Limitações nas comunicações ARP versus Satélites

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TC-Nohra.png Por Luis Felipe Nohra*

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Imagem ilustrativa (Fonte: Journal of Young Investigators).

Diversos fatores afetam a comunicação entre uma aeronave remotamente tripulada, uma estação de pilotagem remota e um satélite. Neste artigo, o tenente-coronel aviador Nohra, especialista no assunto, explora as principais características da propagação das ondas eletromagnéticas entre estes componentes, com destaque para a importância do apoio das comunicações por satélite para ampliar o alcance e o desempenho desses vetores.


Ao analisarmos uma matéria jornalística ou um relato histórico sobre o emprego de uma Aeronave Remotamente Pilotada (ARP) em território inimigo, não temos a exata dimensão do esforço técnico que possibilita essa operação. Esse sistema, quando empregado a longe dos grandes centros, exige a utilização de Satélites de Comunicação (SATCOM, Satellite Communications) para estabelecer o comando e controle da plataforma e a aquisição dos produtos gerados pelo ARP.

Muitas variáveis limitam operacionalmente o emprego do ARP fora do alcance visual, onde podemos destacar as perdas de potência e absorção das emissões eletromagnéticas e o limitado tamanho das antenas a bordo.

Este artigo explora as principais características da propagação das ondas eletromagnéticas entre uma Estação de Pilotagem Remota (RPS, Remotely Piloted Station) e uma ARP, ressaltando a importância de se explorar o apoio das SATCOM para ampliar o alcance e o desempenho desses vetores.

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I. Aeronaves Remotamente Pilotadas

As ARP são comumente empregadas em atividades onde a presença humana é muito arriscada, cara, exaustiva, insalubre ou até mesmo impossível (DDD, Dull, Dangerous and Dirty; AUSTIN, 2010).

Dentro das mais diversas aplicações podemos destacar a vigilância sobre áreas de conflito armado, agricultura de alta precisão, controle e monitoramento florestal, mídia e entretenimento, topografia, fotogrametria, entre outras missões (AUSTIN, 2010).

No Brasil, essas aeronaves também são conhecidas como Drones (palavra inglesa para “zangão”). Segundo as Regras de Tráfego Aéreo, qualquer “aparelho que possa sustentar-se na atmosfera a partir de reações do ar que não sejam as reações do ar contra a superfície da terra é uma aeronave” e deve respeitar as regras.

Para garantir a segurança do voo sem um piloto a bordo, todas as atenções são voltadas para assegurar o enlace de Comando e Controle (C2), entre a RPS e uma ARP, como podemos ver na Figura 1 (DECEA/ICA 100-40, 2016).

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Figura 1: utilização de SATCOM para Controle de ARP (Imagem: produção do autor, 2019).

Esse enlace contempla três trocas de informação: o envio de comandos ao artefato não tripulado (telecomandos), a recepção de informações de seu comportamento (telemetria), necessárias para o controle em voo, e a recepção dos produtos gerados pela ARP (imagens ou cenas). O envio de comando é chamado de uplink e a recepção de telemetrias é chamada de downlink (DECEA/ICA 100-40, 2016).

Os três tipos de enlace são fundamentais para o comando e controle da ARP e é responsabilidade do Explorador/Operador do Sistema, de acordo com as normas e regulamentos da ANATEL (DECEA/ICA 100-40, 2016).

II. O enlace de dados RPS – SATCOM – ARP

Para se ter sucesso no emprego desse sistema, é necessário considerar todos os equipamentos envolvidos, desde a Potência Transmitida nos amplificadores da RPS e a capacidade de amplificação do SATCOM, até a Potência de Recepção dos equipamentos da ARP, como apresentado na Figura 2.

O cálculo de enlace, também conhecido na língua inglesa por Link Budget, é a melhor forma de se dominar todos os fenômenos físicos envolvidos no emprego desse sistema, atentando para todas as margens de operação e confiabilidade eletrônica dos equipamentos envolvidos.

No exemplo abaixo, podemos observar a variação da potência (expressa em dBm[1]) durante a emissão de comandos e o enlace de uplink da RPS para uma ARP.

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Figura 2: variação da Intensidade de potência (Imagem: produção do autor, 2019).

Outras desvantagens são a atenuação atmosférica e a taxa de fluxo de dados, diretamente relacionadas a escolha da faixa de frequência. As emissões eletromagnéticas na Banda X, com frequências entre 8 e 12 GHz, sofrem menos com as perdas atmosféricas, quando comparadas as das Bandas Ku, K e Ka, conforme ilustrado na Figura 3.

