sistema de seguridad antidrones aeropuerto internacional
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Sistema De Seguridad Antidrones Aeropuerto Internacional El Dorado
Fundacion Universitaria Los Libertadores
Facultad de Ingenierıa y Ciencias Basicas Programa
de Ingenierıa Aeronautica
Bogota D.C, Colombia
2021
Presentado por
Anderson Cuartas Jiménez
título de
Ingeniero Aeronautico
Dirigida por
DIDIER ALDANA
RODRÍGUEZ
Codirector
JORGE ARMANDO
VILLALBA VIDALES
Presentada a
Programa de Ingenierıa Aeronautica
Fundacion Universitaria Los Libertadores
Bogot a D.C, Colombia.
Presentado por
Anderson Cuartas Jiménez
en cumplimiento parcial de los requerimientos para optar por
el
Notas de aceptación
Firma del presidente del jurado
Firma del jurado
Firma del jurado
Bogotá DC, junio de 2021.
Las directivas de la Fundación Universitaria
Los Libertadores, los jurados calificadores y
el cuerpo docente no son responsables por
los criterios e ideas expuestas en el presente
documento. Estos corresponden únicamente a
los autores y a los resultados de su trabajo.
Dedicatoria
Dedico este proyecto a las personas que estuvieron conmigo apoyándome, dándome los mejores
consejos, guiándome y haciéndome creer en la realización de este proyecto; con afecto se lo dedico a:
Didier Aldana Rodríguez
Ariel Cuartas Garzón
Barbara Jiménez Parada.
Mariana Cuartas Bernal.
Agradecimientos
Quiero agradecer en primer lugar a Dios, por ser quien me mantuvo lleno de motivos hasta el final
para la culminación de este proyecto, en segundo lugar, a mis padres que sin el apoyo de ellos no
habría logrado culminar mis estudios y en tercer lugar a todos los docentes que estuvieron en mi
proceso de formación brindándome un amplio conocimiento en las aérea y para finalizar a mi director
de tesis quien estuvo conmigo en todo el proceso. ¡Muchas gracias por todo!
Índice general
Índice general ................................................................................................ XIII
Resumen................................................................................................................... XIX
Abstract ..................................................................................................................... XX
Capítulo 1 Introducción ........................................................................................ 2
Capítulo 2 Planteamiento del Problema .................................................................... 4
2.1 Objetivos .................................................................................................................. 6
2.1.1 Objetivo General..................................................................................................... 6
2.1.2 Objetivos Específicos .............................................................................................. 6
2.2 Justificacion .............................................................................................................. 8
Capítulo 3 Marco Teorico ..................................................................................... 9
3.1 Onda electromagnética ............................................................................................... 9
3.1.1 Espectro electromagnético....................................................................................... 10
3.1.2 Propiedades de onda ............................................................................................... 11
3.2 Antenas .............................................................................................................. 13
3.2.1 Directividad .......................................................................................................... 14
3.2.2 Patrón de radiación................................................................................................. 15
3.2.3 Impedancia ........................................................................................................... 16
3.2.4 Ganancia .............................................................................................................. 16
3.3 Antena monopolo (un solo polo) .................................................................... 16
3.4 La antena dipolo ............................................................................................... 18
3.5 Antena Yagi – Uda .......................................................................................... 20
3.6 Antena de Panel ................................................................................................ 21
3.7 Tipos de drones ....................................................................................................... 22
3.7.1 Aeromodelo RC (radio control) ............................................................................... 22
3.7.2 UAV (unmanned aerial vehicle) .............................................................................. 24
3.8 Enlace de comunicaciones..........................................................................................25
3.9 Sistema Antidrones .................................................................................................. 26
3.9.1 Fases del proceso ................................................................................................... 27
Capítulo 4 Espectro de Frecuencia ...................................................................... 29
4.1 Torre de Control ................................................................................................. 29
4.1.2 Aeronaves ............................................................................................................. 31
4.1.2.1 Frecuencia HF (High frequency) ........................................................................... 31
4.1.2.2 Frecuencia VHF (Very High frequency) ................................................................ 32
Capítulo 5 Diseño De La Antena........................................................................... 34
5.1 Cálculo de la antena ............................................................................................ 36
5.1.1 Longitud de onda .................................................................................................. 38
5.1.2 Ecuaciones diseño antena ....................................................................................... 38
5.1.3 Ganancia ............................................................................................................. 38
5.1.4 Abertura .............................................................................................................. 38
5.1.5 Ángulo de Abertura ............................................................................................... 39
5.1.6 Distancia Focal ..................................................................................................... 39
5.1.7 Profundidad del espejo .......................................................................................... 40
5.1.8 Anchura del diagrama de directividad ...................................................................... 40
5.1.8.1 La anchura en el plano vertical ............................................................................. 40
5.1.8.2 La anchura de plano Horizontal ............................................................................. 41
5.1.9 El perfil del paraboloide .......................................................................................... 41
5.1.10 Resistencias óhmicas de un conductor a la radiofrecuencia variando el material ........... 42
Capítulo 6 Planos y Simulación de la antena............................................................. 44
6.1 Planos Aeropuerto el Dorado ............................................................................. 44
6.2 Simulación .......................................................................................................... 45
Capítulo 7 Conclusiones y Recomendaciones ............................................................ 52
7.1 Conclusiones .........................................................................................................52
7.2 Recomendaciones .................................................................................................52
Bibliografía ...................................................................................................... 54
Apendice A – Calculo de parámetros de la antena ....................................................... 56
Apendice B. Resistencias óhmicas de un conductor a la radiofrecuencia variando el material ...... 58
Índice de figuras Figura 3. 1. Espectro electromagnético ............................................................................................... 11
Figura 3. 1.1. Rango de espectro electromagnético…………………………………………………………………….11 Figura 3. 2. Grafica de onda de amplitud y longitud de onda ............................................................ 12
Figura 3. 3. Grafica de onda diferentes fases ..................................................................................... 13
Figura 3. 4. Espectro electromagnético .............................................................................................. 14
Figura 3. 5. Directividad de una onda ................................................................................................ 14
Figura 3. 6. Diagrama de radiación .....................................................................................................15
Figura 3. 7. Plano Espectro Monopolo ................................................................................................ 17
Figura 3. 8. Antena Monopolo ........................................................................................................... 18
Figura 3. 9. Antena Dipolo ................................................................................................................. 19
Figura 3. 10. Espectro Magnético Dipolo ........................................................................................... 19
Figura 3. 11. Antena Yagi – Uda ......................................................................................................... 20
Figura 3. 12. Espectro Magnético Antena Yagi – Uda ........................................................................ 21
Figura 3. 13. Antena De Panel ............................................................................................................ 22
Figura 3. 14. Espectro Magnético Antena De Panel . .......................................................................... 22
Figura 3. 15. Aeromodelo Plano ......................................................................................................... 23
Figura 3. 16. Aeromodelo en Vuelo .................................................................................................... 23
Figura 3. 17. UAV Lanzamiento desde Catapulta ............................................................................... 24
Figura 3. 18. UAV vuelo Crucero ........................................................................................................ 24
Figura 3. 19. Comunicación de dron a Tierra ..................................................................................... 25
Figura 3. 20. Detector e inhibidor de drones ..................................................................................... 26
Figura 3. 21. Fases de la defensa antidrones ...................................................................................... 28
Figura 4. 1. HF en variación de la Ionosfera a diferentes horas ......................................................... 32
Figura 5. 1. Planos electrónico Sistema Anti drones .......................................................................... 34
Figura 5. 2. Planos antena parabólica . ............................................................................................... 35
Figura 5. 3. Diagrama de Flujo Proceso diseño antena....................................................................... 36
Figura 5. 4. Plato antena parabólica ................................................................................................... 37
Figura 6. 1. Planos aeropuerto el Dorado ........................................................................................... 44
Figura 6. 2. Datos de las dimensiones y frecuencia de la antena ....................................................... 45
Figura 6. 3. Datos obtenidos en la simulación ................................................................................... 45
Figura 6. 4. Grafica antena simulación .............................................................................................. 46
Figura 6. 5. Diseño Final de la Antena Parabólica . ............................................................................ 47
Figura 6. 6 Malla antena parabólica.................................................................................................... 48
Figura 6. 7. Patrón de radiación de la antena parabólica. .................................................................. 48
Figura 6. 8. Alcance de la antena parabólica a 30° . ........................................................................... 49
Figura 6. 9. Alcance de la antena parabólica a 45° ............................................................................. 49
Figura 6. 10. Espectro Electromagnético antidrones aeropuerto el Dorado ...................................... 50
Figura 6. 11. Mapa Bogotá sistema antidrones en el aeropuerto el Dorado ........................................51
Índice de Tablas
Tabla 4. 1 Tabla radio ayudas para La navegación y el aterrizaje ....................................................... 29
Tabla 4. 2. Tabla instalación de comunicaciones ATS ....................................................................... 30
Tabla 4. 3. Tabla de frecuencias utilizadas en la aviación HF ............................................................ 31
Tabla 4. 4. Tabla de frecuencias. ......................................................................................................... 32
Tabla 5. 1. Sistema de coordenadas . ................................................................................................... 42
Abreviaturas
AC Corriente alterna
ACC Centro de control de área o control de Área
Ad Acoplador direccional
AF Audio Frecuencia
AM Amplitud Modulada
APP Oficina de control de aproximación
ARINC Aeronautical Radio Inc
ASK Amplitude-shift keying
ATIS Servicio automático de información terminal
BFO Beat Frecuency Oscillato
CW Continuous wave
dB Decibel
DC Corriente directa
FIS Servicio de información de vuelo
FM Frecuencia Modulada
FPB Filtro pasa banda
Ft Feet
G.S Generador de señal
HF High Frequency
RC Radio control
SW Shortwave
TWR Torre de control de aeródromo
UAV UNMANNED AERIAL VEHICLE
UHF Ultra High Frequency
VHF Very High Frequency
XIX
Sistema De Seguridad Anti drones Aeropuerto Internacional El
Dorado
Resumen
La aviación es uno de los medios de transporte más eficientes hoy en día también han sufrido un gran
avance tecnológico, reduciendo así costos de operación. Un gran avance tecnológico en la aviación
son los drones, son utilizados en diferentes campos como en telemetría, fotogrametría, agrícola y
también de usos militares ya sea para recolectar datos o tomas fotografías estos son conocidos como
UAS. Actualmente los drones son bastante asequibles y accesibles, la mayoría de personas pueden
manipular un dron sin importar la edad ni la experiencia de vuelo, convirtiéndose en un problema que
se está evidenciando por diversos incidentes en aeropuertos, por el uso inadecuado de los drones en
las zonas aeroportuarias, generando intromisiones en los lugares de aterrizaje y despegue, ocasionando
riesgos para la seguridad operacional, por una posible colisión de una aeronave con un dron. Para
evitar que se llegue a presentar un accidente con los drones, en este trabajo se propone diseñar un
sistema antidrones que sea capaz interferir el link de comunicación y control que se establece entre el
dron y la estación o mando en tierra, garantizando la seguridad operacional del aeropuerto el Dorado
y también protegiendo las bases militares que están en la zona susceptibles a ataques o espionaje.
