CENTRO DE INVESTIGAÇÃO DA ACADEMIA DA FORÇA AÉREA:

Atividades de Investigação, Desenvolvimento & Inovação

na área dos Sistemas Aéreos Autónomos Não-Tripulado

 

1.     INTRODUÇÃO

 A Academia da Força Aérea (AFA), através do seu Centro de Investigação (CIAFA), é a entidade que, na Força Aérea Portuguesa (Força Aérea), tem por missão planear, coordenar e executar atividades de Investigação, Desenvolvimento e Inovação (ID&I),cabendo-lhe, em conformidade, entre outras, o desempenho das seguintes atividadesi: i) levar a cabo atividadesi de ID&I em estreita ligação com os ciclos de estudo de mestrado integrado ministrados na AFA; ii) desenvolver e colaborar em projetos denatureza aeronáutica, no sentido mais abrangente do termo, a nível Nacional e internacional; iii) constituir o elo de ligação entre a Força Aérea e o Ministério da Defesa Nacional (MDN) nas actividades de ID&I na área da Defesa, com vista à sua coordenação com o Sistema Científico Tecnológico Nacional (SCTN) e com a Base Tecnológica e Industrial de Defesa (BTID).

  O CIAFA, como estrutura de ID&I no domínio das tecnologias aeronáuticas, tem vindo a desenvolver competências na área dos Sistemas Aéreos Autónomos Não-Tripulados (UASii – Unmanned Aircraft Systems), constituindo-se, atualmente, um Centro de Referência, não só a nível Nacional, mas também internacional, naquele domínio.

 Em conformidade, tem este Centro vindo a concentrar a maioria dos seus recursos humanos, materiais e financeiros na operacionalização – a curto prazo e em colaboração com entidades da BTID e do SCTN – de um sistema baseado em veículos aéreos autónomos não-tripulados do tipo Classe IIIII, a fim de se aumentarem, numa perspetiva de complementaridade com os meios aéreos tripulados, os níveis de conhecimento situacional marítimo (maritime situational awareness) do dispositivo da Força Aérea.

É de realçar que a concretização, a nível Nacional, de actividades de Industrialização e Comercialização no âmbito dos UAS, permitirá que se possam vir a atingir os seguintes três objetivos, considerados da maior relevância a nível do País: i) aproximar Portugal da liderança, a nível europeu, na área dos UAS, quer sob o ponto de vista tecnológico, quer sob o ponto de vista operacional, libertando, simultaneamente, o País de uma eventual dependência externa relativamente à aquisição futura deste tipo de sistemas; ii) liderar a comercialização das tecnologias UAS, particularmente, a nível dos Países de Língua Oficial Portuguesa, fomentando um nicho de mercado com elevados retornos financeiros; e iii) não deixar perder a oportunidade que, neste momento, se nos oferece, de a tecnologia UAS ser, de entre aquelas com aplicação militar, uma das tecnologias relativamente à qual o País – tendo por base os desenvolvimentos tecnológicos e operacionais concretizados, até à data, pelo CIAFA – possui capacidade para levar a cabo o ciclo completo de produção (projeto, fabricação, teste e operacionalização) se, para o efeito, forem constituídos os consórcios nacionais adequados.
 

 Em conformidade, descrevem-se, no presente artigo os seguintes aspetos: i) a organização e metodologia de trabalho implementadas na AFA e, em particular, no seu Centro de Investigação (o CIAFA), no âmbito das atividades de ID&I na área dos UAS, tendo em vista a operacionalização deste tipo de tecnologia, nomeadamente no âmbito da sua utilização em ambiente marítimo (vd 2); ii) os principais desenvolvimentos tecnológicos e operacionais levados a cabo, até ao momento, pelo CIAFA na área dos UAS (vd 3); iii) as iniciativas que estão a ser levadas a cabo no âmbito da Força Aérea para que, tendo por base os desenvolvimentos tecnológicos referidos em ii), se possa operacionalizar, no curto prazo, no contexto daquele Ramo das Forças Armadas, tecnologia UAS de fabrico eminentemente Nacional, para utilização no âmbito das suas missões de Vigilância Marítima (VIMAR) e Busca e Salvamento (SAR – Search and Rescue), em complemento dos atuais meios tripulados (vd 4).