Porém a escolha por Banda de Frequência impacta diretamente nas dimensões e peso das antenas embarcadas na ARP e no SATCOM, onde podemos destacar a dificuldade de se projetar artefatos que empreguem a Banda X, considerando a amplitude das antenas e eletrônicos envolvidos.

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Figura 3: frequências utilizadas para SATCOM (Imagem: BIRR, GIRGIS, MURRAY, 2011).

III. Satélites de Comunicações

Quando falamos de controle de ARP por satélite, deve estar claro que trata-se de um Satélite Geoestacionário, considerando que outros tipos de órbitas exigem uma constelação de satélites para manter o enlace estável, aumentando muito a complexidade e o valor investido (IPPOLITO, 2008).

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Figura 4: comparação entre coberturas de satélites de órbitas baixa e geoestacionária (Imagem: produção do autor, 2019).

O satélite geoestacionário proporciona uma grande cobertura da superfície terrestre que pode abranger até um continente inteiro. Sua permanência fixa em relação a um ponto no terreno garante um enlace constante durante as 24 horas do dia, sem interrupções. Para que isso ocorra, ele deve permanecer na distância de 35.786 km da Terra, girando ao redor do planeta com o mesmo intervalo.

A grande distância entre a estação de solo e o satélite provoca um atraso na recepção de mensagens de aproximadamente 260 ms[2], o que pode afetar o sincronismo de tempo na rede e as comunicações por voz (IPPOLITO, 2008).

O investimento para a aquisição e lançamento de um satélite geoestacionário de comunicações varia entre US$ 200 milhões e US$ 1 bilhão, exigindo ao menos três anos para o projeto, integração, testes e lançamento (WERTZ, 2015). Dessa forma, é pouco provável encontrar Satélites de Comunicações em órbita, que não explorem totalmente suas capacidades de enlace de dados.

IV. Características das antenas

As antenas embarcadas em ARP são muito limitadas em relação às suas dimensões e peso. Isso reflete, diretamente, no valor de seu ganho. Antenas omnidirecionais apresentam um ganho muito baixo, já antenas parabólicas ou arranjos de antenas precisam de um mecanismo de rastreio para manter o apontamento do feixe principal ao satélite (VALVANIS, 2014).

Dessa forma, as antenas embarcadas na ARP precisam ser diretivas e com feixe apontável. O principal fator de degradação para a qualidade do enlace é o erro de apontamento do feixe, que é impactado pela variação da posição do satélite devido às perturbações espaciais e manobras para a navegação da ARP, como por exemplo curvas que provoquem alteração de rolagem, arfagem ou guinada (ZHAO, GAO, JIN, WU, JIA, 2018).

Na Figura 5, podemos observar o ângulo de erro de apontamento de feixe.

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Figura 5: análise do ângulo de erro de apontamento do feixe (Imagem: ZHAO, GAO, JIN, WU, JIA, 2018).

Durante a sua navegação, a ARP vai alterar a sua altitude e posição, sendo necessários constantes movimentos da antena para fixar o apontamento do feixe para o satélite (FEI, ZHANG, 2018).

As antenas embarcadas em ARP devem possuir a capacidade de rastrear e fixar a visada no satélite que realiza o enlace com mobilidade nos 360° no plano azimutal e nos 90° em elevação, de forma a garantir a conexão.

V. Desafios do enlace de dados

Um dos principais passos para se projetar um sistema de enlace de dados entre uma aeronave e um satélite é determinar os ganhos e perdas desse sistema, considerando as taxas de desempenho e erros requeridas (YOUNG, 2016).

Três são os principais desafios para o sucesso nesse projeto: alta velocidade dos artefatos, longas distâncias e as bandas do espectro eletromagnético.

  1. Alta Velocidade e Distância entre os Artefatos: tanto a aeronave quanto o satélite deslocam-se em altas velocidades, o que resulta no aparecimento do espalhamento de potência por Efeito Doppler, afetando a eficiência do sinal.
  2. Atenuação Atmosférica: maiores distâncias resultam em maiores absorções pela atmosfera, impactando na diminuição da potência do sinal recebido. Os valores de atenuação estão diretamente ligados à frequência escolhida para emissão dos sinais eletromagnéticos.
  3. Bandas do Espectro Eletromagnético: as faixas tradicionalmente empregadas nas Comunicações por Satélite estão muito congestionadas e a tendência é aumentar o uso. Dessa forma, é necessário encontrar novas faixas para esse tipo de enlace, considerando o uplink e downlink.

