Navegación en condiciones de

denegación de señal GNSS

Problemática y análisis de

soluciones posibles

Noviembre 2013

Estudio de Prospectiva Tecnológica INTA- SDG TECIN (SOPT)

DESEi+d 2013

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Problemática – Vulnerabilidad

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La señal GNSS tiene un nivel de potencia bajo, vulnerable a INTERFERENCIAS:

1. No intencionadas

• Interferencia ionosférica

• Por fuentes de radiofrecuencia (televisión, telefonía VHF, SATCOM,…)

2. Intencionadas

• Jamming

• Spoofing

• Meaconing

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OBJETIVOS DEL ESTUDIO

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• El primer objetivo consiste en conocer la necesidad operativa de los Ejércitos de disponer de sistemas de navegación alternativos que apoyen y complementen a los sistemas existentes, o que los sustituyan en caso de necesidad y bajo determinadas y estrictas restricciones

• El segundo objetivo consiste en conocer y delimitar los escenarios en sentido amplio en los que es posible utilizar un sistema de navegación basado en imagen, independientemente de la existencia de otros sistemas dependientes de GNSS

• Este estudio se centra en el análisis de Sensores, metodologías, escenarios y trade offs de utilización

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Conclusiones del análisis han sido: 1. En determinadas fases de una misión típica, la

vulnerabilidad es alta. 2. Se detecta la necesidad de complementar la

navegación basada, ó apoyada, en sistemas GNSS con otros sistemas de navegación colaborativos.

3. La navegación basada en imagen tiene un extraordinario potencial en este campo.

ORIENTACIÓN DEL ESTUDIO

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La navegación por satélite (actualidad)

•Sistemas GNSS

•Sistemas de aumentación (SBAS)

Esto puede generar una falsa sensación de robustez. Pero los problemas de vulnerabilidad tanto intencionados como no intencionados siguen existiendo

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Evolución de nº sat. Lanzados por constelación

Aumenta integridad

Aumenta precisión

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• EL SISTEMA GALILEO APARECE COMO UN SERVICIO DE NAVEGACIÓN BASADO EN SATÉLITES A INICIATIVA DE LA UNIÓN EUROPEA.

• REPRESENTARÁ UNA OPORTUNIDAD PARA NAVEGACIÓN DE AERONAVES APOYÁNDOSE EN SUS CARACTERÍSTICAS DE COBERTURA, PRESTACIONES Y ROBUSTEZ

• UN FACTOR ESENCIAL ES SU CARÁCTER EUROPEO, NO SOMETIDO A LOS CRITERIOS DE USO DEL SISTEMA GPS AMERICANO

SISTEMA GALILEO

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• Aún con el advenimiento del Galileo, quedará la

posibilidad de interferencia intencionada de señal • La señal PRS (Public Regulated Service), altamente

encriptada presenta un gran nivel de garantías de inmunidad frente a interferencias

• Sin embargo, este servicio PRS sólo estará autorizado a usuarios cualificados institucionales

• Es altamente improbable que sea autorizado para usuarios civiles comerciales (sin considerar el factor coste que en cualquier caso supondría)

• Por tanto, el usuario de RPAs comercial, quedará sujeto a los riesgos apuntados de interferencia

CONSIDERACIONES

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• TENIENDO EN CUENTA LAS CONSIDERACIONES

ANTERIORES, SE HA DESARROLLADO UN ESTUDIO DE PROSPECTIVA TECNOLÓGICA

• ESTE ESTUDIO HA IDENTIFICADO LAS SITUACIONES CRÍTICAS DE OPERACIÓN DE UN SISTEMA RPA Y LA INCIDENCIA QUE PUEDE TENER EL NO DISPONER DE SEÑAL VÁLIDA GNSS

• SE HAN DESARROLLADO ANÁLISIS PARAMÉTRICOS BASADOS EN DIVERSAS SITUACIONES Y OBTENIDO UNA SERIE DE CONCLUSIONES PARA MITIGAR LOS EFECTOS NEGATIVOS DE LAS SITUACIONES CRÍTICAS

DESARROLLO DEL ESTUDIO

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Problemática – Vulnerabilidad

FASES DE UNA MISIÓN TÍPÌCA

GRADO DE

NECESIDAD DE UN

SISTEMA DE

NAVEGACIÓN

ALTERNATIVO

PERFILES RIESGO

Despegue y ascenso Tierra ALTO

Mar BAJO

Crucero (Vuelo hacia zona de interés) Tierra MEDIO

Mar BAJO

Misión (Zona de ejecución de misión) Cualquier condición ALTO

Aproximación y aterrizaje Tierra ALTO

Mar ALTO

Estudio para detectar necesidades operativas FAS (Cuestionario SDG TECIN-SOPT )

Estudio teórico (INTA) de las misiones para detectar escenarios de riesgo.

