Navegación inercial para UAV de defensa

Nuestras soluciones son adecuadas para la integración con varios tipos de UAV de defensa, ofreciendo versatilidad y adaptabilidad para diferentes necesidades operativas. ¡Nuestros sensores de movimiento y navegación aportan detección táctica a sus sistemas sin comprometer el SWaP-C! Son especialmente adecuados para su uso por integradores.

Para los UAV que dependen del GNSS, nuestros receptores GNSS de doble antena ofrecen una precisión excepcional. Esto es beneficioso para la navegación en superficie y ayuda en la transición entre la navegación aérea y terrestre. Además, todos los sensores admiten varios protocolos de comunicación como RS-232, CAN y Ethernet, lo que permite una integración perfecta con los sistemas UAV.

Finalmente, es posible integrar soluciones de posicionamiento externas como DVL u otras ayudas a la navegación para proporcionar datos precisos de balanceo, cabeceo, rumbo y altitud. Esto mejora la navegación en entornos donde las señales GNSS pueden ser débiles o no estar disponibles.

En SBG Systems, asegurar los más altos estándares de calidad para nuestras unidades de medición inercial (IMU) implica un proceso meticuloso. Comenzamos con la selección óptima de componentes MEMS de alta gama, centrándonos en acelerómetros y giróscopos fiables que cumplan nuestros estrictos requisitos de calidad. Nuestras IMU están alojadas en carcasas robustas diseñadas para soportar vibraciones y condiciones ambientales, garantizando la durabilidad y el rendimiento.

Nuestro proceso de calibración automatizado implica una mesa de 2 ejes y abarca rangos de temperatura de -40°C a 85°C. Esta calibración compensa varios factores, incluyendo sesgos, efectos de eje cruzado, desalineación, factores de escala y no linealidades en acelerómetros y giróscopos, asegurando un rendimiento consistente en todas las condiciones climáticas.

Nuestro proceso de cualificación implica además una estricta selección interna para garantizar que sólo los sensores que cumplen nuestras especificaciones continúen a través de la producción. Cada IMU va acompañada de un informe de calibración detallado y está garantizada durante dos años. Este riguroso enfoque garantiza una alta calidad, fiabilidad y un rendimiento constante a lo largo del tiempo, ofreciendo IMU superiores para la defensa y otras aplicaciones críticas.

También realizamos exhaustivas pruebas ambientales y de resistencia para garantizar la fiabilidad. Algunos de nuestros sensores cumplen varias normas MIL-STD, lo que garantiza la resistencia a los golpes, la vibración y las condiciones extremas.

Controlar los retrasos en la salida en las operaciones de UAV es esencial para garantizar un rendimiento con capacidad de respuesta, una navegación precisa y una comunicación eficaz, especialmente en aplicaciones de defensa o de misión crítica.

La latencia de salida es un aspecto importante en las aplicaciones de control en tiempo real, donde una mayor latencia de salida podría degradar el rendimiento de los bucles de control. Nuestro software integrado INS ha sido diseñado para minimizar la latencia de salida: una vez que se muestrean los datos del sensor, el Filtro de Kalman Extendido (EKF) realiza cálculos pequeños y de tiempo constante antes de que se generen las salidas. Normalmente, el retardo de salida observado es inferior a un milisegundo.

La latencia de procesamiento debe añadirse a la latencia de transmisión de datos si se desea obtener el retardo total. Esta latencia de transmisión varía de una interfaz a otra. Por ejemplo, un mensaje de 50 bytes enviado en una interfaz UART a 115200 bps tardará 4 ms en transmitirse por completo. Considere velocidades de transmisión más altas para minimizar la latencia de salida.

PNT significa Posicionamiento, Navegación y Tiempo (Positioning, Navigation, and Timing), los tres pilares fundamentales que permiten cualquier sistema moderno de navegación o coordinación, ya sea en el sector aeroespacial, la defensa, el marítimo, los vehículos autónomos o la infraestructura crítica.

Aquí tiene un desglose claro:

1. Posicionamiento

Esto responde a la pregunta: “¿Dónde estoy?”
Proporciona coordenadas geográficas precisas (latitud, longitud, altitud). Normalmente se deriva de GNSS (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) o de un INS cuando GNSS no está disponible.

Esencial para el seguimiento, la guía, la cartografía y la conciencia situacional.

2. Navegación

Esto responde a la pregunta: “¿Cómo me muevo de A a B?”
Consiste en determinar la dirección, la velocidad y la trayectoria para alcanzar un destino de forma segura y eficiente. Incluye velocidad, rumbo y actitud (balanceo, cabeceo, guiñada).