El sistema se basa en la construcción de una antena emisora que interfiera con el link de
comunicaciones del dron, antena que debe contar con el patrón de radiación suficiente, que cubra toda
el área de aproximación y aterrizaje del aeropuerto. Para el diseño de la antena se hace un estudio de
los planos en la infraestructura de las pistas, buscando los puntos más vulnerables que existen en el
lugar y los accesos más fáciles para los drones, para establecer la ubicación ideal de la antena del
sistema antidrones. Fueron realizados los cálculos de diseño usando los parámetros necesarios para el
sistema, utilizamos la frecuencia de 2.4GHz, con una distancia de cobertura de 15 km, con esos datos
comenzamos a realizar los cálculos de las variables geométricos y eléctricas de la antena.
Posteriormente se usaron dos softwares para simular el funcionamiento y alcance de la antena, se
realizaron diversas simulaciones variando el grado de inclinación para saber cuál es la posición más
eficiente para la cobertura de la antena, así dando como resultado la protección total del área del
aeropuerto internacional el Dorado.
Palabras claves: Dron, Seguridad operacional, Aeropuertos, UAS
XX
Antiaircraft Security System El Dorado International Airport Abstract
Aviation is one of the most efficient means of transport today, it has also undergone a great
technological advance, thus reducing operating costs. A great technological advance in aviation are
drones, they are used in different fields such as telemetry, photogrammetry, agriculture and also
military uses either to collect data or take photographs these are known as UAS. Currently drones are
quite affordable and accessible, most people can manipulate a drone regardless of age or flight
experience, becoming a problem that is being evidenced by various incidents at airports, due to the
inappropriate use of drones in the airport areas, generating interference in the landing and take-off
places, causing risks to operational safety, due to a possible collision of an aircraft with a drone. To
prevent an accident with drones from occurring, this work proposes to design an anti-drone system
that is capable of interfering with the communication and control link established between the drone
and the station or command on the ground, guaranteeing operational safety. from the El Dorado airport
and also protecting the military bases that are in the area susceptible to attacks or espionage.
The system is based on the construction of a transmitting antenna that interferes with the drone's
communications link, an antenna that must have a sufficient radiation pattern to cover the entire airport
approach and landing area. For the design of the antenna, a study is made of the plans in the
infrastructure of the tracks, looking for the most vulnerable points that exist in the place and the easiest
accesses for the drones, to establish the ideal location of the antenna of the anti-drone system. . The
design calculations were carried out using the parameters necessary for the system, we used the
2.4GHz frequency, with a coverage distance of 15 km, with these data we began to perform the
calculations of the geometric and electrical variables of the antenna. Subsequently, two softwares were
used to simulate the operation and range of the antenna, various simulations were carried out varying
the degree of inclination to know which is the most efficient position for the coverage of the antenna,
thus resulting in the total protection of the airport area. El Dorado International.
Keywords: Drone, Safety, Airports, UAS
2
Capítulo 1
Introducción
Este trabajo abordará la vulnerabilidad que tiene el aeropuerto el Dorado debida a sobrevuelos de
drones alrededor de la zonas próximas , causando retrasos en las operaciones y poniendo en peligro
las vidas de los pasajeros, este trabajo también se centra en el diseño de un sistema antidrones basado
en interrupción del enlace de comunicaciones entre el dron y sus estación de tierra, que tenga
cobertura en toda el área del aeropuerto el Dorado, incluyendo las bases militares que están dentro de
él y las pistas de aterrizaje.
En este trabajo de grado se diseña y calcula una antena que maneja que trabaja a una frecuencia de
2.4GHz, (que es la frecuencia que actualmente tiene el enlace de control de los drones) mediante una
iteración del diseño variando el diámetro del plato, determinando que área es más eficiente para
alcanzar una cobertura total de más de 15 km. También se realiza una simulación de la antena para
establecer si el patrón de radiación tiene la cobertura suficiente, para evitar la presencia de drones en
la cercanía del aeropuerto. Finalmente se determinó que la ubicación más eficiente de la antena es el
costado occidental del aeropuerto donde están las radioayudas para el aterrizaje de las aeronaves,
facilitando así el direccionamiento de la onda y teniendo cobertura total la zona aeroportuaria.
3
4
Capítulo 2
Planteamiento del Problema
Los drones son vehículos aéreos no tripulados que se usan para el entrenamiento, inspección de
estructuras, fotogrametría, agricultura de precisión, seguridad, vigilancia y transporte de mercancías
entre otras aplicaciones. Son de fácil acceso, necesitan pocos requerimientos técnicos para
manipularlos, facilitando que las personas operen de manera irresponsable, colocando en peligro las
vidas de las personas al sobrevolar cerca a los aeropuertos.
Con el propósito de contextualizar la problemática podemos relacionar algunos incidentes con drones
en cercanías a aeropuertos como el aeropuerto internacional de Newark, en el estado de Nueva Jersey
y muy cercano a Nueva York, en el que tuvieron que suspender por unos minutos el tráfico aéreo tras
la detección de dos drones sobrevolando a unos 22 kilómetros de la zona, según informó el canal 4 de
la CNBC. El tráfico aéreo en Newark, que sirve en gran medida para el tráfico de viajeros a la ciudad
de Nueva York, se restableció tras ser momentáneamente suspendido por razones de seguridad. Sin
embargo, pese al breve lapso que estuvo detenido el tráfico, los aviones con destino a Nueva Jersey
fueron retenidos en tierra en sus respectivos aeropuertos de origen para restablecer el plan de vuelo;
según un responsable del aeropuerto de Newark, un total de 20 vuelos de los aproximadamente 60 que
tenían previsto aterrizar entre las 18 y 19 horas locales volaban con retraso y cuatro fueron
cancelados. Los dos drones fueron avistados a una altura de mil metros sobre el aeródromo de
Teterboro, situado a 22 kilómetros al norte de Newark [1]. Otro incidente similar se presentó el 20 de
diciembre de 2019 en el aeropuerto londinense de Gatwick, el segundo del Reino Unido después de
Heathrow, vivió una situación de caos después que la aparición de dos drones cerca de la pista obligara
a suspender los despegues y aterrizajes, lo que afectó a miles de pasajeros y a más de 240 vuelos. “A
raíz de aquel suceso, todos los aeropuertos del Reino Unido deben contar con tecnología para evitar
incidentes relacionados con drones”, señaló el ministro de Defensa británico Garvin
Williamson. Para Williamson, que los aeródromos británicos deben invertir en tecnología para
detectar estos aparatos. Su afirmación que se produce después de que los dos principales aeropuertos
del país, Heathrow y Gatwick, anunciaran que destinarán millones de libras en equipos para prevenir
incidentes con drones [1]. El aeropuerto de Frankfurt, el más transitado de Alemania y uno de los más
5
importantes en Europa, también suspendió de manera temporal sus actividades al detectar
un dron sobrevolando en las inmediaciones, informó la Autoridad de Seguridad Aérea Alemana (DFS).