Conclusiones coincidentes

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MEDIO significa que puede influir en el riesgo de la misión en función de otra serie de circunstancias, como desviación de trayectoria

BAJO significa que un sistema alternativo al GPS no aportaría mejora significativa

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Sensores aptos para navegación Alternativa

• Ópticos pasivos (Visible, IR)

• LIDAR

• SAR

Parámetros de interés

•Condiciones climáticas de utilización del RPA

•Día/ Noche

•Resolución

•Procesado/Ancho de banda para transmisión

•Peso/ Volumen/Consumo

•Uso dual de los sensores (misión/navegación)

•Uso combinado de los sensores

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Ponderación de sensores: resolución – condiciones de operación

Adecuación de sensores a escenarios: 10.- mejores características 0.- Peores características Condiciones de operación: 0=No aplicable. 1= Condición ideal

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EVALUACIÓN SEMI - CUANTITATIVA

CALIDAD

CONDICIONES DE OPERACIÓN

DISPONIBxCALIDAD INFO

BANDAS DE

OPERACIÓN RESOLUCIÓN DIA NOCHE

Nubes y / ó

Lluvia

CONDIC

NORMALES

CUALQUIER

SITUACIÓN

VISIBLE 10 1 0 0 5,00 3,33

INFRARROJO 7 1 1 0,5 7,00 5,83

MULTIESPECTRAL 7 1 0,7 0,5 5,95 5,13

SAR 7 1 1 0,9 7,00 6,77

LIDAR 7 1 0,7 0,6 5,95 5,37

Ponderación Normal =(Dia+Noche)* Resolución /2

INDICA LA

DISPONIBILIDAD DE LA

SEÑAL MATIZADA POR LA

CALIDAD DE LA MISMA

Ponderación todo tiempo=(Dia+Noche+Nubes)* Resolución /3

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Ponderación de sensores: características intrínsecas

Servidumbres de sensores 10.- mejores características 0.- Peores características

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CARACTERÍSTICAS INTRÍNSICAS SENSOR

PONDERACIÓN SERVIDUMBRES

BANDAS DE

OPERACIÓN INFO EN TIEMPO REAL

Peso, Volumen,

Consumo

CONDIC

NORMALES TODO TIEMPO

VISIBLE 10 10 5,00 3,33

INFRARROJO 10 10 7,00 5,83

MULTIESPECTRAL 8 10 4,76 4,11

SAR 3 3 0,63 0,61

LIDAR 3 5 0,89 0,81

Pond Serv =(Pond Normal) * (Inf T real) * (Peso,vol) / 100 CRITERIO PARA SELECCIÓN DE LA

CARGA ÚTIL Pond Serv T T = (Pond Todo Tiempo) * (Inf T Real) * ( Peso, vol ) / 100

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Ponderación de sensores (Combinados)

Ponderación de sensores combinados a escenarios: Valores más altos: mejores características

Ponderación final = Pond Serv sensor x + Pond serv sensor y

Sensores combinados

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PONDERACIÓN

BANDAS DE OPERACIÓN CONDIC NORMALES TODO TIEMPO

VISIBLE+ IR 12,00 9,17

VISIBLE + SAR 5,63 3,94

VISIBLE + LIDAR 5,89 4,14

IR + SAR 7,63 6,44

IR + LIDAR 7,89 6,64

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Configuraciones de sensores

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POD giro-estabilizado multi-sensor:

• Permiten giros en 2/3 ejes con respecto a la plataforma. Su gran versatilidad , les permite combinar varias funciones operativas: observación/seguimiento, ayuda a la navegación, control de aterrizaje, …

• Pueden incluir: cámara visible (color) o una infrarroja (LWIR), un Telémetro LASER, un altímetro LASER o RF.

LIDAR/LADAR:

•Basado un escáner que barre (60º/80º), con un haz finísimo, en un plano perpendicular al eje de la plataforma. Permiten la sincronización y fusión de los datos propios con los del GPS/IMU.

•Solo son viables, para este propósito, los equipos de “gama baja” y corto alcance (100-200 m). Los equipos de gama superior tienen demasiadas exigencias en peso /consumo / rigidez

Radar de Apertura Sintética (SAR):

• Ilumina el terreno con un haz ancho desde antena/s en posición fija. La discriminación espacial la obtiene mediante el proceso de la señal recibida: compresión de pulsos, comparación de fase, análisis Doppler, etc.

• Tiene la ventaja de la robustez al estar fijo y funcionar con meteorología adversa, pero presenta un proceso de señal complejo.

