m2/d. Esta irradiación solar se puede conseguir durante 7 meses (marzo a septiembre) en latitudes superiores a los 55º. Durante el día, las baterías o las celdas reversibles se cargan con el exceso de energía, para proporcionar la suficiente potencia durante la noche. Durante el tiempo de invierno donde los días son cortos y la irradiación solar insuficiente, el avión se puede equipar con celdas no regenerativas de carburante para suplir esta falta y permitir que el avión continúe su misión de forma ininterrumpida.

Por citar un ejemplo en la Universidad de Torino han diseñado un

HALE/UAS(Design of a high-altitude long-endurance solar-powered unmanned air vehicle for multi-payload and operations), que vuele en la estratosfera (15-20 km) durante 4 meses. Han tenido en cuenta parámetros tales como el cambio en la radiación solar a lo largo del año, la altitud, masa, eficiencia de las pilas solares y de combustible, aerodinámica, estructura, mecanismos de vuelo, aeroelasticidad,…

Un tema muy interesante es el de la recolección de energía sobre todo para

aviones tipo microUAV. Debido a su pequeño tamaño la cantidad de fuel es limitada

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y su permanencia en vuelo depende del potencial de incrementarla recolectando energía de las vibraciones (Vibration energy harvesting for unmanned aerial vehicles) y de la energía solar, por ejemplo.

Otro tema que se está empezando a estudiar es la transmisión de energía de

forma inalámbrica (wireless). No es un concepto nuevo ya que fue descubierto a principios del siglo XX por Nikola Tesla. Entre las formas de transmitir energía y datos están:

- Microondas - Haz de láser - Resonancia electromagnética

El objetivo del proyecto SAVL de Oberon Space es usar energía wireless para

transmitir energía y datos. El avión es capaz de volar día y noche sin necesidad de repostar fuel. Usa el haz de láser para cargar sus baterías y para transmitir datos cuando pasa sobre la fuente de energía. El avión dispone de unas celdas solares para convertir el rayo láser en electricidad.

En este punto destacan en publicaciones la Universidad de California y el

Politécnico de Torino.

En cuanto a países se destaca EE.UU. como líder seguido de Italia, y de la República de Corea.

REABASTECIMIENTO

Una mención aparte en este punto es la propuesta de sistemas de

reabastecimiento en vuelo para UAS. En este sentido se empieza a trabajar en ello puesto que es una apuesta importante a la hora de alargar misiones (Comparison of autonomous aerial refueling controllers using reduced order models) o bien mantenerlo volando de forma continua para captación de datos e imágenes (por ejemplo sería interesante en el tema de control de fronteras) sin que el avión tenga que aterrizar en ningún momento.

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Parece que hay una tendencia al uso de la visión artificial aplicada al reabastecimiento. En el articulo GPS / MV based Aerial Refueling for UAVs, se describe el diseño de un ambiente simulado para un reabastecimiento en vuelo de un UAS basado en un máquina de visión/GPS. Un sensor detecta la posición relativa entre el tanquero y el UAS.

El AFRL (Air Force Research Laboratory) ha contratado a una serie de empresas lideradas por Boeing para desarrollar la tecnología11 necesaria para permitir a un UAS repostar automáticamente desde el avión cisterna.

Otro tipo de reabastecimiento en vuelo es el mencionado anteriormente (proyecto SAVL). Mediante láser se cargan las baterías del avión no teniendo necesidad de aterrizar en ningún momento durante todo el tiempo que dure la misión.

En reabastecimiento en vuelo destacan la empresa Boeing, además de la Universidad de Perugia y la Universidad West Virginia.

Los países más destacados en investigaciones son EE.UU. seguido de Italia y Reino Unido.

5.1.1.3.- Navegación, guiado y control

La función de control queda repartida entre el segmento tierra y el segmento

vuelo. Las funciones atribuidas a éste último dependen fundamentalmente del grado de autonomía del UAS.

11 AFRL picks industry team as phase II integrator for automated aerial refueling. 06/02/2009

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La integración de los UAS en el espacio aéreo civil requiere de nuevos métodos para evitar las colisiones. Entre las cuestiones preocupantes a resolver estaría el control de latencia, el rendimiento del vehículo, la fiabilidad de funciones autónomas, y la interoperabilidad de los sistemas “Sense and Avoid” con los sistemas de Alerta de Tráfico y el sistema de Prevención de Colisión (TCAS) y Control de Tráfico Aéreo.

La ausencia de piloto implica que el UAS no analiza el medio, sino que

simplemente sigue la pista de una serie de variables, pero más allá es ciego al ambiente. Los GPS y los ordenadores de procesado de alta velocidad han solventado el problema del control de vuelo.

La industria y las instituciones saben de la necesidad de que los UAS operen de forma autónoma y con la minima intervención de la estación de control. El desarrollo de la Inteligencia Artificial (AI) aplicada a UAS incrementará esta autonomía.

Un escenario interesante de control de vuelo autónomo se da cuando los UAS han de sobrevolar terrenos hostiles para desarrollar su misión. Sería interesante que iniciasen maniobras de evasión cuando detecten peligro (Multi-Pursuer Evasion).

AVIONICA

La aviónica de este tipo de sistema está basada, generalmente, en un piloto automático o FCS, servos y GPS. En la matriz principal irían montados el piloto automático y los sistemas de medida inerciales.

Los servos, los sensores del sistema Air data System (ADS),magnetómetros, receptor GPS etc. van montados en los lugares adecuados de la aeronave y conectados al Flight Control System (FCS)

- El FCS está diseñado para estabilizar y guiar al UAS. Envía órdenes a los sistemas del avión e interpreta los datos que recibe y logra controlar los movimientos de vuelo de la aeronave (H-2 and H-infinity robust autopilor synthesis for longitudinal flight of a special unmanned aerial vehicle: a comparative study). Los últimos avances en el campo de los microcontroladores han hecho que hayan aparecido en el mercado nuevo pilotos automáticos de reducido tamaño y peso enfocados al uso en pequeños aviones. Integrados con un GNSS controlan el sistema. Para evitar problemas asociados al hecho de que el sistema pudiera perder el control en algún momento, se dispone de sistemas de seguridad. En algún caso puede duplicarse el equipo (redundancia física y lógica), de modo que si uno falla, el otro toma el mando. En otros casos, lo que se establece es un lazo de control de modo que el operador humado desde la estación de control pueda tomar el mando en caso de avería del piloto automático. La siguiente patente Autopilot control system for use in e.g. surveillance, has bypass circuit in electronic communication with processor, where bypass circuit allows unmanned aerial vehicle to be controlled by RC control system muestra un diseño de este tipo. Cabe señalar en este apartado que, en España, está una de las cuatro empresas que se dedican a fabricar pilotos automáticos en el mundo. Es la empresa UAV Navigation. El piloto automático usa el GNSS (Global Navigation Satellite Systems) para navegar entre los puntos de ruta preprogramados. La exactitud de

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navegación que proporciona el GNSS es suficiente para la mayoría de aplicaciones. Los errores relacionados con la distorsión de la señal en la atmósfera y de las lecturas erróneas de posición del satélite pueden ser corregidos por un GPS diferencial (DGPS). Un receptor estacionario calcula la imprecisión del receptor GPS. Aunque lo más avanzado son los sistemas SBAS tipo EGNOS/GPS. Próximamente, con el desarrollo de Galileo, los pilotos automáticos se adaptarán para poder usar este sistema de posicionamiento.

El piloto automático es cargado antes del despegue con la misión nominal programada mediante la herramienta de Mission Plannig adecuada que se encarga de generar la misión y subir los datos al mismo, pudiendo modificarla en cualquier momento del vuelo mediante el enlace de comunicaciones. Se detalla de forma explicita en el apartado Estación de control.

- El INS (Inertial Navigation System) está formado por acelerómetros y sensores rotacionales que proporcionan estimaciones frecuentes de la posición, velocidad y orientación del vehículo aéreo. En la actualidad este tipo de sistemas se ha sustituido por IMU’s y el procesado de la información para obtener la información de posición, velocidad y actitud de la aeronave se realiza en el FCS.

- El uso de diferentes sensores basados en acelerómetros de bajo coste y

giróscopos, usados conjuntamente con el sistema GNSS, proporcionan una solución viable. En el artículo Aircraft Attitude, Position, and Velocity Determination Using Sensor Fusion se combina una IMU (Inertial Measurement Unit) junto al GNSS usando además un filtro Kalman para una mejor estimación de la altitud del avión, velocidad y posición.

- Los servos usados en este tipo de sistemas suelen ser similares a los de las

naves pilotadas y están controlados por señales PWM (Pulse Wide Modulation). El número de servos que se pueden conectar depende del modelo. Reciben las órdenes del sistema y controlan mecanismos como los alerones, timones, puertas de carga, cámaras…

NAVEGACIÓN Y GUIADO

El control de la navegación y de la estabilidad se basa en sistemas retroalimentados en lazo cerrado. La señal a controlar (velocidad, altitud…) es comparada con la señal de comando y el error entre ambas es usado para proporcionar el valor de salida para reconducir el sistema.

La mayoría de los pilotos automáticos comerciales utilizan la unidad Waypoint Direction Finder12 que dirige el UAS hacia un punto preprogramado o a lo largo de una ruta de puntos de vuelo. La información de la situación actual (heading) de la aeronave, que puede venir del sistema de posicionamiento de la misma, GNSS, inercial, visión,… se compara con el punto de paso siguiente (bearing) y se obtienen las correcciones a realizar en los servos a través de la generación de señales PWM (Pulse Width Modulation), para guiar a la aeronave de manera controlada hacia el waypoint.

12 Microcontroller Systems for a UAV

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Waypoint Direction Finder12

En la patente Waypoint navigation, se describe un sistema de navegación por una serie de puntos. El UAS también se puede controlar de forma manual cuando vuela según una ruta alternativa definida en tiempo real según los comandos de control recibidos a través del link inalámbrico. Los parámetros de control de vuelo son monitorizados y en caso de alarma el UAS es dirigido por una ruta de emergencia definida por un conjunto de puntos predefinido. Normalmente la peor situación de peligro es que el motor falle, por lo que el ultimo punto de la ruta alternativa termina en el suelo, en un punto estimado donde el vehiculo puede aterrizar sin causar daños personales, o bien causando daños materiales controlados. Este sistema proporciona informaciones tanto laterales como verticales al piloto automático que calcula la ley de control obligatoria. (Waypoint navigation using constrained infinite horizon model predictive control).

Otra forma de navegación es lo que se denomina Fly-by-sensor. (Feature following and distributed navigation systems development for a small unmanned aerial vehicle with low-cost sensors). La ruta de vuelo se genera en tierra, se traslada al UAS y se sigue mediante la huella generada por el sensor. La ruta óptima de vuelo que ha de ser seguida por el UAS se ilustra en la figura.

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Fly-by-sensor13

Este enfoque se traduce en una huella más pequeña del espacio aéreo

comparada con el tradicional Waipoint Navigation.

En la patente: Guidance and control for an autonomous soaring uav, proporciona un método práctico para que la aeronave aproveche las corrientes ascendentes de aire caliente de forma similar a las aves. El UAS de forma autónoma buscará la corriente y se guiará hacia ella aumentando el alcance.

Se está desarrollando mucho el concepto de navegación, guiado y control por visión. En el documento Vision-based UAV navigation, se hace una exposición de este concepto. Esta claro que proporcionar la posición mediante imágenes requiere, por un lado, de transmisión de imágenes en tiempo real y ,por otro, de técnicas de procesado de imágenes potentes, lo que requiere desarrollo tanto en software como en hardware (suficiente marco y suficiente resolución de la imagen). Además de que estos equipos adicionales de procesado aumentan el peso. El avance de las investigaciones en este campo vendrá de la mano de mejoras en las técnicas de procesado, de mejorar la capacidad de obtener datos en tiempo real, así como aligerar los equipos para suavizar la carga útil.

Se puede proponer también como válida la Navegación Volumétrica. Normalmente

se usa en escenarios con grande vehículos donde gestionar la información del volumen de los mismos significa poder navegar de forma más segura.

En España, cabe mencionar que el INTA, dentro del programa PLATINO

(Plataforma Ligera Aérea de Tecnologías Innovadoras) está el proyecto SANAS (Sistema Automático de Navegación Aérea Segura) que es en realidad un estudio avanzado de sistemas de Sense and Avoid.

