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Modelado y control de un Vehículo Aéreo no Tripulado con visión nocturna

Gustavo Gómez Vergara

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Antecedentes

Para Haugeland la inteligencia artificial se puede definir como la interesante tareade lograr que las computadoras piensen… Máquinas con mente, en su ampliosentido literal [Haugeland, 1985]. Otra definición viene dada por Winston el cual diceque la inteligencia artificial es el estudio de los cálculos que hacen posible percibir,razonar y actuar [Winston, 1992] y de cómo lograr que los computadores realicentareas que, por el momento, los humanos hacen mejor [Rich y knight, 1991], lainteligencia artificial se utiliza en el ámbito militar, una de las aplicaciones militaresse refiere a los satélites de navegación y, más concretamente del Navstar GlobalPositioning System, conocido vulgarmente por sus siglas GPS [Hierro, 1990]. ParaBarrientos las Aeronaves no tripuladas han sido motivo de interés, en particular enel ámbito militar [Barrientos, 2006] y otra de las aplicaciones militares se refiere al

uso de sistemas de visión nocturna puede incrementar considerablemente laseguridad en la mar [González, 2010] estas son solo algunas de las aplicacionesque han nacido en el ámbito militar y que pueden ayudar a la creación de nuevasaplicaciones en esta u otras áreas.

Los drones se han visto altamente estudiados en el área militar, un dron se puededefinir como sistema informático con: Sensores, Actuadores y computador. Unadefinición más general es lo que Ernesto menciona él dice que es cualquier vehículono tripulado con cierto nivel de autonomía integrada (ello incluye desde vehículostele operados hasta vehículos totalmente inteligentes) [Ernesto, 2006] los dronestambién son llamados robots autónomos, son “vehículos” que pueden adoptardiferentes formas, y que, dependiendo del modelo, pueden ser dirigidos por controlremoto o incluso volar de forma autónoma a través del GPS [Mesa, 2015]. ParaLaborie los drones constituyen el 31% de la flota de aeronaves de las FuerzasArmadas norteamericanas. Son el sistema de armas más usado por EEUU, esto esuna muestra de que en un futuro se crearan armas más sofisticadas para evitar lapérdida de vidas valiosas ya que son autónomos [Laborie, 2012], el potencialdestructivo de los drones es muy alto. EEUU ha llevado a cabo 300 ataques condrones.

Existen 3 categorías posibles aire, tierra y mar y se les denomina de la siguientemanera a los drones:Marinos (Unmmaned Maritime Vehicle), Aéreos (UnmmanedAerial Vehicle), Terrestres (Unmmaned Ground vehicle) [Ernesto, 2006]. En el áreade los drones aéreos nos encontramos con los UAV’s y estos pueden definirse comouna aeronave no tripulada (UAV: Unmanned Aerial Vehicle o también UAS:Unmanned Aircraft System) aquella que es capaz de realizar una misión sinnecesidad de tener una tripulación embarcada [Barrientos, 2006]. Para Castañedael UAV es un vehículo controlado autónomamente o desde tierra utilizando planesde vuelo programados [Castañeda, 2016]. ). Como aquél capaz de desarrollar lamisión sin necesidad de intervención humana [Ernesto, 2006], los UAV actualmenteson muy utilizados ya que dejaron de pertenecer al ámbito militar dentro de las

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ventajas actuales se encuentran que pueden llegar a zonas de difícil acceso opeligrosas para aviones tripulados, son baratos y contingentes, además que nospueden proporcionar otro punto de vista [Cañas, 2015] también cuentan condesventajas entre las más generalas son la poca tolerancia al tiempo, estorefiriéndonos en el ámbito civil, algunos son de poca autonomía, su sistema puede

ser vulnerable o lo pueden robar, sin olvidar las caídas y colisiones [Cañas, 2015]que pueden dañar al sistema al aparato o alterar su funcionamiento.

Generalizando el concepto es casi todo lo que esté en el aire sin un piloto, un globocon un termómetro, un multicopter con una cámara GoPro o un avión militar portadorde misiles [Mesa, 2015] y pueda ser autónomo en la actualidad podemos clasificara los UAV según sus características de vuelo [Castañeda, 2016] ya que han dejadode ser solo de uso militar lo cual se puede apreciar en la tabla 1.

Categoría Acrónimo Alcance(km)

Altitud devuelo (m)

Autonomía(h)

Cargamáxima(Kg)

Micro <250 gr.

Micro < 10 250 1 24 >30

Autonomíaalta /Altitudmedia

MALE >500 14.000 24 a 48 1.500

Autonomíaalta /Altitud alta

HALE >2.000 20.000 24 a 48 12.000

Combate UCAV 1.500 10.000 2 10.0

Tabla 1.

Algunas de las características que debe de tener un UAV ya que para mesa eltamaño y la autonomía son muy diversos, podemos encontrar drones tan pequeñoscomo insectos y tan grandes como aviones de carga, todo depende de su aplicación

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en el ámbito civil la mayoría de ellos no presentan un gran tamaño sino al contrario,son muy ligeros, desmontables y se pueden llegar a transportar en una maleta, unade las principales características de estos artefactos es la autonomía la cual puedellegar a variar según la cantidad de combustible del que dispongan, pero en losmodelos más pequeños, las baterías pueden llegar a durar entre los 30 y 60 minutos

[Mesa, 2015] los drones van equipados con GPS y giróscopos y en muchosmodelos, si detectan algún problema o pierden la señal con el operador, regresanautomáticamente a la base esto es en la mayoría de los modelos recientes.

Entre las aplicaciones militares están el espionaje los UAV son bastante utilizados,desde los más pequeños (difícil de detectar por los radares) hasta los más grandes.Una de las grandes características a destacar a la hora de utilizar los UAV enmisiones militares es que no arriesgamos vidas humanas y lo único que podemosperder es todo el sistema UAV [Castañeda, 2016] han sido ampliamente utilizadosdebido al acelerado desarrollo tecnológico, lo cual los ha hecho más pequeños, mássilenciosos, de vuelo más ágil y complejo, con cámaras tan nítidas como potentes,

pueden ser utilizados para desarrollar infinidad de tareas que el ser humano nopuede o no quiere llevar a cabo, o que simplemente ponen en riesgo sus vidas. Elejército norteamericano hace que los drones constituyan al menos un tercio de laflota de aeronaves en operación y desempeñan en exclusiva todas las misiones deinteligencia, vigilancia y reconocimiento [Mesa, 2015] que llevan a cabo las fuerzanarmadas, habiendo desplazado totalmente a los medios aéreos convencionalesreducir la presencia de miembros del ejército estadounidense en los escenarios deconflicto armado y sustituirlos por operativos realizados por lo que la industria llamavehículos aéreos no tripulados.

Para poder manejar un dron se necesita de un medio de Comunicación estos son

cruciales para permitir el flujo tanto de datos de sensores como de señales demando y control existen dos maneras de hacer este enlace 1.Señales de radio dealta frecuencia (HF) 2. Señales de radio muy alta frecuencia (VHF), cabe destacarel uso de otros sistemas de comunicación para aeronaves de corto alcance, comopuede ser el empleo de los diferentes normalizados protocolos IEEE. La ventaja deestos protocolos radica en que permite simplificar la gestión de las comunicacionesal poder utilizar hardware y software ampliamente extendidos [Duran, 2012] estosenlaces pueden utilizar diversos tipos de soporte físico y soporte lógico que terceraspartes pueden proporcionar y gestionar [Oaci, 2011] la comunicación con los UAVse realiza mediante estos medios en la actualidad son usados para patrullarfronteras o para vigilar ciudades, también en el área militar son usados como armas

equipados con misiles esto es en EEUU, al igual que otras aplicaciones militarescomo el internet o el GPS fueron creados para uso exclusivo pero debido a losavances tecnológicos en la actualidad existen innumerables usos civiles.