“En el aeropuerto de Frankfurt se ha detectado un dron. Por eso no van a producirse más aterrizajes
y despegues hasta nuevo aviso”, indicó en Twitter la DFS y agregó que pueden presentarse más
retrasos. La Organización Europea para la Seguridad de la Navegación Aérea, mejor conocida
como Eurocontrol, confirmó esta información y refirió que otros vuelos fueron desviados. La policía
alemana informó que analizan si el artefacto representa una amenaza y está por reportar si existe algún
peligro en la seguridad aérea. Las pantallas de la aplicación Flight Radar mostraron muchos vuelos
acumulados en las pistas y otros haciendo círculos en torno al aeropuerto. El bloqueo duró más de dos
horas y llevó tiempo reorganizar los vuelos, informaron las autoridades alemanas, de acuerdo con el
sitio de noticias Deutsche Welle. [2].
6
2.1 Objetivos
2.1.1 Objetivo General Realizar el diseño conceptual de un sistema anti-drones para la seguridad operacional del aeropuerto
internacional El Dorado de la ciudad de Bogotá.
2.1.2 Objetivos Específicos 1. Caracterizar el espectro de frecuencias de comunicación utilizadas en el aeropuerto El Dorado
y en los sistemas de aeronaves no tripulados que actualmente se utilizan para actividades
comerciales y de entretenimiento.
2. Diseñar las antenas para el bloqueo del enlace de comunicaciones entre un dron y su estación
de tierra.
3. Simular el funcionamiento del sistema de antenas a través de software especializado.
4. Definir las características y operación del sistema de seguridad diseñado con base en la
distribución del aeropuerto El Dorado.
7
8
2.2 Justificacion
El aeropuerto El Dorado es uno de los principales sitios de operación aeronáutica en Colombia, porque
concentra transporte civil de carga y pasajeros, así como como operaciones militares, puesto que en
este lugar están las bases militares de Fuerza Aérea Colombiana (FAC), el Comando aéreo de
transporte militar (CATAM), la policía y la Armada. Estas operaciones se pueden ver afectadas por la
interferencia de aeronaves no tripuladas en el área de aproximación y zona de rodaje siendo una
condición potencialmente insegura y posible generador de incidentes y/o accidentes. Otra posible
afectación es el retraso de los vuelos generando un colapso económico para las aerolíneas ya golpeadas
por las restricciones actuales del COVID 19.
En la madrugada del jueves 7 de marzo de 2019, cerca de una de las pistas principales del aeropuerto
internacional El Dorado de Bogotá, la seguridad del lugar detectó la presencia de un objeto que
rondaba el espacio aéreo, se trataba de un dron, que sobrevolaba pese a que hay una normativa definida
en el apéndice 13 del RAC 91 que prohíbe que se vuele un dron dentro de un radio de 9 Km en
cercanías de un aeropuerto, el dron sobrevoló por más de 30 minutos. [3]
9
Capítulo 3
Marco Teorico
3.1 Onda electromagnética
Son la combinación de ondas en campos eléctricos y magnéticos producidas por cargas en
movimiento. Es decir, lo que ondula en las ondas electromagnéticas son los campos eléctricos y
magnéticos. La creación de las ondas electromagnéticas se inicia con una partícula cargada. Esta
partícula crea un campo eléctrico que ejerce una fuerza sobre otras partículas. Al acelerarse la
partícula, oscila en su campo eléctrico, lo que produce un campo magnético. Una vez en movimiento,
los campos eléctricos y magnéticos creados por la partícula cargada se auto perpetúan, esto significa,
que un campo eléctrico que oscila en función del tiempo producirá un campo magnético y viceversa
como se observa en la figura 3.1. [4]
Figura 3.1. Espectro electromagnético [6]
10
3.1.1 Espectro electromagnético
Es la distribución de energías de las radiaciones electromagnéticas. Se puede expresar en términos de
energía, aunque más comúnmente se hace en términos de la longitud de onda y frecuencias de las
radiaciones. Se extiende desde las radiaciones con menor longitud de onda (los rayos gamma) hasta
las de mayor longitud de onda (las ondas de radio). Se compone de diversos subrangos o porciones,
cuyos límites no son del todo definidos y tienden a superponerse como se observa en la Figura 3.1.
Cada franja del espectro se distingue de las otras en el comportamiento de sus ondas durante la
emisión, transmisión y absorción, así como en sus aplicaciones prácticas. Las ondas electromagnéticas
son vibraciones de los campos eléctricos y magnéticos que transportan energía. Estas ondas se
propagan en el vacío a velocidad de la luz. [4]
El espectro radioeléctrico es un recurso natural conformado por el conjunto de ondas
electromagnéticas cuya frecuencia se fija convencionalmente por debajo de 3000 GHz, que se
propagan por el espacio sin guía artificial. Es propiedad exclusiva del Estado y como tal constituye un
bien de dominio público, inajenable e imprescriptible, cuya gestión, administración, vigilancia y
control corresponden a la Agencia Nacional del Espectro de conformidad con las leyes y decretos
vigentes. [5]
La frecuencia alta u onda corta (en inglés: High Frequency [HF] o shortwave [SW]) se refiere a la
banda del espectro electromagnético englobada entre los 3 y los 30 Megahercios. La onda corta es una
banda de radiofrecuencias en la que transmiten (entre otras) las emisoras de radio internacionales para
transmitir su programación a todo el mundo y las estaciones de radioaficionados. La frecuencia muy
alta (del inglés: Very High Frequency: «VHF») se corresponde con la banda del espectro
electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de entre 30 y 300 megahercios. En estas franjas
del espectro están las aplicaciones de televisión, radiodifusión en FM, banda aérea, satélites,
comunicaciones entre buques y control de tráfico marítimo [4].
La banda de UHF (siglas del inglés: Ultra High Frequency) o frecuencia ultra alta es una banda del
espectro electromagnético que ocupa el rango de frecuencias de 300 MHz a 3 GHz. En esta banda se
produce la propagación por onda espacial troposférica. [4]
11
Figura 3. 1.2. Rango de espectro electromagnético [6]
3.1.2 Propiedades de onda
Entre las propiedades de las ondas sonoras, además de la frecuencia, se incluyen la amplitud, la
longitud de onda, el periodo y la fase como se observa en la figura 3.2 y 3.3. [6]
Amplitud: la amplitud de una onda indica la cantidad de cambios en la presión del aire. Puede medirse
como la distancia vertical máxima desde una presión de aire cero, o un “silencio” (en la ilustración
aparece como una línea horizontal a 0 dB). Por decirlo de otra forma, la amplitud es la distancia entre
el eje horizontal y el punto más alto del pico de la onda, o el punto más bajo de la depresión de la
onda. [6]
Longitud de onda: la longitud de onda es la distancia entre los ciclos repetitivos de una onda a una
frecuencia dada. Cuanto más elevada sea la frecuencia, más corta será la longitud de onda. [15]
Periodo: el periodo de onda es la cantidad de tiempo que cuesta finalizar una revolución completa de
un ciclo de onda. Cuanto más elevada y rápida sea la frecuencia, más corto será el periodo de la onda.
[6]
12
Fase: la fase compara el tiempo entre las ondas y se mide en grados, de 0 a 360. Cuando dos ondas
comienzan al mismo tiempo, se dice que están en fase o alineadas en fase. Cuando una onda se
encuentra ligeramente retrasada en comparación con otra onda, se dice que las ondas están desfasadas
ver Figura 3.3. [6]
Figura 3. 3. Grafica de onda de amplitud y longitud de onda [6]
13
Figura 3. 4. Gráfica de onda diferentes fases [6].
3.2 Antenas
Las Antenas son las partes de los sistemas de telecomunicación específicamente diseñadas para radiar
o recibir ondas electromagnéticas, generalmente ubicadas en la zona de ondas de radio del espectro
electromagnético que se muestra en la figura 3.4. También se pueden definir como los dispositivos
que adaptan las ondas que se propagan en el espacio libre, a ondas guiadas, que se transmiten por
conductores o guías. [1]
14
Figura 3. 5. Espectro electromagnético [4].
