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Navegación en condiciones de denegación de señal GNSS
Junio 2013
Estudio de Prospectiva Tecnológica INTA‐ SDG TECIN (SOPT)
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ÍNDICE
0. Estructura de tecnologías del INTA involucradas en el Estudio
I. Objetivos del Estudio
II. La navegación por satélite (actualidad)
III. Problemática (vulnerabilidades)
IV. Sensores aptos para navegación alternativa (Ponderación, Configuraciones)
V. Metodologías de navegación
VI. Conclusiones del estudio
VII. Propuesta de línea de I+D
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0. Estructura de tecnologías del INTA involucradas en el Estudio
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Departamento de Aerodinámica
y Propulsión
Departamentode Radiofrecuencia
y TecnologíasElectrónicas (4200)
Departamentode Materialesy Estructuras
Departamento de Observación
de la Tierra, Teledetección y Atmósfera
Estaciones Espaciales:- Robledo de Chavela
- Villafranca del Castillo- Maspalomas
Departamento de ProgramasAeronáuticos
Departamento de ProgramasEspaciales y Ciencias del Espacio
Subdirección Generalde Investigación y Programas
• Área de Radiofrecuencia (4210)• Área de Tecnologías Electrónicas (4220)• Área de Aviónica, Guerra Electrónica y Sensores Embarcados(4230)
Estaciones Espaciales:- Robledo de Chavela
- Villafranca del Castillo- Maspalomas
- Cebreros
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I. OBJETIVOS DEL ESTUDIO
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Este estudio de Prospectiva Tecnológica se ha ejecutado con los siguientes objetivos:
• 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
• Sensores, metodologías, etc…
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II. 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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III. Problemática – Vulnerabilidad 1/3
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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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III. Problemática – Vulnerabilidad 2/3
FASES DE UNA MISIÓN TÍPÌCA
GRADO DE NECESIDAD DE UN
SISTEMA DE NAVEGACIÓN ALTERNATIVO
PERFILES RIESGO
Despegue y ascensoTierra ALTO
Mar BAJO
Crucero (Vuelo hacia zona de interés)Tierra MEDIO
Mar BAJO
Misión (Zona de ejecución de misión) Cualquier condición ALTO
Aproximación y aterrizajeTierra 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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Resultado del análisis de las vulnerabilidades:
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.
III. Problemática – Vulnerabilidad 3/3
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IV. Sensores aptos para navegación Alternativa 1/5
• Ópticos pasivos (Visible, IR)
• LIDAR
• SAR
Parámetros de interés
•Condiciones climáticas de utilización del RPA
•Día/ Noche
•Resolución
•Procesado
•Peso/ Volumen/Consumo
•Uso dual de los sensores (misión/navegación)
•Uso combinado de los sensores
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IV. Ponderación de sensores: resolución –condiciones de operación 2/5
Adecuación de sensores a escenarios:10.‐mejores características0.‐ Peores característicasCondiciones 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
LluviaCONDIC
NORMALESCUALQUIER SITUACIÓN
VISIBLE 10 1 0 0 5,00 3,33INFRARROJO 7 1 1 0,5 7,00 5,83
MULTIESPECTRAL 7 1 0,7 0,5 5,95 5,13SAR 7 1 1 0,9 7,00 6,77
LIDAR 7 1 0,7 0,6 5,95 5,37Ponderación 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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IV. Ponderación de sensores: características intrínsecas 3/5
Servidumbres de sensores 10.‐mejores características0.‐ 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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IV. Ponderación de sensores (Combinados) 4/5
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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IV. Configuraciones de sensores 5/5
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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 combinarvarias funciones operativas: observación/seguimiento, ayuda a la navegación, control de aterrizaje, …
• Pueden incluir: cámara visible (color) o una infrarroja (LWIR), un Telémetro LASER, un altímetroLASER o RF.
LIDAR/LADAR:
•Basado un escáner que barre (60º/80º), con un haz finísimo, en un plano perpendicular al eje de laplataforma. 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). Losequipos 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 laobtiene mediante el proceso de la señal recibida: compresión de pulsos, comparación de fase, análisisDoppler, etc.
