Un sistema de posicionamiento es un sistema para determinar la posición de un objeto en el espacio . [1] Existen tecnologías de sistemas de posicionamiento que van desde la cobertura interplanetaria con precisión métrica hasta la cobertura del espacio de trabajo y laboratorio con precisión submilimétrica. Una subclase importante está formada por sistemas de geoposicionamiento , utilizados para determinar la posición de un objeto con respecto a la Tierra, es decir, su posición geográfica ; uno de los sistemas de geoposicionamiento más conocidos y utilizados es el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) y sistemas de navegación global por satélite (GNSS) similares .
Los sistemas de comunicación por radio interplanetarios no sólo se comunican con las naves espaciales, sino que también se utilizan para determinar su posición. El radar puede rastrear objetivos cercanos a la Tierra, pero las naves espaciales en el espacio profundo deben tener un transpondedor en funcionamiento a bordo para enviar una señal de radio. La información de orientación se puede obtener utilizando rastreadores de estrellas .
Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) permiten a los receptores de radio especializados determinar su posición espacial en 3D, así como la hora, con una precisión de entre 2 y 20 metros o decenas de nanosegundos. Los sistemas actualmente desplegados utilizan señales de microondas que sólo se pueden recibir de forma fiable en exteriores y que cubren la mayor parte de la superficie de la Tierra, así como el espacio cercano a la Tierra.
Los sistemas existentes y planificados son:
Las redes de transmisores de posicionamiento terrestres permiten que los receptores de radio especializados determinen su posición 2-D en la superficie de la Tierra. Por lo general, son menos precisos que los GNSS porque sus señales no se limitan por completo a la propagación en línea de visión y solo tienen cobertura regional. Sin embargo, siguen siendo útiles para fines especiales y como respaldo donde sus señales se reciben de manera más confiable, incluso bajo tierra y en interiores, y se pueden construir receptores que consumen muy poca energía de la batería. LORAN es un ejemplo de un sistema de este tipo.
Un sistema de posicionamiento local ( LPS ) es un sistema de navegación que proporciona información de ubicación en cualquier condición climática, en cualquier lugar dentro de la cobertura de la red, donde haya una línea de visión sin obstáculos a tres o más balizas de señalización de las que se conoce la posición exacta en la Tierra. [2] [3] [4] [5]
A diferencia del GPS u otros sistemas globales de navegación por satélite , los sistemas de posicionamiento local no ofrecen cobertura global. En su lugar, utilizan (un conjunto de) balizas, que tienen un alcance limitado, por lo que requieren que el usuario se encuentre cerca de ellas. Las balizas incluyen estaciones base celulares , puntos de acceso Wi-Fi y LiFi y torres de transmisión de radio .
En el pasado, los LPS de largo alcance se han utilizado para la navegación de barcos y aviones. Algunos ejemplos son el sistema de navegación Decca y LORAN . Hoy en día, los sistemas de posicionamiento local se utilizan a menudo como tecnología de posicionamiento complementaria (y en algunos casos alternativa) al GPS, especialmente en áreas donde el GPS no llega o es débil, por ejemplo, dentro de edificios o cañones urbanos . El posicionamiento local mediante torres celulares y de transmisión se puede utilizar en teléfonos celulares que no tienen un receptor GPS. Incluso si el teléfono tiene un receptor GPS, la duración de la batería se extenderá si la precisión de la ubicación de la torre celular es suficiente. También se utilizan en atracciones sin pistas como Pooh's Hunny Hunt y Mystic Manor .
Algunos ejemplos de sistemas existentes incluyen:
Los sistemas de posicionamiento en interiores están optimizados para su uso en habitaciones individuales, edificios o sitios de construcción. Por lo general, ofrecen una precisión de centímetros. Algunos proporcionan información de ubicación y orientación en 6 dimensiones .
Algunos ejemplos de sistemas existentes incluyen:
Están diseñados para cubrir solo un espacio de trabajo restringido, generalmente unos pocos metros cúbicos, pero pueden ofrecer una precisión en el rango de milímetros o mejor. Por lo general, brindan orientación y posición en 6-D. Entre las aplicaciones de ejemplo se incluyen entornos de realidad virtual , herramientas de alineación para cirugía o radiología asistidas por computadora y cinematografía ( captura de movimiento , movimiento de coincidencia ).