Otra de las aplicaciones militares que utilizan inteligencia artificial es el NavstarGlobal Positioning System, conocido vulgarmente por sus siglas GPS. Su principalfunción es poder disponer en cualquier parte del mundo de un sistema queproporcionase continuamente los datos de situación geográfica, velocidad y tiempo

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horario, con gran precisión [Hierro, 1990] este sistema fue desarrollando paramejorar significativamente la coordinación entre los elementos de una fuerza influyótambién, sin duda, la posibilidad de incrementar notablemente la exactitud en ellanzamiento de armas de todo tipo o como es el caso de la navegación en el espacioel desarrollo militar para el GPS ha sido un factor determinante para muchas de las

cosas que se han realizado en la actualidad, la ejecución de muchas de lasoperaciones militares dependen directamente de la precisión, respecto al tiempohorario y a la situación geográfica.

Está formado por una constelación de satélites que transmite rangos de señalesutilizados para el posicionamiento y localización en cualquier parte del globoterrestre. Estos permiten determinar las coordenadas de un punto dado comoresultado de la recepción de señales provenientes de constelaciones de satélitesartificiales de la Tierra para fines de navegación, transporte, geodésicos,hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines [Ghio, 2012], diseñado por elDepartamento de Defensa de los Estados Unidos.

Para poder entender cómo funciona un GPS debemos determinar sus componentesprincipalmente de tres partes o segmentos: Segmento espacial, control, usuario[Ghio, 2012] de todos los componentes que integran este sistema lo más importantees la obtención de coordenadas el sistema, se basa en la determinación simultáneade las distancias a cuatro satélites (como mínimo) de coordenadas conocidas. Estasdistancias se obtienen a partir de las señales emitidas por los satélites, las que sonrecibidas por receptores especialmente diseñados. Las coordenadas de los satélitesson provistas al receptor por el sistema [Huerta, 2005] básicamente la función de unGPS es la de triangular una posición por puntos conocidos dentro de la constelaciónde satélites partiendo del cálculo de las distancias del punto a un mínimo de tressatélites cuya localización es conocida. La distancia entre el usuario (receptor GPS)y un satélite se mide multiplicando el tiempo de vuelo de la señal emitida desde elsatélite por su velocidad de propagación. Para medir el tiempo de vuelo de la señalde radio es necesario que los relojes de los satélites y de los receptores esténsincronizados, pues deben generar simultáneamente el mismo código.

Una de las claves para el funcionamiento y transmisión de información de códigosde encriptación todos los satélites emiten dos ondas portadoras en la banda L (1000MHz a 3000 MHz) la portadora L1 está modulada por dos códigos (C/A y P) y la L2solo por el código P. Ambas portadoras incluyen además el denominado mensajede navegación. [Huerta, 2005] existen dos frecuencias en las que los satélitestransmiten información:

Frecuencia portadora L1, a 1575.42 MHz., transmite los códigos C/A y P.Frecuencia portadora L2, a 1227.60 MHz., transmite información militar

modulada en código P [Pozo-Ruiz, 2010].

Para poder operar un GPS cuenta con 3 partes una de ellas es el segmento decontrol se refiere a una serie de estaciones terrestres. Éstas envían información decontrol a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de toda

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la constelación. Se podría decir que son estaciones de rastreo automáticasdistribuidas globalmente y que monitorean las órbitas junto con las señales de cadasatélite enviando correcciones [Giménez, 2010] el segmento de control,denominado internacionalmente con las siglas OCS (Operational Control Segment)Tiene como funciones las siguientes premisas:

Monitoreo y control permanente de los satélites con el objeto de determinar ypredecir las órbitas y los relojes de a bordo. Sincronización de los relojes de los satélites con el tiempo GPSTransmisión, a cada satélite, de la información procesada.

Está integrado por una Estación de Control Maestra (MCS), varias Estaciones deMonitoreo (MS) y Antenas Terrestres (GA).

Su función es determinar las distancias a todos los satélites visibles y transmitirlasa la estación de control maestra junto con los datos meteorológicos de cadaestación.

Con los datos recibidos de las estaciones monitoras, la estación maestra, ubicadaen la Base de la Fuerza Aérea Schriever en el estado de Colorado, calcula losparámetros orbitales y los de los relojes y posteriormente los transmite a las antenasterrestres que los transfieren a los satélites a través de un enlace vía banda S [Pozo-Ruz, 2010] el segmento de control sirve para poder manipular los satélites desdeuna estación terrestre para Ghio las estaciones monitoras reciben las señales delos satélites y calculan la órbita exacta [Ghio, 2012]. Los errores existentes en lainformación orbital de cada satélite (ephemerisdata) son calculados y la informacióncorregida es enviada a cada satélite.

Otra de las partes de funcionamiento de un GPS es el segmento espacial nosencontramos 24 satélites con trayectorias sincronizadas para cubrir toda lasuperficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en 6 planos orbitalesde 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren para su funcionamientola adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdas solares adosados a suscostados.

Y por último tenemos el segmento de usuario para Ghio este segmento lo conformanla totalidad de usuarios del sistema y los receptores GPS [Ghio, 2012]. Estesegmento por su parte recibe las señales que envían los satélites y las utiliza paradeterminar la posición del punto o móvil. Empleando las señales de cuatro satélitesun receptor GPS puede calcular la posición en el espacio tridimensional (X, Y, Z) yel tiempo (UTC*) La aplicación principal del sistema GPS es la navegación en tresdimensiones (X, Y, Z).

Las diferentes aplicaciones de un GPS dependen de las áreas donde se ocupe talescomo agricultura, pesca, geodesia, estudio de fenómenos atmosféricos, localizacióny navegación en regiones inhóspitas, modelos geológicos y topográficos, ingenieríacivil, sistemas de alarma automática, sincronización de señales, guiado dedisminuidos físicos [Pozo-Ruz, 2010] entre otras mejoras, permitirá una gestión yseguimiento más eficaz y flexible de los servicios de transporte comercial y privado

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gracias a la posibilidad de localizar vehículos de forma precisa y en tiempo real,monitoreando su recorrido [Huerta, 2005], entre las aplicaciones militares podemosmencionar algunas adquisición de blancos, lanzamiento de armas, enganche encuadricula, operación de campos de minas, armas fuego directo, indirecto, dedefensa [Hierro, 1990], entre los sistemas que más utilizan el GPS son los sistemas

de vuelo, claro podemos hablar de otras funciones que este simplifica como lasfases de una operación táctica, apoyo aéreo, búsqueda, etc. En las operacionesaéreas que se ven afectadas está la interceptación, la interdicción, el apoyo a tierra,el reconocimiento, la búsqueda y el rescate, lanzamientos en paracaídas, transporte«todotiempo» y la patrulla marítima.

Sin duda alguna funciona en aplicaciones tanto marítimas como aéreas, sin olvidarla militar podemos contar con algunas aplicaciones en este ámbito como lo son quefacilitara la localización de las fuerzas enemigas y determinara con seguridad el ejede acción, de forma que el apoyo artillero y aéreo resulte más efectivo, en el ámbitomilitar el conocimiento exacto de la posición propia y la del blanco enemigo es desuma importancia.

Otro de los sistemas que pertenecen al desarrollo militar es el sistema de visiónnocturna para poder comprender este sistema debemos definir que es el sistemavisual, según Cañada es un sistema perceptivo mediante el cual recibe informaciónexterior que procesa para tomar decisiones, aprovechando la información que nosllega mediante la luz, el sistema es sensible a las radiaciones electromagnéticaspero es limitado al espectro visible, en la ausencia de fuentes lumínicas el ojo nocapta información exterior [Cañada, 1993]una manera de percibir más en ausenciade luz es la visión nocturna esta detecta las radiaciones no visibles que emiten loscuerpos, permite al hombre ver en condiciones de obscuridad, captando luz enambientes de cuasi-obscuridad (Tubos de intensificación de imagen) o radiacionesno visibles (Detección Térmica).

La visión nocturna puede funcionar con tubos intensificadores los cualesaparecieron en los años 50, el objetivo es recibir los fotones debidos a la radiaciónen infrarrojo cercano que provienen de la reflexión de la luz de estrellas, luna uobjetos cercanos, el fotocátodo es la parte principal consiste en un material queconvierte los fotones en electrones estos son acelerados y focalizados [Cañada,1993], pantalla esta es una pantalla de fosforo donde los electrones pasan de nuevoa fotones para ser observados los sistemas que actualmente se comercializan fueradel ámbito militar son:• Intensificadores de luz residual (I2).• Cámaras de Infrarrojos (IR)

Estos visores existen desde hace años y que se ve en verde para su funcionamientoutilizan los tubos intensificadores de dichos visores, tanto en calidad de imagen,como en reducción de peso y tamaño, en autonomía [González, 2010] otra manerade funcionar es por infrarrojo la radiación infrarroja es uno de los diferentes tipos deradiación electromagnética [Tierno, 2013] esta es el producto de interacciones entrecampos magnéticos y eléctricos, y dependiendo de su frecuencia tiene varios usos.

