La integración de sistemas de aeronaves no tripuladas (UAS) en el espacio aéreo de baja altitud presenta desafíos técnicos, regulatorios y económicos complejos. La reciente evolución de las regulaciones europeas y el desarrollo de nuevas arquitecturas para el transporte automatizado de carga han dado lugar a una serie de enfoques y soluciones que permiten el funcionamiento seguro y eficiente de los UAS en este entorno.

El proyecto Automated Low Altitude Air Delivery (ALAADy) ha sido una de las iniciativas clave para el desarrollo de aeronaves automatizadas capaces de transportar cargas de tamaño medio a altitudes de hasta 150 metros. El objetivo principal de ALAADy es crear una solución de transporte aéreo que sea significativamente más rápida que el transporte por carretera, pero sin que los costos sean desproporcionadamente más altos.

Para abordar la integración de los UAS en el espacio aéreo de baja altitud, es crucial considerar tres categorías principales de operación definidas por la Comisión Europea en el Reglamento de Ejecución (UE) 2019/947. Estas categorías son: abierta, específica y certificada. Las operaciones en la categoría abierta están destinadas a aeronaves no tripuladas de bajo riesgo, como los drones de cámara pequeña, mientras que las operaciones en la categoría certificada están más alineadas con la aviación tripulada y exigen un nivel mucho mayor de regulación y certificación. Para el caso de las aeronaves automatizadas de carga de ALAADy, la categoría que más se ajusta es la categoría específica, la cual permite operaciones bajo ciertas condiciones controladas.

El Análisis de Riesgos de Operación Específica (SORA, por sus siglas en inglés) se ha establecido como un medio aceptable de cumplimiento para la categoría específica. El SORA evalúa el riesgo inherente a las operaciones de los UAS y establece un conjunto de requisitos técnicos que deben cumplirse. El SORA no solo considera el riesgo directo relacionado con la operación del UAS, sino que también permite la mitigación de riesgos mediante la implementación de medidas correctivas, lo que da lugar a diferentes niveles de requisitos para una misma misión, dependiendo de las mitigaciones aplicadas.

Para una operación exitosa y segura, es fundamental analizar diversos aspectos relacionados con la arquitectura del sistema. En el caso de las aeronaves de carga automatizadas de ALAADy, se han identificado cuatro arquitecturas principales basadas en las especificaciones del SORA. Estas arquitecturas varían en su complejidad y en los esfuerzos de desarrollo requeridos. Las operaciones sobre áreas poco pobladas, por ejemplo, pueden realizarse con sistemas menos complejos, pero cuando se realiza una operación sobre áreas más densamente pobladas, se requiere una certificación adicional y un sistema mucho más robusto. Esta diferencia en las exigencias regulatorias implica que los costos de desarrollo y operación varían considerablemente, y las decisiones arquitectónicas deben estar alineadas con los objetivos económicos y de seguridad de la misión.

Además de las implicaciones técnicas, los costos asociados a las diferentes arquitecturas juegan un papel clave. Las arquitecturas más complejas, que cumplen con los niveles más altos de regulación y certificación, conllevan un mayor esfuerzo de desarrollo y mayores costos operativos. Sin embargo, estos sistemas proporcionan una mayor confiabilidad y flexibilidad, lo que podría ser esencial para operaciones en áreas densamente pobladas o en misiones de alto riesgo. Por otro lado, las arquitecturas más simples y menos costosas pueden ser apropiadas para misiones de bajo riesgo, como el transporte en zonas rurales o áreas de baja densidad de población.

Un aspecto esencial en el desarrollo de estas arquitecturas es la evaluación de la fiabilidad del sistema. La fiabilidad está estrechamente relacionada con el riesgo inherente de la operación, y cualquier fallo potencial puede resultar en consecuencias graves. Por lo tanto, el uso de sistemas redundantes y la implementación de medidas de mitigación de riesgos, como la capacidad de aterrizaje autónomo o el uso de paracaídas de emergencia, son componentes esenciales para garantizar la seguridad de las operaciones de los UAS.

Por último, es fundamental tener en cuenta que la adopción generalizada de UAS en el espacio aéreo de baja altitud no solo depende de la creación de arquitecturas eficientes y seguras, sino también de la cooperación entre los diferentes actores regulatorios, la industria y los usuarios. La armonización de los estándares internacionales y la actualización constante de las regulaciones son aspectos esenciales para garantizar que los UAS puedan integrarse de manera efectiva y segura en el espacio aéreo compartido.

¿Cómo garantizar la conectividad en aeronaves no tripuladas mediante enlaces de datos terrestres y satelitales?