Los Sistemas Sense & Avoid se diseñan para evitar colisiones de los UAS, bien entre ellos cuando trabajan en equipo, bien con otras aeronaves que utilicen el espacio aéreo, o colisiones con objetos terrestres (edificios, orografía,…). Se ha de gestionar el espacio aéreo con valores en tiempo real que ha proporcionado el

13 Feature following and distributed navigation systems development for a small unmanned aerial vehicle with low-cost sensors

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sistema de sensores de a bordo, evitando colisiones cuando se detecta peligro mediante la generación de una nueva ruta de vuelo. El desarrollo de estos sistemas Sense & Avoid es clave, ya que permitirán a la plataforma comportarse, en la mayor parte de las situaciones, como si hubiera un piloto a bordo asegurando el mantenimiento de las separaciones mínimas requeridas, con un nivel de seguridad equivalente al de las aeronaves tripuladas. La integración de los UAS en el espacio aéreo depende en buena medida del desarrollo de estos sistemas.

La función Sense se dedica a la observación del blanco para obtener información

del tipo: características, identificación del vuelo, posicionamiento, velocidad, rumbo,… y la función Avoid analiza la información que detecta la función Sense. Se ve entonces la densidad de trafico aéreo, si existe riesgo de colisión o no, y en caso de que así sea pasar la orden al piloto (bien al operador humano o al piloto automático) para cambiar la trayectoria.

Entre las características básicas de Sense & Avoid para UAS se pueden

mencionar: - El sistema ha de ir embarcado en el UAS. - Enlace con tierra para poder enviar la información al operador humano. - Enlace con el FMS (Flight Management System) para poder predecir

situaciones peligrosas. - Ha de calcular una ruta alternativa para evitar la colisión. - El sistema ha de poder funcionar de forma autónoma en caso de perder

el enlace con tierra.

En la monografía UAS “Unmanned aircraft system” sobre su integración en el espacio aéreo no segregado, se expone de forma muy clara toda esta tecnología, relacionándola, además, con la problemática de certificación y normalización.

De los documentos identificados, se recomienda la lectura de los siguientes:

- Aircraft collision sense and avoidance system and method

- Method for avoiding collision between e.g. unmanned vehicle and target object involves calculating one or more composite images from two or more of polarized images by performing algebraic manipulation between two or more polarized images.

CONTROL

Básicamente existen dos premisas importantes para el sistema de control. Por un lado el sistema de control ha de ser autónomo y fiable.

En el segmento aire se tienen las funciones relacionadas con la adquisición de información asociada a la misión, así como los sistemas para conocer posición y altitud, y control de la velocidad (Guidance and control system design for chase UAV). Por otro lado, funciones de planificación de ruta, así como control de vuelo del vehiculo irán embarcados o se situarán en el segmento tierra en función del grado de autonomía del vehículo.

La toma de decisiones a bordo del UAS forma parte también del apartado del control del sistema (Addressing uncertainty in UAV navigation decision-making).

El funcionamiento correcto de la unidad de control va asociada al correcto funcionamiento de equipos como el procesado de control (CPU), instrumentos de control de la estabilidad (IMU) y la alimentación eléctrica.

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En el artículo Robótica Aérea: El efigenia pionero de los UAVs para vuelo autónomo en Colombia, se describe la aplicación de la inteligencia artificial, redes neuronales y fuzzy logic para el control autónomo de sistemas no tripulados.

Otro punto a tener en cuenta es el control que se ha de ejercer para volar una flota de UAS (Hybrid computing techniques for collaborative control of UCAVs). En este caso, mediante el uso de técnicas computacionales se puede controlar una flota de UCAVs en el terreo de batalla. Consiste en una arquitectura de cuatro capas. La primera capa describe el sistema de navegado responsable del planeamiento de la misión, designación de blancos, distribución entre los diversos vehículos,… así como las comunicaciones entre los diferentes UAS. La segunda capa se corresponde con los datos de los sensores de cada vehiculo. La tercera es para el sistema de interpretación (FIS) en el que se estudia como evitar los peligros, tanto estáticos como dinámicos, y se hace un planeamiento de la misión en tiempo real. La cuarta capa contiene la dinámica del avión, el piloto automático y el sistema de navegación. En el documento AERIAL: Hypothetical Trajectory Planning for Multi-UAVs Coordination and Control, se presenta una aplicación capaz de coordinar y controlar un ejército de UAVs que participan en misiones de tiempo limitado. Esta aplicación combina paradigmas multiagente y técnicas de planeamiento de trayectorias.

Otra función del sistema de control sería evitar colisiones entre los distintos vehículos que conforman una flota de UAS (A comparison of optical flow algorithms for aircraft guidance and navigation). Este sería un tema Sense & Avoid. Pasa por el uso de imágenes y estudios de un escenario en realidad virtual.

Además se tiene también el control por visión: Estructura de Control Multi-

Propósito con Visión. Aplicación al Control ServoVisual de un Helicóptero Autónomo-COLIBRI.

Muchos son los grupos de trabajo que se dedican al tema de control de vuelo. En

INTA el grupo de mecánica de vuelo tiene tres líneas de investigación en este sentido:

Desarrollo de sistemas de control de vuelo para vehículos aéreos no tripulados (UAS). Modelización y simulación para desarrollo de sistemas de control de vuelo

para vehículos aéreos no tripulados (UAS).

Análisis de datos de ensayos en vuelo y simulación.

En la Universidad Politécnica de Madrid estudian las arquitecturas HW y SW de control para un helicóptero autónomo. En el artículo Vehículos aéreos no tripulados para uso civil. Tecnología y aplicaciones, están los resultados. Además proporciona una breve exposición del estado del arte de los UAS.

La NASA junto a Internacional Business Machines Co. son las dos grandes potencias que están investigando en el apartado Navegación, guiado y control.

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En cuanto a países destaca ampliamente EE.UU. Hay que destacar en este sentido la presencia española en este ámbito en un séptimo lugar a nivel mundial.

5.1.1.4.- Sistema de comunicaciones

El sistema de comunicaciones de los UAS se reparte entre la plataforma aérea y

la estación terrestre. Incluye los terminales de enlace de datos, los terminales satélites para comunicaciones, los equipos de comunicaciones para funcionar como repetidores,…

El Data Link une el vehiculo aéreo y la estación de control, tanto en el aspecto

de Telecomando (TC) como de telemetría (TM). El lazo TC es ascendente y contiene comandos específicos para la aeronave y la carga Útil y el lazo TM es descendente y contiene información del estado del vehículo y la información proveniente de la carga útil a bordo.

La transmisión de datos a tierra a través del Data Link se hace en tiempo real o

próximo al real. Las prestaciones de este enlace de comunicaciones vienen definidas por el alcance y el ancho de banda.

Los diferentes tipos de comunicaciones que se pueden establecer entre el

segmento aire y el segmento tierra se pueden diferenciar en tres grupos:

• Comunicación de datos de monitorización y telemetría: datos de la misión del avión que incluyen la ruta de vuelo, velocidad,…, órdenes directas del piloto desde tierra si se maneja manualmente,… Se utiliza en este caso enlace de radio bajo un estándar (RS232, Ethernet,…).

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• Comunicación de correcciones GPS. Sólo el caso que se emplee corrección

diferencial del GPS. Usa un canal particular de conexión de la GCS con el GPS bajo un estándar (RTCA, RTCM, CMR,…)

• Comunicaciones de la carga útil. Sólo se necesita un ancho de banda

especial en el caso de que se necesite transmitir imágenes de video ú otros sensores como SAR , Guerra electrónica, etc... Para la transmisión de datos del resto de los equipos que puede llevar la carga útil es suficiente con el enlace de datos primero.

Básicamente se puede decir que existen dos tipos de enlace de comunicaciones:

• Enlace de comunicaciones en línea de vista directa radioeléctrica (LOS).

• Enlace de comunicaciones por satélite (SATCOM).

El sistema de comunicaciones involucra además, aspectos relacionados con el

hardware y software (Diseño e implementación del sistema de comunicaciones basado en can para la aviónica en un vehículo aéreo autónomo no tripulado) necesarios para la transmisión de datos desde los sensores y/o actuadores con el ordenador de a bordo.

La interrupción en el proceso de transmisión de datos puede ser fatal para la

misión, por lo que se dedica esfuerzo para mejorar e investigar nuevas técnicas anti-bloqueo del DataLink. Studies on novel anti-jamming technique of unmanned aerial vehicle data link.

Otro aspecto fundamental que entraría dentro de este punto sería el sistema de comunicaciones entre diferentes UAS o UAS y UGV. En este sentido varios son los documentos encontrados. En el articulo Challenges in establishing free space optical communications between flying vehicles, se hace un repaso a los cambios necesarios que se han de llevar a cabo en este tipo de comunicaciones para que sea efectiva y de elevada velocidad. Apuntan a la solución de usar comunicaciones ópticas por su gran ancho de banda y que están libres de licencia.

En cuanto a liderazgo EE.UU. va en cabeza seguido de Israel y Australia.

El US Air Force y el Massachusetts Inst. of Technology son los dos centros más

activos en cuanto a investigaciones en este terreno.

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5.1.1.5.- Carga útil

La carga útil que llevan embarcados los UAS consiste en los medios y equipos

embarcados necesarios para llevar a cabo la misión. La carga útil puede ser controlada por el piloto automático (misión completamente programada) o por el operador en tierra.

SENSORES y ACTUADORES

El tipo de sensores requeridos depende básicamente del UAS y de su misión.

Como regla general, la mayoría de las plataformas llevan tres tipos de sensores: Electro-ópticos (EO), Infrarrojos (IR) y Radar de Apertura Sintética (SAR).

En el documento UAV sensors get hot se hace una revisión de los diversos programas de sensores para UAVs de EE.UU. La mayoría de los que lleva el UAS desempeñan roles tradicionales de inteligencia, vigilancia y reconocimiento (ISR).

La tendencia que se muestra en las investigaciones es que los UAS han de

poder tener una capacidad de detección permanente y esto conlleva una serie de problemas asociados. En primer lugar, supone un envío continuo de datos a la estación de control. Otro aspecto tiene que ver con cambios que incluyen un análisis multiescala, integración de sensores y localización de la escena. Cuando el sensor cambia de altitud o dos sensores diferentes con la misma cámara proporcionan imágenes redundantes desde diferentes altitudes se produce el fenómeno de la multiescala y la multirresolución. Para que esto sea útil y aprovechable se han de recolectar datos invariantes de las representaciones multiresolución de una imagen de alta resolución. Recientemente se ha desarrollado un criterio de selección de información basado en un algoritmo inteligente que está desarrollado en el artículo Problems in data registration for persistent sensing.

Sensores electro-ópticos e infrarrojo (EO/IR)

El sistema de sensores EO/IR incluye normalmente dos sensores principales: una cámara CCD y un sensor IR, además de otros sensores para cubrir otras funcionalidades.

El sensor IR es un sistema de imagen en el rango de los infrarrojos que detecta y diferencia un objeto de otro en función de la diferencia de temperatura, por lo que puede ser usado tanto por el día como por la noche, lo que lo hace ideal para

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multitud de misiones. Son los que más se usan en la gran mayoría de UAS tanto por su capacidad de miniaturización como por la capacidad de transmitir datos en tiempo real para ayudar al piloto de control.

La cámara CCD solo se usa durante el día, e incluye alta resolución y magnificación para ayudar a identificar el objeto.

Entre los sensores adicionales que se ofrecen están el designador láser, telémetro láser,… A pesar de que estas opciones aumentan mucho la actuación general de estos sensores, lo cierto es que la tendencia es a separarlos por el esfuerzo de miniaturización del conjunto, aunque lo que se persigue en los sistemas UAS es reducir peso y volumen de la carga útil global. Aún así, muchas aplicaciones de los UAS requieren la integración en un único “pod” de los sistemas Láser y las cámaras visibles ó Infrarrojas (FLIR)

Estos sistemas proporcionan una amplia cobertura del área, estabilidad de la imagen y gran ampliación de la misma.

Los sensores EO/IR están en constante evolución para aumentar la resolución, mejorar el enfocado automático y la sensibilidad a las diferencias térmicas. En el documento: Survey of Electro-Optical Infrared Sensor for UAV, se hace una exposición de las tendencias actuales y las capacidades de estos sensores evaluadas a través de las misiones en las que han sido usados.

Los sensores IR emergentes tienen el potencial para detectar y caracterizar blancos camuflados y encubiertos:

• Supresión del ruido - detectar objetivos de bajo contraste • Nivel bajo de falsas alarmas – discriminación por colores. • Resolución espacial – cubre amplias zonas. • Identificación y caracterización de materiales.