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Una onda electromagnética está formada por dos campos: uno eléctrico y otromagnético, que viajan a la velocidad de la luz (en el vacío es aproximadamente300000 Km/s) [Sánchez, 2007] los googles de visión nocturna pueden amplificarhasta 3000 veces la iluminación de una escena [Díaz, 2003] ha tenido un gran augeen el ámbito militar y su combinación con otras aplicaciones militares los hace

realmente importantes en este ámbito.Para que un visor nocturno funcione se necesita de tubos intensificadores estosDispositivos opto-electrónicos que sirven para aumentar la intensidad de unaimagen de la entrada (fotocátodo) a la salida (pantalla de fósforo), sirven comoamplificadores de la tenue imagen producida con la luz “residual” de la noche en el

rango de 10-4

lx (noche muy cubierta con estrellas) a 0.1 lx (luna llena) [Díaz, 2003].Estos tubos son los sistemas que utilizan la luz residual de la noche amplificándola[González, 2010] esto con el fin de proporcionar al usuario una visión en la oscuridadcasi como si fuera de día la deficiencia de los tubos es la complejidad de los mismosy su campo de visión que es reducido a un 40%.

Otro amplificador son los sistemas infrarrojos denominados (IR), estos se dividenen dos grupos los objetos observados como consecuencia de su condición térmica(cámaras fotónicas) o los que miden las diferentes temperaturas de la imagenobservada (cámaras térmicas) [González, 2010] la función de los IR es sobre elespectro correspondiente al infrarrojo, es donde todo cuerpo emite radiacióntérmica, todos los objetos emiten radiación infrarroja dependiendo de la temperaturaa la que se encuentren [Sánchez, 2007], la emisión de energía es por medio deondas electromagnéticas en la zona del espectro situada inmediatamente despuésde la zona roja de la radiación visible [González, 2010]. Para medir estas ondaselectromagnéticas se mide en Hertz (un Hertz es una oscilación por segundo), y da

una idea de la cantidad de veces que el campo eléctrico de una onda cambia susigno en un segundo, las ondas electromagnéticas están compuestas por doscampos: uno eléctrico y otro magnético [Sánchez, 2007]. Estas ondas surgen por laoscilación o aceleración de una carga eléctrica [González, 2010], para poder medirlas ondas se utilizan los micrómetro (μm) y el nanómetro (nm). Las ondaselectromagnéticas tienen energía, la cual es aprovechable de diferentes maneras,puede ser usada para excitar una antena de radio, para estimular sensores comonuestros ojos o las películas de las radiografías [Sánchez, 2007] la luz visible essolo una parte de la onda estas se propagan como las ondas de agua y necesitande un medio por el cual hacerlo.

Para la visión nocturna se utilizan las ondas infrarrojas estas (Forward LookingInfrared Sensors: FLIR) aprovechan que los cuerpos emiten calor para observar elentorno de manera pasiva, la radiación de calor que mejor se propaga son las delongitud de onda entre los márgenes 2-5 fAID Y 8-15 fAID (Infrarrojo medio y lejano),existen dos diferentes tipos de sensores infrarrojos los térmicos que producencorriente eléctrica proporcional a los incrementos de temperatura debidos a laenergía radiada por los cuerpos observados [Cañada, 1993] los tiempos derespuesta de estos sensores son altos (del orden de los milisegundos), pero tienen

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una sensibilidad uniforme en todo el espectro de frecuencias, y no necesitanrefrigeración y los cuánticos que aprovechan la energía fotónica para generarelectrones y pasar del estado de corte al de conducción, generando así una cargaque contiene información y que se trata posteriormente.

La visión nocturna puede tener diferentes aplicaciones en diferentes ámbitos en elTráfico Aeroportuario como complemento al radar para aproximación, circulación enpista, uso en niebla y lluvia. En las operaciones de rescate; búsqueda en mar ynieve, en el control medioambiental tiene diferentes usos como vigilancia deparques naturales y lucha contra incendios, control de riegos y de explotación deacuíferos [Sánchez, 2007], las imágenes térmicas permiten calcular lasemanaciones y la pérdida de biomasa a través de modelos.

Aplicaciones de control de personas en situaciones de inmigración ilegal, tráfico dedrogas, observación y vigilancia, rescate, navegación, fotografía, filmación ytelevisión [Díaz, 2003] aplicaciones Industriales como Termografía Industrial,Control de Emisión de Gases, Estudios de Fugas, etc. [González, 2010] la visiónnocturna en el ámbito militar proporciona a nuestros operadores una increíbleventaja en el campo de batalla de hoy día [Tierno, 2013]. La capacidad paraobservar y batir al enemigo sin que se percate siquiera de tu presencia constituyeun arma formidable.

Existen desventajas en el uso de un sistema de visión nocturna en la fabricación delos tubos intensificadores de imagen es multidisciplinar y compleja requiriéndosemás de 400 delicados procesos [Díaz, 2003] físicos y 200 químicos [González,2010] las cámaras de visión nocturna deben ser capaces de soportar altastemperaturas, golpes, agua entre otros factores de desgaste [Sánchez, 2007] unade las principales desventajas de este sistema es el relativamente pequeño campode visión.

Entre los nuevos campos de uso están la investigación científica en campos talescomo las observaciones de efectos bioquímicos y luminiscentes, y de débilesdescargas eléctricas, la microscopía intensificada, la endoscopia, la astronomía,etc. [Díaz, 2003] se está dando paso a la utilización a las agencias gubernamentalesde vigilancia fiscal, policial, patrulla de fronteras etc. siendo éste un campo de actualdesarrollo.

Los nuevos campos intentan combinar las tecnologías de visión nocturna de fusiónde imágenes (térmica e infrarroja) [Tierno, 2013], podemos decir que es un camponuevo que recientemente está siendo estudiado por áreas diferentes a las militares.

El sistema de visión nocturna de Cisneros funciona integrado en un vehículo comoun carro, etc., este proporciona un aumento de la visibilidad del conductor en laoscuridad o en condiciones de baja visibilidad, este sistema está pensado para serutilizado en condiciones de baja luminosidad funciona con tecnología infrarroja, estarecibe los datos de emisores infrarrojos y genera una imagen de video procesada

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electrónicamente y es mostrada en una pantalla TFT [Cisneros, 2008] este sistemaotorga un mejor funcionamiento a los vehículos viajando de noche.

El sistema de visión nocturna de Cisneros funciona con emisores instalados en elfrontal del vehículo, detrás de la parrilla o integrados en los faros, la cámara de

infrarrojo recoge los fotones que inciden sobre los pixeles del dispositivo, una vezque los fotones alcanzan uno de los numerosos pixeles la temperatura varia y lacámara interpreta estas diferentes capacitancias para crear una imagen,proyectándola en una pantalla o en el parabrisas, este sistema está basado en latecnología infrarroja cercana o lejana la cual detecta las radiaciones infrarrojas delentorno [Cisneros, 2008] los componentes de un sistema infrarrojo cercano son tres:

1. Emisores de luz infrarroja.2. Cámara de sensibilidad al infrarrojo.3. Pantalla

Las ventajas que podemos mencionar del uso de este sistema están que ofrece unamejor visibilidad de la carretera, incluyendo obstáculos inesperados que puedansurgir como animales, peatones o mercancía, el trafico nocturno es deaproximadamente 60-80% menor que el diurno pero los accidentes mortalessuceden por la noche, con el sistema el conductor puede percatarse de lassituaciones peligrosas con anterioridad y por lo tanto reaccionar más rápido,indudablemente el sistema mejora la visibilidad en ausencia de luz mejora laconducción nocturna [Cisneros, 2008] el sistema tiene algunos inconvenientes ofallas que podemos notar, una de ellas es el mal uso que se acostumbra al conductorya que presta atención al display del sistema o se confía mucho, la responsabilidadúltima para reconocer objetos recae en el conductor, los objetos animados queemiten calor como peatones o animales no son resaltados frente al resto y puedeser más difícil su detección, la temperatura es un factor que también influye loscambios en el ambiente pueden ser problemáticos a que la cámara térmica resulteefectiva.