En el campo de la aviación de aeronaves no tripuladas (UA, por sus siglas en inglés), una de las cuestiones fundamentales es garantizar la conectividad constante durante las misiones. Para lograr este objetivo, se han identificado dos tecnologías clave para los enlaces de datos: las redes celulares terrestres y las redes satelitales. Ambas tecnologías son capaces de ofrecer la conectividad necesaria para los casos de uso definidos en el estudio de Pak (2021) y cumplen con los requisitos de ancho de banda establecidos en la sección 3.1. En particular, el servicio SB-UAV de Inmarsat ofrece cobertura global, con excepción de las regiones polares extremas, y un ancho de banda de hasta 200 kbps (Inmarsat 2020). Por otro lado, las redes LTE de las redes celulares pueden ofrecer un rendimiento teórico de hasta varios cientos de Mbps por usuario. Sin embargo, dado que el ancho de banda debe compartirse entre todos los usuarios en una celda, la capacidad disponible para cada usuario se reduce.

Un estudio realizado por la Bundesnetzagentur mostró que el 90% de los usuarios móviles en Alemania reciben, como mínimo, 700 kbps de velocidad de conexión (Bundesnetzagentur 2019). A pesar de estos avances, sigue existiendo la incertidumbre sobre si estas tecnologías son lo suficientemente robustas para satisfacer las necesidades de las misiones previstas, lo cual será analizado más adelante.

En el análisis de Nikodem et al. (2021) y en la sección 3.2, se discuten los conceptos operacionales de la aeronave no tripulada (ConOps) y su implicación en los enlaces de datos. Dependiendo del perfil de la misión, los SAIL (Safety of Airborne Infrastructures Levels) pueden variar, y esto influye directamente en la elección de la arquitectura del enlace de datos. Un enlace diseñado para cumplir con los requisitos del nivel más alto de SAIL (es decir, SAIL VI) podría resultar innecesariamente complejo y costoso para misiones de menor riesgo, como las clasificadas en SAIL III, según las observaciones de Rothe y Nikodem (2021). Por lo tanto, es preferible utilizar una arquitectura flexible de enlace de datos, que pueda adaptarse fácilmente al nivel de riesgo operativo.

La robustez necesaria del enlace de datos está directamente relacionada con el riesgo que representa la misión para el medio ambiente y el impacto sobre la seguridad de la aeronave, especialmente en lo que respecta al rol del piloto remoto. Si el riesgo para el medio ambiente es bajo, la robustez del enlace de datos puede ser también baja. De igual manera, si el impacto en la seguridad es mínimo, el enlace de datos no requiere de una robustez excesiva. Solo cuando ambos factores —el riesgo para el medio ambiente y el impacto en la seguridad— son elevados, se hace necesario un enlace de datos robusto.

En cuanto a la implementación, se propone una arquitectura de enlace de datos que se basa en el uso simultáneo de múltiples enlaces de datos independientes, lo que aumenta la fiabilidad y robustez de la comunicación. Esta propuesta implica el uso de una red privada virtual (VPN), que permite conectar de manera segura el piloto remoto con la aeronave mediante enlaces de datos redundantes. Si uno de los enlaces falla, los enlaces restantes permiten mantener la comunicación sin interrupciones. El uso de la tecnología de "bonding" de VPN es clave en esta arquitectura, ya que permite combinar múltiples conexiones de red en una sola interfaz, mejorando tanto la estabilidad como la velocidad.

Además, las conexiones VPN permiten realizar transiciones entre distintos enlaces de datos sin que el piloto remoto tenga que intervenir manualmente. Este aspecto es crucial para mantener la continuidad operativa durante misiones largas o complejas. Así, por ejemplo, si la red celular de un proveedor cubre únicamente la zona de salida de la aeronave, será necesario utilizar la red de otro proveedor para asegurar la cobertura en la zona de llegada. Como alternativa, se puede optar por una red satelital que cubra toda la zona de operación, lo que garantiza la conectividad durante todo el trayecto.

El equipo a bordo de la aeronave debe contar con varios módems celulares, un módem satelital y antenas dedicadas para cada uno de los módems. Las antenas celulares se orientan hacia abajo, mientras que la antena satelital se orienta hacia arriba. Cada módem está conectado al ordenador de la aeronave, que gestiona las conexiones VPN. En este sentido, se debe tener en cuenta que, si bien se pueden utilizar varios proveedores celulares, cada uno requiere un contrato adicional y los costos aumentan proporcionalmente al número de proveedores y conexiones utilizadas. El uso de redes satelitales también implica un incremento considerable de los costos operacionales.

Una cuestión importante que debe entenderse al implementar una arquitectura de enlace de datos robusta es que, si bien la redundancia en los enlaces de datos mejora la fiabilidad y la cobertura, también incrementa significativamente los costos operativos. Además, el diseño del sistema debe ser flexible para adaptarse a las necesidades de la misión y a las condiciones cambiantes del entorno operativo. Sin embargo, esta flexibilidad no debe comprometer la simplicidad operativa del piloto remoto, quien debe ser capaz de operar la aeronave de manera eficiente sin la necesidad de gestionar manualmente los cambios entre los diferentes enlaces de datos.

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