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Estudio de las capacidades de vigilancia costera mediante el
uso de plataformas autónomas colaborativas
Cuevas Esteban, Héctor 1, Blázquez García, Rodrigo 1, Baquero Barneto, Carlos 1 y Burgos
García, Mateo 1, *.
1 Observatorio Horizontes en Defensa y Seguridad ISDEFE-UPM. Av. Complutense, 30. 28040
Madrid. Correos electrónicos: [email protected] (HCE), [email protected] (RBG),
[email protected] (CBB), [email protected] (MBG)
* Autor Principal y responsable del trabajo; Correo electrónico: [email protected] (MBG)
Resumen: El observatorio Horizonte en Defensa y Seguridad ISDEFE-UPM tiene
abierta una línea de prospectiva tecnológica en el ámbito de las plataformas autónomas y de
los sensores embarcados. Actualmente, una de las líneas de investigación de mayor interés
es el desarrollo de sistemas basados en la cooperación de múltiples plataformas autónomas
para realizar misiones de manera conjunta y coordinada. En esta comunicación, se lleva a
cabo un estudio de las capacidades de un sistema de vigilancia costera y salvamento
marítimo basado en la cooperación entre plataformas autónomas aéreas y navales. El trabajo
realizado se enmarca en el área estratégica de las “Smart Borders” establecida en el
programa Horizonte 2020, cuyo objetivo es impulsar el desarrollo de sistemas de vigilancia
fronteriza mediante el uso de nuevas tecnologías de sensores y plataformas autónomas.
Utilizando los parámetros característicos de sensores ópticos embarcados en plataformas
aéreas, se estima su alcance máximo para la detección e identificación de personas y barcos.
A su vez, los parámetros técnicos de los transmisores y receptores utilizados para la
comunicación entre plataformas permiten determinar el alcance máximo de dichos enlaces
teniendo en cuenta modelos de propagación específicos para entornos marítimos. Además,
uno de los aspectos más importantes para el desarrollo de estas plataformas cooperativas
reside en los sistemas de navegación por satélite (GNSS) e inercial (INS). Por este motivo,
se han evaluado las precisiones obtenidas mediante un algoritmo loosely coupled de fusión
GNSS/INS en entornos simulados con el objetivo de proponer una solución de navegación.
Palabras clave: Arquitectura colaborativa, GNSS, navegación inercial, plataformas
autónomas, vigilancia costera.
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1. Introducción
Gran parte de los flujos migratorios de entrada en la Unión Europea se producen por vía marítima
a través de las rutas del Mediterráneo oriental, central y occidental [1]. De hecho, en los últimos años
ha tenido lugar un incremento de las llegadas de inmigrantes irregulares a España siguiendo esta última
ruta a través del Estrecho de Gibraltar y del Mar de Alborán [2]. Además de estos flujos migratorios,
la Unión Europea debe hacer frente a las actividades de tráfico de drogas que se producen a través de
sus costas. Aunque una de las principales rutas se produce a través de las costas españolas desde
Marruecos, están surgiendo también nuevas rutas hacia las costas italianas desde Libia [3].
Por todo ello, la Unión Europea, a través del programa Horizonte 2020 [4], está impulsando el
desarrollo de sistemas de vigilancia costera más efectivos para salvamento marítimo y control de
actividades irregulares, como tráfico de drogas o inmigración irregular. En concreto, la Unión Europea
propone el concepto de Smart Borders o fronteras inteligentes basadas en el uso de nuevas soluciones
y tecnologías de sensores y plataformas, con el principal objetivo de mejorar las capacidades de los
sistemas de vigilancia actuales y reducir su coste. Los retos planteados para estas fronteras inteligentes
abarcan todas las actividades relacionadas con: vigilancia de fronteras marítimas, lucha contra el
tráfico de drogas, inmigración irregular y operaciones de salvamento marítimo como las tareas de
búsqueda y rescate. Así mismo, la Acción Preparatoria en investigación en Defensa [5] propone el uso
de vehículos no tripulados en las aplicaciones de defensa aérea, marítima y terrestre como método para
garantizar la vigilancia y seguridad de las fronteras europeas.
Entre las líneas actuales de investigación en vehículos autónomos, destaca el desarrollo de sistemas
cooperativos compuestos por múltiples plataformas que operan de forma conjunta y coordinada para
llevar a cabo una determinada misión. Este es el caso de los enjambres de UAVs (Unmanned Aerial
Vehicles) [6], pero también de sistemas basados en la cooperación de distintos tipos de vehículos
autónomos superficiales y aéreos [7].
En este contexto, se propone un sistema de vigilancia costera basado en el uso de plataformas
autónomas no tripuladas, tanto aéreas como navales, que permite el control de las costas de una manera
más eficiente, mejorando el rendimiento de los equipos de salvamento marítimo y guardia costera.