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Planteamiento del problema

Modelado y control de un Vehículo Aéreo no tripulado con visión nocturna.Objetivos generales

Se plantea el modelado de un UAV con visión nocturna para el campo militar.

Se plantea el control de un UAV con visión nocturna.

Determinar cuáles son los tipos de modelos que pueden ser aptos para trabajarcon visión nocturna.

Determinar el sistema de control para la operación de un dron aéreo con visiónnocturna.

Análisis de las mejoras de un UAV con visión nocturna.

Determinar el mejor algoritmo de control para un UAV con el sistema de visiónnocturna.

Determinar el mejor sistema de visión nocturna para complementar al UAV.

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Marco teórico.Los avances del Marco teórico hasta hoy se encuentran en el anexo 1.

¿Qué es la IA? [Russell, 2004].Los fundamentos de la inteligencia artificial [Russell, 2004].

Introducción [Haugeland, 1989].

Introducción a la robótica [Cañas, 2015].

Aeronaves sin piloto [oaci, 2011].

Aeronaves modelo [oaci, 2011].

Aplicaciones reales [Cañas, 2015].

Robótica aérea [Cañas, 2015].Ventajas y Desventajas [Cañas, 2015].

Sistema de guiado para un vehículo aéreo no tripulado [Llorens, 2015].

Metodología de un UAV [Llorens, 2015].

Análisis del modelo de control [Llorens, 2015].

Nociones de Geodesia [Huerta, 2005].

El sistema de posicionamiento Global GPS [Huerta, 2005].

Funcionamiento [Giménez, 2010].

Características técnicas [Giménez, 2010].

La señal del satélite [Huerta, 2005].

Tiempo [Huerta, 2005].

Relación entre código C/A, tiempo y distancia [Huerta, 2005].

Arquitectura del sistema GPS [Pozo-Ruz, 2010].

Fuentes de error en los GPS [Pozo-Ruz, 2010].Fuentes de error [Giménez, 2010].

Sistema GPS – Constitución [Huerta, 2005].

Segmento espacial [Huerta, 2005].

Segmento de control [Huerta, 2005].

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Segmento usuario [Huerta, 2005].

Evolución [Giménez, 2010].

Aplicaciones de los GPS [Pozo-Ruz, 2010].

Funcionamiento y protocolos del Sistema de visión nocturna [Sánchez, 2007].Tubos de intensificación de imagen [Cañada, 1993].

Detección infrarroja [Cañada, 1993].

Capacidad amplificadora de los intensificadores de imagen [Díaz, 2003].

Rango dinámico de los TIIs [Díaz, 2003].

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Estado del ArteLos avances del Estado del arte hasta hoy se encuentran en el anexo 2.

La era de los Drones [Laborie, 2012].

Aplicaciones militares generales [Hierro, 1990].

Agentes autónomos inteligentes [Ernesto, 2006].

Los robots inteligentes autónomos [Ernesto, 2006].

Aplicación de la robótica cognitiva en vehículos autónomos inteligentes [Ernesto,2006].

Aplicaciones a las operaciones aéreas [Hierro, 1990].

Aplicaciones en operaciones terrestres [Hierro, 1990].

Definiciones y clasificación [Barrientos, 2006].

Aplicaciones civiles de los UAV [Barrientos, 2006].

Robótica y psicología [Ernesto, 2006].

Generalidades [Hierro, 1990].

Generalidades, misión y capacidades [Fernández, 2012].

Integración UAS en el espacio aéreo [Fernández, 2012].

Criticas [Laborie, 2012].

Sistema de control de un UAV [Barrientos, 2006].Segmento tierra y segmento aire [Barrientos, 2006].

Autonomía de vuelo [Barrientos, 2006].

Comunicaciones [Barrientos, 2006].

Control de actitud [Barrientos, 2006].

Sistemas Globales de navegación por satélite [Ghio, 2012].

Estructura del sistema GPS [Ghio, 2012].

Modos de posicionamiento [Ghio, 2012].

Fuentes de error en GPS [Ghio, 2012].

Planificación de mediciones [Ghio, 2012].

Night Vision [Cisneros, 2008].

Mecánica y electrónica [Cisneros, 2008].

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Componentes y limitaciones [Cisneros, 2008].

Gafas de visión nocturna panorámica terrestre L-3 [Tierno, 20113].

GPNVG-18 [Tierno, 20113].

PNVG [Tierno, 20113].Fallos/ mal uso [Cisneros, 2008].

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Marco metodológicoLos avances del Marco metodológico hasta hoy se encuentran en el anexo 3.

Introducción [López, 2012].

Introducción [Duran, 2012].

Descripción [Duran, 2012].

Breve historia de las aeronaves no tripuladas [Duran, 2012].

Vehículos aéreos no tripulados [Castañeda, 2016].

Vehículo aéreo no tripulado, UAV [Carmona, 2013].

Tecnologías involucradas [Duran, 2012].

Modelos de vehículos UAV [Carmona, 2013].

Clasificación de los UAS [Duran, 2012].Aviones UAV con motor a reacción [Carmona, 2013].

Control visual [Carmona, 2013].

Sensores [Duran, 2012].

Sensores [Carmona, 2013].

Comunicaciones [Duran, 2012].

Sense & Avoid [Duran, 2012].

Desarrollo software [Jiménez, 2006].

¿Qué es ROS? [Carmona, 2013].

Objetivos de ROS [Carmona, 2013].

Metodologías seleccionadas: sensibilidad mixta H [López, 2012].

Algoritmo A* [Jiménez, 2006].

Especificación [Jiménez, 2006].

Modelo de la aeronave [López, 2012].

Síntesis del modelo de control [López, 2012].

Aterrizaje automático [López, 2012].

El UAV frente a la aeronave tripulada [Duran, 2012].

Aplicaciones de los UAVs [Duran, 2012].

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Sistema de visión artificial [Ernesto, 2010].

Seguridad y visibilidad en la oscuridad [González, 2010].

Sistemas de visión nocturna [González, 2010].

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Modelos militares [Franco, 2016].

Sensores [Franco, 2016].

Diseño [Franco, 2016].

Sistema de control [Franco, 2016].

Sistema sensorial [Franco, 2016].

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Objetivos ParticularesConocer el mejor modelo de hardware para la creación de un UAV con el sistema de visiónnocturna implementado.

Investigar los métodos más eficientes para la operación de un UAV.

Investigar la manera más óptima de visión nocturna y probar con los modelos de UAV para unacorrecta adaptación.

Poder manipular el UAV con poca visibilidad o muy poca luminidad otorgando una maneraintuitiva de la manipulación del dron.

Investigación e implementación del diseño para la creación de un UAV con visión nocturna.

Correcta interacción de los dos componentes tanto de la visión nocturna como del control ymodelado del UAV, incluyendo la comunicación de los dos medios de manera remota con unsegmento tierra.

Implementación de un algoritmo H para la operación del UAV con la ayuda de sensores demedición.

Conocer las ventajas sobre los sistemas existentes por medio de un análisis de funciones y deactividades del UAV con visión nocturna.

Implementación de un UAV con cierto nivel de autonomía que pueda guiarse en ambientes depoca visibilidad gracias a la visión nocturna.

Pruebas de campo en ambientes controlados del funcionamiento del UAV.

Completar el marco teórico.

Completar el marco metodológico.

Completar el estado del arte.

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Hipótesis

Se realizara el modelado de un Vehículo Aéreo no tripulado con los modelospropuestos basándose en las características de vuelo con un control por medio de

un algoritmo H*, que pueda implementar en su funcionamiento un sistema devisión nocturna infrarroja con tubos intensificadores para poder comparar losbeneficios sobre los preexistentes UAV.