Radar de apertura sintética (SAR) Es un radar activo de alta resolución en distancia que emite energía en la

frecuencia de las microondas en forma de pulsos, recibe los ecos provenientes de las reflexiones de la señal en los objetos, y mediante el movimiento relativo entre la plataforma aérea y el blanco es capaz de generar una apertura sintética que mejora la resolución azimutal respecto del ancho de haz de la antena. En los modos SAR más comunes el avión describe una trayectoria recta, de modo que el movimiento relativo entre la plataforma y el terreno (blanco objetivo) suele ser conocido. De esta manera, se obtienen imágenes radar de alta resolución en ambos ejes desde plataformas aéreas, permitiendo visualizar el terreno en aquellos lugares donde la oscuridad, las nubes, las condiciones meteorológicas adversas o incluso los árboles no permiten tomar imágenes con una cámara tradicional. Trabaja tanto durante el día como durante la noche y es relativamente insensible a cobertura nubosa y condiciones de lluvia.

Esta tecnología tiene un gran interés por sus múltiples aplicaciones tanto para la vigilancia y observación, como para protección civil, protección medioambiental, misiones de ayuda humanitaria, determinación del grado de humedad del suelo (lo cual puede ser interesante para la agricultura) así como la detección de contaminación marina, vertidos, emisión de gases, etc.

En este punto cabe destacar que el Laboratorio de Radar-SAR del INTA ha

desarrollado y opera desde 2004 el sistema RIX (Radar Interferométrico en banda X), un radar SAR embarcado en una plataforma aérea (avión de transporte C-212),

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que constituye el primer sistema SAR español íntegramente desarrollado con tecnología propia. El sistema opera en banda X y tiene capacidades interferométricas y polarimétricas (“The INTASAR Program” IGARSS09 Proceedings)

Las tendencias en su evolución tecnológica se extienden en distintas direcciones:

obtención de imágenes de mayor resolución y en un rango más amplio, inclusión de información interferométrica y polarimétrica, obtención de productos en tiempo real, experimentación y utilización distintas bandas de frecuencia (sobre todo bandas L, X, Ku,..), operar distintos sistemas cooperativamente, miniaturizar equipos, investigación de algoritmos de procesado, investigación en nuevos tipos de operación, etcétera.

La integración en UAVs de sistemas SAR comparables en prestaciones a los

embarcados en satélite o grandes plataformas, pasa por la miniaturización de los equipos, la utilización de bandas de frecuencia más altas (con la consiguiente disminución del tamaño de antenas), la inclusión de la generación de imagen en tiempo real y la optimización de los algoritmos de proceso. En ocasiones se restringen las prestaciones del sistema para maximizar criterios como peso o potencia.

El Laboratorio de Radar del INTA desarrolla en este ámbito el proyecto QUASAR,

(Quicklook Unmanned Aerial SAR), radar en banda Ku, polarimétrico, con generacion y retransmisión de imagen en tiempo real y ancho de banda de 1Ghz, implementable sobre UAVs como el MILANO del INTA o motoveleros.(“INTA’s developments for UAS and small platforms: QUASAR”. IGARSS 2009 Proceedings)

Además de la operación pulsada, también se está experimentado en otras formas

de onda. Por ejemplo, en la Universidad Politécnica de Madrid tienen un sistema SAR experimental que usa frecuencia modulada de onda continua (LFM-CW) (SAR system for UAV operation with motion error compensation beyond the resolution cell). El uso de esta frecuencia hace posible obtener radares SAR de menor coste y mejor resolución (Theory and application of motion compensation for LFM-CW SAR).

Mini SAR desarrollado para el HADA (Fuente: INTA)

Cabe señalar aquí el proyecto MINISARA (Radar de Apertura Sintética en

miniatura), enmarcado dentro del programa PLATINO del INTA. Se trata de crear un SAR para pequeños UAS.

Un paso más en la miniaturización de estos sistemas lo encontramos en una compañía de Utah, que ha desarrollado un NanoSAR para miniUAVs. (NanoSAR Sharpens Vision of Small UAVs). El grupo de microondas y radar de la U. Politécnica de Madrid, está desarrollando también un radar miniaturizado en la banda de 34GHz, con una

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resolución de 15x15 cm. El sistema es portable y de bajo consumo para poder ser integrado en un UAS.

Hay otros desarrollos insitu desarrollados por Thales, Selex, EADS, General Atomics, IAI,…

Se pueden encontrar otras variantes del SAR: - Radar de apertura sintética inverso (ISAR). El principio básico de

funcionamiento se basa, al igual que el SAR, en el movimiento relativo entre el radar y el blanco. En este caso el radar permanece estático y obtiene imágenes a partir del movimiento de rotación del blanco. Consecuentemente, habrá que eliminar todo movimiento distinto del de rotación, teniendo en cuenta que el movimiento entre plataforma y blanco no es conocido. La idea es generar imágenes de blancos no-cooperativos y, entre otras aplicaciones, utilizar dichas imágenes para su identificación. En la tesis doctoral Enfocado de imágenes de radar de apertura sintética inversa, encontramos nuevas técnicas y aplicaciones para este tipo de radar. Cabe destacar que, aunque no es específico de plataformas no tripuladas, el Laboratorio de Detectabilidad y Guerra Electrónica del INTA ha desarrollado un prototipo de radar capaz de obtener imágenes ISAR.

- SAR con indicador de movimiento del blanco móvil (SAR/MTI): radar de blancos móviles.

- SAR con indicador de movimiento del blanco en tierra (SAR/GMTI): detecta y sigue blancos móviles sobre extensas áreas. Reduce el tiempo de toma de decisiones estratégicas de horas a minutos.

Sensores específicos adicionales

Estos se incluirán o no dependiendo de la misión a la que esté dedicado el UAS.

- Sensores metereológicos (MET)

- Sensores de imágenes multiespectrales (MS) combinado con FLIR

- Sensores de imágenes hiperespectrales

- Altímetro14: Proporciona un método de estabilizar el avión a cierta altura. Usa la presión atmosférica para calcular la altitud y puede ser calibrado para corregir las variaciones de presión. Se utilizan sensores Altímetros Láser y Radar para aplicaciones de precisión (aterrizaje)

- Estabilizadores: Son giróscopos que estabilizan el avión durante el vuelo. (Gyrostabilized self propelled aircraft).

- Sensores inerciales: compuestos de giroscopios y acelerómetros. Combinados con la CPU controlan casi todo el avión.

- Sensores de presión (dinámico y barométrico): conjuntamente miden la velocidad real respecto al aire y la altitud barométrica.

- Sensores de temperatura: normalmente requeridos para correcciones atmosféricas.

14 Microcontroller Systems for a UAV

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- Sensores químico, biológicos, radiológicos y nucleares (CBRN). Generalmente empleados para la lucha contra la guerra química y bacteriológica.

- Sensores acústicos. Recogida de datos acústicos mediante micrófonos: Acoustic data collecting system for e.g. military community, has data processing unit for combining outputs of microphones to form direction vector representing direction from acoustic.

- Detección de energía láser.

- Sensores para detección de otros componentes químicos: vapor de agua, ozono, monóxido de carbono, dióxido de carbono, metano, óxidos de nitrógeno,…

La mayoría de estos sensores están ya disponibles o se están desarrollando,

pero la mayor necesidad para los próximos años será el aumento de la capacidad, disminuir el tamaño y el peso, disminuir el coste y optimizar la integración dentro del UAS.

En sensores y actuadores Boeing y la Universidad de California son los dos centros que más recursos están destinando a investigación en este campo.

Por países destaca la presencia de EE.UU. seguido, de lejos, por China.

EQUIPOS DE GUERRA ELECTRÓNICA

- De ataque electrónico (EA): Equipos encargados de realizar todo tipo de acciones orientadas al uso de energía electromagnética para atacar a las personas, infraestructuras y equipos con objeto de degradar, neutralizar y destruir la capacidad de combate del enemigo. Incluye entre otras

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actividades las Contramedidas Electrónicas (ECMs), las Armas Antirradiación (ARMs) y las Armas de Energía Dirigida (DEWs)

- De medidas de apoyo electrónico (ESM): equipos encargados de realizar

todo tipo de acciones orientadas a la búsqueda, interceptación, identificación y localización de radiaciones de energía emitidas intencionadamente o no por fuentes electromagnéticas, con objeto de identificar amenazas inmediatas para el empleo táctico de las fuerzas.

- De inteligencia de señal (SIGINT): Equipos encargados de realizar todo tipo de acciones orientadas a la recogida y almacenamiento de datos de radiaciones electromagnéticas radiadas por fuentes hostiles.

o Inteligencia electrónica (ELINT): Conjunto de acciones orientadas

a la recepción de señales para determinar los detalles del espectro electromagnético utilizado por el enemigo y desarrollar así contramedidas. Normalmente los sistemas ELINT recogen datos durante largo tiempo para poder ofrecer un análisis detallado de la señal

o Inteligencia de comunicaciones (COMINT): Conjunto de acciones orientadas a la recepción de señales de comunicaciones enemigas para extraer la información relevante de éstas.

CÁMARAS

En cuanto a cámaras, existen de varios tipos, pero básicamente son cámaras fotográficas y de video-filmación.

- Cámara disparadora. Conecta una cámara con un receptor GPS comercial. La fotografía puede ser dispara manualmente desde tierra con el receptor/transmisor, o automáticamente cuando el GPS sobrevuela un objetivo preprogramado. El corazón de este sistema es un microcontrolador, que es capaz de almacenar y ejecutar un programa.

- Cámara digital multiespectral: Proporcionará imágenes en hasta 10 bandas espectrales estrechas en el espectro visual e infrarrojo cercano. (Digital megapixels video camera e.g. commercial three megapixels video camera used in e.g. unmanned air vehicle, sends picture in form of series of analog video subpictures with limited analog video bandwidth through video link)

- LIDAR: Proporciona información sobre la elevación que se utiliza para la producción de ortofotos con la cámara digital multiespectral.

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-

Ortofoto de Salamanca. 2001(Fuente: Wikipedia)

- Cámara digital térmica: opera en dos bandas térmicas infrarrojas (SWIR: 3-5 µm y LWIR: 8-12 µm), con resolución espacial entre 1.1 u 2.2 m (dependiendo de la longitud de onda). Proporciona imágenes basadas en las variaciones de las firma térmicas. Permite escanear amplias áreas proporcionando fotos con áreas de diferentes temperaturas designadas por diferentes tonos de color para identificar áreas de interés. Se utiliza para la detectar pérdidas de calor, observar de noche, detectar humedad en el terreno,…

La detección y monitorización en las aplicaciones con UAS es fundamental, lo que requiere cámaras en distintas posiciones para detectar, observar y localizar objetivos de forma precisa. Un sólo vehiculo con diversas cámaras no sería capaz de proporcionar vistas simultáneas de un mismo objeto, por lo que proyectos como COMETS intentan usar un sistemas de UAS cooperativos para cubrir el mayor espectro posible y garantizar el éxito de la misión.

Se usan principalmente para ayuda a la navegación, guiado y control del vuelo (Visual model feature tracking for UAV control), aterrizajes (A vision-based landing system for fixed-wing UAVs using an inflated airbag),… a parte de todo el entramado de adquisión de imágenes y ortofotos (No ground control point making the orthophoto for the UAV remote) para múltiples aplicaciones. Otros aspectos en los que se usa la visión artificial es para la llocalización de objetivos (Application of machine vision in unmanned aerial systems for autonomous target tracking) y para evitar colisiones, tanto con obstáculos (Reactive vision based obstacle avoidance with camera field of view constraints) como con los diferentes vehículos en formación a la vez que poder estimar su posición (Vision-basesd multi-UAV position estimation - localization based on blob features for exploration missions).

EE.UU. lidera los desarrollos de tecnologías de cámaras, seguidos por los países asiáticos.

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Respecto a los centros destacan el Instituto Tecnológico de Georgia y la empresa Lockheed Martin Co.

ANTENAS

Las antenas en este tipo de sistemas están embarcadas en el UAV y

estacionarias en la estación de control. La elevada velocidad de transmisión de datos requiere de antenas especiales para satisfacer las necesidades. Los futuros desarrollos en este sentido han de ser antenas con la capacidad necesaria, a la vez que compatibles con el tamaño, peso, potencia y coste de un UAS.

Por ello, la tendencia en la tecnología de antenas es a miniaturizar para poderlas

usar en pequeños UAS. En el documento Improvement of communication reliability of small UAV by a tapered stacked antenna, se ha mejorado el ancho de banda designado para operar, mejorando la exactitud y precisión de estos vehículos.

Los materiales son diversos. Los últimos diseños tienden a fabricarse con silicio

de alta resistividad (HR-Si) mediante procesos de microelectrónica. (Design and fabrication of miniature antenna based on silicon substrate for wireless communication).

Una forma de mejorar las comunicaciones, es usar una formación de UAS a

modo de una matriz de antenas sincronizadas (Antenna array synthesis with clusters of unmanned aerial vehicles).

En antenas el mayor número de investigaciones se reparten entre EE.UU. y los

países asiáticos.

