Tendencias y desarrollos en el campo de los HAPS en el año 2018.VI Seminario sobre vehículos no tripulados en UTEM.Santiago de Chile

1. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín 1
HAPS (High-Altitude Pseudo-Satellites): nuevos desarrollos y
tendencias para comunicaciones de banda ancha y otras aplicaciones
Emeritus Prof. José A. Delgado- Penín
Dr.Ing.Telecomunicación
UPC.BarcelonaTECH (España)
VI Seminario Vehículos Eléctricos No Tripulados(Marítimos, Aéreos y Terrestres)
UTEM Santiago-Chile
21 Noviembre 2018

2. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Indice
Introducción a los HAPS
*¿Qué son los HAPS?
*Tecnologías aeronáuticas en las que se basan
*Breve historia sobre los HAPS
Propuestas actuales de la tecnología aeronáutica para los HAPS
Aspectos económicos y de mercado
Actividades sobre HAPS en la Unión Internacional de Telecom.
Escenarios posibles para las comunicaciones de banda ancha y
Servicios de la Observación de la Tierra y Navegación
Futuro
Conclusiones
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3. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Introducción a los HAPS
¿Qué son las HAPS?
*HAPS es el acróstico de “High Altitude Platforms Stations” o “Pseudo-Satellites”.
*Pueden ser aeronaves o globos aerostáticos (“balloons”) que no son tripulados y que
vuelan en alturas que corresponden a la estratosfera (por encima de los 17 Km de
altitud).Se pueden considerar plataformas aéreas capaces de emular el
comportamiento de un satélite a escala local.
*El vuelo estratosférico aprovecha: la ventaja de los vientos débiles a dichas alturas;
un mejor aprovechamiento de la energía solar y no interferir con los vuelos de la
aviación comercial.
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4. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
¿Qué son las HAPS?
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5. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
¿Qué son las HAPS?
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*Estas plataformas se pueden mover de acuerdo con las necesidades de los
diferentes territorios sobre los que se sitúen.
*Pueden aterrizar para mantenimiento y actualización cuando se desee.
*Su uso se puede extender a monitorización de la contaminación, desastres naturales,
medidas meteorológicas, localización o soporte a la agricultura, etc.
*Pueden permanecer en vuelo por largos períodos de tiempo.
*Su funcionamiento se basa en la alimentación eléctrica mediante células solares.
*Pueden ser colaboradores para redes terrestres que necesiten la ayuda o soporte
de los satélites (LEO, MEO, GEO) y de las redes terrestres para los diferentes
servicios como puede observarse en los esquemas que siguen a continuación.

6. High-Altitude Pseudo-Satellites
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7. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín 7
SATELITES HAPs
Uso complementario según finalidades
Para servicios globales Para servicios regionales
Ejemplo 1:
Sistema de Telecontrol de los HAPs
utilizando satélites
Ejemplo 2:
Red complementaria
Terrestre – HAPs - Satélites

8. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
¿Qué son los HAPS?
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9. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Tecnologías aeronáuticas en las que se basan
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* Bajo la perspectiva aeronáutica se consideran dos tipos de plataformas posibles:
HTA (Heavier-Than-Air) y LTA (Lighter-Than Air)
* HTA HAPS puede ser una aeronave con motores eléctricos y alimentada por
energía solar.
* LTA HAPS consiste en un dirigible no tripulado igual que la plataforma anterior
alimentado por energía solar y con pequeños motores eléctricos.
* Resumiendo pueden ser aviones no tripulados autónomos y dirigibles autónomos no
tripulados.

10. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Tecnologías aeronáuticas en las que se basan
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Ejemplo de características geométricas propuestas para plataformas
HTA platform LTA platform
Platformservice radius Ruser From20 kmto 50 km 50 km
Minimum platformaltitude Amin [18] km [18] km
Maximum platformaltitude Amax 26 km 25 km
Maximum platform flight radius Rhap 5 km 1 to 5 km

11. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Breve historia sobre HAPS
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12. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Breve historia sobre HAPS
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13. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Propuestas actuales de la tecnología aeronáutica para los sistemas
estratosféricos
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Ejemplos de Aerbus aeronaves
Zephyr S (cola única)
Altitud de vuelo próxima a los 20 Km
Envergadura (longitud entre extremos de ala) 25 m
Peso de despegue 62 - 65 kg
Posibles cargas útiles (Payload):
- Equipos de registro de imágenes : NIRS 6
- Equipos de AIS (Identificación automática de barcos)
- Equipos para servicios de telecomunicaciones móviles terrestres de tipo banda
estrecha (TETRA) y banda ancha (100 Mb/s) incluyendo posibilidad de
radiodifusión de TV
-Equipos de RADAR y LIDAR
-Equipos militares ESM/ELINT

14. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Esquemas visuales de los Zephyr S y T
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15. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Propuestas actuales de la tecnología aeronáutica para los sistemas
estratosféricos
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Zephyr T (cola doble)
Envergadura > 32 m
Peso de despegue 145 kg
Operativo a partir de 2022
Posibles cargas útiles (Payload):
-Equipos de registro de imágenes NIRS 8
-Equipos de AIS (Identificación automática de barcos)
-Equipos para servicios de telecomunicaciones móviles terrestres de tipo banda
ancha incluyendo posibilidad de radiodifusión de TV HD y 4K
-Equipos de RADAR y LIDAR
-Equipos militares ESM/ELINT
Para mayor información se pueden consultar :las paginas Web
https://www.airbus.com/defence/uav/zephyr.html
https://youtube/0UcMoHXobKM

16. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Propuestas actuales de la tecnología aeronáutica para los sistemas
estratosféricos
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Ejemplo de Dirigible Stratobus Thales-Alenia
Altitud de vuelo cerca de los 20 Km
Envergadura de 115 m de largo y 34 m de diámetro entre los puntos de mayor anchura
del dirigible. Según las últimas informaciones incluirá cuatro motores laterales
eléctricos para mejorar su navegación aérea.
Peso de despegue aproximado 7 toneladas.
Prototipos en 2020/2021
Operativo en 2021/2022 el sistema más sencillo y 2025 uno más adaptable a
exigencias del mercado

17. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín 17
Esquemas visual del Stratobus de Thales-Alenia

18. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Propuestas actuales de la tecnología aeronáutica para los sistemas
estratosféricos
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Ejemplo de Dirigible Stratobus Thales-Alenia
Posibles cargas útiles (Payload):
-Peso aproximado según funciones desde 250 kg hasta 1000 kg.
-Equipos de registro de imágenes de última generación
-Equipos de AIS (Identificación automática de barcos) avanzado para
fines civiles y militares
-Equipos para servicios de telecomunicaciones móviles terrestres de
banda ancha para redes 4G y 5G incluyendo posibilidad de radiodifusión de TV HD
-Equipos de RADAR (Radar Search Master) para funcionar en
cualquier situación meteorológica de día y de noche de manera continuada
 -Equipos militares ESM/ELINT (si ha lugar)


19. Aspectos económicos y de mercado
Claves para una viabilidad económica de los HAPS
*Capacidad para mantener en posición el aero-móvil
(Station Keeping)
*Capacidad de almacenamiento de energía
*Acuerdos reguladores (ITU, ICAO, FCC, EASA, etc.)
*Tecnología de radiocomunicaciones
*Gestión de recursos y eficiencia espectral

20. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Aspectos económicos y de mercado
Mercado global

21. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Actividades sobre HAPS en la Unión Internacional de
Telecom.
Aspectos contemplados por la UIT
*La denominación HAPS (High Altitude Platform Stations) se definió por primera vez
en 1997 en una conferencia mundial sobre Radiocomunicaciones de la ITU y
posteriormente desde el año 2005 se empezó a utilizar por el mundo satelital.
*Definiciones (1997)
-UIT-R Rec. V.573, F.592 - Estación situada sobre un objeto a una altitud de 20 a 50
km y en un punto nominal, fijo y especificado con respecto a la Tierra.
-UIT-R Rec. F.1399 - Estación situada sobre un objeto a una altitud de 20 a 50 km y
en un punto nominal, fijo y especificado con respecto a la Tierra (véase la Nota 1).
(Véase el número 1.66A del RR.)
-NOTA 1 – Los sistemas que utilizan HAPS, que consisten en una HAPS y estaciones
en tierra ubicadas en la terminación de usuario, proporcionan acceso inalámbrico que
sirve de enlace a diversas comunicaciones.
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22. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Coberturas radioeléctricas
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*Desde el punto de vista radioeléctrico, el área de cobertura que se proyecta en
tierra (HAP footprint) desde una estación HAPS puede evaluarse así:
R= Radio de la tierra (6378 Km.)
 = Angulo de elevación mínimo
h= Altura de la estación
*Para un ángulo de elevación de 15º, el diámetro del área de cobertura es alrededor
de 150 Km.; en el caso de ángulo mínimo ese diámetro se acerca a 1000Km
2 arccos cos
R
d R
R h
 
  
     

23. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Areas de cobertura radioeléctrica

24. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Resumen de coberturas

25. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Resumen de coberturas
400
Zona de cobertura urbana
(75 km de diámetro)
Videoteléfonos, correo
electrónico, Internet
Zona de cobertura suburbana
(150 km de diámetro)
Zona de cobertura rural
(400 km de diámetro)
Teléfonos digitales
Esquema

26. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Esquema de Red de Telecomunicación basada en HAPS según ITU-R
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27. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Progresos sobre el espectro dedicado a HAPS
27
Bandas de frecuencias que pueden utilizarse para sistemas
HAPS
Frequency band Use Direction Bandwidth Allowed use
6 440-6 520 MHz GW ↓ 80 MHz 5 Admins (R1, R3)
6 560-6 640 MHz GW ↑ 80 MHz 5 Admins (R1, R3)
27.9-28.2 GHz GW, CPE ↓ 300 MHz 23 Admins (R1, R3)
31-31.3 GHz GW, CPE ↑ 300 MHz 23 Admins (R1, R3)
47.2-47.5 GHz GW, CPE ↑↓ 300 MHz Worldwide
47.9-48.2 GHz GW, CPE ↑↓ 300 MHz Worldwide
GW: Gateway, CPE: Customer Premises Equipment

28. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Progresos sobre el espectro dedicado a HAPS
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Bandas de frecuencias Utilización Sentidos transmisión Ancho de banda
Naciones donde utilizarlas
21.4-22 GHz GW, CPE ↑↓ 600 MHz R2
24.25-27.5 GHz GW, CPE ↑↓ 3250 MHz R2
38-39.5 GHz GW, CPE ↑↓ 1500 MHz Worldwide
GW: Gateway, CPE: Customer Premises Equipment
Bandas de frecuencias propuestas para utilizarse por sistemas HAPS si se
aprueban en 2019

29. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Escenarios posibles para las comunicaciones de banda ancha
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*Banda ancha rural
*Facilitar comunicaciones de emergencia en desastres naturales (Terremotos,
atentados, inundaciones, etc.)
*Facilitar radiocomunicaciones para eventos a celebrar esporádicamente
*Facilitar las comunicaciones en detección de incendios y controles de situaciones
parecidas
*Radiocomunicaciones para facilitar el cumplimiento de la Ley en los territorios en los
territorios que tiene cobertura.

30. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Escenarios posibles para las comunicaciones de banda ancha.
Conectividad
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100km or 300km
400km max

31. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Esquema de Red de banda ancha basada en varios HAPS según
ITU-R
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32. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de Observación de la Tierra y Navegación mediante
HAPS
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*Una de las primeras aplicaciones propuestas para los HAPS En este caso sfue su uso como
soporte para la Observación de la Tierra y posibles ayudas a la Navegación de diverso tipo.
*En este caso, se propuso su interrelación con los satélites artificiales dedicados a
Teledetección y/o a la navegación (GPS, GLONASS, etc.)
*Este planteamiento podría implicar también el uso de “drones” (baja altura) tanto a nivel local
como de mayor cobertura.
*Un esquema conceptual de esta propuesta se refleja en las siguientes figuras: la ventaja de los
dirigibles, el uso complementario con los satélites y el diagrama de bloques de la interconexión
radioeléctrica

33. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de la Observación de la Tierra y Navegación mediante
HAPS
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34. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de la Observación de la Tierra y Navegación mediante
HAPS
diagrama de bloques de la interconexión radioeléctrica
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35. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de Observación de la Tierra y Navegación mediante HAPS
diagrama de bloques de la interconexión radioeléctrica
35
La infraestructura de comunicaciones para soporte del funcionamiento de los HALE o
HAPS se puede considerar constituida por dos “segmentos”: el aéreo (con posibilidad
de soporte satelital) y el terrestre. Figura anterior. Los subsistemas que engloba
dicha infraestructura son los siguientes:
-Plataforma aeronáutica (dirigible o aeronave) pilotada por control remoto (HALE).
-La estación de control terrestre del HALE.
-El subsistema de comunicación para el control del tráfico aéreo (ATC) y, que no tiene
por qué estar conectada con el HALE.
-Los subsistemas para evitar colisiones con otras plataformas aeronáuticas u otros
objetos que puedan encontrase en la trayectoria que sigue el vuelo del HALE (“Sense
and avoid” systems).
-Los subsistemas de Carga útil o de pago (Payload). Equipos para facilitar los
diferentes servicios civiles que puede soportar el HALE.

36. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de Observación de la Tierra mediante HAPS
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*Con los HAPS pueden utilizarse tecnologías propias del mundo satelital, por
ejemplo:cámaras ópticas (Multiespectral e hyperspectral); cámaras térmicas;radares
SAR; “escaners” laser y la tecnología LIDAR. Estrategias soportadas por varios
sensores pueden desplegarse utilizando HAPS y constituir una “aero-triangulación”.
*Según experiencias realizadas con equipos LIDAR, las alturas a las que pueden
observar la Tierra los equipos embarcados en HAPS no ofrecerían dificultades para
obtener resultados satisfactorios.
*Ejemplos de uso del LIDAR ALADIN por parte de ESA (misión ADM-Aeolus),
podrían ser útiles a las alturas estratosféricas, lo que implicaría costes inferiores y
niveles de potencia mas reducidos que los necesarios para el uso de satélites.
*El tema de la calibración de los instrumentos de “sensing” a bordo del HAPS es
obligatorio; pero debido a su funcionamiento casi-estacionario en la estratosfera, sólo
se necesitaría una pre-calibración de los sensores remotos

37. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de Observación de la Tierra mediante HAPS
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*Algunas Ventajas importantes del uso de HAPS en cuanto a capacidades de
observación de la Tierra versus satélites son:
*1.-La toma de imágenes de altísima resolución (las cámaras están mucho más cerca
de la Tierra que las de los satélites), lo que es esencial en labores de vigilancia y
aplicaciones de seguridad.
*2.-La observación persistente, ya que el “pseudo-satélite” se mantiene encima del
objetivo; mientras que los satélites deben orbitar la Tierra y por tanto pasan por
encima de la escena a gran velocidad. Este extremo podría habilitar la obtención
de vídeo sobre zonas de interés, como por ejemplo el escenario de una catástrofe
natural.
*En resumen , a)reducción de la resolución espacial y menor consumo de potencia en el
HAPS y b) ampliación de la resolución temporal en Tierra debido a mas tiempo de
observación.

38. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de Navegación mediante HAPS
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*¿Pueden obtenerse beneficios para los servicios de navegación globales basados en
satélites (Global Navigation Satellite System utilizando HAPS? La respuesta es SI.
*Soluciones las hay de varios tipos que se pueden resumir en dos grandes grupos:
a) Se usarían los HAPS para aumentar artificialmente las posibilidades de las
constelaciones GNSS (por ejemplo creando “stratolites” operando en la estratosfera)
b) Se aumentaría la infraestructura terrestre ( por ejemplo utilizando GNSS
diferencial).

39. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Servicios de Navegación mediante HAPS
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40. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Futuro
*El presente y el futuro de los HAPS debe ser de colaboración con las redes de
satélites artificiales ya existentes o que puedan ponerse en órbita para la
Observación de la Tierra. La situación es diferente para los servicios de
Telecomunicación.
*Podrán ser estaciones con cargas útiles embarcadas que sirvan de enlace con
satélites LEO,MEO o GEO o también con RPAS que realicen funciones de
Teledetección o monitoreo a alturas inferiores a las de los HAPS.
*Estos sistemas constituidos: por las plataformas estratosféricas y sus estaciones de
control en tierra están sujetas a dos tipos de regulaciones internacionales: las
aeronáuticas (caso europeo AESA) y las radioeléctricas (ITU-R).Ambas muy
exigentes para su operatividad en el mundo.
*Su implementación comercial debe seguir tres fases: Fase 1-Vuelo de un primer
demostrador de tecnologías; Fase 2-Vuelo con un demostrador a tamaño reducido;
Fase 3: Realización del primer vuelo “comercial” operativo con las Regulaciones
internacionales satisfechas.
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41. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Futuro
*El interés de los HAPS en la actualidad sigue vivo. En efecto, este mes de Noviembre
2018 han aparecido dos noticias de lo que se está haciendo en USA y Europa sobre
HAPS.
* En el caso de USA la publicación “Aviation Week Newsletter” ha publicado la noticia
de que la compañía Aurora Flight Sciences de Boeing está construyendo un aeroplano
ligero de 74 metros de longitud de ala con varios motores eléctricos y células solares
que permitan volar durante 3 meses. El primer vuelo previsto para Febrero 2019 y con
baterías de soporte para prueba de los paneles. La foto artística de lo que será se
puede ver en la figura siguiente.
* En cuanto a la Agencia Espacial Europea (ESA) lleva dos años proponiendo estudios
de viabilidad para atraer a las empresas europeas y ya existen diversos estudios que
han seguido la senda de Helinet, Capanina y Stratos. Puede seguirse este tema en la
página WEB de ESA:
https://www.esa.int/Our_Activities/Space_Engineering_Technology/HAPS_missions
_to_the_edge_of_space_to_watch_over_Earth
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42. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Futuro
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43. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Conclusiones
*El mercado mundial considera el desarrollo industrial de esta tecnología para fines
de Telecomunicaciones (Comms.móviles de banda ancha) ,Observación de la Tierra y
Controles de diversos tráficos de gran interés económico en los próximos años.
*Los principales fabricantes de equipos de USA, Rusia, Francia, China, Corea e Israel
están desarrollando demostradores civiles y en algún caso particular hay funcionando
algunos HAPS.
*La NASA y la ESA están llevando a cabo estudios para fines de Observación de la
Tierra. Ultima convocatoria de ESA en Noviembre 2018.
*La conclusión en la actualidad es llegar a construir sistemas con múltiples
aplicaciones civiles y/o militares que satisfagan un coste económico factible y nunca
en competición con los satélites artificiales para los mismo fines.
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44. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín
Libros
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45. Emeritus Prof. J.A. Delgado-Penín 45
MUCHAS GRACIAS
POR SU
ATENCION