Cronograma de actividadesAct iv idades 19/04/2016 19/05/2016 19/06/2016 19/07/2016 19/08/2016 19/09/2016 19/10/2016 19/11/2016 19/12/2016 19/01/2017 19/02/2017 19/03/2017Conocer el mejor modelo dehardware para la creación de un UAVcon el sistema de visión nocturnaim lementado.Investigar los métodos máseficientes para la operación de unUAV.Investigar la manera más óptima devisión nocturna y probar con losmodelos de UAV para una correctaadaptación.Poder manipular el UAV con pocavisibilidad o muy poca luminidad

otorgando una manera intuitiva de l amanipulación del dron.Investigación e implementación deldiseño para la creación de un UAVcon visión nocturna.Correcta interacción de los doscomponentes tanto de la visiónnocturna como del control ymodelado del UAV, incluyendo lacomunicación de los dos medios demanera remota con un segmentotierra.Implementación de un algoritmo Hpara la operación del UAV con laayuda de sensores de medición.Conocer las ventajas sobre lossistemas existente s por medio de unanálisis de funciones y deactividades del UAV con visiónnocturna.Implementación de un UAV concierto nivel de autonomía que pueda

guiarse en ambientes de pocavisibilidad gracias a la visiónnocturna.Pruebas de campo en ambientescontrolados del funcionamiento delUAV.

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Referencias

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[Vicente, 2003] José Andrés Vicente Lober, Técnicas de inteligenciaartificial en la construcción de robots móviles autónomos,Universidad de Salamanca Departamento de informáticay automática, Facultad de ciencias 2003.http://gro.usal.es/web/gradosSalamanca/gradoJAVL.pdf

[Winston, 1992] Patrick Henry Winston, Artificial Intelligence,Massachusetts Institute of Technology 1992http://courses.csail.mit.edu/6.034f/ai3/rest.pdf

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Anexo 1Para Haugeland la inteligencia artificial se puede definir como la interesante tareade lograr que las computadoras piensen… Máquinas con mente, en su ampliosentido literal [Haugeland, 1985]. Se dice que es el arte de crear máquinas concapacidad de realizar funciones que realizadas por personas requieren deinteligencia [Kurzweil, 1990] otra definición viene dada por Winston el cual dice quela inteligencia artificial es el estudio de los cálculos que hacen posible percibir,razonar y actuar [Winston, 1992] y de cómo lograr que los computadores realicentareas que, por el momento, los humanos hacen mejor [Rich y knight, 1991] camposde estudio de la inteligencia artificial en el ámbito militar:

Una de las aplicaciones militares se refiere a los satélites de navegación y, másconcretamente del Navstar Global Positioning System, conocido vulgarmente porsus siglas GPS [Hierro, 1990]. Otra que también es considerada son los SistemasExpertos se destacan entre las herramientas de soporte para la toma de decisiones[Badaro, 2013]. Para Barrientos las Aeronaves no tripuladas han sido motivo deinterés, en particular en el ámbito militar [Barrientos, 2006]. Otra de las aplicacionesmilitares se refiere al uso de sistemas de visión nocturna puede incrementarconsiderablemente la seguridad en la mar [González, 2010] un dron se puede definircomo Sistema informático con:

Sensores, Actuadores, Computador. Hay que programarlo para que consiga susobjetivos y sea sensible a la situación. La inteligencia reside en su software [Cañas,2015], una definición más general es lo que Ernesto menciona él dice que escualquier vehículo no tripulado con cierto nivel de autonomía integrada (ello incluyedesde vehículos tele operados hasta vehículos totalmente inteligentes) [Ernesto,2006] los drones también son llamados robots autónomos son sistemas mecánicosque pueden interactuar con un ambiente, y tienen un comportamiento individualaunque éste sea socializado [Vicente, 2003], e n general son “vehículos” que puedenadoptar diferentes formas, y que, dependiendo del modelo, pueden ser dirigidos porcontrol remoto o incluso volar de forma autónoma a través del GPS.

Para establecer las clasificaciones de un dron se basan en la división civil/militar,otros en el sistema de recogida y/o lanzamiento, por aplicaciones… Pero la másextendida es la basada en el MTOW (Maximum Take off Weight) que, en términosgenerales, con lleva unas prestaciones de autonomía y alcance [Duran, 2012] seatienden a diferentes parámetros como el peso-tamaño, empleo (táctico, operativoy estratégico), tipo de misión, altitud, radio de acción-autonomía, velocidad,

lanzados por catapulta o desde el hombro, lanzados desde el aire, etc. [Fernández,2012] existen 3 categorías posibles aire, tierra y mar y se les denomina de lasiguiente manera a los drones:

Marinos (Unmmaned Maritime Vehicle), Aéreos (Unmmaned Aerial Vehicle),Terrestres (Unmmaned Ground vehicle) [Ernesto, 2006].

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Dentro de los UAV se distinguen aquellas de despegue vertical de las que no lo son,estando dentro de las primeras las de ala rotativa o hélice (helicópteros y quad-rotosentre otros), los de ala flexible (parapentes, ala delta) y los auto-sustentados(dirigibles y globos). Dentro de los de despegue no vertical, se encuentran los deala fija (aeroplanos) [Barrientos, 2006], en el área de los drones aéreos nos

encontramos con los UAVS y estos pueden definirse como una aeronave notripulada (UAV: Unmanned Aerial Vehicle o también UAS: Unmanned AircraftSystem) aquella que es capaz de realizar una misión sin necesidad de tener unatripulación embarcada [Barrientos, 2006]. Para Castañeda el UAV es un vehículocontrolado autónomamente o desde tierra utilizando planes de vuelo programados[Castañeda, 2016]. ). Como aquél capaz de desarrollar la misión sin necesidad deintervención humana [Ernesto, 2006]. Generalizando el concepto es casi todo lo queesté en el aire sin un piloto, un globo con un termómetro, un multicopter con unacámara GoPro o un avión militar portador de misiles y pueda ser autónomo.

Se pueden clasificar denominándolos de las siguientes formas: uninhabited aircraft(UA), unmanned aereal vehicles (UAV), unnmaned aereal systems (UAS), remotelypiloted aircraft (RPA) y remotely piloted vehicles (RPVs).

Una visión más general de la clasificación seria en solo 3 categorías: ROA(“Remotely Piloted Aircraft”), UA (“Unmaned Aircraft”), UAV (“Unmanned AerialVehicle”) [Barrientos, 2006].

Para clasificarlos nos basamos en una división civil/militar teniendo en cuenta lasiguiente imagen:

Imagen 1

En la actualidad podemos clasificar a los UAV según sus características de vuelo[Castañeda, 2016] ya que han dejado de ser solo de uso militar lo cual podemosapreciarlos en la siguiente tabla, tabla 1.2.

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Categoría Acrónimo Alcance(km)

Al ti tud devuelo (m)

Au tonomía(h)

Cargamáxima(Kg)

Micro <250 gr.

Micro < 10 250 1 24 >30

Autonomía alta /

Alti tudmedia

MALE >500 14.000 24 a 48 1.500

Autonomía alta /

Alti tudalta

HALE >2.000 20.000 24 a 48 12.000

Combate UCAV 1.500 10.000 2 11.0

Tabla 1.2 12.0

Algunas aplicaciones de los UAV son monitorización de fenómenos ambientales,reabastecimiento en vuelo, vigilancia de fronteras, reconocimiento, penetraciónfurtiva, Blanco y señuelo, pseudosatélites [Duran, 2012]. Entre las aplicacionesciviles se encuentran inspección de infraestructuras, supervisión de tráfico,agricultura, búsqueda y rescate [Barrientos, 2006] entonces más completamente sedescriben las siguientes: Filmografía: cine, Climatología: Monitorización de lacontaminación atmosférica, agricultura: aplicación de fumigantes, levantamiento demapas. Topografía, búsqueda y rescate: Naufragios, medioambientales: detecciónde fuego, comunicaciones. Conmutador emergente de comunicaciones,Monitorización de autopistas, Control de fronteras.

Entre las aplicaciones militares están el espionaje los UAV son bastante utilizados,desde los más pequeños (difícil de detectar por los radares) hasta los más grandes.Una de las grandes características a destacar a la hora de utilizar los UAV en

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misiones militares es que no arriesgamos vidas humanas y lo único que podemosperder es todo el sistema UAV [Castañeda, 2016] estas son algunas de lasactividades de los aeronaves no tripuladas.