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En cuanto a centros son las empresas Boeing y Bae Systems Information

Electronic Systmes Integration Inc. las más activas.

ARMAS

Tan solo las usa el UCAV. La USAF define a los UCAV como “un sistema de armas accesible que puede ejecutar misiones de ataque letales sacando provecho del diseño y de la libertad operativa que otorga la reubicación del piloto fuera del vehículo”.

El UCAV ha de transportar pocas armas y pequeñas, lo que implica que han de ser más letales para poder cumplir los objetivos.

Los UCAV no van equipados con armas tradicionales. Las armas de energía directa son ideales para las misiones de estos vehículos. Las armas láser y microondas de alta energía (HPM) son extremadamente letales y precisas. Aunque su desarrollo avanza rápidamente, aún son muy grandes y necesitan cantidades ingentes de energía. (Ready-fire munitions e.g. direct-fire missile, delivery apparatus, has processor causing anchoring system to draw frame down in body of water to depth and to float frame from depth up to another depth).

El UCAV del 2025 ha de emplear tres tipos de armas:

− AIM-120 AMRAAM � misil activo guiado por radar capaz de atacar múltiples aviones enemigos. Está equipado con un sistema de guiado inercial. Para emplearla es necesario un radar de control de fuego con posición del blanco extremadamente preciso, así como datos de seguimiento.

− AIM-9 Sidewinder � misil de corto y medio alcance. − Misil hiperveloz � está siendo desarrollado para lograr la intercepción de los

misiles balísticos. En su vuelo el misil está guiado inercialmente.

Dada la complejidad de las guerras modernas, los estados se ven en la necesidad de desarrollar nuevos sistemas de armas. Es por ello que se ha empezado a usar los UAS como soporte y misión de combate. Actualmente la mayoría de los UAS pequeños sólo se usan para vigilancia y reconocimiento, permitiendo observar áreas sin poner en riesgo a los soldados. Pero se necesita que estos pequeños UAS cumplan más misiones. En el documento Weaponization of lightweight uas for support of military operations, los investigadores han desarrollado un UAS ligero armado para aplicarlo al nuevo terrorismo, como por

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ejemplo en lugares como Irak o Afganistán, donde se improvisan explosivos en lugares populosos (hombres bomba, motos bomba,…).

Un ejemplo actual es el sistema Predator, equipado con misiles Hellfire que opera desde hace años en misiones de ataque en Irak y Afganistán.

El documento UAV Weaponization da unas directrices en torno a cómo se ha de avanzar en este campo. Entre ellas, señala, que se ha de avanzar hacia un diseño de armas pequeñas y ligeras, a la par de inteligentes y con capacidad para poderse integrar fácilmente con el resto de sistema de la aeronave.

Boeing Co. y Lockheed Martin Co. son las empresas que más recursos han destinado a investigar en esta tecnología.

En cuanto a países, EE.UU. lidera el campo ampliamente.

5.2.- SEGMENTO DE TIERRA

La estación de control forma parte del segmento tierra del UAS e incluye el

conjunto de equipos y sistemas que asume las tareas de planificación y control de la misión (control de vuelo, control de la carga útil), distribución o diseminado de la información a usuarios exteriores, comunicaciones con el ATC,…

Además incluye los sistemas de comunicaciones y enlaces de datos LOS (Line of

Sight) o BLOS (Beyond Line of Sight) necesarios para acceder a la plataforma o a los sistemas externos.

Como ya se ha comentado anteriormente, aún para sistemas totalmente

autónomos, es necesaria una conexión a tierra para, al menos, definir y supervisar la misión.

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5.2.1.- ESTACIÓN DE CONTROL

Consta del equipo físico y de los medios humanos que dirigen y controlan la misión desde la estación base. Puede estar situada en tierra, mar o aire y puede estar en un emplazamiento fijo o en una unidad móvil.

Las funciones que desempeña son las siguientes:

- Planificación de la misión. La misión se constituye fundamentalmente por la definición del plan de vuelo a seguir y por acciones que debe ejecutar la carga útil. En el artículo Generación de trayectorias y toma de decisiones para UAVs, se hace una descripción de un algoritmo planificador de rutas en entornos hostiles. Esto es, inicialmente se planifica una ruta que, en función de los datos que va obteniendo la aeronave conforme avanza, se replanifica la ruta.

- Comunicación con el UAS y su carga útil para transmitir las órdenes. Se usan antenas direccionales, que mediante sistemas de apuntamiento, consiguen mantener comunicaciones de gran alcance.

- Control, seguimiento y operación del vehículo aéreo. La aeronave transmite datos telemétricos que proporcionan al operador información sobre el vuelo: velocidad, altitud y posición.

El conocer aspectos del vuelo como posición y altura, no es inmediato, lo que genera un problema a la hora de realizar acciones asociadas a la misión. Hasta ahora el planeamiento de la misión se hace independiente, por un lado se define la ruta de vuelo, y por otro las acciones de la carga útil. Se requiere el desarrollo de sistemas de control del UAS integrados.

El seguimiento de la misión se hace a través de los datos enviados por el vehículo. En función de la capacidad que tenga el operador humano puede o no redefinir la ruta de vuelo.

- Manipulación de la carga útil y procesado de datos. Los datos recibidos por el GCS son los que proporciona la carga útil. Los sensores y sistemas de a bordo pueden recolectar gran cantidad de información y enviarla en tiempo real a la estación. Para solventar las limitaciones de las líneas de radio se pueden emplear satélites. Pero los satélites actuales son incapaces de soportar esto (por ejemplo: una película de video necesitaría un ancho de banda de 2.16 Mbps. Los satélites comerciales de comunicación ofrecen de 2.4 Kbps a 9.6 Kbps. Los militares 64 Kbps como máximo). Se necesitan grandes avances en este campo. Una red de comunicaciones por satélites más grande aumentará la capacidad de los UAS. El UAS necesita transmitir los datos con procesado de señales sofisticado y técnicas anti-embotellamiento (Studies on novel anti-jamming technique of unmanned aerial vehicle data link), sostenido por sistemas lógicos robustos que permitan al vehículo continuar su misión y regresar a la base si la conexión falla.

La autonomía es fruto de un software extremadamente complejo llamado inteligencia artificial (AI). La autonomía reduciría el requerimiento de datos. Un

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vehículo pilotado remotamente con poca autonomía requiere que el operador humano disponga de toda la información necesaria. Esto se traduce en una cantidad ingente de datos que ha de fluir por unos conductos limitados. Por el contrario, un UAS autónomo con AI posee habilidades cognitivas y de razonamiento similar a las del piloto humano, por lo que la cantidad de información que ha de ser transmitida a la estación de control terrestre se reduce drásticamente. (Application of artificial intelligence techniques in uninhabited aerial vehicle flight).

Aunque la técnica está muy avanzada para aplicarlos a UAS es necesario seguir

investigando para hacer al UAS plenamente autónomo. En el documento Artificial intelligence methodologies applicable to support the decision-making capability on board unmanned aerial vehicles se presentan diferentes arquitecturas AI aplicables para cada subsistema.

Otro software que se ha de desarrollar es el software de la GCS. El software diseñado para dichas labores ha de ofrecer una serie de opciones y ayudas de manera tal que pueda ser muy fácil y amigable su manejo. Entre el software que se ha ido desarrollando se puede citar como ejemplo los siguientes:

- Para definición de la ruta de vuelo: Multiple UAVs path planning algorithms: a comparative study.

- STOMP: Software para la simulación, operaciones tácticas y planeamiento de la misión. Implementa arquitecturas de control para simular, controlar y comunicarse con UAS que son utilizados en aplicaciones sensitivas.

- UAV STE: Desarrollado para el Predator RQ1A. Es un software complejo, codificado en C, compuesto por múltiples procesos, funcionando en hardware Intel bajo el sistema operativo Windows 2000. Existen varios procesos en cursos cuando el STE está funcionando.

- JackTM Intelligent Software Agent: Elige la mejor ruta de vuelo después de evaluar los datos de vuelo en tiempo real y de las condiciones atmosféricas a través de un link directo entre el piloto automático y el GPS. Se actualiza constantemente con valores de velocidad del viento, velocidad respecto al suelo, posición, flujo,…

El software del piloto automático tiene tres partes.

- Software de control de tierra: se utiliza para fijar el lazo de control, hacer los ajustes en los servos y para simulaciones pre-vuelo. Es una herramienta importante durante la programación del piloto automático ya que informa de todos los errores fatales generados por el código de vuelo y permite al usuario simular diferentes condiciones atmosféricas y problemas durante el vuelo (pérdida de la señal del GPS, batería baja…)

- Código de vuelo: El plan de vuelo es programado por el usuario e implementado en el piloto automático mediante conectores con el GCS. Se guarda en la memoria no volátil.

- Ajustes: los datos de actuación, los ajustes de los servos, los niveles críticos de las baterías y demás controles son fijados por el usuario y transmitidos a la aviónica del sistema.

Otro concepto que cabe mencionar en este apartado es el de la

interoperabilidad desde la estación terrestre, es decir, el control de una serie de UAS desde tierra. Este concepto tiene que ver con el hecho de poder manejar los

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diferentes UAS desde la misma estación de control, es decir, que no sea necesario que cada vehiculo lleve asociada su propia GCS, lo que dificultaría mucho el manejo y la coordinación adecuada de las operaciones.

El objetivo de la interoperabilidad es que se puedan integrar un nuevo UAS en la

escena de la misión integrado a su vez con las estaciones de control y con las redes externas (C4I o NEC). Esto supone un esfuerzo para crear sistemas independientes. Se hace necesaria una normalización en aspectos tales como el enlace de datos (DataLink), grabación y almacenamiento de datos y arquitectura de la estación terrestre. En el artículo Interoperabilidad en GCS para UAS (pag.9 y ss.), se explican de forma detallada estos requerimientos.

FASES DEL CONTROL DESDE GCS

Planificación de la misión, ejecución y seguimiento

El planeamiento y ejecución de la misión son las partes críticas del proceso de adquisición de datos. Ambas son implementadas con una considerable inteligencia interna, de forma que no sea necesario intervenir de forma interactiva a menos que sea estrictamente necesario. La misión la ejecuta el sistema de control de vuelo autónomo. Hay que tener en cuenta siempre que, aunque el UAS vuele de forma autónoma, siempre es posible tomar el control del mismo desde la estación de tierra.

Dentro del planeamiento de la misión, estaría la definición de la ruta de vuelo. La ruta de vuelo, como ya se ha comentado anteriormente en el documento, se hace a partir de una definición de puntos sobre los que se ha de ir pasando. Importante también es la ruta de retorno, necesaria para que, en todo momento, durante la misión, la aeronave sepa como volver a la base en caso de abortar la misión.

A lo largo del análisis de la documentación para elaborar el informe, se han identificado diferentes métodos de generación de trayectorias:

- La generación de una trayectoria de vuelo óptima con optimización dinámica es un método que se está empezando a aplicar en la planificación de rutas para UAS. Se generar trayectorias en 2D y 3D, a la vez que se evitan obstáculos y peligros. (Using on-line simulation for adaptive path planning of UAVs).

- Otro método se basa en la ruta de Dubins y forma una trayectoria con múltiple combinaciones geométricas de radio constante y líneas rectas (Dubins trajectory tracking using commercial off-the-shelf autopilots).

- Generación de trayectorias basado en curvas Bezier, que expresan las limitaciones del UAS: velocidad máxima, mínimo radio de curvatura, velocidad y aceleración. Dos puntos y dos vectores que representan la velocidad de entrar y la velocidad en ese momento del UAS definen la curva Bezier. (UAV Airspace Management System UAMS).

- Técnicas basadas en EC (Evolutionary Computation). Se puede aplicar tanto a un sólo vehiculo como a una flota de UAS. Esta técnica es atractiva para resolver complejos problemas de planificación a gran escala porque el gradiente de información sobre las funciones objetivo y restricciones no se

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necesita durante la búsqueda de la mejor solución. (Parallel evolutionary algorithms for uav path planning).

- Otra forma de planear la ruta se basa en determinar la trayectoria de vuelo basada en una multitud de inputs incluyendo punto de inicio y punto final, es decir, dónde ha de empezar y acabar la misión del UAS. Además de estos puntos se incluyen otros puntos de interés como pueden ser localizaciones, edificios, vehículos, personas, objetivos, peligros…, datos del terreno procedentes de una base de datos, de amenazas, mapas, señal acústicas, flora, climatología, fotografía aérea, cartas aeronáuticas,… (Flight path planning to reduce detection of an unmanned aerial vehicle).