3.2.1 Directividad
Se define como la relación entre la densidad de potencia radiada en una dirección, a una distancia, y
la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia una antena isotrópica, a igualdad de potencia
total radiada como se observa en la figura 3.5. Se define como la relación entre la densidad de potencia
radiada en una dirección, a una distancia, y la densidad de potencia que radiaría a la misma distancia
una antena isotrópica, a igualdad de potencia total radiada. [4]
Figura 3. 6. Directividad de una onda [6].
15
3.2.2 Patrón de radiación
Es la representación gráfica de las características de radiación de una antena, en función de la dirección
(coordenadas en azimut y elevación), lo más habitual es representar la densidad de potencia radiada,
aunque también se pueden encontrar diagramas de polarización o de fase. Atendiendo al diagrama de
radiación, podemos hacer una clasificación general de los tipos de antena y podemos definir la
directividad de la antena (antena isotrópica, antena directiva, antena bidireccional, antena
omnidireccional,). Dentro de los diagramas de radiación podemos definir diagrama copolar aquel que
representa la radiación de la antena con la polaridad deseada y contra polar al diagrama de radiación
con polaridad contraria a la que ya tiene como se observa en la figura 3.6. [4]
Figura 3. 7. Diagrama de radiación [4].
16
3.2.3 Impedancia
Una antena debe estar conectada a un transmisor por medio de una línea de transmisión o guía de
ondas, a fin de ser excitada y producir radiación. La impedancia de entrada de la antena presentada a
la línea de alimentación constituye un parámetro importante, cuyo valor es necesario para el diseño de
redes (circuitos) de acoplamiento eficientes que aseguren la máxima transferencia de potencia. La
impedancia de entrada de la antena tiene en general una componente resistiva y una componente
reactiva. La componente reactiva se debe a los campos de inducción de la región próxima, debido a
que tales campos producen un almacenamiento de energía reactiva en la región que rodea a la antena.
La componente resistiva de la impedancia de entrada tiene contribuciones de todos los diversos
elementos que provocan una pérdida de energía de la antena. [4]
3.2.4 Ganancia
La característica más importante de una antena es la ganancia. Esto viene a ser la potencia de
amplificación de la señal. La ganancia representa la relación entre la intensidad de campo que produce
una antena en un punto determinado, y la intensidad de campo que produce una antena omnidireccional
(llamada isotrópica), en el mismo punto y en las mismas condiciones. Cuanto mayor es la ganancia,
mejor es la antena. La unidad que sirve para medir esta ganancia es el decibelio (dB). [4]
3.3 Antena monopolo (un solo polo)
Conocida también como antena de Marconi, es la más sencilla que se puede encontrar y utilizar en
prácticamente todos los servicios de radio y telecomunicaciones especialmente a bajas frecuencias, se
monta en dirección vertical parecida a una varilla, aterrizada a través de la red de acoplamiento de la
antena se puede observar en la figura 3.7. Su operación se basa en el reflejo virtual que genera el suelo
en sentido contrario hacia la dirección de la antena, empleando la teoría conocida como “método de
las imágenes”, esa energía es reflejada en mayor o menor grado dependiendo de las características
físicas de la tierra, especialmente de la conductividad, por esta razón se utilizan suelos ricos en arcilla
17
que son buenos conductores para así reducir las pérdidas. Los transmisores de AM generalmente son
torres de gran longitud, de varios cientos de metros como se observa en la figura 3.8, llegando en
algunos momentos a instalarse como una torre. [4]
Figura 3. 8. Plano Espectro Monopolo [4].
18
Figura 3. 9. Antena Monopolo [4].
3.4 La antena dipolo
La antena dipolo es utilizada principalmente para aplicaciones de comunicaciones móviles, pero suele
encontrarse en prácticamente todos los servicios de comunicación que existen actualmente,
principalmente en arreglos de antenas para transmisores de radio frecuencia modulada (FM) y también
en transmisores de TV y servicios de radio móvil para servicios de despacho, seguridad como la policía
y emergencias, bomberos y ambulancias. Como se observa en figura 3.9 es una antena con dos polos
mirando hacia sentidos contrarios, debido a que cada polo se comporta como si fuera un tramo de línea
de transmisión de ¼ de onda, por lo que la longitud más común es de ½ onda, como su nombre lo
indica, este tipo de antena se construye y utiliza para una sola frecuencia presentando un buen
compromiso entre directividad y tamaño. Esta antena puede situarse de manera horizontal o vertical
con respecto a la superficie terrestre dependiendo de los requerimientos de los servicios, su patrón de
radiación es omnidireccional como se observa en la figura 3.10. [4]
19
Figura 3. 10. Antena Dipolo [4].
Figura 3. 11. Espectro Magnético Dipolo [4].
20
3.5 Antena Yagi – Uda
Es una antena direccional que está compuesta por varios elementos parásitos y un elemento activo,
organizados de forma paralela soportados por un eje como se observa en la figura 3.11. Los elementos
parásitos pueden ser reflectores o directores que definen la dirección de la máxima radiación, mientras
que el elemento activo es un dipolo de ½ onda, la Yagi más sencilla está compuesta por 3 elementos
y para bandas Very High frequency (VHF) y Ultra High frequency (UHF)este tipo de antenas emplean
30 o más elementos en el cual hay un reflector y varios directores como se observa en la figura 3.12.
Debido a su simplicidad y su ancho de banda relativamente grande la antena Yagi-Uda es muy
utilizada, para aplicaciones de radiodifusión de televisión, estaciones de radioaficionados y en los
últimos años se ha utilizado para otro tipo de servicios como es el caso de radioenlaces punto a punto,
para sistemas de wifi, tanto en la banda de 2.4 GHz como en la banda de 5.7GHz y en otros sistemas
donde sus características de direccionalidad le dan un muy buen comportamiento. [4]
Figura 3. 12. Antena Yagi – Uda [4].
21
Figura 3. 13. Espectro Magnético Antena Yagi – Uda [4].
3.6 Antena de Panel
Consisten en un arreglo de dipolos en fase, conectados horizontal o verticalmente a una estructura
aplanada rectangular, situados a 1’¼ de la superficie que sirve como reflector y dentro de un panel de
fibra de vidrio o de algún material transparente a las ondas electromagnéticas, como se observa en la
figura 3.13 y tiene un patrón de radiación omnidireccional como se observa en la figura 3.14. Se
empezaron a utilizar en los sistemas móviles celulares, en la banda de 800 MHz inicialmente y en los
últimos años debido a la gran expansión de la telefonía celular se utilizan en todas las bandas y en
diferentes aplicaciones, puesto que permiten disimular bastante bien la antena con respecto a su
entorno. Recientemente se están utilizando en bandas de frecuencia más bajas, como la banda de Very
High frequency (VHF) y en algunas de las partes bajas de Ultra High frequency (UHF), para servicios
de radio móvil convencional y en sistemas radiantes de TV digital. [4]
22
Figura 3. 14. Antena De Panel [4].
Figura 3. 15. Espectro Magnético Antena De Panel [4].
3.7 Tipos de drones
Los vehículos aéreos no tripulados, también conocidos como drones, son aviones controlados por
pilotos en tierra o de forma autónoma siguiendo una misión pre programada.
3.7.1 Aeromodelo RC (radio control)
Un aeromodelo es un modelo que tiene su fundamentación en reproducir las características de un avión
mecánica y dinámicamente, usualmente con fines didácticos. Se controla por un piloto en tierra usnado
un radio control. El transmisor se comunica con un receptor de radio dentro de la aeronave, el cual
envía señales a los servomecanismos que mueven las superficies de control en función de la posición
23
de las palancas de mando del transmisor. Las superficies de control, a su vez, afectan a la orientación
de la aeronave como se observa en la figura 3.15 [7]. En un aeromodelo generalmente no se recolecta
información, y si se hace solo se obtiene la información una vez se recupera el aeromodelo,
adicionalmente no hay vuelo autónomo porque siempre debe ser controlado a través de un radio
control (RC), y no se debe perder la línea vista (LOS: Line Of Sight) Figura 3.16.
Figura 3. 16. Aeromodelo Plano [7].
Figura 3. 17. Aeromodelo en Vuelo [7].
24
3.7.2 UAV (unmanned aerial vehicle)
Es un vehículo aéreo no tripulado (Unmanned Aerial Vehicule, UAV), aeronave no tripulada de uso
militar. Recolecta información en tiempo real. El uso militar y estatal de UAS se ha desarrollado
rápidamente desde que comenzó rápidamente en los EE. UU. A principios de la década de 1990 y ha
utilizado comunicaciones por satélite y navegación GPS, para operar vehículos aéreos no tripulados a
distancias muy largas de sus controladores [7].
Figura 3. 18. UAV Lanzamiento desde Catapulta [7].
Figura 3. 19. UAV vuelo Crucero [7].