Algunas de las características con las que cuenta un Aeronave no tripulado son el

tamaño y autonomía de los drones son muy diversos. Podemos encontrar dronestan pequeños como insectos y tan grandes como aviones de carga. En el caso delos drones civiles, la mayoría de ellos no presentan un gran tamaño sino al contrario,son muy ligeros, desmontables y se pueden llegar a transportar en una maleta.

La autonomía de estos aparatos tecnológicos puede llegar a variar según lacantidad de combustible del que dispongan, pero en los modelos más pequeños,las baterías pueden llegar a durar entre los 30 y 60 minutos [Mesa, 2015] una partefundamental para los UAV son los sensores constituyen la principal carga de pagode los UAV y en la mayoría de los casos los elementos que permiten llevar a cabola misión asignada. Los sensores responden a un doble objetivo, tanto analizar el

fenómeno a estudio como permitir la operación de la aeronave al posibilitar lanavegación segura ( Sense and avoid ) [Duran, 2012] algunos de los sensores conlos que cuentan son: GPS, IMU, Cámaras: HD, infrarrojas, brújulas, barómetro[Cañas, 2015] una de las principales características aun en el caso de sistemastotalmente autónomos, de un puesto de mando en tierra dedicado, al menos, a ladefinición y supervisión de la misión que debe realizar el UAV [Barrientos, 2006]para poder ser operado o programado una de las principales funciones de lossensores es que miden magnitudes físicas del entorno del robot: distancias, luz, etc.Cañas nos menciona que lo que no está en los sensores no existe para el robot, eltipo de sensores dependerá de la tarea a realizar [Cañas, 2015] los Sensores de

navegación sirven para satisfacer una necesidad operativa jugando el factoreconómico un papel secundario.

La ejecución de muchas de las operaciones militares dependen directamente de laprecisión, respecto al tiempo horario y a la situación geográfica [Hierro, 1990] unade las características es la altitud y estabilidad de una dron ya que la medida de laactitud se realiza mediante sensores inerciales basados en el uso combinado deacelerómetros y giroscopio [Barrientos, 2006] los sensores que usa un dron entreotros son:

Electro-ópticos (EO): son capaces de registrar la radiación electromagnética en elespectro visible. Permiten la captura tanto de imágenes estáticas como de vídeos.Gracias al desarrollo de las técnicas de visión artificial permiten obtener una grancantidad de información de las escenas.

Infrarrojo (IR): son cámaras que operan en el espectro infrarrojo. Son similares a lasanteriores pero con la ventaja añadida de añadir una información que escapa a lapercepción humana pero tiene múltiples aplicaciones, como detección de elementosen condiciones de baja visibilidad o camuflados, detección de fugas…

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Radar de Apertura sintéticas (SAR): proporciona imágenes todo tiempo de altaresolución de un área extensa. Proporciona la ventaja de alto alcance de la señalde radar y la capacidad actual de los modernos procesadores de tratar coninformación compleja de alta resolución. Constituye un gran complemento a los EOpor su independencia de las condiciones atmosféricas y de iluminación. EL SAR se

ha empleado con éxito en la recopilación del perfil del terreno, exploración mineral,monitorización de mareas negras…

Detectores de movimiento (MTI, Moving Target Indicator ): es un radar con laparticularidad de mostrar sólo aquellos elementos en movimiento.

LIDAR (Light Detection And Ranging ): El LIDAR mide la distancia y velocidad alobjeto señalado con gran precisión. Posee un funcionamiento análogo al radar conla salvedad que las ondas de radio son sustituidas por pulsos láser. Posee por tantoprestaciones similares al radar convencional pero con mayor precisión y menorvolumen y consumo.

Laser-Radar (LADAR): permite la adquisición de información tridimensional de lasescenas. Puede penetrar a través de cubiertas como vegetación o camuflajes.Detector de explosivos químicos, biológicos, radiológicos o nucleares (CBRNE): eldesarrollo de sensores CBRNE más pequeños, ligeros y sensibles permite aplicarestos sensores en UAVs, con claras aplicaciones a la seguridad.

Monitorización de señales (SIGINT, Signal Intelligence ): permiten la detección,identificación, geolocalización y copia de las señales de radio del entorno,permitiendo a los servicios de inteligencia de las fuerzas de seguridad conocer lascapacidades, disposición, composición e intenciones de los elementos vigilados.Por cuestiones de seguridad los datos recogidos suelen ser procesados a posteriorien tierra.

Señalizadores laser: poseen una doble función. Por un lado proporcionan medidasinstantáneas de la posición y velocidad del objeto designado. Por otro, desde unpunto de vista militar, permite la señalización de blancos.

Sensores meteorológicos: adquieren información del estado de la atmósfera [Duran,2012], tales como presión, humedad, temperatura, radiación solar con granprecisión.

Para poder manejar un dron se necesita de un medio de Comunicación estos soncruciales para permitir el flujo tanto de datos de sensores como de señales demando y control:Señales de radio de alta frecuencia (HF)Señales de radio muy alta frecuencia (VHF):Comunicaciones Satélites

Por último, cabe destacar el uso de otros sistemas de comunicación para aeronavesde corto alcance, como puede ser el empleo de los diferentes normalizados

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protocolos IEEE. La ventaja de estos protocolos radica en que permite simplificar lagestión de las comunicaciones al poder utilizar hardware y software ampliamenteextendidos [Duran, 2012] entonces según esto podemos decir que el soporte lógicoy el enlace de datos/comunicaciones proporcionan funciones tan fundamentalescomo el cableado tradicional, los cables de control y otros sistemas esenciales.

Estos enlaces pueden utilizar diversos tipos de soporte físico y soporte lógico queterceras partes pueden proporcionar y gestionar [Oaci, 2011] existen diversasmaneras de realizar los enlaces a los drones estos funcionan en base a canales decomunicación, un esquema de control clásico para sistemas de control de vuelopara aeronaves se basa en la utilización de lazos anidados. La estrategia propuestapara el control del rumbo utiliza tres controladores que ajustan la velocidad de rolido,el ángulo de rolido y el ángulo de rumbo respectivamente. Los dos lazos internosforman un control de actitud que permite ajustar el ángulo de rolido y que se puedeutilizar de manera independiente sin el lazo externo que permite controlar el ángulode rumbo. Para el caso del control de la altura se pueden utilizar una arquitecturade dos controladores que monitorean el ángulo de cabeceo y la altura. Al igual quepara el caso del control de rumbo, el lazo interno del controlador de altura representaun control de actitud que permite ajustar el ángulo de cabeceo del avión y que puedefuncionar de manera independiente del resto del sistema de control [Llorens, 2015],también podemos decir que las dos partes involucradas para el funcionamiento son:Un lazo interno y uno externo. El lazo interno, se diseña para conseguir lasespecificaciones de robustez y de comportamiento en el modo manual. Este lazo seconstruye mediante la técnica de sensibilidad mixta H∞ de modo que se cumplanlas especificaciones de robustez y de prestaciones. El lazo externo está constituidopor varios controladores (mantenedor de altitud, de dirección, etc.) que realizan elseguimiento de las referencias indicadas en modo automático. Este lazo se diseñamediante una técnica de H∞ loop shaping de modo que satisfaga lasespecificaciones de seguimiento de altitud, dirección y desviación lateral. Estopermite conseguir una mayor especialización de los controladores en base a lafunción para la que son diseñados [López, 2012]. Con esto se puede establecer unaconexión remota con un dron por medio de las tecnologías de comunicacióninvolucradas.