Otros aspectos que se han de definir son la misión de la carga útil, definición de objetivos, localización de blancos (Target geolocation from a small unmanned aircraft system), calculo de la posición,…

Además de todo esto, hay que realizar un seguimiento de la misión para comprobar que el estado de la misma es correcto. (Trajectory tracking for unmanned air vehicles with velocity and heading rate constraints).

En la estación de control, el piloto humano controla las entradas de datos, los módulos aerodinámicos, controla los parámetros básicos de maniobras como el aterrizaje, operaciones de reconocimiento,… Por ello, la interfaz humano-UAV se desarrolla para facilitar la cooperación eficiente entre el vehiculo y el operador humano dentro de un ambiente dinámico de intercambio de información (On efficient cooperative strategies between UAVs and humans in a dynamic environment).

El US Air Force junto con el Instituto de Tecnología de Massachusetts son los dos centros más activos en este campo.

Los países más destacados en estas investigaciones son EE.UU., junto a Corea y Reino Unido.

Recepción y archivado de datos

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La cantidad de datos que pueden ser almacenados a bordo es limitada, por lo que es necesario descargarlos hacia la estación de tierra mediante el lazo de Telemetría, siempre que exista Línea de Visión (LOS) radioeléctrica. Si hubiese que controlar uno o más UAS desde la estación de tierra y estuvieran localizados a una distancia superior a la LOS, es necesario colocar un avión intermediario (relé) en la recepción y transmisión de datos a una altura adecuada.

Además de la inspección en tiempo real de los datos recibidos, éstos se archivan. Si los datos están relacionados con la misión y se detecta alguna anomalía, la misión se readapta y se vuelve sobre la zona. Si son datos para procesar se guardan para, posteriormente, iniciar su tratamiento.

Los datos enviados por el sistema UAS se pueden encriptar para transmitirlos por el enlace de datos. (Radio frequency communication apparatus e.g. holographic radar system, holographically encodes baseband data, by phase-coding and sequentially performing mathematical transform on phase-coded data, and transmits encoded data).

La empresa Boeing es la más destacada en investigaciones relativas a archivado y recepción de datos.

En países tenemos como líder a EE.UU.

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Procesado de datos:

Para proporcionar imágenes e información adecuadas al público todos los datos primarios han de ser corregidos. Esto incluye la calibración de la información espectral y geométrica y corregir las influencias atmosféricas.

De esta manera se pueden ofrecer al usuario imágenes aéreas, ortoimágenes, modelos de elevación,…, pero también información derivada de ellas, como pronósticos de las cosechas, trazado de productos…

Como ya habían apuntado los expertos en este tema, en cuanto al procesado de datos queda mucho por hacer aún. No se han identificado muchas referencias en cuanto a cómo se procesa la información en la GCS una vez que se ha almacenado para que pueda ser útil.

Se ha desarrollado por ejemplo, el tema de la obtención de imágenes de mejor calidad. Es decir, equipos de procesamiento que generan las imágenes de calidad fotográfica del área escaneada. (Super-resolution image reconstruction from UAS surveillance video through affine invariant interest point-based motion estimation).

En el artículo Information-theoretic data registration for UAV-based sensing, se presenta una nueva forma de fusionar datos para labores de reconocimiento, supervivencia y seguimiento.

En el estudio European Civil Unmanned Air Vehicle Roadmap, se apunta a que es necesario centrar esfuerzos en la creación de Estaciones de Aplicación de Datos.

En el tema de procesado de datos la Universidad de Linkopings descata en número de publicaciones.

En cuanto a países, tras el liderazgo de EE.UU. está Suecia.

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5.3.- SISTEMA DE LANZAMIENTO Y RECUPERACIÓN

El Sistema de Lanzamiento y Recuperación (Launch and Recovery System-LRS), se puede considerar como parte de la estación de control, pero en este estudio vamos a considerarlos como un elemento externo.

Es el sistema utilizado para el control del UAS durante la rodadura (taxiing), el despegue, la parte inicial del vuelo y la aproximación y aterrizaje (es decir, su lanzamiento y recuperación). Estos LRS varían en función del tamaño y peso de los UAS.

5.3.1.- SISTEMA DE RECUPERACIÓN

El sistema de recuperación del avión puede variar en función del tipo de UAS. Lo más destacados se van a enumerar en un breve listado:

- Aterrizaje por visión artificial. Se estima la posición en función de las imágenes recibidas para poder aterrizar el UAS de forma autónoma. (Towards vision-based autonomous landing for small unmanned air vehicles: image processing hardware development)

- Paracaídas (Deployment brake release system for use in parachute for precision cargo delivery, has hook, mounted to automatic guidance unit (agu) frame, which releasably secures deployment brake release lines connected to parachute canopy)

- Aterrizaje en pista, sobre un tren de ruedas, guiado o automático. Dentro del programa PLATINO, del INTA, se ha establecido un proyecto complementario denominado SATA (Sistema Avanzado de Aterrizaje Automático)

- Recogidos por una red - Aterrizaje vertical: (Vertical takeoff and landing aircraft propulsion

systems)

En este documento Alternative Recovery Methods se ilustran métodos alternativos de recuperación.

5.3.2.- SISTEMA LANZADOR

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Al igual que el sistema de recuperación, el sistema lanzador usado se elige en

función del tipo de UAS. - Despegue sobre un tren de ruedas (guiado o automático) - Lanzados desde una rampa mediante actuadores neumáticos - Lanzados mediante cohetes auxiliares - Lanzados a mano - Lanzados desde una plataforma submarina. El proyecto lleva por nombre

Sothoc, y es liderado por Raytheon.

En el Yearbook 2008/2009 hay un artículo que muestra distintos tipo de lanzaderas.

5.4.- SIMULADORES Y TEST

Un número destacado de documentos encontrados en el transcurso del estudio se refieren a simuladores y test para hacer pruebas en distintos estadios de la creación de UAS.

6. RESUMEN TENDENCIAS TECNOLOGICAS - ROADMAP

A modo de resumen del apartado anterior y tratando de hacer un mapa de ruta15 tecnológico, se propone el siguiente apartado.

Sin duda, la mayor barrera que existe para la entrada en el mercado civil de los

UAS es la aceptación dentro del espacio aéreo ATC/ATM, a la par que aumentar la seguridad y la fiabilidad y reducir costes. Para ello se han de cumplir ciertas directrices:

- Permitir a los UAS civiles volar en cielo europeo. - Proporcionar interfaces de trabajo de los pilotos avanzadas para aumentar la

seguridad. Esto conlleva el desarrollo de tecnologías de fácil compresión y procedimientos de emergencia simples.

- Establecer criterios de fiabilidad para los UAS civiles. - Diseñar UAS adaptados a los requerimientos civiles, no sólo intentar

modificar los ya existentes. - Fabricación con eficientes costes operacionales.

DIRECTRICES TECNOLÓGICAS

15 European Civil Unmanned Air Vehicle Roadmap. 2005

58

Básicamente la tecnología a aplicar en los UAS civiles será la que ya está desarrollada para los aviones de pasajeros pero adaptada. Esta transferencia de tecnología se hará a diferentes niveles. El principal interés se centra en el tema de la seguridad. La no presencia de un operador humano en el avión hace que los sistemas de seguridad hayan de ser desarrollados y certificados. Otros campos en los que se ha de mejorar la eficiencia y asequibilidad son: Aerodinámica, estructuras, propulsión, equipos y sistemas, carga útil, Estaciones de control de tierra fiables, creación de estaciones de aplicación de datos,…

Se tratará, pues, de dar unas directrices básicas de las principales tecnologías

que permitirán que los UAS civiles entren a formar parte del espacio aéreo.

SEGURIDAD y FIABILIDAD

• SEGURIDAD

Como se ha venido comentando a lo largo del informe el tema de seguridad es el que más interés suscitas, por lo que para asegurar un vuelo de UAS seguro se han de tener en cuenta aspectos tales como: navegación segura y autónoma, capacidad de decisión de cambio de ruta en caso de emergencia, despegue y aterrizaje automático en condiciones normales y en caso de emergencia, además de formas alternativas de aterrizaje y despegue, poder volar en el espacio aéreo controlado y no controlado, a la vez que sobre áreas pobladas, sistemas de propulsión más ecológicos y seguros, mayor duración de las misiones, aviónica que asegure que la misión se desarrolla en el entorno para el que fue lanzado,…

Además de esto hay un factor social muy importante. Se ha de ir introduciendo

este concepto en la sociedad para que vaya siendo conocido, a la vez que cree nuevas necesidades de usuario.

• FIABILIDAD

En este aspecto es necesario investigar, desarrollar y/o mejorar tecnologías en aspectos tales como nuevos diseños que aseguren un sistema robusto, componentes con elevada fiabilidad y tender a integrar y disminuir su número, mejorar el sistema de comunicaciones y el de propulsión . Además se ha de centrar en la redundancia de los sistemas, es decir, investigar en mejorar los sistemas redundantes, tratar de fusionarlos, y que esto sea con un coste asequible.

Otro aspecto en este apartado seria el concepto de emergencia, cómo han de

terminar los vuelos en caso de accidente mitigando el daño. Por último y fundamental es la integración con sistemas ATC/ATM.

El siguiente esquema trata de ser un resumen de los requerimientos de

seguridad y fiabilidad de estos sistemas.

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Desglose detallado de Seguridad y Fiabilidad

COSTES

Otro aspecto fundamental para que los UAS se integren en las actividades civiles es que sean económicos. Para ello las tecnologías clave asociadas con los costes han de mejorar.

• MEJORA DE LA EFICIENCIA AERODINÁMICA

Existe una necesidad de mejorar la eficiencia general en un 20%-30% para que

los sistemas UAS sean más económicos. Se conseguirá mejorando aspectos tales como:

- Incremento del ratio sustentación/resistencia en un 30% - Diseños avanzados de alas para mejorar el flujo laminar en toda la

estructura. - Estructuras mejoradas (mayor resistencia a la fatiga) que aumenten la vida

útil del sistema. - Nuevos diseños de estructuras (morphing) que ofrezcan vuelos

aerodinámicos óptimos, en diferentes regímenes de vuelo. - Control activo del flujo para mejorar la eficiencia aerodinámica.

• MEJORAS EN LA EFICIENCIA DE LA PROPULSIÓN

La eficiencia en la propulsión debe mejorar en torno a 20%-30%. Para ello, se propone el desarrollo de nuevas plantas de generación de energía, así como buscar

60

métodos alternativos de propulsión para reducir, por un lado el consumo de fuel (en 20%-30%) y por otro, el peso (15%-25%).

Este enfoque viene de la mano de la innovación, investigación y desarrollo en materiales ligeros y duraderos, mejorar ratios propulsión/peso, a la vez que métodos mejorados de los sistemas de propulsión disponibles.

Otro aspecto en el sistema de propulsión, es el relacionado con la emisión de gases contaminantes (a medio plazo reducción de NOx en 20%) y los ruidos (a medio plazo en -5 dB).

• MEJORAS EN LA EFICIENCIA DE LA CARGA ÚTIL

Para lograr mejoras en este campo se han de crear interfaces estándar para que

los tiempos de respuesta sean mínimos, sistemas “plug and play” para mejorar las opciones de usuario, minimizar la huella de la carga útil para reducir el peso, avanzar en los sistemas multisensado y menores requerimientos de energía.

• MEJORAS EN LA ESTACIÓN DE CONTROL DE TIERRA

En la mejora de la eficiencia de la GCS están involucrados, por un lado, la reducción de la intervención del factor humano en un 50%, a la vez que mejorar la eficiencia de las interfaces operador-vehiculo y que desde la GCS se puedan controlar misiones diferentes al mismo tiempo.

Por otro lado, se ha de hacer énfasis en crear procedimientos de emergencia simplificados y comunicaciones efectivas y seguras con la ATC.

• MEJORAS EN EL MANEJO DEL VEHÍCULO

En este punto se incluyen todos los componentes necesarios para lograr un

vuelo autónomo y seguro del UAS. Esto es, control y sistemas de gestión de vuelo avanzados, sistemas avanzados de monitorización de la estructura para crear diagnósticos tempranos con objeto de aumentar la seguridad y la duración del sistema, minimizar sensores y actuadores a la vez que se aumenta su fiabilidad, su tolerancia a fallos y se minimizan sus requerimientos de energía.

• MEJORAS EN EL SISTEMA DE COMUNICACIONES

En el estudio del sistema de comunicaciones hay que considerar aspectos tales como asignación del espectro y su uso eficiente, enlace de comunicaciones de banda ancha, de mayor seguridad y totalmente redundante, nuevos algoritmos para comprimir datos de forma que se disminuya la velocidad de transmisión de datos, nuevos algoritmos de corrección de errores, comunicación mediante voz entre el operador del UAS y la ATC. También se considera necesario, y de hecho ya se está dando, la evolución de las antenas embarcadas a antenas embebidas en la estructura.