Ejemplos: Wii Remote con barra de sensores, Polhemus Tracker, soluciones de seguimiento de movimiento de precisión InterSense. [6]
El sistema de posicionamiento de alto rendimiento se utiliza en procesos de fabricación para mover un objeto (herramienta o pieza) de forma suave y precisa en seis grados de libertad, a lo largo de una trayectoria deseada, en una orientación deseada, con alta aceleración , alta desaceleración , alta velocidad y bajo tiempo de estabilización . Está diseñado para detener rápidamente su movimiento y colocar con precisión el objeto en movimiento en su posición y orientación finales deseadas con una vibración mínima.
Ejemplos: máquinas herramienta de alta velocidad , escaneo láser , unión de cables , inspección de placas de circuitos impresos , ensayos de automatización de laboratorio , simuladores de vuelo
Existen múltiples tecnologías para determinar la posición y orientación de un objeto o persona en una habitación, edificio o en el mundo.
Los sistemas de tiempo de vuelo determinan la distancia midiendo el tiempo de propagación de señales pulsadas entre un transmisor y un receptor. Cuando se conocen las distancias de al menos tres ubicaciones, se puede determinar una cuarta posición mediante trilateración . El sistema de posicionamiento global es un ejemplo.
Los rastreadores ópticos, como los rastreadores de distancia láser , sufren problemas de línea de visión y su rendimiento se ve afectado negativamente por la luz ambiental y la radiación infrarroja. Por otro lado, no sufren efectos de distorsión en presencia de metales y pueden tener altas tasas de actualización debido a la velocidad de la luz. [7]
Los rastreadores ultrasónicos tienen un alcance más limitado debido a la pérdida de energía con la distancia recorrida. También son sensibles al ruido ambiental ultrasónico y tienen una baja tasa de actualización. Pero la principal ventaja es que no necesitan línea de visión.
Los sistemas que utilizan ondas de radio, como el Sistema Global de Navegación por Satélite, no sufren la exposición a la luz ambiental, pero aún así necesitan una línea de visión.
Un sistema de escaneo espacial utiliza balizas (ópticas) y sensores. Se pueden distinguir dos categorías:
Apuntando el sensor hacia la baliza se puede medir el ángulo que forman. Con la triangulación se puede determinar la posición del objeto.
La principal ventaja de un sistema de detección inercial es que no requiere una referencia externa, sino que mide la rotación con un giroscopio o la posición con un acelerómetro respecto de una posición inicial y orientación conocidas. Como estos sistemas miden posiciones relativas en lugar de posiciones absolutas, pueden acumular errores y, por lo tanto, están sujetos a desviaciones. Una recalibración periódica del sistema proporcionará más precisión.
Este tipo de sistema de seguimiento utiliza enlaces mecánicos entre la referencia y el objetivo. Se han utilizado dos tipos de enlaces. Uno es un conjunto de piezas mecánicas que pueden girar, lo que proporciona al usuario múltiples capacidades de rotación. La orientación de los enlaces se calcula a partir de los diversos ángulos de enlace medidos con codificadores incrementales o potenciómetros. Otros tipos de enlaces mecánicos son cables enrollados en bobinas. Un sistema de resortes garantiza que los cables estén tensos para medir la distancia con precisión. Los grados de libertad detectados por los rastreadores de enlace mecánico dependen de la constitución de la estructura mecánica del rastreador. Si bien lo más frecuente es que se proporcionen seis grados de libertad, normalmente solo es posible un rango limitado de movimientos debido a la cinemática de las juntas y la longitud de cada enlace. Además, el peso y la deformación de la estructura aumentan con la distancia del objetivo a la referencia e imponen un límite al volumen de trabajo. [8]
Los sistemas de diferencia de fase miden el cambio de fase de una señal entrante de un emisor situado en un objetivo en movimiento en comparación con la fase de una señal entrante de un emisor de referencia. Con esto se puede calcular el movimiento relativo del emisor con respecto al receptor.