É importante destacar a importância da definição da faixa de frequência, que definirá o tamanho e peso das antenas embarcadas na ARP.

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VI. Conclusão

A operação de ARP através de SATCOM apresenta desafios técnico-operacionais muito relevantes, dos quais podemos destacar as características das antenas embarcadas, as velocidades dos artefatos envolvidos, a atenuação atmosférica da potência propagada e o congestionamento das bandas de frequência do espectro eletromagnético disponíveis para emprego nessa atividade.

Dessa forma, é fundamental que todos os aspectos citados sejam considerados nas primeiras fases do projeto e na definição dos requisitos do sistema, tanto do ARP quanto do SATCOM.

Esse esforço visa diminuir os limites operacionais e ampliar as capacidades de alcance do ARP e garantir a ampliação do fluxo de dados entre o artefato e a estação de solo, permitindo emprego operacional em posições remotas da superfície terrestre.

Referências

AUSTIN, R. Unmanned Aircraft Systems: UAVs Design, Development and Deployment, Aerospace Series. Ed. John Wiley & Sons, 2010.

ÇUHADAR, I.; DURSUN, M. Unmanned Air Vehicle Systems Data Links. Journal of Automation and Control Engineering, Vol. 4, Nº 3, Junho de 2016.

ELKAIM, G. H. LIE, F. A. P. GEBREEGABHER, D. Handbook of Unmanned Aerial Vehicles. Springer Netherlands, 2014.

EMBRATEL STAR ONE. Ficha Técnica do Satélite Geoestacionário Star One C3. Disponível para download. Acesso em 25 de abril de 2019.

FORÇA AÉREA BRASILEIRA. DEPARTAMENTO DE CONTROLE DO ESPAÇO AÉREO. ICA 100-40: Sistemas de Aeronaves Remotamente Pilotadas e o Acesso ao Espaço Aéreo Brasileiro. Brasil, 2016. Disponível para download. Acesso em 25 de abril de 2019.

SILVA, W.; VIJAYKUMAR, N. L.; SHIGUEMORI, E. H. Navegação autônoma de VANT em período noturno com imagens infravermelho termal. 2016. São José dos Campos: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais, 2016. Disponível para download. Acesso em 25 de abril de 2019.

YOUNG, P. H. Técnicas de comunicação eletrônica. 5ª ed. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2006.

ORGANIZAÇÃO DO TRATADO DO ATLÂNTICO NORTE (OTAN), STANAG 4586. Standard Interfaces of UAV Control System (UCS) for NATO UAV Interoperability. Disponível para download. Acesso em 25 de abril de 2019.

IPPOLITO Jr, I. J. Satellite communications systems engineering: atmospheric effects, satellite link design, and system performance. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2008.

VALAVANIS, K.; VACHTSEVANOS, G. Handbook of Unmanned Aerial Vehicles. Ed. Springer Netherlands, 2014.

ZHAO, J. GAO, F. WU, Q. JIN, S. e W. JIA, W. Beam tracking for UAV mounted SATCOM on the move with massive antenna array. IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 2018.

WERTZ, J. R.; LARSON, W. J. Space Mission Engineering: The New SMAD. Hawthorne, USA: Space Technology Library, 2015.

Notas

[1] dBm (decibel miliwatt) é uma unidade de medida utilizada em telecomunicações para expressar a potência absoluta mediante uma relação logarítmica.

[2] ms = milissegundos.


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*Luis Felipe Nohra é tenente-coronel aviador da FAB – Força Aérea Brasileira, onde serve desde 1996. Concluiu o CFO em 1999, é primeiro piloto na aviação de patrulha e possui especialização em Análise do Ambiente Eletromagnético (2006) e mestrado em Guerra Eletrônica (2010), pelo ITA – Instituto Tecnológico da Aeronáutica. Realizou o Programa de Absorção de Tecnologia do Satélite Geoestacionário de Defesa e Comunicações Estratégicas na Empresa Thales Alenia Space, na França (2016). Foi chefe da Seção de Guerra Eletrônica do 1°/7° GAV, onde comandou aeronaves P-95B em missões de patrulha marítima em conjunto com a Marinha do Brasil. Atualmente é Chefe da Divisão de Suporte Operacional do Centro de Operações Espaciais do Comando de Operações Aeroespaciais.


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