61

• REDUCCIÓN DEL PESO

Se propone reducir el peso en vacío (hasta un 40%) del UAS manteniendo el

compromiso entre fortaleza de la estructura y disminución del peso, desarrollando estructuras inteligentes que optimicen la fortaleza del material.

• MÉTODOS DE OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO

La reducción de costes en este apartado vendrá de la mano de conceptos tales como uso de herramientas de toma de decisiones avanzadas, reducción de los sistemas de comunicaciones entre vehiculo y tierra usando tecnologías más baratas, usar métodos de control de la calidad más modernos, diseño y fabricación de bajo coste de adquisición, reducir el número de piezas y de repuestos a mínimo,…

A modo de resumen se presenta el desglose típico que representan los costes en el siguiente diagrama:

Desglose detallado de Costes

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7. APLICACIONES ACTUALES Y PROSPECTIVA DE FUTURO

Tradicionalmente, los UAS se han venido utilizando como agentes de Inteligencia, Vigilancia, Reconocimiento y localización de objetivos (ISR/TA). Pero existen otras muchas aplicaciones para estos sistemas. Desarrollados, inicialmente, para usos militares y defensa, el abanico de posibilidades de aplicación se extiende al terreno civil y comercial a medida que se avanza en el desarrollo de tecnologías y en el terreno de la normativa y certificación.

A medida que las investigaciones avanzan, la tecnología madura, mejora e innova, de forma que los UAS son capaces de llevar a cabo misiones cada vez más complejas.

Para intentar hacer un mapa lo más completo posible de todos los usos que se le pueden dar a estos sistemas, se va a distinguir entre aplicaciones militares y aplicaciones civiles. De los documentos con los que se ha trabajado 281 (72%) corresponden con aplicaciones en campo civil y 110 (28%) en campo de defensa. Esta disparidad presupone, por un lado, el amplio potencial de uso que tendrán estos sistemas una vez se puedan usar sin restricciones. Por otro, hay que tener en cuenta que, en el terreno militar, no se cuenta con toda la información disponible, al haber mucho documento reservado.

El reparto de las aplicaciones identificadas se hace según los siguientes gráficos:

ISR38%

Transporte1%

Comunicaciones2%

General2%

Vigilancia ypatrulla

3%

Localización de recursosnaturales

1%

Agricultura yEcologia

14%

Búsqueda yrescate

9%

Climatologia6%

Desastres7%

Filmografia0%

Inspeccion aerea y

observaciónde la tierra

11%

Inspeccion deinfraestructuras y obra civil

3%

Investigacióncientifica

3%

Guerra37%

ISR25%

Búsqueda yrescate

5% Enlace decomunicacion

es12%

Asistenciamédica

2%

Supresión de defensas aéreas y

deminado7%

Monitorización12%

Aplicaciones civiles Aplicaciones militares y de defensa

A continuación se detallan de forma breve las distintas aplicaciones, junto al listado de los documentos relacionados con las mismas. Cabe señalar que hay aplicaciones que se pueden solapar en ambos campos, pero aquí han sido tratadas de forma individual para hacerlo más sencillo.

APLICACIONES MILITARES Y DE DEFENSA

El desarrollo de UAS requiere de una gestión de espacio aéreo más autónoma e inteligente. El escenario de batalla de las guerras actuales ha variado y con él, aparecen nuevas formas de lucha contra el enemigo. Cabe señalar aquí, que

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muchos autores apuntan a la creciente tendencia al empleo de mini-UAS en el campo de batalla, debido, por un lado, a su bajo coste, por otro a la capacidad de desplegar muchos simultáneamente con misiones diferentes y que las pérdidas de los mismos no suponen un coste económico excesivo.

El siguiente gráfico16 muestra la evolución del los UAS militares en la Unión Europea. Se estima que entre 2008 y 2016 el mercado ronde los 8 billones de dólares, con un reparto en más de 600 UAS tácticos, más de 200 UAS tipo MALE, 5 UAS tipo HALE y alrededor de 10.000 mini-UAS.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

2008

2009

2010

2011

2012

TUAS MALE HALE MUAS

Mercado Europeo de UAS militares17

- Inteligencia, Vigilancia, Reconocimiento: El avión proporciona imágenes, datos electrónicos y vídeos. Esta información puede ser utilizada para todo, desde dirigir el avión de combate a los objetivos, hasta monitorizar los movimientos de las tropas enemigas, o valoración de los daños causados durante la batalla, es decir, permite obtener inteligencia de forma continua del territorio enemigo. El sistema ISR es uno de los elementos de batalla primario llegando a ser vital para las operaciones militares, puesto que los UAS proporcionan capacidades críticas como mejor conocimiento de la situación, mejor protección de tropas y recopilación de datos que mejoren la inteligencia.

- Monitorización:

o Objetivos: Detectar y perseguir vehículos con cargas peligrosas.

o Valoración de daños en el campo de batalla.

16 UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS (UAS) MARKET OUTLOOK. Noviembre 2008. Eurocontrol. 17 UAS Market Revenues (Europe). 2007-2016. Frost&Sullivan

64

- Enlace de comunicaciones. Harán de relay de comunicaciones multimodo y multibanda, permitiendo el despliegue de fuerzas, el enlace entre puestos de comando alejados de las unidades

- Búsqueda y rescate. El sistema UAS buscará a la tropa herida y facilitará su rescate del campo de batalla.

- Suministro:

o Aéreo

o A tropas en campo de batalla

o Medicina: Transporte de suministros médicos necesarios en el campo de batalla.

- Supresión de defensas aéreas enemigas y deminado de campos: Pueden detectar sistemas de defensa aérea y enviar los datos de detección y localización a los elementos de maniobra o incluso atacar él mismo esos sistemas.

- Guerra.

o Ataque con misiles. En el combate aire-aire se usarán los UAS y misiles de crucero y balísticos.

o Defensa contra Misiles Crucero y Balísticos. Las características de los UAS aumentan las capacidades de los sistemas de defensa anti-misil, en cuanto a detección, e incluso permitiría atacarlos en profundidad.

o Guerra electrónica: Conjunto de acciones militares orientadas a determinar, explotar, reducir o prevenir el uso hostil del espectro electromagnético por el enemigo y a mantener su utilización por las fuerzas propias.

o Guerra química y bacteriológica: Detección de agentes químicos y biológicos

o Ataque a Objetivos Móviles: Como complemento a las tareas de vigilancia y reconocimiento, podrán realizar misiones de ataque estratégico y apoyo aéreo.

o Ataque a Objetivos Fijos: Realizarán misiones contra objetivos en apoyo de las operaciones de ataque estratégico y apoyo aéreo.

- Asistencia médica urgente para heridos en el campo de batalla.

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APLICACIONES CIVILES

Como ya se ha mencionado, muchas de las aplicaciones mencionadas en el campo militar y de defensa pueden ser exportadas al terreno civil. Hay que tener en cuenta que, la proliferación de UAS en este ámbito pasa necesariamente por el desarrollo de normativa y certificación que permitan la libre circulación de estos aparatos en toda clase de espacios aéreos.

El siguiente gráfico18 muestra la evolución del mercado de los UAS civiles y comerciales en la Unión Europea.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

Comunicaciones y televisión Agricultura, silvicultura y pesca Observación terrestre

Sector energía Incendios Gobierno

Mercado Europeo de UAS civiles y comerciales19

- Inspección de infraestructuras y obra civil

o Líneas eléctricas

o Oleoductos y gasoductos

o Puentes, viaductos, presas

- Vigilancia y patrulla

o Inmigración ilegal

18 UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS (UAS) MARKET OUTLOOK. Noviembre 2008. Eurocontrol. 19 UAS Market Revenues (Europe). 2007-2016. Frost&Sullivan

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o Contrabando

o Supervisión del tráfico

o Dispersión de manifestaciones, reyertas, lucha contra el crimen

o Protección de autoridades

o Seguridad estatal: desplegar UAS para vigilar las aguas costeras, las fronteras y proteger las redes de distribución más importantes de petróleo y gas.

o Fugas de la cárcel

- Filmografía

o Cine

o Reportaje fotográfico

- Inspección aérea y observación de la Tierra

o Topografía

o Mapeo

o Fotogrametría: Fotografía aérea vertical a baja cota. En los últimos años muchas han sido las aplicaciones de los UAS en este campo. Esto se debe al bajo coste del sistema GPS/INS necesario para que el helicóptero navegue con elevada precisión sobre el objetivo deseado y desde diferentes posiciones.

o Fotografía aérea

o Reconstrucciones 3D, de edificios de ciudades a partir de imágenes adquiridas por UAS.

o Inspección visual y observación de la Tierra

- Climatología

o Muestreo y monitorización de partículas de aerosol

o Monitorización de contaminación atmosférica.

o Meteorología.

o Supervisión de tormentas: midiendo los campos eléctricos y magnéticos invisibles que envuelven a la tormenta. Esto combinado con medidas ópticas de los destellos de los rayos, da como resultado un cuadro mucho más completo de la infraestructura eléctrica de las tormentas.

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o Vigilancia de avalanchas de nieve

- Agricultura y ecología

o Aplicación de fumigantes, estrés hídrico, agricultura de precisión.

o Control de cosechas

o Control del entorno ecológico en áreas locales

o Inventario de fauna silvestre, conservación de especiales, caza furtiva

- Desastres naturales y no naturales

o Huracanes, riadas y volcanes, derrumbes

o Evaluación de daños. Incendios, vertidos, radioactividad, explosiones, accidentes químicos (El mayo de 2009, dentro del proyecto AWARE que coordina el AICIA de Sevilla, se realizaron una serie de experimentos con helicópteros no tripulados y trabajando de forma conjunta. Uno de ellos fue la detección automática de incendios y la coordinación con equipos terrestres. El otro fue la inspección de un área potencialmente peligrosa con dos helicópteros).

- Localización de recursos naturales

o Minería

o Detección de bancos pesca

- Enlace de comunicaciones: Transmisión de comunicaciones

- Transporte

o Paquetería: función similar a las empresas de transporte urgente. Proporciona un sistema de carga seguro y automático, que puede operar las 24 horas del día y los 7 días de la semana, proporcionando una garantía de reparto en el mismo día. Ofrece beneficio a empresas de parques industriales que necesitan hacer entregas urgentes a otros parques industriales a distancias mínimas de 480 kilómetros hasta un máximo de 1600 kilómetros, pudiendo garantizar la entrega en 8 horas. Sería independiente del aeropuerto, su coste está en relación. Opera bajo el espacio aéreo Clase E, que es el mas grande y de menor densidad.

o Diversas cargas (Dentro de las demostraciones efectuadas dentro del proyecto AWARE, se llevó a cabo un experimento que consistía en el transporte conjunto de una carga mediante 3 helicópteros no tripulados)

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o Medicinas

o Suministro en caso de emergencia

- Búsqueda y rescate: en situaciones de emergencia y catástrofes si va equipado con transmisores de geo-localización. Además de localización de objetivos

o Naufragios, accidentes en montaña o zonas de difícil acceso.

- Investigación científica.

En el Yearbook2008 de la UVS, existe un amplio listado de aplicaciones no militares para UAS. Estas aplicaciones están relacionadas con el interés que muestran los países por cada una de ellas. Así, España ha mostrado especial interés en los siguientes campos:

- Control costero de la inmigración ilegal. - Control de la pesca. - Estudios de zonas costeras. - Fotografía aérea y filmografía. - Monitorización de incendios forestales.

8. NORMATIVA Y CERTIFICACIÓN

Los estándares internacionales de aeronavegabilidad tienen como objetivo definir un nivel mínimo para el reconocimiento de los certificados emitidos por otros Estados, asegurando así la protección de aeronaves, personas y terceras partes en el territorio nacional. Los Certificados de Aeronavegabilidad para las aeronaves civiles tripuladas, van en favor de la seguridad de los pasajeros y, ante una eventual caída, de las personas y cosas en el lugar del impacto. Para el caso de los UAS hay que tener en cuenta que éstos pueden causar daños a personas y bienes tanto en vuelo como durante una caída imprevista.

Por otro lado, el vuelo en espacio aéreo no segregado es imposible a día de hoy. En la monografía editada por el Observatorio de UAS, Robótica y Sistemas Aéreos. Ministerio de Defensa. Gobierno de España. UAS “Unmanned aircraft system”. sobre su integración en el espacio aéreo no segregado, se analiza de forma detallada esta problemática. La explosión del mercado civil y comercial de los UAS pasa necesariamente por la coordinación de todos los países en materia de regulación y certificación que tenga como fin último lograr que estas aeronaves se integren espacio aéreo y puedan operar de forma autónoma. En el siguiente gráfico se trata de reflejar los pasos a seguir para la integración total de los UAS.