Al igual que los sistemas de detección inercial, los sistemas de diferencia de fase pueden sufrir errores acumulados y, por lo tanto, están sujetos a desviaciones, pero como la fase se puede medir de forma continua, pueden generar altas tasas de datos. Omega (sistema de navegación) es un ejemplo.
Los sistemas de detección de campo directo utilizan un campo conocido para derivar la orientación o posición: una brújula simple utiliza el campo magnético de la Tierra para conocer su orientación en dos direcciones. [8] Un inclinómetro utiliza el campo gravitacional de la Tierra para conocer su orientación en la tercera dirección restante. Sin embargo, el campo utilizado para el posicionamiento no necesita tener su origen en la naturaleza. Un sistema de tres electroimanes colocados perpendicularmente entre sí puede definir una referencia espacial. En el receptor, tres sensores miden los componentes del flujo del campo recibido como consecuencia del acoplamiento magnético . Con base en estas medidas, el sistema determina la posición y orientación del receptor con respecto a la referencia de los emisores.
Los sistemas de posicionamiento óptico se basan en componentes ópticos , como en las estaciones totales . [9]
El posicionamiento magnético es una solución IPS ( sistema de posicionamiento en interiores ) que aprovecha las anomalías del campo magnético típicas de los entornos interiores al utilizarlas como firmas distintivas de reconocimiento de lugares. La primera cita de posicionamiento basado en anomalías magnéticas se remonta a aplicaciones militares en 1970. [10] El uso de anomalías del campo magnético para el posicionamiento en interiores se reivindicó por primera vez en artículos relacionados con la robótica a principios de 2000. [11] [12]
Las aplicaciones más recientes pueden emplear datos de sensores magnéticos de un teléfono inteligente para localizar de forma inalámbrica objetos o personas dentro de un edificio. [13]
Según Opus Research, el posicionamiento magnético surgirá como una tecnología de localización en interiores “fundamental”. [14]Como cada tecnología tiene sus pros y sus contras, la mayoría de los sistemas utilizan más de una tecnología. Un sistema basado en cambios de posición relativa, como el sistema inercial, necesita una calibración periódica frente a un sistema con medición de posición absoluta. Los sistemas que combinan dos o más tecnologías se denominan sistemas de posicionamiento híbridos. [15]
Los sistemas de posicionamiento híbridos son sistemas para encontrar la ubicación de un dispositivo móvil utilizando varias tecnologías de posicionamiento diferentes. Por lo general, el GPS ( Sistema de Posicionamiento Global ) es un componente principal de dichos sistemas, combinado con señales de torres de telefonía celular, señales de Internet inalámbricas, sensores Bluetooth , direcciones IP y datos del entorno de red. [16]
Estos sistemas están diseñados específicamente para superar las limitaciones del GPS, que es muy preciso en áreas abiertas, pero funciona mal en interiores o entre edificios altos (el efecto cañón urbano ). En comparación, las señales de las torres de telefonía móvil no se ven obstaculizadas por los edificios o el mal tiempo, pero suelen proporcionar un posicionamiento menos preciso. Los sistemas de posicionamiento Wi-Fi pueden proporcionar un posicionamiento muy exacto en áreas urbanas con alta densidad de Wi-Fi y dependen de una base de datos completa de puntos de acceso Wi-Fi.
Cada vez se están explorando más sistemas de posicionamiento híbridos para ciertos servicios y medios basados en la ubicación , tanto civiles como comerciales , que deben funcionar bien en áreas urbanas para ser comercial y prácticamente viables.
Los primeros trabajos en esta área incluyen el proyecto Place Lab, que comenzó en 2003 y se inactivó en 2006. Métodos posteriores permiten que los teléfonos inteligentes combinen la precisión del GPS con el bajo consumo de energía de la búsqueda de puntos de transición de identificación celular. [17] En 2022, se demostró el sistema de posicionamiento sin satélite SuperGPS con mayor resolución que el GPS utilizando redes de telecomunicaciones existentes. [18] [19]