Radiolocalización

La radiolocalización , también conocida como radioposicionamiento , es el proceso de determinar la ubicación de algo mediante el uso de ondas de radio . Generalmente se refiere a métodos pasivos, en particular el radar , así como a la detección de cables subterráneos, tuberías de agua y otros servicios públicos . Es similar a la radionavegación, en la que se busca activamente la propia posición; ambas son formas de radiodeterminación . La radiolocalización también se utiliza en sistemas de localización en tiempo real (RTLS) para el seguimiento de activos valiosos.

Un objeto puede localizarse midiendo las características de las ondas de radio recibidas. Estas ondas pueden ser transmitidas por el objeto a localizar o ser ondas retrodispersadas (como en el radar o la RFID pasiva ). Un detector de vigas utiliza radiolocalización cuando emplea ondas de radio en lugar de ultrasonidos .

Una técnica mide la distancia utilizando la diferencia en la potencia de la señal recibida (RSSI) en comparación con la señal original. Otra técnica utiliza el tiempo de llegada (TOA), cuando se conocen el tiempo de transmisión y la velocidad de propagación. La combinación de datos TOA de varios receptores en diferentes ubicaciones conocidas (diferencia de tiempo de llegada, TDOA) puede proporcionar una estimación de la posición incluso sin conocer el tiempo de transmisión. El ángulo de llegada (AOA) en una estación receptora se puede determinar mediante el uso de una antena direccional o mediante el tiempo de llegada diferencial en un conjunto de antenas con ubicación conocida. La información AOA se puede combinar con estimaciones de distancia de las técnicas descritas anteriormente para establecer la ubicación de un transmisor o retrodispersor. Alternativamente, el AOA en dos estaciones receptoras de ubicación conocida establece la posición del transmisor. El uso de múltiples receptores para localizar un transmisor se conoce como multilateración .

Las estimaciones mejoran cuando se tienen en cuenta las características de transmisión del medio en los cálculos. Para RSSI, esto significa la permeabilidad electromagnética ; para TOA, puede significar recepciones sin línea de visión directa .

El uso de RSSI para localizar un transmisor desde un solo receptor requiere conocer tanto la potencia transmitida (o retrodispersada) del objeto a localizar como las características de propagación de la región intermedia. En el espacio vacío, la intensidad de la señal disminuye con el inverso del cuadrado de la distancia para distancias grandes en comparación con una longitud de onda y con el objeto a localizar, pero en la mayoría de los entornos reales, pueden ocurrir varias interferencias: absorción, refracción, sombra y reflexión. La absorción es despreciable para la propagación de radio en el aire a frecuencias inferiores a unos 10  GHz, pero se vuelve importante a frecuencias de varios GHz donde se pueden excitar estados moleculares rotacionales. La refracción es importante a largas distancias (decenas a cientos de kilómetros) debido a los gradientes de humedad y temperatura en la atmósfera. En entornos urbanos, montañosos o interiores, la obstrucción por obstáculos intermedios y la reflexión de superficies cercanas son muy comunes y contribuyen a la distorsión por trayectos múltiples : es decir, las réplicas reflejadas y retardadas de la señal transmitida se combinan en el receptor. Las señales provenientes de diferentes trayectorias pueden sumarse de forma constructiva o destructiva: estas variaciones de amplitud se conocen como desvanecimiento . La dependencia de la intensidad de la señal con respecto a la posición del transmisor y del receptor se vuelve compleja y, a menudo, no monótona, lo que hace que las estimaciones de posición obtenidas con un solo receptor sean imprecisas y poco fiables. La multilateración, que utiliza varios receptores, se suele combinar con mediciones de calibración ("huella digital") para mejorar la precisión.

Las mediciones de TOA y AOA también están sujetas a errores de trayectos múltiples, particularmente cuando la trayectoria directa del transmisor al receptor está bloqueada por un obstáculo. Las mediciones de tiempo de llegada también son más precisas cuando la señal tiene características dependientes del tiempo bien definidas en la escala de interés —por ejemplo, cuando está compuesta por pulsos cortos de duración conocida—, pero la teoría de la transformada de Fourier muestra que para cambiar la amplitud o la fase en una escala de tiempo corta, una señal debe usar un ancho de banda amplio. Por ejemplo, para crear un pulso de aproximadamente 1  ns de duración, aproximadamente suficiente para identificar la ubicación con una precisión de 0,3 m (1  pie), se requiere un ancho de banda de aproximadamente 1  GHz. En muchas regiones del espectro radioeléctrico, las autoridades reguladoras pertinentes no permiten la emisión en un ancho de banda tan amplio, para evitar interferencias con otros usuarios de banda estrecha del espectro. En Estados Unidos, se permite la transmisión sin licencia en varias bandas, como las bandas ISM industriales, científicas y médicas de 902-928  MHz y 2,4-2,483 GHz , pero la transmisión de alta potencia no puede extenderse fuera de estas bandas. Sin embargo, varias jurisdicciones permiten ahora la transmisión de banda ultraancha en anchos de banda de GHz o multi-GHz, con limitaciones en la potencia transmitida para minimizar la interferencia con otros usuarios del espectro. Los pulsos UWB pueden ser muy cortos en el tiempo y, a menudo, proporcionan estimaciones precisas del tiempo de llegada (TOA) en entornos urbanos o interiores. 