A menudo se logra utilizando IMUs/INS, algoritmos de fusión de sensores, odometría o navegación basada en GNSS.

3. Tiempo

Esto responde a la pregunta: “¿Qué hora es, precisamente?”
Un tiempo preciso y sincronizado es fundamental para la coordinación de sistemas y señales. La sincronización de alta precisión es la base de las redes de comunicación, los sistemas militares, las redes eléctricas y el propio GNSS.

Incluso errores a nivel de microsegundos pueden causar fallos en las comunicaciones, los enlaces de datos o la geolocalización.

¿Por qué PNT es importante?

El PNT es el núcleo de todo sistema autónomo o guiado moderno, ya sean misiles, UAVs, vehículos, USVs, AUVs o incluso redes de telefonía móvil. Cuando el GNSS se degrada o se deniega, los sistemas inerciales (IMU/INS) se convierten en la columna vertebral de un PNT resiliente.

Las Unidades de Medición Inercial (IMUs) son dispositivos sofisticados que miden e informan la fuerza específica de un cuerpo, la velocidad angular y, en ocasiones, la orientación del campo magnético. Las IMUs son componentes cruciales en diversas aplicaciones, incluyendo navegación, robótica y seguimiento de movimiento. A continuación, se presenta un análisis más detallado de sus características y funciones clave:

• Acelerómetros: Miden la aceleración lineal a lo largo de uno o más ejes. Proporcionan datos sobre la rapidez con la que un objeto se acelera o desacelera y pueden detectar cambios en el movimiento o la posición.
• Giróscopos: Miden la velocidad angular, o la tasa de rotación alrededor de un eje específico. Los giróscopos ayudan a determinar los cambios de orientación, permitiendo que los dispositivos mantengan su posición relativa a un marco de referencia.
• Magnetómetros (opcional): Algunas IMU incluyen magnetómetros, que miden la intensidad y la dirección de los campos magnéticos. Estos datos pueden ayudar a determinar la orientación del dispositivo en relación con el campo magnético terrestre, mejorando la precisión de la navegación.

Las IMU proporcionan datos continuos sobre el movimiento de un objeto, lo que permite realizar un seguimiento en tiempo real de su posición y orientación. Esta información es fundamental para aplicaciones como drones, vehículos y robótica.

En aplicaciones como los gimbals de cámara o los UAV, las IMU ayudan a estabilizar los movimientos compensando los movimientos o vibraciones no deseados, lo que se traduce en operaciones más fluidas.

La navegación por estima en aviación es un método de navegación tradicional que estima la posición actual de una aeronave proyectando su última ubicación conocida hacia adelante utilizando parámetros medidos o asumidos como el rumbo, la velocidad aerodinámica, el tiempo y factores ambientales como el viento.

En lugar de depender de referencias externas —como radiobalizas, satélites GNSS o puntos de referencia visuales—, la navegación a estima utiliza la información de movimiento propia de la aeronave para calcular su posición actual en relación con su punto de partida. El piloto o el sistema de navegación a bordo parte de una posición conocida, luego aplica el rumbo verdadero y la velocidad aerodinámica verdadera de la aeronave durante un intervalo de tiempo determinado para calcular una nueva posición estimada.

Sin embargo, debido a que la aeronave se mueve a través de una masa de aire afectada por el viento, el cálculo debe incorporar la dirección y velocidad del viento; de lo contrario, la trayectoria calculada se desviará de la ruta real volada.

En la aviación moderna, los sistemas de navegación inercial mejoran la navegación a estima utilizando acelerómetros y giróscopos para medir las aceleraciones lineales y las velocidades de rotación, integrando continuamente estas mediciones para estimar la velocidad, la actitud y la posición. Aunque esta navegación a estima inercial mejora drásticamente la independencia de las señales externas, sigue acumulando errores con el tiempo debido a los sesgos y el ruido de los sensores. Por esta razón, la navegación a estima basada en INS se combina a menudo con GNSS u otras fuentes de ayuda para limitar la deriva y mantener la precisión a largo plazo.

A pesar de estas limitaciones, la navegación por estima sigue siendo esencial para garantizar la continuidad de la navegación durante interrupciones de GNSS, misiones de silencio de radio u operaciones en entornos donde las referencias externas no son fiables o están denegadas.