El problema de la navegación:

Estimar el estado cinemático del vehículo en cada instante:

• Posición, X(t)

• Velocidad, V(t)

• Actitud, (t)

• Velocidad angular, (t)

Respecto a unos ejes útiles para realizar la misión

N. absoluta: estado cinemático instantáneo a partir de sensores y medidas instantáneas inerciales.

N. relativa: estado cinemático incremental a partir de sensores y medidas instantáneas de cualquier tipo

C(t) = C(t0) + C(t)

Sensores mínimos para navegación por imagen: IMU+ cámaras

Metodologías de navegación

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Metodologías de navegación

Metodologías de navegación

Tipos de sensores Características Imagen modelo Geomorfométrica Celestial

Pasivos

Visible X X X

IR X X X

UV X X X

Activos LIDAR X X X

SAR X X X

• Basada en características: Detecta automáticamente elementos de la imagen aptos para ser seguidos, los sigue y los va renovando. Mayor independencia ante modificaciones de los escenarios

• Basada en imagen modelo por correspondencia: Compara imágenes tomadas con un modelo incluido en la BBDD. No apta para escenarios cambiantes

• Geomorfométrica:

Compara datos extraídos mediante LIDAR o SAR con un mapa o Modelo Digital de Elevación (MDE).

• Celestial: Seguimiento del firmamento.

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Establecimiento del problema: Caso Ejemplo de ayuda con cámara

Integración de datos de sensores

Métodos de obtención de pseudomedidas de imagen

Metodologías de navegación

Disposición de las cámaras Métodos de obtencion de pseudomedidas • Triangulación y cálculo de distancia

• Triangulación por medidas angulares

• Estimación de distancias por tamaños relativos, y detección de obstáculos

• Corrección de imágenes sucesivas

....

Metodologías de navegación

Métodos típicos de integración de sensores

• Son necesarias al menos 3 objetivos en cada instante y 2 imágenes sucesivas para obtener la solución de navegación

• Se necesita un gestor de objetivos

• Filtro de navegación de dimensión variable

Metodologías de navegación

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Conclusiones del estudio

• La vulnerabilidad de los sistemas de navegación basados o apoyados en señal GNSS ha sido comprobada en diversas ocasiones.

• Los usuarios nacionales encuestados (FAS) han identificado situaciones y fases de operación donde resulta crítico disponer de una navegación precisa, no vulnerable a fallo de señal GNSS.

• El tejido industrial y de investigación nacional, está capacitado para participar en futuros proyectos relacionados con las tecnologías asociadas a la Navegación basada en imagen.

• Dado que la gran mayoría de aplicaciones versan sobre Reconocimiento y Observación e incluyen sensores del espectro visible/IR, se considera que una línea de I+D podría centrarse en utilizar estos mismos sensores para navegación, complementados por algún otro sensor “ad hoc”.

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ALGUNAS CONSIDERACIONES

• La vulnerabilidad de los sistemas de navegación basados o apoyados en señal GNSS ha sido comprobada en diversas ocasiones.

• Dado que la gran mayoría de aplicaciones versan sobre Reconocimiento y Observación e incluyen sensores del espectro visible/IR, se considera que una línea de I+D podría centrarse en utilizar estos mismos sensores para navegación, complementados por algún otro sensor “ad hoc”.

• LOS SENSORES MÁS CAPACES TAMBIÉN SON LOS QUE REQUIEREN UN MAYOR NIVEL DE PROCESADO DE SEÑAL

• DECENAS DE Mbps EN IMAGEN (cada cámara)

• CENTENAS DE Mbps EN RADAR Y LIDAR

• PRE- PROCESADO Ó PROCESADO A BORDO: COMPUTADORES MUY POTENTES (Peso, volumen, consumo)

• RAW DATA A ESTACIÓN EN TIERRA: ANCHOS DE BANDA GRANDES Y NO FÁCILMENTE DISPONIBLES. INFORMACIÓN NO EN TIEMPO REAL

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Propuesta de línea de I+D

Línea de I+D identificada: Aplicación de sensores ISTAR en los sistemas de navegación, complementados por algún otro sensor “ad hoc”. Se contemplan los siguientes grandes bloques de trabajo:

• Análisis de la arquitectura de los sistemas de ISTAR embarcados en los RPAs de tipo táctico

• Determinación de sensores complementarios idóneos para conseguir una navegación Autónoma precisa en ausencia de señal GNSS

• Desarrollo de sistemas HW y SW modulares e interoperables con diferentes tipos de RPAs

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Compresión

Proceso

FCS

Algoritmos Navegación

Imagen

TX

TM a Estación de Control

IMU / GNSS/ ADS/ MAGNETÓMETRO

Datos Aeronave

(DAS)

SWITCH Actuadores Aeronave

SWITCH

VALIDACIÓN SEÑAL GNSS

POSIBLE ESQUEMA: BLOQUES HARDWARE

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PARTICIPANTES EN EL ESTUDIO

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SDG TECIN INTA

SOPT OTRI

Jose Maria Riola José Román

Yolanda Benzi RFYTE (SIP)

Nuria Barrio Manuel Mulero

Pedro Carda Pedro de Vicente

Fernando Iñigo Enrique Millán

David Aguilera

Juan Gregorio Rejas

Juan Ramón Larrañaga

David Poyatos

Raul Fernandez Recio

José Ramón Martin

Juan Cabrero

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Director del Estudio

Manuel Mulero Valenzuela

Director del Departamento de Radiofrecuencia y Tecnologías Electrónicas (INTA)

Mail: mulerom@inta.es

Tel: 91 520 2181