  

2. ORGANIZAÇÃO E METODOLOGIA DE TRABALHO

MPLEMENTADAS NA AFA E, EM PARTICULAR, NO
CIAFA, NO ÂMBITO DAS ATIVIDADES DE ID&I NA
ÁREA DOS UAS

Os principais desenvolvimentos tecnológicos e operacionais levados a cabo pelo CIAFA na área dos UAS tiveram o seu início em janeiro de 2009 na sequência da aprovação de um projeto de ID&I financiado pelo MDN: o projeto PITVANTv.
 

 Quando do arranque, em janeiro de 2009, dos trabalhos conducentes à concretização daquele projeto, houve que implementar, ab initio, uma metodologia e organização das atividades de ID&I a levar a cabo na AFA, baseadas numa abordagem multidisciplinar, especificamente centrada no desenvolvimento de Sistemas Aéreos Autónomos Não-Tripulados.

Com esta abordagem teve-se, desde logo, em mente, concentrar todos os recursos humanos, materiais e financeiros de modo a ser possível a operacionalização, a curto/médio prazo, daquele tipo de tecnologia, tendo em vista, primariamente, a sua utilização operacional, no contexto da Força Aérea, no âmbito marítimo, sem descurar, no entanto, a sua utilização no contexto dos outros Ramos das Forças Armadas (FFAA), Forças de Segurança (FFSS) e de outras entidades governamentais de natureza não-militar bem
como, mesmo no âmbito de entidades não-governamentais, dada a natureza dual (militar e civil) daquele tipo de tecnologia.
 No âmbito da metodologia houve que começar por identificar e implementar um conjunto coerente de valências de caráter tecnológico e operacional com objetivos afins e complementares na área dos UAS.

 De entre essas valências destacam-se, pelo seu caráter inovador, no âmbito da AFA, as seguintes (vd Figura 1): i) projeto aeronáutico de plataformas; ii) fabricação daquelas plataformas em materiais compósitos; iii) sistemas de decisão e controlo; iv) sistemas de navegação e fusão de dados; v) engenharia de software; vi) comunicações; vii) visão e processamento de imagem; viii) manutenção e fiabilidade; ix) certificação e x) operações.

 

Fig. 1 − Metodologia multidisciplinar, especificamente centrada no desenvolvimento de  Sistemas
Aéreos Autónomos Não-Tripulados, implementada no CIAFA para concretização das atividades de ID&I na área dos UAS
 

 Uma vez que os objetivos do CIAFA pressupõem o desenvolvimento de atividades de ID&I das quais resultem produtos com elevados níveis de prontidão tecnológica (TRLvi), têm sido adotadas neste Centro, desde 2009, metodologias específicas de gestão e execução técnica no âmbito daquelas atividades, nomeadamente através da utilização de um conjunto de standards amplamente aceites e testados, e que têm, entre outros, os seguintes objetivos: i) garantir a correta gestão do projeto [IEEE Std 1490, 2003]; ii) garantir a condução sustentada do projeto segundo os princípios de Engenharia de Sistemas [IEEE Std 1220, 2005]; iii) garantir a necessária interoperabilidade dos sistemas e subsistemas em desenvolvimento [STANAGviii 4586, 2012]; iv) garantir a formação e treino das respetivas equipas de operação [STANAG 4670, 2013]; e v) progredir no sentido de garantir a sua necessária certificação de aeronavegabilidade [STANAG 4671, 2009].
 No âmbito da organização houve que criar a estrutura necessária para levar a cabo, com a máxima flexibilidade e economia de recursos, as atividades de caráter tecnológico e operacional acima referidas, tendo-se, em conformidade, criado, no âmbito do CIAFA, as seguintes seis entidades: Núcleo de Investigação, Núcleo de Operação, Núcleo de Produção e Qualidade, Gabinete de Gestão de Projetos, Laboratório de Aeronáutica e Laboratório de Ciências e Tecnologias.

