Nuevos sensores radar para la protección antidrón

Mateo Burgos García y Rodrigo Blázquez García, GMR-IPTC-UPM.

En la actualidad, el uso de vehículos aéreos remotamente tripulados (RPAs) está en crecimiento explosivo, apareciendo cada día nuevas aplicaciones de esta tecnología en muy diferentes ámbitos. La gran facilidad de acceso a estos dispositivos ha aumentado de forma exponencial en los últimos años, y así lo ha hecho también la probabilidad de que se produzcan usos negligentes, o directamente malintencionados, lo que se traduce en una amenaza a la seguridad de las personas. Los incidentes más conocidos se han dado alrededor de aeropuertos como los de Gatwick en 2018 o Barajas en 2020, que obligaron a cerrar temporalmente dichos aeropuertos, pero la realidad es que se detectan diariamente más de 10 vuelos ilegales al día solo en la comunidad de Madrid. Un inquietante ejemplo se muestra en la foto de la figura 1, donde un inconsciente aficionado decidió grabar el proceso de despegue de un Airbus A380 situando su dron en una ubicación con evidente riesgo de provocar un grave accidente [1].

Figura 1. Grabación desde un dron del despegue de un Airbus A380

Hasta ahora, la inmensa mayoría de los incidentes que se han producido en el ámbito civil se han debido al uso negligente o descuidado de la plataforma (uso en cercanías de aeropuertos o centrales nucleares, por ejemplo), considerándose que en España la probabilidad de que se produzca un acto terrorista basado en RPAs es actualmente baja. Sin embargo no debe bajarse la guardia en este sentido, ya que evidentemente no tiene el mismo grado de dificultad tratar de neutralizar a un dron de juguete operado con descuido, que una plataforma profesional que haya tomado medidas intencionadas para su propia protección. Además ya se han detectado un número importante de usos delictivos de los drones para el transporte de drogas o la realización suministros incontrolados a internos de prisiones.

En este contexto han surgido en los últimos años una serie de sensores innovadores que pretenden alertar de estos incidentes con antelación suficiente para tomar medidas de seguridad adecuadas. El IPTC viene trabajando en este tema desde hace tiempo en colaboración con la Cátedra UPM-ISDEFE en Defensa y Seguridad, así como con empresas como Advanced Radar Technologies, en diferentes proyectos en este ámbito. Existen diferentes familias de sensores que se utilizan en la actualidad, y todos tienen carencias, por lo que la tendencia es a la colaboración entre diferentes tecnologías:

• Exploradores de RF. Son receptores de vigilancia espectral que tratan de localizar la presencia en el aire de la señal de control utilizada para pilotar el RPA. Es uno de los sensores más empleados y representa una primera solución muy eficiente en términos de coste para un primer despliegue. Sin embargo adolece de importantes limitaciones, que se van agravando con el avance de la tecnología. Por ejemplo, muchas veces permiten localizar la posición del operador, pero no del dron, y son absolutamente inútiles para el caso de que el dron vuele basado en un navegador GPS o un sistema inercial (no emite señal). Ya están apareciendo también numerosos drones que se controlan a través de la red 5G, lo que hace prácticamente imposible distinguir la señal de control de la de una conversación inofensiva.
• Detectores de audio: Un array de micrófonos capta el peculiar sonido de un dron y un adecuado procesado de señal lo detecta frente al ruido de fondo. Son sistemas de muy corto alcance.
• Cámaras: Su estrecho campo de visión las hace poco operativas para vigilar volúmenes grandes, si bien son un elemento crucial para, una vez detectado, distinguir al dron de, por ejemplo, un pájaro.
• Radares: El radar es el único sensor que proporciona simultáneamente información sobre la posición angular y la distancia, que opera en cualquier situación ambiental (niebla, falta de iluminación, ruido ambiente,..), que explora rápidamente volúmenes grandes y además no depende de que el dron emita ningún tipo de señal acústica, térmica o electromagnética. Esto le hace tomar un papel protagonista en este tipo de despliegues.

La operación de un radar, sin embargo, no está libre de limitaciones. Estos blancos, denominados LSS (Low Slow Small) suponen un reto muy grande ya que al volar a baja cota, el eco tiene que competir con la fuerte reflexión en el suelo, y el efecto Doppler utilizado habitualmente para este fin, está muy limitado debido a las bajas velocidades. Aún así, una nueva generación de radares basados en un fuerte procesamiento digital de señal se ha perfilado como la mejor alternativa.

Otra limitación de los radares, si se compara con una cámara, es la menor capacidad de discernir si el objeto detectado es un dron o un ave. En los últimos años se han hecho grandes progresos en este campo, basados en el procesamiento de lo que se denomina micro-Doppler. Este fenómeno se genera, no por el desplazamiento global del objeto, sino por las partes móviles como rotores o las alas de un ave, que producen una huella en el dominio Doppler-tiempo, que es netamente diferente en ambos tipos de blancos. El análisis con redes neuronales y en general técnicas de reconocimiento de patrones está avanzando mucho para la clasificación automática de la amenaza.

Por último, otra limitación de los radares convencionales, es su uso muy limitado en entornos urbanos o semiurbanos. En estos entornos la posibilidad de emitir señales de alta potencia está muy restringida. Además, la presencia de numerosos edificios limita las zonas de visión directa del blanco y generan multitud de reflexiones que dificultan enormemente su operación. En este entorno es donde está empezando a proponerse el uso de radares pasivos multiestáticos, como se hace por ejemplo en el proyecto COMMET.

La idea básica es vencer la limitación en cuanto a las potencias de transmisión, usando únicamente el módulo receptor y utilizando emisores de oportunidad ya presentes en el entorno, como torres de comunicaciones (por ejemplo estaciones LTE en el caso del COMMET, o satélites de baja cota en el caso de una colaboración que se está realizando con el Fraunhofer Institut alemán). El concepto de sistema puede verse en la figura 2.

Un aspecto vital en estos sistemas es la cancelación del multitrayecto así como del rayo directo. El uso de complejos algoritmos de procesado digital (como el algoritmo ECA) es nuevamente la clave para conseguir buenas prestaciones. Pero también influye mucho en los resultados, el disponer no de un único par receptor-transmisor, sino de un número significativo de ellos. La gran ventaja de este tipo de sistemas es que el módulo transmisor, tradicionalmente el más costoso en un radar, es virtualmente gratuito. Abaratar el receptor es también clave para poder usar varios y mejorar las características de cobertura, así como emplear técnicas MIMO. Esto se consigue con el uso intensivo de Radios Definidas por Software (SDR), cada vez disponibles en el mercado con mayor ancho de banda, mayor capacidad de proceso, mayor margen dinámico y menor coste.

 

Figura 2. Concepto de sistema de radares pasivos multiestáticos

 

En el proyecto COMMET [2], el despliegue está concebido para dar protección a los trazados ferroviarios de alta velocidad (figura 3). En este caso el énfasis no se pone solo en los drones sino en una vigilancia general para evitar sabotajes, detectar objetos que caigan a las vías por desprendimientos, presencia de animales, etc. En este caso se utiliza la red de repetidores LTE que a su vez se despliega para dar servicio de comunicaciones de banda ancha a los usuarios. Un aspecto curioso es también el uso del fenómeno denominado forward scattering para detectar la presencia de blancos situados en la línea de visión entre el transmisor de oportunidad y la SDR. La presencia del blanco produce una componente de difracción en contrafase que genera un desvanecimiento detectable en el rayo directo.

Newsletter noviembre-diciembre 2020 Tecnología