25
3.8 Enlace de comunicaciones
Para el control de los drones se usan frecuencias de: 27, 72, 433, 900 MHz, 1,3 y 2,4 GHz, pero son
raramente usadas con drones pequeños. 2,4 GHz es una tecnología más moderna y es actualmente la
frecuencia más popular para pequeños aparatos de radiocontrol. Se convirtió en el estándar para RC
cuando se crearon nuevos protocolos que introducían saltos de frecuencia que permitían al usuario
despreocuparse de captar otras frecuencias o canales de otros pilotos. Las antenas son pequeñas pero
el alcance es menor que usando el rango de 27 o 72 MHz. Las frecuencias de 433, 900 MHz y 1.3
GHz son comúnmente usadas para aparatos de mayor tamaño y con mayor alcance ver figura 3.19.
Todos los fabricantes adoptaron la nueva frecuencia de 2,4 GHz y los nuevos protocolos, haciendo
que los RC sean fáciles de usar y mantener. El software está continuamente escaneando la frecuencia
óptima para usar y detecta cualquier interferencia, haciendo esto centenares de veces por segundo
nunca se experimenta lapsos en la transmisión que era el gran problema que tenía el radio control,
pero ahora es posible volar junto a otros pilotos y aparatos sin experimentar interferencias. [8]
Figura 3. 20. Comunicación de dron a Tierra [8].
26
3.9 Sistema Antidrones
Los sistemas de defensa anti drones son dispositivos que ayudan en labores de seguridad y privacidad
para evitar o neutralizar la presencia de drones en un área determinada como se observa en la figura
3.20, encontramos dos tipos de dispositivos que se complementan:
Detector de drones. Estos sistemas son útiles para detectar e identificar drones desde el momento que
se encuentran en el área de cobertura, facilitando así una respuesta inmediata de acción. Estos son
dispositivos móviles dentro de un case rígido que permiten monitorear la presencia de drones dentro
de un rango menor que los detectores fijos, pero con la facilidad de llevarlo a cualquier parte. [9]
Jammer. Este sistema puede bloquear las frecuencias de radio y de navegación que permiten la
comunicación de los drones con su mando, forzándolo a aterrizar o regresar automáticamente a su
lugar de despegue, suele tener un alcance entre 1 y 2 km. [9]
Figura 3. 21. Detector e inhibidor de drones [9].
27
3.9.1 Fases del proceso
Se acostumbra a dividir el proceso de defensa antidrones en tres fases, aunque según como se plantee
la estrategia algunas de ellas pueden tener dron como se observa en la figura 3.21. [9]
Detección. Permite levantar una alarma de que se ha producido una intromisión de un objeto no
identificado en el volumen bajo vigilancia. En función del sensor empleado, esta etapa permite obtener
distinto tipo de información de los blancos, tales como su posición angular, distancia al sensor,
velocidad o tamaño. Además, es conveniente realizar un seguimiento de los blancos detectados para
conocer su trayectoria y generar alarmas tempranas de posibles amenazas. Sin embargo, esta etapa no
conlleva diferenciar las detecciones provocadas por RPAs de las de otros blancos que no son de interés
como coches o aves [9].
Identificación. Consiste en la discriminación del blanco objetivo frente otros objetos o que no son de
interés (por ejemplo, aves) y que han sido detectados en la etapa anterior. De esta forma se reduce el
número de la llamada “nuissance alarms” evitando una sobreactuación de los sistemas de
neutralización. Con algunas tecnologías, esta fase y la anterior tienen fronteras difusas, haciéndose un
proceso que en conjunto proporciona ambas funcionalidades, casi de manera simultánea [9].
Neutralización. En el caso de clasificar la detección como una amenaza, se tomará la decisión de
actuar de forma que se garantice la protección del emplazamiento, bien o personas bajo amenaza. A
menudo se define una intensidad de actuación distinta en función de la gravedad de la amenaza [9].
28
Figura 3. 22. Fases de la defensa antidrones [9].
29
Capítulo 4
Espectro de Frecuencia
El espectro de frecuencia se caracteriza por la distribución de amplitudes para cada frecuencia de un
fenómeno ondulatorio que sea superposición de ondas de varias frecuencias. En este capítulo
describirán los tipos de frecuencias comúnmente usadas y que son muy importantes para la
comunicación entre la aeronave y el personal de tierra, en los subcapítulos se presentará los rangos de
frecuencia que se usa en tierra y en aire para las comunicaciones.
4.1 Torre de Control
La torre de control ayuda a las aeronaves que están en el aire a mantener un rumbo estable, a elegir
una ruta rápida y segura para llegar a su destino final, otras funciones importantes son asistir las
aeronaves a la hora de aproximación, despegue y rodaje, para evitar un accidente o incidente entre
aeronaves y para optimizar el tráfico aéreo, en la tabla 4.1 y tabla 4.2 se relacionan las frecuencias
usadas en el aeropuerto el Dorado, en las aproximaciones, despegues, rodajes en cada lugar de las
pistas que tiene el aeropuerto el Dorado.
Tabla 4. 1 Tabla radio ayudas para La navegación y el aterrizaje [10]
Intalacion (VAR) ID REQ HR LOCALIZACIÓN ELEVACIÓN OBSERVACIONES
VOR BOG 113,9 MHz H24 04 50 48 N 074 19 24 W 9.06 FT COBERTURA 100 NM
DME BOG CH 86 X H24 04 50 48 N 074 19 24 W 9.06 FT COBERTURA 150 NM
NDB
VOR SOA 108,6 MHz H24 04 36 11 N 074 16 23 W 8.069 FT
DME SOA 23-X H24 04 36 11 N 074 16 23 W 8.108 FT COBERTURA 150 NM
ILS/LLZ IEDR 11,3 MHz H24 04 41 28,150 N 074 07 21,655 W CATEGORIA 1, PISTA 13L
ILS/GP 332,3 MHz H24 04 42 44,150 N 074 08 57,049 W PISTA 13L, GP 3°
ILS/DME CH 50 X H24 04 42 44,150 N 074 08 57,049 W PISTA 13L
OM
MM
LO
ILS/LLZ IADO 110,7 MHz H24 04 41 15,733 N 074 08 20,651 W CATEGORIA 3, PISTA 13R
ILA/GP 330,2 MHz H24 04 42 29,178 N 074 10 03,378 W PISTA 13R, GP 3°
ILS/DME CH 44 X H24 04 42 29,178 N 074 10 03,378 W PISTA 13R
MM AD 75 MHz H24 04 42 58,369 N 074 10 36,189 W PISTA 13R
IM DO 75 MHz H24 04 42 45,775 N 074 10 19,258 W PISTA 13R
30
Tabla 4. 2. Tabla instalación de comunicaciones ATS [10]
TWR: Torre de control de aeródromo o control de Aeródromo.
APP: Oficina de control de aproximación o control de aproximación o servicio de control de
aproximación.
ACC: Centro de control de área o control de Área.
FIS: Servicio de información de vuelo.
ATIS: Servicio automático de información terminal.
SERVICIO DISTINTIVO DE LLAMA FRECUENCIA HR OBSERVACIONES
TWR EL DORADO TWR NORTE 118,1 MHz H24 PISTA 13L/31R
118,35 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
EL DORADO TWR SUR 118,25 MHz H24 PISTA 13R/31L
118,35 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
EL DORADO SUPERFICIE NORTE 121,8 MHz H24 SMC 13L/31L
122,4 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
EL DORADO SUPERFICIE SUR 122,75 MHz H24 SMC 13R/31L
122,4 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
EL DORADO AUTORIZACIONES 121,6 MHz H24 AUTORIZACIONES EL DORADO
122,9 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
EL DORADO RAMPA AVIANCA 132,9 MHz H24 PLATAFORMA SUR T1
APP BOGOTÁ LLEGADAS 119,5 MHz H24 SECTOR BOGOTÁ LLEGADAS
119,05 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
TERMINAL OESTE 119,95 MHz H24 SECTOR TERMINAL OESTE
120,95 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
TERMINAL SUR 119,65 MHz H24 SECTOR TERMINAL SUR
120,65 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
TERMINAL NORTE 121,3 MHz H24 SECTOR TERMINAL NORTE
120,3 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
ACC BOGOTÁ CONTROL NE 128,6 MHz H24 SECTOR NE
128,5 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
BOGOTÁ CONTROL SE 128,8 MHz H24 SECTOR SE
BOGOTÁ CONTROL NW 123,7 MHz H24 SECTOR NW
123,85 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
BOGOTÁ CONTROL SW 125,1 MHz H24 SECTOR SW
125,95 MHz H24 FRECUENCIA ALTERNA
EMERGENCIA 121,5 MHz H24 EMERGENCIA
FIS
BOGOTA INFORMACION 126,9 MHz 1100-2300 FRECUENCIA ALTERNA
ATIS 126,75 MHz TRIPULANTES DEBEN COLACIONAR AL PRIMER CONTACTO
127,8 MHz H24 CON EL ATC EL MENSAJE ATIS DE LA HORA
31
4.1.2 Aeronaves
El sistema de comunicación de las aeronaves ya sea en tierra o en el aire esta divida en dos tipos de
ondas de frecuencia en VHF y HF, en donde HF maneja voz y datos y VHF maneja voz, en cada uno
de los casos se puede ver las variaciones de uso ya sea en aproximación o en tierra.