 

3. PRINCIPAIS DESENVOLVIMENTOS TECNOLÓGICOS

E OPERACIONAIS LEVADOS A CABO, ATÉ AO
MOMENTO, PELO CIAFA NA ÁREA DOS UAS

 

Como se referiu em 2.as atividades de caráter tecnológico e operacional levadas a cabo pelo CIAFA na área dos UAS tiveram o seu início em janeiro de 2009 na sequência da aprovação do projeto PITVANT. Posteriormente, a partir de 2011, e na sequência do êxito das atividades desenvolvidas no âmbito aquele projeto, o CIAFA veio a concretizar a sua participação em vários outros projetos na área dos UAS, rojetos esses apoiados através de outras fontes de financiamento vocacionadas para o efeito, nomeadamente: i) projetos PERSEUSix e SUNNYx, no domínio da Vigilância Marítima, financiados no âmbito do Sétimo Programa Quadro Comunitário de Apoio da Comunidade Europeia; ii) projeto SEAGULxi, no domínio do Conhecimento SituaI-cional Marítimo,  financiado pelo Quadro Referência Estratégico Nacional (QREN); e  iii) projeto MOLAMExii, para operacionalização de tecnologia UAS para  monitorização automática de linhas de distribuição de energia elétrica,  projeto este co-financiado pela EDP-Inovação.
 Todos estes projetos têm objetivos afins e complementares a um objetivo comum: operacionalização, a nível Nacional, de tecnologia UAS tendo em vista a sua utilização em ambiente marítimo, sem descurar, no entanto, a sua utilização noutros domínios, não só a nível militar, mas também civil, em conformidade com a natureza dual daquela tecnologia.
Procura dar-se, neste número, uma visão global dos principais progressos tecnológicos e operacionais mais significativos levados a cabo no contexto do CIAFA, desde janeiro de 2009 até ao momento, no âmbito dos UAS.
 Ao longo daqueles desenvolvimentos tecnológicos e operacionais, procurou-se, sempre que possível: i) avaliar em contextos operacionais conjuntos, combinados e/ou duais, a tecnologia UAS em desenvolvimento; ii) levar a cabo provas de conceito no âmbito de operações a executar por eventuais utilizadores, tendo em vista a validação operacional daqueles sistemas. Com esta abordagem tornou-se possível incorporar na tecnologia UAS desenvolvida no âmbito do CIAFA, os requisitos operacionais adequados ao desempenho das missões definidas por cada futuro possível utilizador. Por outro lado, estes testes e demonstrações permitiram a definição de novos conceitos de operação para os UAS desenvolvidos no âmbito daquele Centro.
 É exemplo paradigmático, daquela abordagem, a colaboração mantida pelo CIAFA com a Marinha Portuguesa (MP), a Guarda Nacional Republicana (GNR), a Direção Geral de Política do Mar (DGPM) e a European Maritime Safety Agency (EMSA), colaboração esta que se tem revestido de particular  importância para a projeção do CIAFA, não só a nível Nacional, mas também internacional.
 As atividades levadas a cabo, até ao momento, no âmbito do CIAFA tiveram lugar em três fases distintas (vd Figura 2), descrevendo-se, de seguida, com algum pormenor, o que de mais significativo teve lugar no âmbito de cada uma delas:

 

 

 

                                                               

Fig. 2 − Fases de desenvolvimento das atividades levadas a cabo pelo CIAFA na área dos UAS

 

1ª Fase (janeiro de 2009 a dezembro de 2012)

 

Nesta fase operaram-se, no espaço aéreo segregado em torno do Centro de Testes de UAS da Força Aérea, na Ota, os UAS desenvolvidos no âmbito do CIAFA (vd Figuras 3 (a) e 3 (b)).

