Un sistema de posicionamiento es un sistema para determinar la posición de un objeto en el espacio . [1] Uno de los sistemas de posicionamiento más conocidos y utilizados es el Sistema de Posicionamiento Global (GPS).
Existen tecnologías de sistemas de posicionamiento que van desde cobertura mundial con precisión métrica hasta cobertura del espacio de trabajo con precisión submilimétrica.
Los sistemas de comunicación por radio interplanetaria no sólo se comunican con las naves espaciales, sino que también se utilizan para determinar su posición. El radar puede rastrear objetivos cerca de la Tierra, pero las naves espaciales en el espacio profundo deben tener un transpondedor funcional a bordo para transmitir una señal de radio. La información de orientación se puede obtener utilizando rastreadores de estrellas .
Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) permiten que receptores de radio especializados determinen su posición espacial tridimensional, así como el tiempo, con una precisión de 2 a 20 metros o decenas de nanosegundos. Los sistemas actualmente desplegados utilizan señales de microondas que sólo pueden recibirse de forma fiable en el exterior 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 a los receptores de radio especializados determinar su posición bidimensional en la superficie de la Tierra. Generalmente son menos precisos que los GNSS porque sus señales no se limitan completamente a la propagación con línea de visión y solo tienen cobertura regional. Sin embargo, siguen siendo útiles para propósitos 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 consuman muy poca energía de la batería. LORAN es un ejemplo de tal sistema.
Un sistema de posicionamiento local ( LPS ) es un sistema de navegación que proporciona información de ubicación en cualquier clima, en cualquier lugar dentro de la cobertura de la red, donde hay una línea de visión sin obstáculos a tres o más balizas de señalización cuya posición exacta en la Tierra se conoce. . [2] [3] [4] [5]
A diferencia del GPS u otros sistemas de navegación global por satélite , los sistemas de posicionamiento local no brindan cobertura global. En su lugar, utilizan (un conjunto de) balizas, que tienen un alcance limitado, por lo que requieren que el usuario esté 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 utilizaban para la navegación de barcos y aviones. Algunos ejemplos son el sistema Decca Navigator y LORAN . Hoy en día, los sistemas de posicionamiento local se suelen utilizar como tecnología de posicionamiento complementaria (y en algunos casos alternativa) al GPS, especialmente en zonas donde el GPS no llega o es débil, por ejemplo, en el interior de edificios , o cañones urbanos . El posicionamiento local mediante torres de transmisión y celulares 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 prolongará si la precisión de la ubicación de la torre de telefonía celular es suficiente. También se utilizan en atracciones sin rieles como Pooh's Hunny Hunt y Mystic Manor .
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 centimétrica. Algunos proporcionan información de ubicación y orientación en 6-D .
Ejemplos de sistemas existentes incluyen
Están diseñados para cubrir sólo un espacio de trabajo restringido, normalmente unos pocos metros cúbicos, pero pueden ofrecer una precisión del orden de los milímetros o mejor. Por lo general, proporcionan posición y orientación 6-D. Las aplicaciones de ejemplo incluyen entornos de realidad virtual , herramientas de alineación para cirugía o radiología asistida por computadora y cinematografía ( captura de movimiento , movimiento de coincidencias ).
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 manera 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 asentamiento. . Está diseñado para detener rápidamente su movimiento y colocar con precisión el objeto en movimiento en la posición y orientación final deseada con una mínima inquietud.
Ejemplos: máquinas herramienta de alta velocidad , escaneo láser , unión de cables , inspección de placas de circuito impreso , 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 alcance láser, sufren problemas en la 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 de navegación global por satélite, no sufren luz ambiental, pero aún necesitan línea de visión.
Un sistema de escaneo espacial utiliza balizas y sensores (ópticos). Se pueden distinguir dos categorías:
Apuntando el sensor a la baliza se puede medir el ángulo entre ellos. Con la triangulación se puede determinar la posición del objeto.
La principal ventaja de una detección inercial es que no requiere una referencia externa. En cambio, mide la rotación con un giroscopio o la posición con un acelerómetro con respecto a una posición inicial y orientación conocidas. Debido a que estos sistemas miden posiciones relativas en lugar de posiciones absolutas, pueden sufrir errores acumulados y, por lo tanto, están sujetos a deriva. Una recalibración periódica del sistema proporcionará más precisión.
Este tipo de sistema de seguimiento utiliza vínculos mecánicos entre la referencia y el objetivo. Se han utilizado dos tipos de vínculos. Uno es un conjunto de piezas mecánicas que pueden girar, proporcionando al usuario múltiples capacidades de rotación. La orientación de los varillajes se calcula a partir de los distintos ángulos de varillaje medidos con codificadores incrementales o potenciómetros. Otros tipos de enlaces mecánicos son cables enrollados en bobinas. Un sistema de resorte asegura que los cables estén tensos para medir la distancia con precisión. Los grados de libertad detectados por los seguidores de enlace mecánico dependen de la constitución de la estructura mecánica del seguidor. Si bien la mayoría de las veces se proporcionan seis grados de libertad, normalmente sólo es posible una gama limitada de movimientos debido a la cinemática de las articulaciones y la longitud de cada eslabón. 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 sobre 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 deriva, pero debido a que la fase se puede medir continuamente, pueden generar altas velocidades 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 terrestre para conocer su orientación en la tercera dirección restante. Sin embargo, el campo utilizado para el posicionamiento no tiene por qué proceder de 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 de campo recibido como consecuencia del acoplamiento magnético . En base a estas medidas, el sistema determina la posición y orientación del receptor 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 interior ) que aprovecha las anomalías del campo magnético típicas de los entornos interiores utilizándolas como firmas distintivas de reconocimiento de lugares. La primera cita del posicionamiento basado en anomalías magnéticas se remonta a aplicaciones militares en 1970. [10] En cambio, 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 utilizados 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]Debido a que 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 importante de dichos sistemas, combinado con señales de torres de telefonía móvil, señales de Internet inalámbrica, sensores Bluetooth , direcciones IP y datos del entorno de red. [dieciséis]
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 normalmente proporcionan 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.
Los sistemas de posicionamiento híbridos se están explorando cada vez más para ciertos servicios y medios basados en la ubicación civiles y 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 quedó inactivo en 2006. Métodos posteriores permitieron a los teléfonos inteligentes combinar 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 las redes de telecomunicaciones existentes. [18] [19]