Sistema de posicionamiento

Los sistemas de comunicación por radio interplanetaria no solo 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 operativo a bordo para enviar una señal de radio de vuelta. La información de orientación se puede obtener mediante rastreadores de estrellas .

Los sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) permiten a receptores de radio especializados determinar su posición espacial tridimensional, así como la hora, con una precisión de 2 a 20 metros o decenas de nanosegundos. Los sistemas actualmente en funcionamiento utilizan señales de microondas que solo se pueden recibir de forma fiable en exteriores y que cubren la mayor parte de la superficie terrestre, así como el espacio cercano a la Tierra.

Los sistemas existentes y planificados son:

• Sistema de Posicionamiento Global (GPS) : sistema militar estadounidense, plenamente operativo desde 1995.
• GLONASS : sistema militar ruso, plenamente operativo desde octubre de 2011.
• Galileo – Comunidad Europea, plenamente operativo desde diciembre de 2019.
• Sistema de navegación Beidou – China, plenamente operativo desde junio de 2020.
• Sistema Regional de Navegación por Satélite de la India : un proyecto planificado en la India.

Las redes de transmisores de posicionamiento terrestres permiten a receptores de radio especializados determinar su posición bidimensional en la superficie terrestre. Generalmente son menos precisos que los sistemas GNSS, ya que sus señales no se limitan exclusivamente a la propagación por línea de visión y su cobertura es solo regional. Sin embargo, siguen siendo útiles para fines específicos y como sistema de respaldo en lugares donde la recepción de señales es más fiable, como en interiores y bajo tierra, y se pueden construir receptores con un consumo de batería muy bajo. LORAN es un ejemplo de este tipo de sistema.

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 exista una línea de visión sin obstáculos hacia 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 globales de navegación por satélite , los sistemas de posicionamiento local no ofrecen cobertura global. En su lugar, utilizan balizas, que tienen un alcance limitado, por lo que el usuario debe estar cerca de ellas. Las balizas incluyen estaciones base celulares , puntos de acceso Wi-Fi y LiFi , y torres de radiodifusión .

En el pasado, los sistemas de posicionamiento local (LPS) de largo alcance se utilizaban para la navegación de barcos y aeronaves. Ejemplos de ello son el sistema Decca Navigator y el sistema LORAN . Actualmente, los sistemas de posicionamiento local se utilizan a menudo como tecnología de posicionamiento complementaria (y en algunos casos alternativa) al GPS, especialmente en zonas donde la señal GPS no llega o es débil, por ejemplo, dentro de edificios o en zonas urbanas densamente pobladas . El posicionamiento local mediante torres de telefonía móvil y de radiodifusión puede utilizarse en teléfonos móviles que no disponen de receptor GPS. Incluso si el teléfono cuenta con un receptor GPS, la duración de la batería se prolongará si la precisión de la localización mediante la torre de telefonía móvil es suficiente. También se utilizan en atracciones sin raíles como Pooh's Hunny Hunt y Mystic Manor .

Ejemplos de sistemas existentes incluyen:

• Corporación Locata
• Pseudolito

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 (GPS) 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. Además, son sensibles al ruido ambiental ultrasónico y tienen una baja frecuencia de actualización. Sin embargo, presentan la ventaja de no requerir línea de visión directa.

Los sistemas que utilizan ondas de radio, como el Sistema Global de Navegación por Satélite, no se ven afectados por la luz ambiental, pero aun así necesitan tener línea de visión directa.

Un sistema de escaneo espacial utiliza balizas y sensores (ópticos). Se pueden distinguir dos categorías:

• Sistemas de adentro hacia afuera donde la baliza se coloca en una posición fija en el entorno y el sensor está en el objeto ^{[ 8 ].}
• En sistemas exteriores donde las balizas están en el objetivo y los sensores están en una posición fija en el entorno.

Al apuntar el sensor hacia la baliza, se puede medir el ángulo entre ambos. Mediante triangulación, se puede determinar la posición del objeto.

La principal ventaja de la detección inercial es que no requiere una referencia externa. En su lugar, mide la rotación con un giroscopio o la posición con un acelerómetro con respecto a una posición y orientación iniciales conocidas. Dado que estos sistemas miden posiciones relativas en lugar de absolutas, pueden sufrir errores acumulados y, por lo tanto, son susceptibles a la deriva. Una recalibración periódica del sistema proporcionará mayor precisión.

Este tipo de sistema de seguimiento utiliza enlaces mecánicos entre la referencia y el objetivo. Se han utilizado dos tipos de enlaces. Uno consiste en 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 distintos ángulos de enlace medidos con codificadores incrementales o potenciómetros. El otro tipo de enlaces mecánicos son cables enrollados en espiral. Un sistema de resortes garantiza la tensión de los cables para medir la distancia con precisión. Los grados de libertad detectados por los sistemas de seguimiento con enlaces mecánicos dependen de la constitución de la estructura mecánica del sistema. Si bien lo más común es que se proporcionen seis grados de libertad, normalmente solo es posible un rango de movimiento limitado debido a la cinemática de las articulaciones 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 desfase de una señal entrante proveniente de un emisor sobre un objetivo en movimiento, en comparación con la fase de una señal entrante proveniente de un emisor de referencia. De esta manera, 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 de forma continua, son capaces de generar altas tasas de datos. Omega (sistema de navegación) es un ejemplo.

Los sistemas de detección de campo directo utilizan un campo conocido para determinar la orientación o la posición: una brújula simple utiliza el campo magnético terrestre para conocer su orientación en dos direcciones. ^{[ 8 ]} Un inclinómetro utiliza el campo gravitatorio terrestre para conocer su orientación en la tercera dirección restante. Sin embargo, el campo utilizado para el posicionamiento no tiene por qué tener origen natural. 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 mediciones, el sistema determina la posición y la 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 ]}

Dado que cada tecnología tiene sus ventajas y desventajas, la mayoría de los sistemas utilizan más de una. Un sistema basado en cambios de posición relativa, como el sistema inercial, necesita una calibración periódica con respecto a un sistema de medición de posición absoluta. Los sistemas que combinan dos o más tecnologías se denominan sistemas de posicionamiento híbridos. ^{[ 16 ]}

Los sistemas de posicionamiento híbridos son sistemas para determinar la ubicación de un dispositivo móvil utilizando varias tecnologías de posicionamiento diferentes. Generalmente, 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. ^{[ 17 ]}

Estos sistemas están diseñados específicamente para superar las limitaciones del GPS, que es muy preciso en espacios abiertos, 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 afectadas por edificios ni condiciones climáticas adversas, pero suelen ofrecer una localización menos precisa. Los sistemas de posicionamiento Wi-Fi pueden proporcionar una localización muy precisa en zonas urbanas con alta densidad de Wi-Fi, y dependen de una base de datos completa de puntos de acceso Wi-Fi.

Cada vez se exploran más los sistemas de posicionamiento híbridos para determinados servicios y medios de comunicación basados ​​en la ubicación , tanto civiles como comerciales , que necesitan funcionar bien en zonas 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 que los teléfonos inteligentes combinaran la precisión del GPS con el bajo consumo de energía de la búsqueda de puntos de transición de identificación de celda. ^{[ 18 ]} En 2022, se demostró el sistema de posicionamiento sin satélites SuperGPS con mayor resolución que el GPS utilizando las redes de telecomunicaciones existentes. ^{[ 19 ] [ 20 ]}