 

 

                                                 fig3 − (a) Centro de testes de UAS do CIAFA, situado no Centro de Formação Militar e
                                                                         écnica da Força Aérea (CFMTFA), Ota; (b) Linha da frente: tenda de operação junto à pista

 

Durante a mesma adquiriu-se, desenvolveu-se e consolidou-se o know-how necessário nas áreas de projeto, fabricação, integração, manutenção e operação de UAS, know-how este inexistente, até à data, em Portugal, e indispensável à execução de qualquer projeto na área destes sistemas, tendo-se, em conformidade, levado a cabo as seguintes ações: i) realização de mais de 400 voos autónomos com um total acumulado de mais de 250 horas de voo a altitudes até 3.500 pés, com protótipos UAS produzidos no CIAFA (vd Figuras 4 (a) e 4 (b)) ; ii) formação e treino de várias equipas de operação de UAS de pequena  e média dimensão (plataformas com um peso máximo à descolagem não superior a 150 kg), a partir de conceitos de operação próprios, desenvolvidos pela primeira vez em Portugal; iii) testes com sistema de vídeo de qualidade a bordo; iv) desenvolvimento de algoritmos de controlo para seguimento de veículos em terra e no mar; v) voos noturnos; vi) voos com múltiplas plataformas com vista à execução de voos cooperativos; vii) voos para além da linha de vista (BLOS – Beyond the Line-of-Sight); viii) testes preliminares de sistemas para seguimento de caminhos (linhas de costa, estradas, etc.); ix) evolução tecnológica das plataformas já existentes; x) fabricação e teste e teste de novas plataformas; e xi) otimização a nível multidisciplinar e do processo produtivo.

 

 

                                                                                   Fig 3-(a) Voo de teste de um protótipo UAS de 25 kg de peso máximo à descolagem ;
                                                                                           (b)Voo de teste de um protótipo UAS de 150 kg de peso máximo à descolagem

 

Realça-se, em particular, a presença, em alguns dos testes realizados durante a primeira fase, de membros dos três ramos das FFAA e FFSS, e de outras instituições, governamentais e não-governamentais, com vista à recolha de informação para as Instituições por eles epresentadas.

Para mais detalhes sobre as atividades relacionadas com os desenvolvimentos tecnológicos e operacionais referidas nesta primeira fase consulte-se a Referência [AFA, 2014] e [MORGADO, 2013].

 

2ª Fase (janeiro de 2012 a dezembro de 2014)

 

Nesta fase foi possível, na sequência dos desenvolvimentos atingidos na Primeira Fase, dar início a operações fora da Ota, nomeadamente em voos sobre o mar, a partir dos aeródromos de Santa Cruz e Portimão, e do aeroporto de Porto Santo.

 A execução de voos sobre o mar assume uma importância crescente no âmbito das atividades do CIAFA, uma vez que um dos objetivos a curto prazo deste Centro consiste em ensaiar o modo como os UAS se podem integrar, em regime de complementaridade, no dispositivo operacional da Força Aérea que leva a cabo as missões VIMAR e SAR, com todas as antagens daí decorrentes no que respeita à mitigação de riscos humanos e materiais nelas envolvidos, bem como quanto à economia de recursos humanos, materiais e financeiros.
Relativamente aos voos sobre água teve-se, particularmente, em vista, o desenvolvimento das tecnologias e do know-how de operação para testar a utilização de UAS no contexto da monitorização dos corredores de navegação marítima.
Refere-se que o tráfego marítimo ao largo da costa portuguesa se processa por corredores situados a distâncias entre 40 a 100 km da costa, constituindo a utilização operacional de UAS uma ferramenta de particular importância no contexto daquela monitorização a qual, tendo em conta os interesses de Portugal, importa desenvolver e avaliar a nível Nacional (vd. Figura 5 (a)).

 

 

Fig. 5 − (a) Corredores de navegação marítima ao largo da costa portuguesa

Foi esta a filosofia subjacente aos desenvolvimentos tecnológicos e operacionais, mais significativos, levados a cabo no âmbito da Segunda Fase.