4.1.2.1 Frecuencia HF (High frequency)
La radio de alta frecuencia proporciona a las aeronaves un medio de comunicación eficaz en trayectos
de largas distancias en rutas oceánicas y transpolares. Además, la comunicación global de datos ha
sido posible utilizando HF estratégicamente ubicado estaciones terrestres de enlace de datos ver figura
4.1. Estos proporcionan acceso a las redes de datos Aeronautical Radio Inc (ARINC). La frecuencia
de HF para las aeronaves trabaja en los canales 3 MHz a 30 MHz, como se observa en la tabla 4.3.
Las asignaciones de aeronaves se intercalan con muchos otros servicios, incluida la radiodifusión por
onda corta, fijo punto a punto, marítimo y terrestre, servicios gubernamentales y de aficionados.
FRECUENCIA HF
2850-3155 kHz
3200-3500 kHz
4650-4750 kHz
5480-5730 kHz
6525-6765 kHz
8815-9040 kHz
10,005-10,100 kHz
11,175-11,400 kHz
13,200-13,360 kHz
15,010-15,100 kHz
17,900-18,030 kHz
21,870-22,000 kHz
23,200-23,350 kHz
Tabla 4. 3. Tabla de frecuencias utilizadas en la aviación HF [11].
32
Figura 4. 1. HF en variación de la Ionosfera a diferentes horas [11].
4.1.2.2 Frecuencia VHF (Very High frequency)
La radio de muy alta frecuencia es el principal medio de comunicación entre aviones y tierra. Va de
118 MHz a 137 MHz utilizando la frecuencia entre voz y datos 30MHz a 300MHz,
Tabla 4. 4. Tabla de frecuencias ACARS [11].
FRECUENCIA ACARS
129.125 MHz USA Y CANADA (ADICIONAL)
130.025 MHz USA Y CANADA (SECUNARIO)
130.450 MHz USA Y CANADA (ADICIONAL)
131.125 MHz USA (ADICIONAL)
131.475 MHz JAPON (PRICIPAL)
131.525 MHz EUROPA (SECUNDARIO)
131.550 MHz USA, CANADA, AUSTRALIA (PRINCIPAL)
131.725 MHz EUROPA (PRINCIPAL)
136.900 MHz EUROPA (ADICIOAN)
33
Las frecuencias usadas en el sistema de direccionamiento e informe para comunicaciones de aeronaves
“ACARS” (VHF DATOS) están entre 129 MHz a 137 MHz. Para que los canales de frecuencias VHF
no se mezclen y tengan interferencia entre voz y datos, se formaron grupos especiales para tener
únicamente manejo de información en datos como se observa en la tabla 4.4 y en los otros canales se
puede manejar únicamente voz.
34
Capítulo 5
Diseño De La Antena
El sistema anti drones a diseñar es un sistema que anula todas las señales de datos que manejan una
frecuencia de 2.4 GHz, (Frecuencia actualmente utilizada), esta frecuencia está casi tres órdenes de
magnitud por encima de las frecuencias utilizadas por aeronaves tripuladas, por los tanto no interfiere
en las comunicaciones entre torre de control, radio ayudas y aeronaves tripuladas. Cuando el dron se
está acercando a la zona que tiene un sistema anti drones pierda la comunicación con el mando en
tierra, evitando que el dron pueda acceder a el lugar. En la figura 5.1 observa la estructura electrónica
del sistema anti drones.
Figura 5. 1. Planos electrónico Sistema Anti drones [12].
Generador de señal (G.S) rf: Es el subsistema encargado de generar la señal rf de barrido dentro del
ancho de banda deseado. Puede implementarse mediante un sintetizador programable, o un vco con
su respectiva señal de control. En el prototipo implementado se utilizó un sintetizador programable de
dos salidas para las bandas gps, y dos vco para las bandas Wifi. [12].
Filtro pasa banda (FPB): Este filtro se utiliza a la salida del generador de señal rf para evitar que
armónicos o señales espurias ingresen al amplificador y sean radiadas posteriormente. [12]
35
Amplificador de potencia (amp) + disipador: Es el elemento encargado de aumentar la potencia de
la señal rf para lograr el alcance de inhibición deseado. [12]
Polarizador: Es el elemento que permite energizar correctamente el amplificador de rf. se requiere
un BiasTee que permite generar un voltaje dc a la salida del amplificador, y un dc-Block que filtra el
voltaje dc a la salida de este. [12]
Acoplador direccional (ad): Protege el amplificador rf de señales que puedan entrar por la antena de
transmisión y adicionalmente permite tomar muestras de la señal rf de inhibición sin interrumpir su
operación. [12]
Procesador: Es el subsistema encargado de la programación para generar la señal de rf y la
comunicación con el panel de control y visualización. [12]
Sistema de alimentación: Su función es generar los niveles de voltaje y corriente adecuados para
energizar los diferentes elementos y subsistemas del prototipo de inhibición. [12]
Panel de control y visualización: Interfaz que permite activar y configurar los parámetros de cada
banda de inhibición. [12]
Antena: encargada de radiar la señal rf hacia el objetivo deseado. Para obtener un alcance destacado
se usan generalmente antenas directivas. [12]
La elección del tipo de antena que se va a utilizar para el sistema anti drones (ver figura 5.2) es muy
importante ya que este elemento va a distribuir la señal para cubrir el área del aeropuerto el Dorado.
La antena parabólica es la antena que se va a utilizar para este sistema ya que, por su forma en el plato,
hace que la señal sea más fácil de abarcar todo el aeropuerto trabajando en la frecuencia de 2.4Ghz.
Figura 5. 2. Planos antena parabólica [13].
36
5.1 Cálculo de la antena
El proceso de diseño de la entena se describe en el diagrama de flujo de la figura 5.3.
Figura 5. 3. Diagrama de Flujo Proceso diseño antena [Autor].
37
Los parámetros y dimensiones de la antena se describen en la Figura 5.4, para que tenga un buen
alcance para los cálculos se inició con un diámetro de 1 metro y luego se procedió con la iteración
probando otros valores como se muestra en el anexo 1.
Figura 5. 4. Plato antena parabólica [13].
Donde:
A: Profundidad de Espejo
f: Distancia focal.
D: Abertura.
β: Ángulo de abertura.
Para el diseño físico de la antena, se utiliza primero la ecuación 1 para obtener el dato de la longitud
de onda, se tiene en cuenta la frecuencia utilizada en el sistema, también usando también la velocidad
de la onda. La ecuación 2 se usa para saber la ganancia que va a tener la antena, después de obtener
los valores se reemplaza en la ecuación 3 los resultados obtenidos de la ecuación 1 y ecuación 2, para
poder obtener la medida de la apertura que tendrá el plato ver figura 5.4. La distancia focal se obtiene
de la ecuación 4, se usa también para obtener tener la distancia del excitador con el plato. El excitador
hace que la señal que se maneja salga y golpee el plato haciendo que se reflecte a través de él
aumentado la señal de la onda. Al tener el valor de la ecuación 4 se reemplaza en la ecuación 5 para
saber la profundidad del espejo, teniendo en cuenta que el autor recomienda que el ángulo de apertura
debe estar en un ángulo de 60°.
38
5.1.1 Longitud de onda
Para el cálculo de la longitud de onda se usa la ecuación 1 [14].
𝜆 =𝐶
𝐹 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 Ec. 1
Donde:
c: Velocidad de la onda
F: frecuencia usada
λ: longitud de onda
𝜆 =3 ∗ 108
2400 ∗ 106 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠
𝝀 = 𝟏. 𝟐𝟓 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
5.1.2 Ecuaciones diseño antena
5.1.3 Ganancia [G]
La ganancia de una antena parabólica indica la cantidad de señal captada que se concentra en el
alimentador. La ganancia depende del diámetro del plato, de la exactitud geométrica del reflector y de
la frecuencia de operación. Si el diámetro aumenta, la ganancia también, porque se concentra mayor
energía en el foco. En valores absolutos es aproximadamente la superficie del circulo formado por el
borde de la parábola de diámetro d. [13]
24𝑑𝐵 = 10𝑙𝑜𝑔𝐺 Ec.2
2,4 = 𝑙𝑜𝑔𝐺
𝑮 = 𝟏𝟎𝟐,𝟒 𝒅𝑩
5.1.4 Abertura
Es el valor del diámetro de la circunferencia formada por los bordes de la parábola. [13]
39
𝑑 = 𝜆√𝐺
1.5𝜋 𝑚𝑒𝑡𝑟𝑜𝑠 Ec. 3
𝑑 = 1,25√102,4
1.5𝜋
𝒅 = 𝟗, 𝟏𝟐𝟔𝟐 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
Donde
(D/d): Abertura
(G): Ganancia
5.1.5 Ángulo de Abertura Es el valor del ángulo formado por la línea focal y la que une el punto focal con el borde de la parábola.