• Tiene la ventaja de la robustez al estar fijo y funcionar con meteorología adversa, pero presenta unproceso de señal complejo.
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V. Metodologías de navegación 1/7
Metodologías de navegación
Tipos de sensores Características Imagen modelo Geomorfométrica Celestial
Pasivos
Visible X X X
IR X X X
UV X X X
ActivosLIDAR 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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El problema de la navegación:
Estimar el estado cinemático del vehículo en cada instante:
• Posición, X(t)
• Velocidad, V(t)
• Actitud, Φ(t)
• Velocidad angular, Ω(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) + ΔC(t)
Sensores mínimos para navegación por imagen: IMU+ cámaras
V. Metodologías de navegación 2/7
Establecimiento del problema: Caso Ejemplo de ayuda con cámara
Integración de datos de sensores
Métodos de obtención de pseudomedidas de imagen
V. Metodologías de navegación 3/7
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
....
V. Metodologías de navegación 4/7
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
V. Metodologías de navegación 5/7
360ºx±90º, ultraviolet, no cloud
360ºx±90º, ultraviolet, cloudy day
360ºx±90º, green band, no cloud
360ºx±90º, green band, cloudy
Navegación por horizonte y polarización (AIAA 2005‐7013)
Simulation of lateral drift cancelation
Cross wind 30fps
Aircraft speed 150 fps
Gyro: MURATA ENV05D
V. Metodologías de navegación 6/7
Navegación relativa a un buque (AIAA 2001‐4182)
UAV FROG radio controled with
• MB IRES Image Clear (Infrared Image Corp), unccooled 8‐12 um sensor with video signal 320x240
• Focal length 25 mm FOV 40ºx30º
• Trimble AgGPS 132 differential
• IMU Watson 600‐AD
• Airspeed 53 m/s
Ship moving North at 10m/s constant speed with 12 sec. pitch and heave oscillations
V. Metodologías de navegación 7/7
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VI. Conclusiones del estudio
• La vulnerabilidad de los sistemas de navegación basados o apoyados enseñal GNSS ha sido comprobada en diversas ocasiones.
• Los usuarios nacionales encuestados (FAS) han identificado situaciones yfases de operación donde resulta crítico disponer de una navegaciónprecisa, no vulnerable a fallo de señal GNSS.
• El tejido industrial y de investigación nacional, está capacitado paraparticipar en futuros proyectos relacionados con las tecnologías asociadas ala Navegación basada en imagen.
• Dado que la gran mayoría de aplicaciones versan sobre Reconocimiento yObservación e incluyen sensores del espectro visible/IR, se considera queuna línea de I+D podría centrarse en utilizar estos mismos sensores paranavegación, complementados por algún otro sensor “ad hoc”.
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VI. Propuesta de línea de I+D 1/3
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 ISTARembarcados en los RPAs de tipo táctico
• Determinación de sensores complementarios idóneos paraconseguir una navegación Autónoma precisa en ausencia deseñal GNSS
• Desarrollo de sistemas HW y SW modulares e interoperablescon 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
VI. BLOQUES HARDWARE 2/3
Control
Cabeceo,guiñada,balanceo
potencia motor
Guiado
desplazamientos
horizontal y vertical
Estimador Estados
de vuelo
Posición,velocidad,aceleración,actitud
velocidad rotación,ángulo ataque
ángulo resbalamiento
Navegación
posición tierra,velocidad tierra,viento
Control de Misión
Way-points
Velocidad rotación IMU
Aceleración IMU
Posición mando gases
Posición alerones, timones
Datos Ensayos en vuelo
Posición y velocidad GPS/Galileo
Altitud barométricaPosición Cíclico,
Colectivo
Posición colectivo rotor cola
Velocidad anemométrica
Bloques Software funcional NGC
DAS
Distribución de órdenes y medidas
Servomando Planta Motor
Servos alerones, timón profundidad, timón dirección
Servos Cíclico, Colectivo
Servo Colectivo Rotor Cola
VI. BLOQUES DE SOFTWARE FUNCIONAL 3/3
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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: [email protected]
Tel: 91 520 2181