La radiolocalización se emplea en una amplia variedad de actividades industriales y militares. Los sistemas de radar suelen utilizar una combinación de TOA y AOA para determinar la posición de un objeto retrodispersado mediante un único receptor. En el radar Doppler , también se tiene en cuenta el desplazamiento Doppler , que determina la velocidad en lugar de la ubicación (aunque ayuda a determinar la ubicación futura). Los sistemas de localización en tiempo real (RTLS) que utilizan RTLS calibrados y TDOA están disponibles comercialmente. El Sistema de Posicionamiento Global ( GPS ) , ampliamente utilizado, se basa en el TOA de las señales de los satélites en posiciones conocidas.

La radiolocalización también se utiliza en la telefonía celular a través de estaciones base . Generalmente, esto se realiza mediante trilateración entre torres de radio . La ubicación de la persona que llama o del terminal se puede determinar de varias maneras:

• El ángulo de llegada ( AOA ) requiere al menos dos torres, ubicando al emisor en el punto donde se cruzan las líneas a lo largo de los ángulos de cada torre.
• La diferencia de tiempo de llegada ( TDOA ) o el tiempo de llegada ( TOA ) funcionan mediante multilateración , excepto que son las redes las que determinan la diferencia de tiempo y, por lo tanto, la distancia desde cada torre (como con los sismómetros ).
• La firma de ubicación utiliza la " huella digital " para almacenar y recuperar patrones (como la multitrayectoria) que se sabe que presentan las señales de los teléfonos móviles en diferentes ubicaciones de cada celda.

Los dos primeros métodos dependen de la línea de visión , lo cual puede ser difícil o imposible en terrenos montañosos o cerca de rascacielos . Sin embargo, las firmas de ubicación funcionan mejor en estas condiciones. Las redes TDMA y GSM , como Cingular y T-Mobile, utilizan TDOA.

Las redes CDMA, como las de Verizon Wireless y Sprint PCS, suelen utilizar tecnologías de radiolocalización basadas en terminales, que técnicamente son más similares a la radionavegación. El GPS es una de esas tecnologías.

Las soluciones compuestas, que requieren tanto el terminal como la red, incluyen:

• El GPS asistido ( inalámbrico o por TV ) permite utilizar el GPS incluso en interiores.
• Trilateración avanzada de enlace hacia adelante ( A-FLT )
• Informe de avance de sincronización/medición de red ( TA/NMR )
• Diferencia de tiempo observada mejorada ( E-OTD )

Inicialmente, el propósito de estas funciones en los teléfonos móviles es que el centro de atención de llamadas de emergencia (PSAP, por sus siglas en inglés), que responde a las llamadas a un número de teléfono de emergencia , pueda saber dónde se encuentra la persona que llama y adónde enviar los servicios de emergencia . Esta capacidad se conoce en Norteamérica como 911 inalámbrico mejorado . Los usuarios de teléfonos móviles pueden tener la opción de permitir que la información de ubicación recopilada se envíe a otros números de teléfono o redes de datos , para ayudar a personas que simplemente se han perdido o que necesitan otros servicios basados ​​en la ubicación . Por defecto, esta opción suele estar desactivada para proteger la privacidad .

El servicio de radiolocalización (abreviado: RLS ) se define, según el artículo 1.48 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR ) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) ^{[ 1 ]} , como "un servicio de radiodeterminación con fines de radiolocalización", donde la radiolocalización se define como: "radiodeterminación utilizada para fines distintos de los de la radionavegación".

El servicio de radiolocalización por satélite (abreviado: RLSS ) se define, según el artículo 1.49 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR ) de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT ) ^{[ 2 ]} , como «un servicio de radiodeterminación por satélite utilizado con fines de radiolocalización. Este servicio (de radiocomunicaciones) puede incluir también los enlaces de alimentación necesarios para su funcionamiento ».

El servicio de radiolocalización por satélite distingue básicamente

• estaciones de radio terrestres
• Enlaces de alimentación y
• estaciones de radio espaciales

Por ejemplo, los sensores de radar militares en los satélites terrestres operan en el servicio de radiolocalización por satélite en este servicio.

Ejemplos de estaciones de radio en el servicio de radiolocalización por satélite.

• 
  radar espacial "ORS-2"
• 
  Satélite radar "NRO Lacrosse"
• 
  Satélite radar "ROSAR"

• Radiogoniometría
• Localización en tiempo real
• detección de rayos

• Sun, Guolin; Chen, Jie; Guo, Wei; Liu, KJR (julio de 2005). "Técnicas de procesamiento de señales en posicionamiento asistido por red: una revisión de diseños de posicionamiento de última generación" (PDF) . IEEE Signal Processing Magazine . 22 (4): 12. Bibcode : 2005ISPM...22...12S . CiteSeerX 10.1.1.319.3989 . doi : 10.1109/MSP.2005.1458273 . S2CID 4093889 .  
• Patwari, N.; Ash, JN; Kyperountas, S.; Hero, AO; Moses, RL; Correal, NS (julio de 2005). "Localización de los nodos: localización cooperativa en redes de sensores inalámbricas" (PDF) . IEEE Signal Processing Magazine . 22 (4): 54. Bibcode : 2005ISPM...22...54P . doi : 10.1109/MSP.2005.1458287 . ISSN 1053-5888 . S2CID 3259841 .  
• Hashemi, H. (1993). "El canal de propagación de radio en interiores". Actas del IEEE . 81 (7): 943– 968. doi : 10.1109/5.231342 .
• “Modelado de propagación en exteriores e interiores para sistemas de comunicaciones inalámbricas”, M. Iskander, Z. Yun y Z. Zhang, IEEE Antennas and Propagation Society, Simposio Internacional AP-S (Resumen) v 2 2001. p 150-153