Sistemas de navegación inercial para UAV autónomos y defensa

Los UAV autónomos y las plataformas de defensa deben mantener una navegación estable cuando las señal GNSS es dejan de estar disponibles, se deterioran o se ven interferidas. En estas condiciones, los sistemas de navegación inercial proporcionan mediciones continuas del movimiento y la orientación sin depender exclusivamente de señales de posicionamiento externas.

Un sistema de navegación inercial combina giroscopios y acelerómetros con algoritmos de navegación para estimar la actitud, la velocidad y la posición. Cuando se dispone de un GNSS , la fusión de sensores puede utilizarlo para limitar la deriva inercial. Cuando no se dispone de un GNSS , el sistema continúa la navegación mediante mediciones inerciales y navegación por estima.

1 – Navegación en entornos sin señal de GPS

Los UAV modernos pueden encontrarse con situaciones en las que no se dispone de «GNSS » debido a la obstrucción de la señal, a interferencias o a un bloqueo deliberado. Por lo tanto, las plataformas autónomas necesitan tecnologías de navegación que puedan seguir proporcionando información sobre el movimiento y la actitud sin necesidad de un posicionamiento por satélite continuo.

Un sistema de medición de la velocidad de giro ( INS ) mide el movimiento angular y la aceleración lineal del vehículo. A continuación, el procesador de navegación integra estas mediciones para calcular la orientación, la velocidad y la posición del vehículo. Este proceso constituye una forma de navegación por estimación que no requiere una señal de posición externa.

En el caso de los UAV, esta capacidad permite mantener el control de vuelo cuando el sistema de control de vuelo ( GNSS ) deja de estar disponible. El sistema de control de actitud y movimiento ( INS ) puede seguir suministrando datos de actitud y movimiento al sistema de control de vuelo mientras otras fuentes de navegación no estén disponibles.

El mismo principio se aplica a los sistemas no tripulados que operan en entornos conflictivos. La navegación inercial permite a las plataformas autónomas mantener la navegación cuando el GPS u otras señales externas dejan de estar disponibles. Además, las arquitecturas « GNSS » (asistidas por datos de referencia) INS combinan mediciones inerciales con referencias externas para limitar los errores de navegación acumulados.

Sin embargo, un sistema de referencia de posición ( INS ) no elimina la deriva de navegación. Los pequeños errores de los sensores se acumulan durante la integración, por lo que la incertidumbre en la posición suele aumentar a medida que el sistema funciona sin correcciones externas. Por lo tanto, la calidad de los sensores cobra especial importancia en misiones que requieren un funcionamiento prolongado sin acceso a datos de posición por satélite ( GNSS-denied).

Esto explica por qué los ingenieros evalúan el rendimiento de los sensores inerciales en función del entorno previsto para la misión. La estabilidad del sesgo del giroscopio, el sesgo del acelerómetro, el ruido de medición, la frecuencia de actualización, la vibración, la temperatura y la integración mecánica pueden influir en el rendimiento de la navegación.

2 – Selección de sensores de navegación para misiones autónomas

La selección de un sensor inercial debe partir de los requisitos de la misión, y no solo de la categoría del sensor. Los UAV autónomos, los sistemas guiados y otras plataformas pueden plantear requisitos muy diferentes en cuanto a precisión, SWaP, dinámica, resistencia a las vibraciones e integración « GNSS ».

Un sistema de referencia inercial ( IMU ) proporciona las mediciones inerciales fundamentales procedentes de giroscopios y acelerómetros. Un sistema de actitud ( AHRS ) procesa estas mediciones para proporcionar información sobre la actitud. Un sistema de referencia de actitud ( INS ) combina las mediciones inerciales con el procesamiento de navegación y, dependiendo de la arquitectura, con datos de apoyo externos, como los de la red de satélites de posicionamiento global ( GNSS).

La calidad del sensor también influye en la rapidez con la que se acumulan los errores de navegación durante las interrupciones de GNSS . Los sensores inerciales de mayor rendimiento suelen presentar una menor inestabilidad de sesgo y un menor ruido de medición. Sin embargo, los ingenieros deben encontrar un equilibrio entre estas características y el tamaño, el peso, el consumo energético, el coste y los requisitos de integración.

Nuestras unidades de medida inercial (IMU) MEMS son ideales para aplicaciones de guía, navegación y estabilización de plataformas, entre las que se incluyen cohetes guiados, bombas planeadoras y proyectiles.

La integración también es importante. El sensor debe proporcionar datos a una frecuencia adecuada y comunicarse de forma eficaz con el ordenador de vuelo de la plataforma, el software de navegación y otros sensores. El montaje mecánico también puede afectar al rendimiento, ya que las vibraciones y la dinámica estructural pueden introducir errores de medición adicionales.