Además, se evaluarán las capacidades de dicho sistema en base a: (1) alcance máximo de los enlaces
de comunicaciones entre las plataformas, (2) alcance máximo de las cámaras embarcadas para detectar
a personas y barcos, (3) precisión de los sistemas de navegación y (4) autonomía del sistema.
2. Arquitectura colaborativa del sistema de vigilancia costera
El sistema que se plantea, representado en la Figura 1, se compone de plataformas autónomas
aéreas, también conocidas como UAV (Unmanned Aerial Vehicle), que trabajarán de forma
cooperativa junto con plataformas autónomas de superficie, conocidas por las siglas USV (Unmanned
Surface Vehicle). De esta forma, mediante la cooperación entre distintos tipos de plataformas se
pretende realizar las tareas de vigilancia y salvamento de una forma más eficiente y económica.
Además, el sistema estará controlado desde estaciones base de mando y control situadas en tierra que
gestionarán las plataformas autónomas desplegadas a lo largo del litoral.
Las plataformas de superficie, alimentadas por placas solares, realizarán la función de relé de
comunicaciones entre los UAVs, los USVs y la estación base, y soportarán gran parte de la carga
computacional del sistema. Además, dichas plataformas marítimas se utilizarán como plataformas de
aterrizaje y carga de baterías para los UAVs, y como plataformas de salvamento marítimo que pueden
aproximarse de forma rápida y segura a las zonas necesarias para socorrer a personas o heridos.
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Figura 1. Sistema colaborativo de vigilancia costera basado en plataformas autónomas aéreas y
navales: a) Elementos del sistema y b) Despliegue en forma perimetral.
Por otra parte, las plataformas autónomas aéreas, basadas en multirrotores para facilitar su
maniobrabilidad y las operaciones de despegue y aterrizaje sobre los USVs, explorarán la costa
mediante sensores ópticos EO/IR (Electro-Optical/Infrarred) en busca de posibles elementos
sospechosos. La posición elevada de las plataformas aéreas reduce el problema de los bloqueos de la
línea de visión que puede producir el oleaje en sensores embarcados en plataformas superficiales o
desplegados en tierra. De esta forma, cuando los UAVs localicen un navío o personas en situación de
emergencia transmitirán dicha información a la estación base, que decidirá el protocolo de actuación.
Los UAVs cobran vital importancia en el nuevo escenario propuesto al ser un medio más efectivo,
económico y flexible, y con un tiempo de actuación menor que los medios aéreos clásicos.
Mediante el despliegue de estas plataformas a lo largo de la costa se pretende detectar y evaluar
las emergencias a las que deben hacer frente los equipos de salvamento marítimo y guardia costera. La
mejora de la conciencia situacional permite proporcionar soluciones más eficientes y con un menor
tiempo de respuesta, pudiendo distinguir entre aquellas emergencias que requieran el despliegue
adicional de vehículos especializados, como helicópteros o barcos de mayor tamaño, y las emergencias
de menor índole que puedan ser solventadas por los propios vehículos autónomos.
El sistema planteado, basado en USVs y UAVs, es escalable y flexible y puede formar un perímetro
de seguridad a lo largo de la costa, en el que los UAVs vuelan entre plataformas superficiales donde
pueden aterrizar y cambiar sus baterías. Además, el sistema propuesto puede integrarse y servir de
apoyo a los sensores desplegados actualmente en tierra, como los pertenecientes al Sistema Integrado
de Vigilancia Exterior (SIVE) desplegado en las costas españolas. Por ejemplo, las detecciones de
blancos obtenidas con los radares terrestres podrían ser confirmadas por los UAVs, aproximándose a
la zona donde se encuentra el blanco detectado para llevar a cabo su identificación y evaluar la
gravedad de la situación de forma rápida.
3. Estudio de las capacidades del sistema
3.1. Análisis de los enlaces de comunicaciones
El alcance máximo de los enlaces de comunicaciones limita la separación entre las plataformas
autónomas. Además, debe garantizarse la disponibilidad de dichos enlaces en la situación de
multitrayecto que se produce en escenarios marítimos. Por ello, tomando los parámetros de referencia
mostrados en la Tabla 1, se han analizado los enlaces de comunicaciones USV-Estación base y UAV-
USV considerando un modelo simple de 2 rayos [8], obteniéndose los resultados representados en la
Figura 2. A modo de comparación, se representa también el resultado de aplicar el modelo ITU-R
P.1546 [9] para el enlace a 2.5 GHz.
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Como puede observarse, en ambos enlaces se producen desvanecimientos por efecto multitrayecto,
aunque de forma más severa en el enlace UAV-USV debido a la altura de la plataforma aérea. Por este
motivo, para garantizar, en la medida de lo posible, la comunicación continua entre los elementos del
sistema es necesario aplicar técnicas de mitigación del multitrayecto como diversidad de frecuencia
(Figura 3a) o diversidad de antena (Figura 3b) por selección del canal con la máxima potencia recibida.