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UAS sin certificación de tipo UAS con certificación de tipo

UAS experimentales UAS

gubernamentales UAS civiles/gubernamentales

PASO 1

Espacio Aéreo Segregado

PASO 2

Espacio Aéreo No Segregado

PASO 3

Espacio Aéreo No Segregado

PASO 4

Espacio Aéreo No Segregado

PASO 5

Espacio Aéreo No Segregado

Vuelo dentro de frontera nacional

Competencia nacional

Mundial

OACI

Integración paso a paso20

La siguiente tabla es el listado de los documentos encontrados en durante la realización del informe que se han indexado en bajo el epígrafe de normas y regulaciones.

TITULO AUTORES CENTROS PAISES Fecha

EVOLUTION OF A UAV AUTONOMY CLASSIFICATION TAXONOMY

SHOLES, ERIC CTR DEV & ENGN EE.UU. 01/01/2007

INTRODUCING UAV IN THE CNS/ATM USING COOPERATIVE MULTIAGENT NEGOTIATION

CORREA, M. A. CAMARGO, J. B., JR.

UNIV. SAO PAULO BRASIL 01/01/2007

CURRENT STATUS AND FUTURE PERSPECTIVES FOR UNMANNED AIRCRAFT SYSTEM OPERATIONS IN THE US

DALAMAGKIDIS, K. VALAVANIS, K. P. PIEGL, L. A.

UNIV. SOUTH FLORIDA EE.UU. 01/06/2008

AIRCRAFT AIRWORTHINESS CERTIFICATION STANDARDS FOR CIVIL UAVS

HADDON DR WHITTAKER CJ

CIVIL AVIATION AUTHORITY

REINO UNIDO

01/02/2003

AIRCRAFT AND ATM AUTOMATION SYMPOSIUM

MARTINE SEGUR ACADEMIE NNL.E DE L´AIR ET DE L´ESPACE´

FRANCIA 01/10/2004

Por ello, los distintos estados se han dedicado al estudiar la forma de integrar estas aeronaves en el espacio aéreo de modo seguro. A modo de líneas gruesas se dan unos apuntes de distintas iniciativas llevadas a cabo a nivel mundial.

En Estados Unidos surgieron, hace unos años, diversas comisiones, dedicadas a integrar los UAS en el espacio aéreo de la aviación tripulada, y lograr consenso para establecer la metodología de certificación de los nuevos modelos:

- Especialista de ASTM (American Society for Testing and Materials) formaron un comité cuyo objetivo era permitir que los UAS puedan ser volados bajo

20 UAS: INICIATIVAS EN LA EDA. Boletín de Observación Tecnológica en Defensa nº20.

70

las normas y procedimientos de control de tráfico aéreo de las aeronaves tripuladas sin poner en peligro la seguridad.

- La NASA, junto con el grupo de empresas UNITE (UAV National Industry TEam), en 2004, fundó un comité para certificar el RQ-4A Global Hawk. Lograron que el UAS recibiera un certificado de aeronavegabilidad de uso exclusivo militar.

- La SAE (Society of American Engineer) formó el comité S-4 para estudiar la arquitectura de los UAS y determinar lineamientos mínimos de diseño.

- La Fuerza Aérea estadounidense plasmó en el AFS-400 UAS Policy 05-01, una guía para determinar si un UAS es apto para operar dentro del espacio aéreo de los Estados Unidos. Entre otros aspectos se detalla el comportamiento que debe adquirir el avión al perder conexión con tierra, requisitos y responsabilidades del piloto, necesidad de poseer un certificado de aeronavegabilidad emitido por la autoridad correspondiente.

Por otro lado, en Australia, se controlan los UAS mediante la aplicación del Australian Civil Aviation Safety Regulation Part 101.

Del mismo modo, en Europa también se han ido formando comisiones de estudio con el mismo objetivo:

- La CAA (Civil Aviation Authority) británica, publicó su documento “CAP 722–Unmanned Air Vehicles Operation in UK Airspace”, donde se señala que la CAA podría certificar un UAS a partir de normas derivadas de las existentes para la aviación tripulada, considerando la integridad del sistema, su funcionamiento, grado de estabilidad y autonomía de control. Empiezan a hablar ya de la necesidad de crear un estándar de certificación internacional.

- La European Aviation Safety Agency (EASA) está trabajando en adaptar el EASA Basic Part 21, destinado a la certificación de aeronaves, para que sea extensivo a los UAS. Tareas de reglamentación y ejecución en el ámbito de la seguridad aérea. NPA No 16/2005 “Policy for Unmanned Aerial Vehicles (UAV) Cerfication”. Orientado a la certificación de aeronavegabilidad y a la certificación de sistemas Sense&Avoid. Para UAS de más de 150 kg, centrado en la aeronavegabilidad.

- European Organisation for the Safety of Air Navigation (EUROCONTROL).

o Grupo de trabajo Eurocontrol UAV-OAF-TF ha desarrollado las “Specifications for the use of Military Unmanned Aerial Vehicles as Operational Air Traffic outside Segregated Airspace” (2006): Especificaciones para el uso militar de UAS en el espacio aéreo no segregado.

o Grupo de trabajo Eurocontrol UAV-TF. “A Concept for European Regulations for Civil Unmanned Aerial Vehicles” (2004): visión sobre la integración de UAS de uso civil en el espacio aéreo.

o EUROCONTROL supports EUROCAE UAS certification activities

o Co-ordination with FAA/RTCA

o EUROCONTROL support to ICAO UAS initiative

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- NATO Standardization Agency (NSA): o STANAG 4671 (“Unmanned Aerial Vehicles Systems Airworthiness

Requirements”). Código de aeronavegabilidad que contiene requisitos técnicos de aeronavegabilidad aplicables para la certificación de UAS de ala fija con un MTOW entre 150 y 20.000 kg.

o STANAG 4670 (Recomended guiadance for the Training of Designated UAV Operator-DUO). Documento relativo a la cualificación y entrenamiento de operadores de UAS. Está en fase de ratificación.

- Agencia Europea de Defensa (EDA). ESA y EDA están en proceso de

colaboración para el uso de satélites para UAS. La EDA ha generado distintas iniciativas21:

o MIDCAS: Propuesta de Francia y Suecia para desarrollo de sistemas Sense&Avoid.

o UAS Insertion into General Air Traffic: Esta propuesta, llevada a cabo por el consorcio Air4All y ya finalizada, ha concluido con un informe que contiene un roadmap con la integración total de los UAS.

Y estudiando el caso específico de España la situación en cuanto a desarrollo de normativa y certificación está en estadios muy tempranos en cuanto a su avance. Hay varios organismos involucrados para tratar de conseguir algún tipo de resultado. A continuación se dan unas pinceladas de la actividad de cada uno de ellos:

- Agencia Estatal de Seguridad Aérea (AESA) - AENA - Dirección General de Aviación Civil (DGAC), está trabajando en el

desarrollo de normativa para UAS desde 2006, cuando el CDTI le trasladó el creciente interés de la industria por introducir los UAS en aplicaciones comerciales. Junto a FlighTech Systems (proyecto ALTEA), se está elaborando un documento de especificaciones de certificación para pequeños UAS. Cubre el espectro de 20 a 150 kg. El objetivo final es crear un Código de Aeronavegabilidad de acuerdo con las líneas directrices de la EASA NPA NPA 16-2005 para UAS de mas de 150 kg. La creación de este código estará coordinada por el European NAAs y otras organizaciones internaciones para lograr la implementación de UAS en el espacio aéreo nacional en los próximos años. También esta participando en iniciativas internacionales como la AAGRLU (Aviation Authority Group on Regulation of Light UAS).

- Dirección general de Armamento y Material (DGAM): Autoridad militar en certificaciones de aeronavegabilidad. Real Decreto 2218/2004 de 18 de noviembre, Reglamento de Aeronavegabilidad de la Defensa.

Este breve repaso evidencia que son muchos los recursos destinados para lograr una apropiada norma regulatoria. No es una tarea fácil debido a la complejidad del sistema UAS. Como elemento más influyente, está el desarrollo de sistemas Sense & Avoid seguros y fiables. Además es necesario un marco de regulación consensuado para la emisión de los certificados correspondientes dependiendo del modelo, para los pilotos y los equipos asociados al sistema UAS. Todas las iniciativas de los países se han hecho de forma individualizada, pero para que esto llegue a buen puerto se requiere coordinar todas estas iniciativas a la par que

21 UAS: INICIATIVAS EN LA EDA. Boletín de Observación Tecnológica en Defensa nº20.

72

adoptar un consenso global de directrices de actuación, si se quiere que emerjan los mercados no militares y comerciales para UAS.

9. ANÁLISIS DE RESULTADOS

Una vez que se ha hecho todo el análisis y estudio de las tecnologías, se van a estudiar los resultados globales obtenidos para los 1.808 documentos de bases de datos controladas de referencias científicas, proyectos y patentes, en cuando a tipo de documentación, evolución en tiempo, centros, a nivel general, puesto que ya se ha realizado un análisis detallado de los mismos en cada una de las tecnologías para que el lector pueda identificar de forma fácil los centros más activos en cuanto a investigaciones.

REFERENCIAS CIENTÍFICAS

Así la evolución en el tiempo de estas tecnologías ha sido en forma claramente ascendente:

En cuanto a la gráfica de países, se ve el claro liderazgo de EE.UU., seguido de Australia y China. Cabe destacar aquí el destacado décimo puesto que ocupa España entre todos los países que publican, lo que indica que nuestro país está bien situado en lo que se refiere a estas tecnologías.

73

Las instituciones y/o empresas que más labor investigadora realizan en éste ámbito son las que se ven en la siguiente gráfica. Entre el monopolio de las instituciones americanas destaca el Instituto Technion israelí.

PATENTES

En patentes la evolución temporal es la que se muestra en la figura siguiente. Al igual que para referencias científicas, el grado de patentabilidad de estas tecnologías ha ido aumentando a medida que ha transcurrido el tiempo y han avanzado las investigaciones, se han mejorado proceso y/o han aparecido nuevas tecnologías.

EE.UU. lidera ampliamente como país que mas patenta esta tecnología, seguido de Reino Unido e Israel.

74

En cuanto a los centros, la gráfica muestra que Boeing junto con Lockheed Martin Corporation son las dos empresas que más han patentado.

PROYECTOS

En los proyectos de investigación la situación en cuanto a evolución temporal es un poco menos típica en cuanto a evolución. Se debe principalmente a que estos proyectos tienen una duración de varios años y en el recuento gráfico solo se computa el primer año, por lo que los inicios de programas importantes marcan los picos.

Los países con más actividad de proyectos se marcan a continuación en la gráfica, el liderazgo continúa siendo de EE.UU., pero se observa que España tiene una importante cuota de participación.

75

En cuanto a centros, la búsqueda de proyectos desvela que la Universidad Brigham Young de EE.UU. y la empresa Israel Aircraft Industries Ltd. son las que más actividad poseen. Por otro lado, aunque no aparecen en la gráfica, es reseñable la participación en proyectos del Ministerio de Defensa de España, centralizada en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA), así como de empresas españolas como Sener, GMV,…

76

Una vez hecho el análisis gráfico de los diferentes tipos de bases de datos, de forma global a todos los documentos se muestra la gráfica de centros, empresas y universidades que más actividad desarrollan en el marco de los UAS (centros/empresas con más de 25 documentos).

En el apartado Empresas, Universidades y Centros de investigación destacados en tecnologías para UAS, se detalla de forma explicita las actividades tecnológicas que desarrollan cada uno de ellos.

Relacionando éstos con otras empresas e instituciones con las que publican se tiene el siguiente gráfico:

CENTRO – EMPRESA - UNIVERSIDAD

PAIS CENTROS CON LOS QUE PUBLICAN

Boeing Co. (52) US TOSHIBA CORP.

VIRGINIA POLYTCNOL. INST. & STATE UNIV.

UNIV. ILLINOIS

UNIV. WASHINGTON

US Air Force (43) US

NORTHROP GRUMMAN CORP

UNITED TECHNOL CORP

CALIFORNIA INST. OF TCNOL.

UNIV. TEXAS

WRIGHT STATE UNIV

SYTRON INC

TECHNION Israel Institute of Technology

UNIV. NEVADA

OHIO STATE UNIV

LOUISIANA STATE UNIV

US AIR FORCE RES. LAB

NEXTGEN INC

Univ. California (39) US

PUKYONG NATL UNIV

WAYNE STATE UNIV

UMACHINES INC

AEROVIRONMENT INC

CYBERARK INT

WASHINGTON UNIV

BBN TECHNOLOGIES CORP

STANFORD UNIV

POLITECNICO DI TORINO

UNIV. PALERMO

FRONT EDGE TECHNOL INC

NORTHROP GRUMMAN

INTEGRATED SYST

LOS ALAMOS NATL LAB

Korea Advanced Institute of Science and Technology

US NAVY

INST. SUPER TECN

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CENTRO – EMPRESA - UNIVERSIDAD

PAIS CENTROS CON LOS QUE PUBLICAN

MASSACHUSETTS INST. OF TCNOL.