No âmbito daqueles desenvolvimentos destacam-se: i) voos de UAS com vista à deteção e localização de navios ao largo da costa, navegando no corredor de navios comerciais e utilizando informação do Sistema de Identificação Automático (AIS – Automatic Identification System) (vd Figura 5 (b)); ii) voos de monitorização da linha de costa, nomeadamente de arribas costeiras; iii) testes para avaliação e operacionalização de algoritmos para busca estocástica de alvos no mar (junta à linha de costa) e seu posterior seguimento tracking; iv) voos UAS operados a partir de uma estação de Comandoe Controlo (C2) instalada a bordo de uma embarcação da Marinha, com envio de imagens vídeo em tempo real para bordo; v) realização de provas de conceito, em colaboração com a DGPM e a EMSA, sobre a utilização de UAS no âmbito da monitorização ambiental marítima, nomeadamente no contexto de derrames de hidrocarbonetos no mar; e vi) vigilância da linha de costa em colaboração com a Polícia Marítima (vd Figuras 6 (a) – 6 (c)). De referir ainda a realização, nesta segunda fase, dos primeiros testes no âmbito da utilização de UAS tendo em vista o incremento dos níveis de conhecimento situacional marítimo (e.g. monitorização ambiental marítima, monitorização de tráfego marítimo, etc). Estes testes tiveram lugar no contexto do Exercício SHARPEYE-14xiii sendo seu objetivo a integração de dados recolhidos sobre mar, por protótipos UAS desenvolvidos no CIAFA, no sistema de conhecimento situacional marítimo NIPIM@R.
Este sistema é operado pela DGPM, em colaboração com um conjunto alargado de entidades nacionais ligadas à monitorização de atividades humanas de âmbito marítimo, e está a ser desenvolvido pela empresa Inovaworks Command and Control, empresa esta integrada na  BTID.
 Para além de se constituir numa plataforma Nacional de partilha e disseminação de informação sobre as atividades humanas no mar,o NIPIM@R consubstancia a implementação,em Portugal, do sistema de conhecimento situacional marítimo da União Europeia, para apoio à decisão operacional. Este sistema, designado por Common Information Sharing Environment (CISE), constitui uma ferramenta fundamental para a operacionalização da Política Marítima Integrada da União Europeia.
A implementação em Portugal, através do NIPIM@R, do sistema CISE, ocorrerá até 2020, sendo todos os trabalhos coordenados pela DGPM, assegurando-se a interoperabilidade e a partilha de informação nos domínios organizacional, legal e tecnológico, entre todas as entidades responsáveis pelo seu desenvolvimento.

                                          Fig. 5 − (b) Imagem da deteção e localização de cargueiro navegando nos corredores marítimos  ao longo  da

                                                                      nossa costa (40 km da costa), obtidas a partir de um protótipo UAS de 25 kg de peso máximo à descolagem

 

 

 

                                                                    Fig. 6 − (a) Imagem da operação de fiscalização da Polícia Marítima, recolhida a bordo de um protótipo UAS
                                                                    de 25 kg de peso máximo e enviada, em tempo real, para a estação de C2 de terra móvel situada na linha de
                                                                                 osta; (b) Aspeto do exterior da estação de C2; (c) Aspeto do interior da estação de C2

 

Destaca-se, ainda nesta Segunda Fase, a realização de voos em Berchtesgaden (sul da Alemanha), no âmbito de testes de voo com vista à avaliação da precisão do sistema Galileo relativamente a veículos aéreosxv. Estes testes constituem um marco que se considera particularmente importante a nível Nacional, uma vez que com eles se associam a AFA, a Força Aérea e Portugal a um projeto Europeu de grande impacto e dimensão.

Finalmente, importa referir nesta segunda fase, a realização de testes, em colaboração com a EDP-Inovação e com o Centro de Excelência e Inovação da Indústria Automóvel (CEIIA), tendo em vista a operacionalização de um sistema UAS de 25 kg de peso máximo à descolagem, a descolar de catapulta e a ser recolhido em rede, tendo em vista a sua utilização no âmbito da monitorização de linhas de distribuição de energia elétrica.
 Todas as atividades relacionadas com os desenvolvimentos tecnológicos e operacionais referidas nesta segunda fase estão detalhadamente descritas nas Referências [AFA, 2014], [MORGADO, 2013], [BORREGO, 2014, 1], [BORREGO, 2015, 1], [BORREGO, 2015, 2] e [BORREGO, 2015, 3].