Sin embargo, en un escenario con mar en calma, en el que la principal componente del multitrayecto
se debe a la reflexión producida sobre la superficie del mar, el empleo de diversidad de antena no es
efectivo para reducir la profundidad de los mínimos como se observa en la Figura 3b. Además, aunque
se utilice diversidad de frecuencia, para evitar que se produzcan simultáneamente desvanecimientos
en ambos canales es conveniente emplear una adaptación de las frecuencias de transmisión sondeando
el canal con pilotos dentro de las bandas de operación.
Por tanto, el alcance máximo de los enlaces USV-Estación base es de aproximadamente 6 km,
mientras que el de los enlaces UAV-USV es de aproximadamente 3,5 km. Estos valores deben tenerse
en cuenta a la hora de diseñar el despliegue del sistema para garantizar el establecimiento de la red de
comunicaciones entre todos los elementos del sistema de vigilancia.
Tabla 1. Parámetros utilizados para el análisis de los enlaces de comunicaciones.
Parámetro Valor
Bandas de frecuencia 2.5 GHz y 5.8 GHz
Sensibilidad de los receptores [10] -80 dBm
(para estándar WiMAX 16-QAM 1/2, aprox. 7 Mbps)
Margen adicional 5 dB
UAV
Potencia transmitida 30 dBm
Ganancia de antena 3 dB
Altura 100 m
USV
Potencia transmitida 33 dBm
Ganancia de antena 3 dB
Altura 3 m
Estación base
Potencia transmitida 33 dBm
Ganancia de antena 10 dB
Altura 10 m
Figura 2. Potencia recibida en función de la distancia de los enlaces: a) Enlace USV-Estación
base y b) Enlace UAV-USV.
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Figura 3. Aplicación de técnicas de mitigación del multitrayecto: a) Diversidad de frecuencia
(2,5 y 5,8 GHz) y b) Diversidad de antena (separación entre antenas 3 m).
3.2. Análisis del alcance de detección de las cámaras embarcadas
La detección autónoma de personas o barcos en situación de emergencia se lleva a cabo mediante
cámaras de espectro visible e infrarrojo embarcadas en las plataformas autónomas aéreas y el
procesado del vídeo capturado [11]. Utilizando el criterio de Johnson [12], se puede estimar el alcance
máximo para la detección, reconocimiento e identificación de los blancos con una probabilidad de
éxito del 90% en función del IFOV (Instantaneous Field of View) de las cámaras y del tamaño típico
de los objetos (0,75 m para personas y 5 m para barcos vistos cenitalmente), obteniéndose los
resultados de la Figura 4. Tomando como referencia la cámara FLIR Duo R [13], se estiman unos
alcances para la detección de personas de 145 m para el sensor de espectro visible y de 20 m para el
sensor IR. En general, la menor resolución de los sensores IR hace que presenten menores alcances
que los sensores de espectro visible. A su vez, el empleo de cámaras con zoom, como la cámara
Zenmuse Z3 [14], permite aumentar el alcance hasta 800 m a costa de disminuir el campo de visión.
Figura 4. Alcance máximo para la detección, reconocimiento e identificación de los blancos con
una probabilidad de éxito del 90% en función del IFOV de las cámaras.
Los UAVs explorarán la zona de interés asignada y en caso de detectar un objeto aplicarán zoom
o se aproximarán para llevar a cabo su reconocimiento e identificación. Considerando una altura de
vuelo de 100 m, una velocidad típica de 50 km/h y un sensor óptico con 90º de FOV apuntado
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cenitalmente, cada plataforma aérea en operación cubre aproximadamente un área de 10 km2 cada
hora. El tiempo de revisita dependerá del número de plataformas aéreas desplegadas y de su autonomía.
Además, la planificación de las trayectorias de los UAVs debe tener en cuenta las recomendaciones
relativas a maniobras seguras y a las distancias de seguridad entre plataformas aéreas [15].