Para tener un campo eléctrico uniforme se recomienda fijar el Ángulo de 62°.[13]
5.1.6 Distancia Focal Es lo que mide la línea que une el vértice de la parábola con el punto focal. [13]
𝑓 =𝐷
4𝑇𝐴𝑁(𝛽
2) Ec. 4
Donde:
f: Distancia focal (f)
D:Abertura (D)
(β):Ángulo de abertura
𝑓 =9,1262
4𝑇𝐴𝑁(62°
2)
𝒇 = 𝟑, 𝟕𝟗𝟕𝟏 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝑠
40
5.1.7 Profundidad del espejo [13]
𝐴 = 𝑓 −(
𝐷
2)
𝑇𝐴𝑁(𝛽) Ec. 5
Donde:
f: Distancia focal
D: Abertura
β: Ángulo de abertura
A: Profundidad del espejo
𝐴 = 3,7971 −(
9,1262
2)
𝑇𝐴𝑁(62°)
𝑨 = 𝟏, 𝟑𝟕𝟎𝟗 𝒎𝒆𝒕𝒓𝒐𝒔
5.1.8 Anchura del diagrama de directividad
5.1.8.1 La anchura en el plano vertical
2𝜃𝑣 = (75𝜆
𝑑)° [6]
2𝜃𝑣 = (751,25
9,1262)°
𝜽𝒗 = 𝟓, 𝟏𝟑𝟔𝟑°
Donde:
d: Abertura
λ: Longitud de onda
41
v: Anchura plato verticar
5.1.8.2 La anchura de plano Horizontal
2𝜃𝐻 = (70𝜆
𝑑)° [7]
2𝜃𝐻 = (701,25
9,1262)°
𝜽𝑯 = 𝟒, 𝟕𝟗𝟑𝟖°
Donde:
d: Abertura
λ: Longitud de onda
H: Anchura plato Horizontal
5.1.9 El perfil del paraboloide
𝑦 =𝐷
2√
𝑥
𝐴 [8]
𝑦 =9,1262
2√
𝑥
1,37
Donde:
D: Abertura
A: Profundidad del espejo
X-Y: sistema de coordenadas cm
42
Tabla 5. 1. Sistema de coordenadas [Autor].
5.1.10 Resistencias óhmicas de un conductor a la radiofrecuencia
variando el material
𝑳𝒂𝒕𝒐𝒏 𝑅 =√𝐹
10𝑎 𝛺/𝑚 [9]
𝑳𝒂𝒕𝒐𝒏 𝑅 =√2400
10𝑛
𝑳𝒂𝒕𝒐𝒏 𝑹 = 𝟎, 𝟏𝟐𝟐𝟒 𝛺/𝒎
𝑷𝒍𝒂𝒕𝒂 𝑅 = √𝐹
24´9𝑎 𝛺/𝑚 [10]
𝑷𝒍𝒂𝒕𝒂 𝑅 = √2400
24´9𝑎
𝛺𝑚
𝑷𝒍𝒂𝒕𝒂 𝑹 = 𝟎, 𝟎𝟒𝟗𝟏𝟖𝟔𝟓𝟒𝟏 𝛺/𝒎
𝑯𝒊𝒆𝒓𝒓𝒐 𝑅 = 10√𝐹
𝑎 𝛺/𝑚 [11]
Perfil (Y) X
3,32855896 1
6,65711793 2
9,98567689 3
13,3142359 4
16,6427948 5
19,9713538 6
23,2999128 7
26,6284717 8
29,9570307 9
33,2855896 10
36,6141486 11
39,9427076 12
43,2712665 13
46,5998255 14
49,9283845 15
53,2569434 16
56,5855024 17
59,9140614 18
63,2426203 19
66,5711793 20
69,8997383 21
73,2282972 22
43
𝑯𝒊𝒆𝒓𝒓𝒐 𝑅 = 10√2400
𝑎
𝛺𝑚
𝑯𝒊𝒆𝒓𝒓𝒐 𝑹 = 𝟏𝟐, 𝟐𝟒𝟕𝟒 𝒐𝒉𝒎𝒊𝒐𝒔/𝒎
𝑪𝒐𝒃𝒓𝒆 𝑅 = √𝐹
24𝑎 𝛺/𝑚 [12]
𝑪𝒐𝒃𝒓𝒆 𝑅 = 2400
24𝑎
𝛺
𝑚
𝑪𝒐𝒃𝒓𝒆 𝑹 = 𝟎, 𝟎𝟓𝟏𝟎𝟑 𝛺/𝒎
Donde:
F: Frecuencia MHz
R: Radio del conductor mm (a)
Ω: Ohmios
44
Capítulo 6
Planos y Simulación de la antena
En el presente capítulo se presenta las dimensiones que tiene el aeropuerto el Dorado, los puntos
vulnerables, entradas y salidas a este espacio. También se mostrará y describirá la distribución final
del sistema anti drones en toda el área del aeropuerto el Dorado abarcando todas las zonas públicas y
vulnerables que afecte el tránsito aéreo.
6.1 Planos Aeropuerto el Dorado
El diseño del aeropuerto el Dorado ha ido ampliándose a medida que transcurre el tiempo, el aumento
de los vuelos comerciales y vuelos de carga han hecho que sea más transcurrido el tráfico aéreo. En
los planos del aeropuerto el Dorado sé puede ver cómo están distribuidas las pistas de aterrizaje,
longitudes de las calles de rodaje, también en esta área se puede ver la ubicación de las bases militares
(Fuerza Aérea, Policía, Armada, ejercito) y los puntos más vulnerables en los que se puede acceder y
afectar el tránsito aéreo se observa en la figura 6.1.
El aeropuerto el Dorado tiene una mala ubicación ya que se encuentra dentro de la ciudad teniendo
aledañas dos localidades, Engativá y Fontibón. Esta problemática hace que los drones que despegan
de estos barrios puedan tener un acceso más fácil y rápido alguna de las dos pistas.
Figura 6. 1. Planos aeropuerto el Dorado [10].
45
6.2 Simulación En este apartado se usa el software “Parábola Calculator” para simular el alcance y
comportamiento del espectro electromagnético, como se observa en la figura 6.5. Este
programa permite obtener las coordenadas de la gráfica para poder graficar la antena en
CADFeko al introducir los datos obtenidos en los cálculos del capítulo 5.
Figura 6. 2. Datos de las dimensiones y frecuencia de la antena [15].
Después de haber obtenido los datos de la simulación en el apartado derecho de la figura 6.6 se obtiene
los datos cartesianos de la antena para exportar a “CADFeko”.
Figura 6. 3. Datos obtenidos en la simulación [15].
46
Figura 6. 4. Grafica antena simulación [16].
En la figura 6.6 se importan los datos obtenidos por el software “Parábola Calculator”,
después el programa crea la figura con las medidas obtenidas en los cálculos anteriores
figura 6.7.
47
Figura 6. 5. Diseño Final de la Antena Parabólica [16].
Después de obtener la imagen se procede a introducir la frecuencia de 2.4 GHz, para que le programa genere
una malla para crear el patrón de radiación ver figura 6.8
48
Figura 6. 6 Malla antena parabólica [16].
En la Figura 6.9 podemos ver el resultado final del proceso del software, se puede evidenciar el patrón
de radiación de la antena, después se procede a inclinar la antena para que tenga un mejor alcance y
ver cuál es el ángulo que hace que la antena tenga mejor alcance.
Figura 6. 7. Patrón de radiación de la antena parabólica [16].
49
El resultado final del análisis del espectro electromagnético en la antena, al realizar la variación del
ángulo se puede ver en la figura 6.10 que no hay un mayor alcance en comparación de la figura 6.11
que tiene mejor cobertura alcance.
Figura 6. 8. Alcance de la antena parabólica a 30° [16].
Figura 6. 9. Alcance de la antena parabólica a 45° [16].
50
Al obtener el resultado de la simulación se toma la última gráfica, y se sobrepone en el plano horizontal
del aeropuerto el Dorado, acoplando las dos imágenes a una escala de 1:1000. Se puede observar como
es la cobertura del sistema usando una antena parabólica y ubicando la antena en el costado occidental
de la pista como se observa en la Figura 6.12.
Figura 6. 10. Espectro Electromagnético anti-drones aeropuerto el Dorado [Autor]
En la figura 6.13 se puede observar el patrón de radiación de la antena antidrones, en una vista macro
abarcando toda el área Bogotá y mostrando el aeropuerto, así también se puede observar el alcance
que tiene el sistema antidrones que tiene una cobertura total de la zona sin dejar en expuesta la zona
para el ingreso de drones no autorizados.
