Uso de software de simulación electromagnética e ingeniería de misiones digitales para simulaciones de interferencias de señales GNSS

Convengamos en que siempre es bueno saber dónde se está cuando se está en el aire. El problema es que, de hecho, no siempre se sabe exactamente dónde se está. Los fuselajes modernos, ya sean aviones que trasladan personas de un lugar a otro o drones que entregan paquetes para Amazon, determinan la ubicación en tiempo real utilizando señales de radiofrecuencia (RF) emitidas desde el Sistema Global de Navegación por Satélite (GNSS). Sin embargo, las cinco redes de satélites que constituyen el GNSS se ciernen a unos 20.000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, y las señales que llegan a la antena de un fuselaje son muy débiles. Si un avión vuela a través de una zona donde una señal de RF más fuerte crea interferencias (intencionadamente o no), la débil señal GNSS puede perderse. Hasta que elimine la interferencia, el sistema de navegación puede no ser capaz de calcular la posición real del fuselaje, lo que sería un problema grave si la señal se perdiera, por ejemplo, justo cuando un avión desciende para aterrizar en una pista con niebla.

Se podría intentar superar este problema documentando una ruta de vuelo específica y registrando dónde y por qué se perdieron las señales GNSS, pero los problemas con este enfoque son múltiples. No solo sería ineficiente y costoso explorar cada ruta de vuelo común, sino que algunas pérdidas de señal podrían deberse al diseño de la antena, que podría afectar solo a las aeronaves que usan esa antena. Además, algunas pérdidas de señal experimentadas por la aeronave podrían deberse a fuentes transitorias en tierra, como un camionero de larga distancia que utiliza un bloqueador ilegal para evitar que una puerta de peaje rastree la posición del camión. Afortunadamente, los investigadores del Centro Aeroespacial Alemán (DLR) han encontrado una forma mucho más elegante y rentable de abordar el problema de la interrupción de la señal y la pérdida de información sobre la posición utilizando herramientas de simulación de Ansys.

Predecir resultados reales sin vuelos reales

En su artículo “ Validación virtual de la recepción de señales GNSS en vuelo durante interferencias para aplicaciones aeronáuticas ”, los autores Veenu Tripathi y Stefano Caizzone describen su trabajo desarrollando un enfoque para garantizar la recepción ininterrumpida de GNSS, que en última instancia evita la necesidad de realizar vuelos costosos para determinar dónde y por qué se pueden perder las señales GNSS. Utilizando el software de simulación electromagnética HFSS de Ansys y el software de ingeniería de misión digital Ansys Systems Tool Kit (STK) , Tripathi y Caizzone desarrollaron un gemelo digital que reconstruye un escenario de vuelo completo (incluida la dinámica de vuelo, la antena realmente utilizada en el fuselaje y el impacto de su instalación en la aeronave) y utiliza la simulación para predecir la recepción de señales y la interferencia. Demuestran la capacidad de utilizar la simulación para analizar el rendimiento en vuelo de diferentes configuraciones de antena-aeronave para superar escenarios de interferencia específicos.

El proyecto emprendido por Tripathi y Caizzone implicó fases sucesivas de prueba y validación. Inicialmente, utilizaron el software HFSS para diseñar un conjunto de antenas compacto (3,5 pulgadas) que constaba de cinco elementos (cuatro centrados en las bandas de transmisión GNSS L1/E1 y uno centrado en la banda L5/E5a). A continuación, la antena se construyó y probó en una cámara de campo cercano semianecoica en el DLR, donde se midieron los campos electromagnéticos resultantes y se convirtieron en corrientes equivalentes que se utilizarían en simulaciones posteriores. Posteriormente, Tripathi y Caizzone utilizaron el software HFSS para combinar la malla de la antena con un modelo de ingeniería asistida por ordenador (CAE) de un avión. Esto no solo permitió a los investigadores ver cómo las reflexiones del avión podrían afectar a los patrones de radiación de la antena, sino que también les permitió construir un gemelo digital del avión y la antena reales que utilizarían para validar los resultados de sus simulaciones de vuelo.

Veenu Tripathi y Stefano Caizzone utilizaron el software de simulación electromagnética Ansys HFSS para combinar la malla de una antena con un modelo de ingeniería asistida por computadora (CAE) de un avión que luego usarían para validar el rendimiento simulado de la antena en vuelo.

Tripathi y Caizzone también utilizaron las instalaciones del DLR para medir el rendimiento de una antena que se utilizaría para enviar una señal de interferencia GNSS en la trayectoria de un avión. A continuación, importaron esa información de rendimiento, junto con información sobre el rendimiento de la combinación de avión y antena, así como las características de la señal de enlace descendente de los satélites GNSS que operan en los rangos de RF L1 y E1, al software STK. Dado que la solución STK está diseñada para respaldar la ingeniería de misiones digitales y el análisis de sistemas, proporcionó a Tripathi y Caizzone la potencia que necesitaban para construir una simulación completa de un avión que encuentra una señal de interferencia GNSS en vuelo.

Validación de los resultados simulados

Para validar los resultados de rendimiento de su antena en la simulación, Tripathi y Caizzone hicieron volar un avión con su antena diseñada con HFSS en un circuito de prueba. Midieron las características reales de rendimiento en vuelo de las cuatro antenas de su conjunto tanto en presencia como en ausencia de interferencias de la fuente de interferencia del GNSS. Posteriormente, compararon las mediciones del mundo real con las producidas en la simulación utilizando las soluciones HFSS y STK y encontraron una buena concordancia entre los conjuntos de datos.

Datos de la relación portadora-ruido medidos y calculados por la misión para la conectividad de cada uno de los elementos de antena L1/E1 con cada uno de los 11 satélites GNSS diferentes en presencia de una señal de interferencia. (a) Ant.1. (b) Ant.2. (c) Ant.3. (d) Ant.4. Líneas continuas = resultados medidos; líneas discontinuas = resultados simulados. “G#” y “gps-#” identifican la fuente del satélite GPS.

“Al incorporar mediciones de antenas reales y análisis de rendimiento instalado en los escenarios de vuelo del sistema”, escriben los investigadores, “podemos obtener información valiosa sobre el rendimiento que se puede esperar en vuelo, incluso antes de volar. Este enfoque permite una representación más realista de las condiciones y los parámetros involucrados, lo que permite obtener mejores conocimientos y predicciones para los resultados de las pruebas y ahorrar mucho tiempo y dinero necesarios para múltiples pruebas de vuelo reales. Esto demuestra la importante capacidad de la herramienta como herramienta predictiva, lo que permite la planificación de experimentos o incluso la simulación virtual de varias configuraciones de antenas (y) aeronaves mientras se opera en escenarios de interferencia específicos para obtener resultados que se aproximan mucho a las condiciones de vuelo reales”.