UNIV. BOLOGNA

TOYON RES. CORP

WAYNE STATE UNIV

CALIFORNIA INST. OF TCNOL.

Lockheed Martin Co. (38) US UNIV. KANSAS

Georgia Inst. Technol (28) US

SCIENCE APPLICATIONS INTERNNL. CORP.

UNIV KENTUCKY

OKLAHOMA STATE UNIV.

ILC DOVER

UNIV. COLORADO

JAPAN AGCY MARINE EARTH SCI & TECHNOL

MASSACHUSETTS INST. OF TCNOL.

AGENCY DEFENCE DEVELOPMENT

Honeywell Int. Inc. (28) US TECHSBURG INC

Israel Inst. Technol TECHNION (26) IR

MATAM Scientific Industry Center Haifa Ltd

Israeli Computational Fluid Dynamics Center

ISRAELI AIR FORCE

US AIR FORCE

UNIV. HAIFA

ELECTROFLUIDSYSTEMS LTD

Tecnol Univ. Berlin

CALIFORNIA INST. OF TCNOL.

Univ. Sydney (25) US

AUSTRALIAN NATL UNIV

DREXEL UNIV.

BAE SYSTEM INC

UNIV. POLTECH CATALUÑA

QUEENSLAND UNIV. TECHNOL

Massachussets Inst. Technol. (25) US

POWERGENERAT TECHNOL

BRISTOL UNIV

UNIV. CALIFORNIA

POLITECNICO DI TORINO

UNIV. BOLOGNA

UNIV. MELBOURNE

JET PROPULSION LAB

NORTHROP GRUMMAN CORP

GEORGIA INST. OF TCNOL. TELEGRAM CORP

A continuación se muestra el mapa de colaboraciones tecnológicas entre diferentes empresas/centros/universidades.

78

Mapa tecnológico de colaboraciones entre centros

10. EMPRESAS, UNIVERSIDADES Y CENTROS DE INVESTIGACIÓN DESTACADOS EN TECNOLOGIAS PARA UAS.

Aquí se van a dar el listado de los más activos (más de 25 docs) junto con las tecnologías que están desarrollando, para una sencilla identificación de los segmentos en los que están trabajando.

Centros/

Empresas

Segmento de vuelo Segmento de tierra

Sistema lanzador y de recuperación

Armadura del avión Carga útil Sistema de propulsión Navegación, guiado y control

Sistema de

comunicaciones

Archivado y

recepción de datos

Planeamiento e la misión y ejecución

Procesado de datos Aerodin

ámica Fuselaje

Monitorización

Antenas Armas

Cámaras

Sensores y Actuadores

Motores

Baterías

Combustible

Refueling

Boeing Co. (52)

--- x x x x x x x --- --- x x x x x x x

US Air Force (43) x x --- --- x x x x --- --- x x x --- x x ---

Univ. California (39) x x x --- --- --- x --- x x --- x x --- x x ---

Lockheed Martin Co. (38)

--- x --- --- x x x --- --- --- x x x --- x x x

Georgia Inst. Technol (28) x x x --- --- x x --- x --- --- x --- --- x --- ---

Honeywell Int. Inc. (28)

--- --- --- --- --- x x --- --- x x x x x x x x

Technion (26) x x --- --- --- --- x x --- --- x x x --- x --- ---

Univ. Sydney (25) x x --- --- --- x x x --- --- --- x x --- x x x

80

Centros/

Empresas

Segmento de vuelo Segmento de tierra

Sistema lanzador y de recuperación

Armadura del avión Carga útil Sistema de propulsión Navegación, guiado y control

Sistema de

comunicaciones

Archivado y

recepción de datos

Planeamiento e la misión y ejecución

Procesado de datos Aerodin

ámica Fuselaje

Monitorización

Antenas Armas

Cámaras

Sensores y Actuadores

Motores

Baterías

Combustible

Refueling

Massachussets Inst. Technol. (25)

x x x --- --- --- x x --- --- --- x x --- x --- ---

En el Anexo V se encuentra un listado completo de los centros de investigación, universidades y empresas que se han localizado a lo largo del presente estudio.

• EMPRESAS, CENTROS DE INVESTIGACIÓN Y UNIVERSIDADES

Como dato adicional se destaca las empresas e instituciones españolas que han aparecido en este estudio. Evidentemente no son todas las que trabajan en España en UAS, pero si son las más representativas del panorama nacional.

Empresa/Centro/Univ. C. Autónoma Empresa/Centro/Univ. C. Autónoma Asoc. de la Investigación y Cooperación Ind. de Anadalucía F. de Paula Rojas

Andalucía Inst. Nac. de Técnica Aeroespacial (INTA) Madrid

GMV SA Madrid Univ. las Palmas Gran Canaria Gran Canaria

G.T.D. SA Cataluña Univ. Politec Madrid Madrid

UNIV. Pompeu Fabra Cataluña Univ. Poltech Cataluña Cataluña

UNIV. Politec Valencia Valencia Univ. Sevilla Andalucía

ITURRI SA Andalucía Pablo de Olavide Univ Andalucía

I3S P. Vasco Univ. Complutense Madrid Madrid

Crt Estudios Super Felipe II Madrid

Hay otras empresas españolas tales como SCR, UAVNavigation, Aerosonde,… con productos en el mercado de los UAS.

11. ESTUDIO DE MERCADO

Los diversos estudios de mercado que existen para los UAS barajan cifras distintas, pero similares en cuestión de crecimiento, en donde todos convergen en que el mercado para los UAS22 irá creciendo de forma exponencial año tras año, de forma que si en 2000 se han destinado 2.4 billones de dólares, para 2012 se espera que la cifra rebase los 10 billones de dólares. De todos modos, lo que toda la comunidad científica tiene claro es que el uso masivo de esta tecnología pasa necesariamente por la regularización y certificación, incluso para el terreno militar.

El mercado global está claramente dominado por Estados Unidos. En relación al tipo de uso de UAS, claramente estará dominado por los de uso militar tanto en Europa como en Estados Unidos. Las estimaciones a nivel mundial de crecimiento de mercado señalan la cifra de 13.6 billones de dólares para 2014. Para 2009 se estima que el 98% de los UAS serán militares, el 2% serán civiles, y no habrá ninguno de aplicación comercial. Se cree que estos últimos aún tardarán unos años en despuntar y se habla del 2020 como posible fecha.

Particularizando para la Unión Europea, las cifras que se manejan están en torno a los 300 millones de dólares en 2015 para el mercado civil de UAS y en torno a 4.5 billones de dólares para el mercado militar para el mismo año.

El siguiente gráfico23 muestra la evolución del los UAS militares en la Unión Europea. Con un mercado estimado alrededor de los 8 billones de dólares entre el 2008 y el 2016, se espera tener mas de 600 UAS tácticos, mas de 200 tipo MALE, 5 tipo HALE y sobre 10.000 tipo mini-UAS.

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

2008

2009

2010

2011

2012

TUAS MALE HALE MUAS

Mercado Europeo de UAS militares24

En la estrategia de de sustitución de los aviones tripulados por los UAS, en el corto plazo, lo que se hará, más que una sustitución será complementar las capacidades de aquellos, sobre todo en el terreno militar.

22 Very Light Jets and Unmanned Aircraft Systems (UAS): A revolution in the air?. 2007 23 UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMS (UAS) MARKET OUTLOOK. Noviembre 2008. Eurocontrol. 24 UAS Market Revenues (Europe). 2007-2016. Frost&Sullivan

82

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

2008

2010

2012

2014

2016

2018

2020

Comunicaciones y televisión Agricultura, silvicultura y pesca Observación terrestre

Sector energía Incendios Gobierno

Mercado Europeo de UAS civiles y comerciales25

En el terreno civil se espera que el uso de UAS para vigilancia de fronteras, guardacostas y vigilancia de la ley alcance el 45% del mercado europeo entre los años 2008-2017. El crecimiento esperado para los UAS de aplicaciones civiles se espera que crezca atendiendo a la siguiente tabla:

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

Previsión de producción de UAS civiles entre 2008 y 201726

El resto de aplicaciones comerciales y civiles de los UAS no se consideran relevantes en cuanto a cuota de mercado, aunque esta situación depende mucho de una serie de factores, tales como el tema de certificación, regulaciones,…

25 UAS Market Revenues (Europe). 2007-2016. Frost&Sullivan 26 Fuente: Teal Group Corporation. 2008

83

En el caso de los mini-UAS se cree que el Mercado crecerá más rápidamente, debido a que son más fáciles de usar dentro del marco regulatorio actual y requieren menos infraestructuras. Lo que está claro, también, es que el mercado de los UAS civiles está relacionado directamente con los desarrollos y la evolución que tengan los UAS militares. No olvidemos que ha sido en el terreno militar donde se ha empezado su uso y donde se pueden probar en vuelo, por lo que todas las mejoras tecnológicas han de pasar por ellos necesariamente. Esta dependencia también se espera que se vaya alejando a medida que la demanda civil aumente y su uso sea libre. La industria europea cuenta con conocimiento y experiencia necesaria en este terreno. La estrategia se ha de centrar, pues, en acercar a los clientes potenciales el valor añadido que esta tecnología puede proporcionar a su negocio. Muchos de estos clientes tienen el concepto equivocado que estos sistemas UAS son caros, difíciles de manejar y no están disponibles como tecnología real para aplicaciones especificas. Pero todo esto ya está resuelto. El factor realmente importante es poder certificarlos para volar en el espacio aéreo civil.

La siguiente tabla proporciona un listado de estudios de mercado que se han identificado a lo largo de este estudio y que son de interés para el lector.

ESTUDIOS DE MERCADO - UAS

• European UAV Players - Do They Have What It Takes To Capture Future Global Opportunities?

• World Unmanned Aerial Vehicle Systems. Market Profile and Forecast. 2008

• The UAV Market Report: Forecasts and analysis 2008-2018

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12. RESUMEN Y CONCLUSIONES

La conclusión más importante que se llega a través de este documento y la opinión generalizada de la comunidad científica es que la tecnología de UAS esta preparada. Siempre se puede evolucionar hacia mejores avances científicos, pero tal y como está a día de hoy se podría operar.

El auténtico problema está en el uso libre del espacio aéreo, es decir el desarrollo de la normativa adecuada para UAS. Hasta que éste no se abra y los aviones no tripulados puedan volar libremente en él, no se podrán aplicar masivamente en el terreno civil y comercial. Pero hay que estar preparados para el día que esto ocurra y tener listos todos los dispositivos y sus aplicaciones, y además tener ya localizados y ofrecidos a los potenciales clientes. Hay que estar, pues, en la vanguardia de la tecnología.

Las áreas de investigación prioritarias para estos sistemas UAS son, por un lado, en inteligencia artificial y visión por ordenador, estas dos dentro del campo más activo en cuanto a investigación en el segmento de vuelo, el de navegación, guiado y control. Por otra parte se identifica como área prioritaria la de interacción entre el operador humano y el vehículo, es decir, el área más activa en el segmento de tierra, planeamiento de la misión y ejecución. Además se han de identificar los requerimientos para operar de forma segura e investigar para lograrlos.

A nivel mundial el país líder en todas las tecnologías es EE.UU., seguido en muchas de ellas por Israel. Tanto los países europeos como asiáticos están trabajando mucho también en el desarrollo de sus propios sistemas.

En España se está trabajando mucho en este aspecto también. Como prueba de ello, cabe mencionar proyectos como el PLATINO del INTA, y el proyecto AWARE, coordinado por la fundación FADA-CATEC de Sevilla.

Europa, como un todo, ha de poder beneficiarse de la salida al mercado de UAS civiles. Para ello, el primer paso es invertir en tecnología y aunar esfuerzos para que Europa sea competitiva en este mercado. Uniendo resultados ya obtenidos en programas pasados como Heliplat, UAVnet,… junto a desarrollos nacionales se puede lograr montar toda una infraestructura tecnológica para UAS civiles, como centros de excelencia para coordinar esfuerzos y recursos y trabajar en proyectos futuros de forma sincronizada.

En cuanto a UAS militares los desarrollos dependen de los presupuestos de los distintos Ministerios de Defensa, y los logros alcanzados se podrían aprovechar en los desarrollos civiles y comerciales.

85

ANOTACIONES