Otra de las aplicaciones militares que utilizan inteligencia artificial es el NavstarGlobal Positioning System, conocido vulgarmente por sus siglas GPS. Poderdisponer en cualquier parte del mundo de un sistema que proporcionaseContinuamente los datos de situación geográfica, velocidad y tiempo horario, congran precisión [Hierro, 1990] está formado por una constelación de satélites quetransmite rangos de señales utilizados para el posicionamiento y localización encualquier parte del globo terrestre. Estos permiten determinar las coordenadas deun punto dado como resultado de la recepción de señales provenientes deconstelaciones de satélites artificiales de la Tierra para fines de navegación,transporte, geodésicos, hidrográficos, agrícolas, y otras actividades afines [Ghio,2012] podemos encontrarnos con que el (GPS) es un sistema de localización,diseñado por el Departamento de Defensa de los Estados Unidos con fines militarespara proporcionar estimaciones precisas de posición, velocidad y tiempo [Pozo-Ruz,2010], este sistema fue creado con la capacidad de determinar en todo el mundo la

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posición de un objeto, una persona, un vehículo o una nave. Podemos alcanzar unaprecisión hasta de centímetros, usando el GPS diferencial, pero lo habitual son unospocos metros [Giménez, 2010] para poder entender cómo funciona un GPSdebemos determinar sus componentes principalmente de tres partes o segmentos:Segmento espacial, control, usuario [Ghio, 2012] para su funcionamiento utiliza

conjuntamente una red de ordenadores y una constelación de 24 satélites paradeterminar por triangulación, la altitud, longitud y latitud de cualquier objeto en lasuperficie terrestre [Pozo-Ruz, 2010] el GPS puede dividirse en dos modalidadespara Hierro: una que proporciona información muy exacta denominada PPS, y otramenos exacta o estándar conocida por SPS.

El acceso a la modalidad de precisión PPS (16 metros de exactitud), estárestringida, en principio, mediante el cifrado de la señal, a la generalidad de losusuarios y reservada para usos militares. El SPS por el contrario está continuamentea disposición de cualquier utilizador y proporciona una exactitud en la navegaciónpróxima a los 100 metro [Hierro, 1990] depende de dos requerimientos básicosdentro de sus componentes:

Planteo directo o levantamiento: s e tiene en el terreno un punto materializado, unpilar con placa y marca, un mojón, etc. Se piden sus coordenadas en un sistema dereferencia prefijado.

Planteo inverso o replanteo: s e dan las coordenadas de un punto en un sistema dereferencia determinado y se pide la localización de dicho punto, que, de no estarloya, será materializado en el terreno [Huerta, 2005] de esta manera podemos tenerun mejor conocimiento de los componentes de un GPS.

Funcionamiento de un GPS de todos los componentes que integran este sistema lomás importante es la obtención de coordenadas el sistema, se basa en ladeterminación simultánea de las distancias a cuatro satélites (como mínimo) decoordenadas conocidas. Estas distancias se obtienen a partir de las señalesemitidas por los satélites, las que son recibidas por receptores especialmentediseñados. Las coordenadas de los satélites son provistas al receptor por el sistema[Huerta, 2005] se pueden obtener de dos formas la posición sobre la superficie dela tierra: •Autónomo •Diferencial

La diferencia fundamental es la precisión y su aplicación dependerá de lasnecesidades y objetivos del usuario [Ghio, 2012] otro de los componentes son lossensores con los que puede tratar datos más exactos según Hierro existen tresprocedimientos para la fusión de datos de un sensor: a) Transformar la situacióndel blanco expresada en coordenadas de a bordo en coordenadas geodésicasexactas, que puedan ser convertidas directamente en asignaciones de blancos anivel local. b) Correlacionar informes de blancos de múltiples sensores. c) Reducirla incertidumbre en la localización de los blancos planificando los mediosdisponibles a nivel de teatro de operaciones Un estudio ha demostrado que el GPS,integrado con sensores precisos digitales de búsqueda (electroópticos d, einfrarrojos o sistemas de radar de apertura sintética), posibilita la localización directa

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del blanco, expresada en coordenadas geodésicas y en tiempo real, con unaexactitud de 30 metro [Hierro, 1990] básicamente la función de un GPS es la detriangular una posición por puntos conocidos dentro de la constelación de satélitespartiendo del cálculo de las distancias del punto a un mínimo de tres satélites cuyalocalización es conocida.

La distancia entre el usuario (receptor GPS) y un satélite se mide multiplicando eltiempo de vuelo de la señal emitida desde el satélite por su velocidad depropagación. Para medir el tiempo de vuelo de la señal de radio es necesario quelos relojes de los satélites y de los receptores estén sincronizados, pues debengenerar simultáneamente el mismo código. Ahora bien, mientras los relojes de lossatélites son muy precisos los de los receptores son osciladores de cuarzo de bajocoste y por tanto imprecisos. Las distancias con errores debidos al sincronismo sedenominan pseudodistancias . La desviación en los relojes de los receptores añadeuna incógnita más que hace necesario un mínimo de cuatro satélites para estimarcorrectamente las posiciones.

En el cálculo de las pseudodistancias hay que tener en cuenta que las señales GPSson muy débiles y se hallan inmersas en el ruido de fondo inherente al planeta enla banda de radio. Este ruido natural está formado por una serie de pulsosaleatorios, lo que motiva la generación de un código pseudo-aleatorio artificial porlos receptores GPS como patrón de fluctuaciones. En cada instante un satélitetransmite una señal con el mismo patrón que la serie pseudo-aleatoria generada porel receptor. En base a esta sincronización, el receptor calcula la distancia realizandoun desplazamiento temporal de su código pseudo-aleatorio hasta lograr lacoincidencia con el código recibido; este desplazamiento corresponde al tiempo devuelo de la señal. Este proceso se realiza de forma automática, continua einstantánea en cada receptor.

La utilización de estos códigos pseudo-aleatorios permite el control de acceso alsistema de satélites, de forma que en situaciones conflictivas se podría cambiar elcódigo, obligando a todos los satélites a utilizar una banda de frecuencia única sininterferencias pues cada satélite posee un código GPS propio.Aunque la velocidad de los satélites es elevada (4 Km. /s), la posición instantáneade los mismos puede estimarse con un error inferior a varios metros en base a unapredicción sobre las posiciones anteriores en un período de 24 a 48 horas. Lasestaciones terrestres revisan periódicamente los relojes atómicos de los satélites,dos de cesio y dos de rubidio, enviando las efemérides y las correcciones de losrelojes, ya que la precisión de los relojes y la estabilidad de la trayectoria de lossatélites son claves en el funcionamiento del sistema GPS [Pozo-Ruz, 2010] parapoder determinar una coordenada en un punto debemos de hablar de laconstelación la cual es una red compuesta por 24 satélites.

Los satélites se ubican en 6 órbitas planas prácticamente circulares, coninclinación de 55º respecto al Plano del Ecuador y con una distribuciónaproximadamente uniforme; con 4 satélites en cada órbita.Se encuentran aproximadamente a 20180 km de altura.

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Tienen 12h de período de rotación (en tiempo sidéreo) u 11h 58m (en tiempooficial).

También hay satélites en órbita que se encuentran desactivados y disponiblesComo reemplazo.

Con la constelación completa, se dispone, en cualquier punto y momento, entre5 y 11 satélites observables, con geometría favorable.

El tiempo máximo de observación de un satélite es de hasta 4 horas 15 minutos[Huerta, 2005].

Más recientemente se actualizo está constituida por 27 Satélites 20,200 Km Orbita20, 200 Orbita Antenas [Ghio, 2012]. Estos satélites trabajan por un periodo de 12h [Pozo-Ruz, 2010]. Alternando la manera en la que se puede disponer de ellos paratriangular las coordenadas.

Para el correcto funcionamiento de los satélites una variable importante es el tiempopara el cálculo de los datos necesarios por eso es necesario que los satélitescuenten con relojes, son en realidad osciladores atómicos, los que por su altafrecuencia y la gran estabilidad de la misma, permiten efectuar mediciones detiempo con elevada precisión [Huerta, 2005] para tener un mejor resultado loscálculos dependen de cuan precisos sean los relojes. Satélites: relojes de cesio,atómicos, altamente estables, a nivel de nanosegundos. Receptores: relojes demenor precisión. Por lo tanto, se debe corregir la posición por errores desincronización de los relojes [Ghio, 2012] como interacciona el tiempo en relación alos demás componentes pues este se usa para medir el tiempo de vuelo de la señalde radio es necesario que los relojes de los satélites y de los receptores esténsincronizados, pues deben generar simultáneamente el mismo código [Pozo-Ruz,2010] debido a esto la suma de los componentes hare posible respuestas con muypoco marguen de error el GPS, en cuanto a conocimiento de la situación, lavelocidad y el tiempo, actúa como un factor multiplicador del conjunto de la fuerza,no sólo porque cada uno de sus componentes goce individualmente de susventajas, sino también porque permite la combinación fluida entre dichoscomponentes y elementos [Hierro, 1990] así es como logra tener un rango de 30metros de error, ser bastante precisos.