Por lo tanto, en el caso de las misiones autónomas con drones, los ingenieros deberían evaluar:

• Estabilidad del sesgo del giroscopio para un rendimiento inercial a largo plazo.
• Rendimiento del acelerómetro para la estimación de la velocidad y la posición.
• Ruido de medición para la estabilidad de la navegación a corto plazo.
• Frecuencia de actualización y latencia en los bucles de control sensibles.
• Supresión de vibraciones para fuselajes de alta dinámica.
• Comportamiento térmico en todo el rango operativo.
• SWaP para su integración en el volumen disponible de la plataforma.
• GNSS integración cuando siga estando disponible la asistencia por satélite.
• Interfaces y software para la integración con la arquitectura del vehículo.

La distinción entre los distintos niveles de los sensores cobra especial importancia cuando una misión requiere continuidad en la navegación durante interrupciones en el servicio de « GNSS ». Los sistemas MEMS compactos pueden adaptarse a plataformas con limitaciones de SWaP, mientras que los sistemas tácticos de mayor rendimiento pueden proporcionar una estabilidad inercial mejorada para aplicaciones exigentes.

3 – Sistema de control de vuelo de alta precisión « INS » para operaciones BVLOS e ISR

Las misiones más allá de la línea de visión (BVLOS) y de inteligencia, vigilancia y reconocimiento (ISR) plantean exigencias adicionales a los sistemas de navegación. Estas plataformas pueden operar en áreas extensas y pueden necesitar datos estables de actitud y navegación durante operaciones de vuelo prolongadas.

El sistema de control de vuelo ( INS ) debe ser compatible con la arquitectura de control de vuelo de la aeronave y, al mismo tiempo, proporcionar información de navegación coherente a las cargas útiles y a los sistemas de misión. Este requisito convierte la integración de sensores en una parte importante de la arquitectura general de navegación.

Un sistema de posicionamiento y guiado de alta precisión ( INS ) de grado táctico puede combinar sensores inerciales de alto rendimiento con ayuda de « GNSS » y algoritmos de navegación integrados. Cuando se dispone de datos de « GNSS », el filtro de navegación puede utilizar las mediciones de los satélites para limitar la deriva inercial. Durante una interrupción de « GNSS », el sistema puede seguir utilizando mediciones inerciales hasta que vuelva a estar disponible la ayuda externa.

El nivel de precisión requerido para el sensor depende de la duración de la misión, la dinámica de la plataforma, la duración prevista de la interrupción del servicio y el error de navegación aceptable. Por lo tanto, los ingenieros deben definir estos parámetros antes de seleccionar un IMU o un INS.

SBG Systems Desarrolla sensores de navegación inercial para aplicaciones que requieren datos precisos sobre actitud, movimiento y navegación. Su gama de productos incluye IMU, unidades de medición de giro ( AHRS, MRU) y soluciones de navegación asistida por satélite ( GNSS) y por satélite y inercial ( INS ) para plataformas autónomas y exigentes.

En el caso de los UAV autónomos y las aplicaciones de defensa, el objetivo no es simplemente seleccionar un sensor inercial con unas especificaciones elevadas. Por el contrario, los ingenieros deben adaptar el rendimiento del sensor, su integración y sus características ambientales a la arquitectura de navegación en su conjunto.

El resultado es un sistema de navegación diseñado en función de las limitaciones reales de la misión, entre las que se incluyen la disponibilidad de l GNSS , la dinámica, la vibración, el SWaP y la precisión de navegación requerida.

Puntos clave

1. INS proporciona mediciones continuas del movimiento y la actitud cuando no se dispone de un sistema de control de actitud ( GNSS ).
2. La navegación por estima permite a las plataformas autónomas continuar navegando durante las interrupciones de GNSS .
3. Los errores inerciales se acumulan con el tiempo, por lo que el rendimiento de los sensores resulta fundamental durante las interrupciones prolongadas del servicio.
4. La estabilidad del sesgo del giroscopio y el ruido de medición influyen considerablemente en el rendimiento de la navegación inercial.
5. La integración de sensores, la vibración, la temperatura, el SWaP y las interfaces también influyen en el rendimiento a nivel del sistema.
6. INS , de nivel táctico, puede dar respuesta a aplicaciones autónomas exigentes cuando los requisitos de la misión superan a los de los sensores de navegación convencionales.