51
Figura 6. 11. Mapa Bogotá sistema antidrones en el aeropuerto el Dorado [Autor].
52
Capítulo 7
Conclusiones y Recomendaciones
7.1 Conclusiones
Teniendo en cuenta los objetivos planteados y los resultados obtenidos, es posible plantear las
siguientes conclusiones.
Las antenas parabólicas son las mejor para diseñar un sistema antidrones en los aeropuertos ya que
tiene una capacidad de abarcar más de 50 Km a la redonda manejando una frecuencia de 2.4 GHz.
La mejor ubicación para la antena parabólica es por el costado izquierdo de la pista 13R del aeropuerto
el dorado ya que cubre el área total del aeropuerto y las zonas aledañas.
Las frecuencias usadas en el sistema antidrones no interfiere con los datos y comunicaciones en la
aviación ya que están por un rango por debajo de la del link de los drones.
Con base en los cálculos se obtuvo que con una sola antena el sistema puede cumplir con su función,
y trabajar toda la zona aeroportuaria.
7.2 Recomendaciones
Con el fin de proporcionar mejoras, y garantizar la seguridad del aeropuerto el Dorado se pueden
destacar algunas recomendaciones para realizar trabajos futuros:
Realizar un plan de mantenimiento para hacer que la antena no sufra daños ni corrosión perdiendo
eficiencia.
Realizar un estudio para poder mejorar el sistema irradiante de la estación con el fin de hacerla más
robusta.
Integrar un selector automático de canales para usar diferentes frecuencias en futuras
comunicaciones entre el dron y la estación de tierra.
53
54
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55
nueva tecnología para el estudio y monitoreo de fauna y hábitats, 2-3.
Apendice A – Calculo de parámetros de la antena
λ 100
d (m) f(m) A(m) G(m) S D Anchura V Anchura H Perfil X
12 4,9928 1,8026 0,0905 113,0973 13,8564 312,5 291,6666667 3,32855896 1
13,8564 5,7652 2,0814 0,1206 150,7964 16,0000 270,6329387 252,5907428 6,65711793 2
16,0000 6,6571 2,4034 0,1608 201,0619 18,4752 234,375 218,75 9,98567689 3
18,4752 7,6870 2,7753 0,2145 268,0826 21,3333 202,974704 189,4430571 13,3142359 4
21,3333 8,8762 3,2046 0,2860 357,4434 24,6336 175,78125 164,0625 16,6427948 5
24,6336 10,2493 3,7003 0,3813 476,5912 28,4444 152,231028 142,0822928 19,9713538 6
28,4444 11,8349 4,2728 0,5084 635,4550 32,8448 131,8359375 123,046875 23,2999128 7
32,8448 13,6657 4,9338 0,6778 847,2733 37,9259 114,173271 106,5617196 26,6284717 8
37,9259 15,7798 5,6970 0,9038 1129,6978 43,7931 98,87695313 92,28515625 29,9570307 9
43,7931 18,2210 6,5784 1,2050 1506,2637 50,5679 85,62995326 79,9212897 33,2855896 10
50,5679 21,0398 7,5961 1,6067 2008,3516 58,3908 74,15771484 69,21386719 36,6141486 11
58,3908 24,2946 8,7712 2,1422 2677,8021 67,4239 64,22246494 59,94096728 39,9427076 12
67,4239 28,0530 10,1281 2,8563 3570,4028 77,8544 55,61828613 51,91040039 43,2712665 13
77,8544 32,3929 11,6949 3,8084 4760,5370 89,8985 48,16684871 44,95572546 46,5998255 14
89,8985 37,4041 13,5041 5,0779 6347,3827 103,8058 41,7137146 38,93280029 49,9283845 15
103,8058 43,1905 15,5932 6,7705 8463,1770 119,8647 36,12513653 33,71679409 53,2569434 16
119,8647 49,8721 18,0055 9,0274 11284,2360 138,4078 31,28528595 29,19960022 56,5855024 17
138,4078 57,5873 20,7909 12,0365 15045,6480 159,8195 27,0938524 25,28759557 59,9140614 18
159,8195 66,4961 24,0073 16,0487 20060,8639 184,5437 23,46396446 21,89970016 63,2426203 19
184,5437 76,7831 27,7213 21,3983 26747,8186 213,0927 20,3203893 18,96569668 66,5711793 20
213,0927 88,6615 32,0098 28,5310 35663,7581 246,0583 17,59797335 16,42477512 69,8997383 21
246,0583 102,3774 36,9617 38,0413 47551,6775 284,1236 15,24029197 14,22427251 73,2282972 22
λ 250
d (m) f(m) A(m) G(m) S D Anchura V Anchura H Perfil X
21 8,7375 3,1545 0,0443 346,3606 24,2487 446,428571 416,666667 3,32855896 1
24,2487 10,0892 3,6425 0,0591 461,8141 28,0000 386,618484 360,843918 6,65711793 2
28,0000 11,6500 4,2060 0,0788 615,7522 32,3316 334,821429 312,5 9,98567689 3
32,3316 13,4522 4,8567 0,1051 821,0029 37,3333 289,963863 270,632939 13,3142359 4
37,3333 15,5333 5,6080 0,1401 1094,6705 43,1088 251,116071 234,375 16,6427948 5
43,1088 17,9363 6,4756 0,1868 1459,5607 49,7778 217,472897 202,974704 19,9713538 6
49,7778 20,7110 7,4774 0,2491 1946,0809 57,4784 188,337054 175,78125 23,2999128 7
57,4784 23,9150 8,6341 0,3321 2594,7745 66,3704 163,104673 152,231028 26,6284717 8
66,3704 27,6147 9,9698 0,4428 3459,6994 76,6379 141,25279 131,835938 29,9570307 9
76,6379 31,8867 11,5122 0,5905 4612,9325 88,4938 122,328505 114,173271 33,2855896 10
88,4938 36,8196 13,2931 0,7873 6150,5767 102,1839 105,939593 98,8769531 36,6141486 11
102,1839 42,5156 15,3496 1,0497 8200,7689 117,9918 91,7463785 85,6299533 39,9427076 12
117,9918 49,0928 17,7242 1,3996 10934,3585 136,2452 79,4546945 74,1577148 43,2712665 13
136,2452 56,6875 20,4661 1,8661 14579,1447 157,3224 68,8097839 64,2224649 46,5998255 14
157,3224 65,4571 23,6322 2,4882 19438,8596 181,6602 59,5910209 55,6182861 49,9283845 15
181,6602 75,5833 27,2881 3,3176 25918,4795 209,7631 51,6073379 48,1668487 53,2569434 16
209,7631 87,2761 31,5096 4,4234 34557,9726 242,2136 44,6932656 41,7137146 56,5855024 17
242,2136 100,7778 36,3842 5,8979 46077,2969 279,6842 38,7055034 36,1251365 59,9140614 18
279,6842 116,3682 42,0128 7,8639 61436,3958 322,9515 33,5199492 31,2852859 63,2426203 19
322,9515 134,3704 48,5122 10,4851 81915,1944 372,9123 29,0291276 27,0938524 66,5711793 20
372,9123 155,1576 56,0171 13,9802 109220,2592 430,6020 25,1399619 23,4639645 69,8997383 21
430,6020 179,1605 64,6829 18,6403 145627,0123 497,2163 21,7718457 20,3203893 73,2282972 22
58
Apendice B. Resistencias óhmicas de un conductor a la
radiofrecuencia variando el material
Radio del conductor R Laton R Plata R Hierro R Cobre
4 1,22474487 0,49186541 12,24744871 0,510310363
8 0,61237244 0,24593271 199,2 0,255155182
12 0,40824829 0,16395514 298,8 0,170103454
16 0,30618622 0,12296635 398,4 0,127577591
20 0,24494897 0,09837308 498 0,102062073
24 0,20412415 0,08197757 597,6 0,085051727
28 0,17496355 0,07026649 697,2 0,07290148
32 0,15309311 0,06148318 796,8 0,063788795
36 0,13608276 0,05465171 896,4 0,056701151
40 0,12247449 0,04918654 996 0,051031036
44 0,11134044 0,04471504 1095,6 0,046391851
48 0,10206207 0,04098878 1195,2 0,042525864
52 0,09421114 0,0378358 1294,8 0,039254643
56 0,08748178 0,03513324 1394,4 0,03645074
60 0,08164966 0,03279103 1494 0,034020691
64 0,07654655 0,03074159 1593,6 0,031894398
68 0,07204382 0,02893326 1693,2 0,030018257
72 0,06804138 0,02732586 1792,8 0,028350576
76 0,06446026 0,02588765 1892,4 0,02685844
80 0,06123724 0,02459327 1992 0,025515518