Una de las claves para el funcionamiento y transmisión de información de códigosde encriptación todos los satélites emiten dos ondas portadoras en la banda L (1000MHz a 3000 MHz).

La portadora L1 está modulada por dos códigos (C/A y P) y la L2 solo por el códigoP. Ambas portadoras incluyen además el denominado mensaje de navegación. Másadelante en el Capítulo III se brindarán algunos detalles sobre la estructura de señalemitida [Huerta, 2005] los códigos viajan a través de frecuencias según Ghio estasson:

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Frecuencia Portadora Longitud de ondaL1 1575.42 19cmL2 MHz1227.6 MHz 24cmModulación del CódigoC/A-PPNAVDATANAVDATA

C/A-Código de adquisición gruesa.P -Código Preciso (Actualmente Código Y).NAVDATA-Estado de los Satélites & offset del reloj, y parámetros de las efemérides

Uno de los códigos es el pseudo-aleatorio transmitido se compone de tres tipos decadenas:

(Coarse/Acquisition) , con frecuencia 1.023 MHz., utilizado por losusuarios civiles.

(Precisión Code) , de uso militar, con una frecuencia 10 vecessuperior al código C/A.

tado en lugar del código P cuando está activo elmodo de operación anti engaños.

Existen dos frecuencias en las que los satélites transmiten información

1227.60 MHz., transmite información militarmodulada en código P [Pozo-Ruiz, 2010].

Para poder operar un GPS cuenta con 3 partes una de ellas es el segmento decontrol se refiere a una serie de estaciones terrestres. Éstas envían información decontrol a los satélites para controlar las órbitas y realizar el mantenimiento de todala constelación. Se podría decir que son estaciones de rastreo automáticasdistribuidas globalmente y que monitorean las órbitas junto con las señales de cadasatélite enviando correcciones [Giménez, 2010] el segmento de control,denominado internacionalmente con las siglas OCS (Operational Control Segment)Tiene como funciones las siguientes premisas:

Monitoreo y control permanente de los satélites con el objeto de determinar ypredecir las órbitas y los relojes de a bordo.

Sincronización de los relojes de los satélites con el tiempo GPS.

Transmisión, a cada satélite, de la información procesada.Está integrado por una Estación de Control Maestra (MCS), varias Estaciones deMonitoreo (MS) y Antenas Terrestres (GA).

Las estaciones de monitoreo tienen coordenadas conocidas con gran precisión yestán equipadas con receptores GPS de doble frecuencia L1/L2 y un reloj de Cesio.Su función es determinar las distancias a todos los satélites visibles y transmitirlas

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a la estación de control maestra junto con los datos meteorológicos de cadaestación.Con los datos recibidos de las estaciones monitoras, la estación maestra, ubicadaen la Base de la Fuerza Aérea Schriever en el estado de Colorado, calcula losparámetros orbitales y los de los relojes y posteriormente los transmite a las antenas

terrestres que los transfieren a los satélites a través de un enlace vía banda S. Elsegmento de control está integrado por 10 estaciones.

Estas están ubicadas en:Colorado Springs (EUA)Isla Ascensión (Atlántico Sur)Diego García (Índico)Kwajalein (Pacífico Occidental)Hawaii (Pacífico Oriental)Quito (Ecuador)Buenos Aires (Argentina)Hermitage (Inglaterra)Bahrein (Golfo Pérsico)Smithfield (Australia) [Huerta, 2005]

Cuenta con antenas terrestres que envían a los satélites las señales que debentransmitir y una estación experta de supervisión de todas las operaciones.

El segmento de control sirve para poder manipular los satélites desde una estaciónterrestre para Ghio las estaciones monitoras reciben las señales de los satélites ycalculan la órbita exacta. Los errores existentes en la información orbital de cadasatélite (ephemerisdata) son calculados y la información corregida es enviada acada satélite [Ghio, 2012] otra de las partes de funcionamiento de un GPS es elsegmento espacial nos encontramos 24 satélites con trayectorias sincronizadaspara cubrir toda la superficie del globo terráqueo. Más concretamente, repartidos en6 planos orbitales de 4 satélites cada uno. La energía eléctrica que requieren parasu funcionamiento la adquieren a partir de dos paneles compuestos de celdassolares adosados a sus costados. A continuación mostramos esquemáticamente laaltitud a la que se encuentran, el periodo de tiempo de los satélites en orbitar, lavida útil de un satélite, y la inclinación de estos respecto al ecuador terrestre.

a) Altitud: 20.200 kmb) Período: 11 h 56 min (12 horas sidéreas)c) Inclinación: 55 grados (respecto al ecuador terrestre).d) Vida útil: 7,5 añose) Utilizan paneles solares y baterías de Ni-cad [Giménez, 2010]Estos satélites cuentan con una órbita de 26560 Km. de radio y un periodode 12 h [Pozo-Ruz, 2010].Se les conoce al segmento espacial como portadoras contienen el mensajeGPS compuesto por:a) Efemérides (posición de cada satélite)

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b) Almanaque (conjunto de datos para predecir las órbitas)c) Observable (códigos y fases o frecuencias portadoras)d) Funcionamientoe) Valor de Precisión de la distancia de usuario (URA)/Disponibilidadselectiva (SA).

La principal característica de este segmento es que posibilita la cobertura mundial,una referencia geográfica común, el gozar de capacidad «todo tiempo» y el permitiruna actitud pasiva y discreta a los utilizadores que en número limitado ysimultáneamente estén enlazados con el sistema.

Y por último tenemos el segmento de usuario.

La tercera parte para un GPS es el SEGMENTO DE USUARIO para Ghio Estesegmento lo conforman la totalidad de usuarios del sistema y los receptores GPS.Este segmento por su parte recibe las señales que envían los satélites y las utilizapara determinar la posición del punto o móvil. Empleando las señales de cuatrosatélites un receptor GPS puede calcular la posición en el espacio tridimensional (X,Y, Z) y el tiempo (UTC*) La aplicación principal del sistema GPS es la navegaciónen tres dimensiones (X, Y, Z) [Ghio, 2012] está constituido por instrumentos paraprocesar la señal emitida por los satélites.

Estos instrumentos están integrados esencialmente por una antena y un receptor .Un equipo complementario es usado, en ocasiones, para transferir datos entrereceptores [Huerta, 2005] los receptores, a partir de los mensajes que provienen decada satélite visible, calculan distancias y proporcionan una estimación de posicióny tiempo [Pozo-Ruz, 2010] en este apartado hablaremos de la integración de loscomponentes conocidos el GPS es el conjunto de elementos (Software y Hardware)que permiten determinar la posición, velocidad y tiempo de un usuario, además delos parámetros necesarios adicionales que requiera.

A continuación enumeraremos las partes de las que consta un GPS:1. Antena con preamplificador2. Sección de radio frecuencia o canal3. Micro procesador para reducción, almacenamiento y procesamiento de datos4. Oscilador de precisión para la generación de los códigos pseudo aleatoriosutilizados en la medición del tiempo de viaje de la señal5. Fuente de energía eléctrica6. Interfaces del usuario (pantalla, teclado de comandos).

7. Memoria de almacenamiento.Para que puedan coexistir los 3 apartados se necesita de un corrector de errorespor la estimación de posiciones.

El cálculo de estos datos produce algunos errores los cuales son corregidos por unaestimación de cuentas entre los errores que surgen son la diferencia de frecuencias

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a las cuales son emitidas y recibidas las señales en dos localizaciones con distintopotencial gravitatorio.Este se basa en considerar el sistema de referencia espacio-tiempo de la Tierra, esdecir, un marco solidario con el observador estacionario en Tierra [Giménez, 2010]el espacio juega un papel muy importante en el cambio de variabilidad de los datos

entre los errores están:Perturbación ionosfera. La ionosfera está formada por una capa de partículas

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