3.3. Análisis de los sistemas de navegación
La navegación autónoma de las plataformas y el posicionamiento de los objetos detectados requiere
el empleo de sistemas de posicionamiento precisos embarcados en las plataformas. Por este motivo, se
propone el uso de algoritmos de fusión GNSS/INS utilizando sensores de navegación por satélite y
sensores inerciales. Los sensores inerciales proporcionan medidas de la aceleración y actitud de las
plataformas con una elevada velocidad de refresco. Sin embargo, sus medidas presentan sesgos
importantes que dan lugar a derivas en la estimación de la posición con el paso del tiempo. Las medidas
proporcionadas por los sensores GNSS permiten calibrar dichos sesgos, mejorando la precisión global
del sistema de posicionamiento [16]. De esta forma, como se puede observar en la Figura 5, en la que
se ha simulado una trayectoria típica de un UAV, llevando a cabo la fusión de las medidas de un sensor
GPS (Global Positioning System) y un sensor IMU (Inertial Measurement Unit) de bajo coste mediante
una integración loosely coupled [17], se mejora la precisión del posicionamiento hasta 0,5 m. Este
resultado es considerablemente mejor que el obtenido mediante el filtrado de Kalman de las medidas
del GPS (precisión de 2 m). Sin embargo, aunque se utilice una fusión GNSS/INS, la pérdida de la
señal del GPS durante intervalos de tiempo superiores a 5 s (entre 200 y 207 s y entre 412 y 419 s en
la simulación) provoca un aumento del error de posicionamiento que haría inviable la navegación
autónoma. Para solventar estas situaciones, se han propuesto algoritmos de fusión que tienen en cuenta
referencias visuales [18] o el uso de sensores IMU de mejores prestaciones a costa de un mayor coste.
Figura 5. Análisis de los sistemas de posicionamiento: a) Trayectoria seguida por un UAV,
medidas del GPS y fusión GPS/IMU y b) RMSE (root mean square error) obtenido.
3.4. Análisis de la autonomía y del dimensionamiento del sistema
Finalmente, es importante llevar a cabo un análisis de la autonomía y del dimensionamiento del
sistema para establecer los requisitos de los sistemas de energía de los USVs. Teniendo en cuenta los
parámetros típicos del escenario mostrados en la Figura 6a, se puede determinar el número de UAVs
necesarios para cubrir el área monitorizada con un cierto tiempo de refresco durante el tiempo de
operación de los UAVs. Como se representa en la Figura 6b, para un tiempo de refresco de 30 minutos
se requieren 28 UAVs. Para reducir el número de UAVs requeridos, sería necesario utilizar sensores
que permitan cubrir la zona asignada con una mayor velocidad de exploración. Por este motivo, para
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superar las limitaciones establecidas por los sensores ópticos, se está investigando el uso de sensores
SAR (synthetic aperture radar) compactos embarcados en UAVs [19].
Durante el tiempo de operación de los UAVs, estos vuelan de forma continua explorando la zona
asignada y aterrizando en los USVs para cambiar su batería. Por tanto, los sistemas de energía de los
USVs deben proporcionar la potencia necesaria para el funcionamiento de su payload y de sus sistemas
de propulsión y para la carga de las baterías de los UAVs. De esta forma, la Figura 6b representa el
área necesaria de los paneles solares en cada USV para proporcionar la energía necesaria en función
del tiempo de revisita establecido durante la operación de los UAVs. Para un tiempo de revisita de 30
minutos se necesitan paneles solares de 7 m2 en cada USV. Para limitar el tamaño de los paneles solares
y solventar los problemas de la variabilidad de la irradiancia solar, se ha propuesto el empleo de fuentes
de energía complementarias como la energía eólica o undimotriz [20]. Además, los USVs pueden
disponer de depósitos de combustible para utilizar en casos excepcionales.
Figura 6. Dimensionamiento del sistema: a) Parámetros típicos del escenario y b) Número de
UAVs y tamaño de los paneles solares de los USVs en función del tiempo de refresco con el que se
cubre el área de interés durante el tiempo de operación de los UAVs.
4. Conclusiones
En esta comunicación, se ha propuesto un sistema de vigilancia y salvamento marítimo basado en
la cooperación entre plataformas autónomas navales y aéreas. Las plataformas aéreas se encargarán de
explorar la zona de interés utilizando sensores ópticos para detectar y evaluar posibles situaciones de
emergencia, mientras que las plataformas navales podrán proveer una acción temprana para solucionar
la emergencia y actuarán como repetidores de comunicaciones con las bases de mando y control y
como estaciones de recarga de baterías para los UAVs.
Para garantizar la comunicación entre las plataformas es necesario aplicar técnicas de mitigación
de multitrayecto como diversidad de frecuencia. Además, para mejorar la precisión de los sistemas de
posicionamiento es conveniente aplicar algoritmos de fusión GNSS/INS, aunque el uso de sensores
IMU de bajo coste limita el tiempo que puede operar el sistema en ausencia de señal GPS. En general,
el uso de sensores ópticos impone una velocidad de exploración reducida, por lo que actualmente se
está investigando el uso de otras tecnologías, como los radares SAR, para conseguir menores tiempos
de revisita. A pesar de ello, la cooperación entre plataformas autónomas presenta un gran potencial
para desarrollar sistemas de vigilancia costera y salvamento marítimo flexibles, eficaces y con menores
tiempos de respuesta.
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