Radiolocalización

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La radiolocalización , también conocida como radiolocalización o radioposicionamiento , es el proceso de encontrar la ubicación de algo mediante el uso de ondas de radio . Generalmente se refiere a sistemas pasivos, particularmente radares —así como a la detección de cables enterrados, cañerías de agua y otros servicios públicos— . Es similar a la radionavegación en la que uno busca activamente su propia posición; ambos son tipos de radiodeterminación . La radiolocalización también se utiliza en sistemas de localización en tiempo real (RTLS) para rastrear activos valiosos.

Se puede localizar un objeto midiendo las características de las ondas de radio recibidas. Las ondas de radio pueden ser transmitidas por el objeto que se desea localizar o pueden ser ondas retrodispersadas (como en el caso del radar o la RFID pasiva ). Un detector de vigas utiliza la radiolocalización cuando utiliza ondas de radio en lugar de ultrasonidos .

Una técnica mide una distancia utilizando la diferencia en la potencia de la intensidad de la señal recibida (RSSI) en comparación con la intensidad de la señal de origen. 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 en ausencia de conocimiento del tiempo de transmisión. El ángulo de llegada (AOA) en una estación receptora se puede determinar mediante el uso de una antena direccional, o por tiempo de llegada diferencial en una matriz 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 retrodispersador. 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. En el caso de RSSI, esto significa permeabilidad electromagnética ; en el caso de TOA, puede significar recepciones sin línea de visión .

El uso de RSSI para localizar un transmisor desde un único receptor requiere que se conozcan tanto la potencia transmitida (o retrodispersada) del objeto que se va a localizar como las características de propagación de la región intermedia. En el espacio vacío, la intensidad de la señal disminuye como el cuadrado inverso de la distancia para distancias grandes en comparación con una longitud de onda y en comparación con el objeto que se va a localizar, pero en la mayoría de los entornos reales, pueden producirse una serie de deficiencias: absorción, refracción, sombreado y reflexión. La absorción es insignificante 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 grandes distancias (decenas a cientos de kilómetros) debido a los gradientes en el contenido de humedad y la 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 retrasadas de la señal transmitida se combinan en el receptor. Las señales de diferentes trayectorias pueden sumarse de manera constructiva o destructiva: estas variaciones en la amplitud se conocen como desvanecimiento . La dependencia de la intensidad de la señal con respecto a la posición del transmisor y el receptor se vuelve compleja y, a menudo, no monótona, lo que hace que las estimaciones de la posición con un solo receptor sean inexactas y poco confiables. La multilateración que utiliza muchos receptores a menudo se combina con mediciones de calibración ("huellas dactilares") para mejorar la precisión.

Las mediciones de TOA y AOA también están sujetas a errores de trayectos múltiples, en particular cuando el camino directo desde el transmisor al receptor está bloqueado por un obstáculo. Las mediciones de tiempo de llegada también son más precisas cuando la señal tiene características distintas dependientes del tiempo en la escala de interés (por ejemplo, cuando está compuesta de 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 utilizar 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 los 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 de varios GHz, con restricciones en la potencia transmitida para minimizar la interferencia con otros usuarios del espectro. Los pulsos UWB pueden ser muy estrechos en el tiempo y, a menudo, brindan estimaciones precisas de la 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 utilizando un único receptor. En el radar Doppler , también se tiene en cuenta el desplazamiento Doppler , lo 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 señales de satélites en posiciones conocidas.

La radiolocalización también se utiliza en telefonía celular a través de estaciones base . La mayoría de las veces, esto se hace mediante trilateración entre torres de radio . La ubicación del llamante o del teléfono se puede determinar de varias maneras:

• El ángulo de llegada ( AOA ) requiere al menos dos torres, ubicando al interlocutor 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 "huellas dactilares" para almacenar y recordar patrones (como trayectorias múltiples) que se sabe que las señales de los teléfonos móviles exhiben en diferentes ubicaciones en cada célula.

Los dos primeros dependen de la línea de visión , lo que puede resultar 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 el teléfono móvil, que técnicamente son más similares a la radionavegación. El GPS es una de esas tecnologías.

Las soluciones compuestas, que necesitan tanto el teléfono como la red, incluyen:

• El GPS asistido ( inalámbrico o por TV ) permite el uso del GPS incluso en interiores.
• Trilateración avanzada de enlaces de avance (A-FLT)
• Informe de medición de red/avance temporal (TA/NMR)
• Diferencia de tiempo observada mejorada ( E-OTD )

Inicialmente, el propósito de cualquiera de estos en los teléfonos móviles es que el punto de respuesta de seguridad pública (PSAP) que responde a las llamadas a un número de teléfono de emergencia pueda saber dónde está la persona que llama y exactamente a dónde enviar los servicios de emergencia . Esta capacidad se conoce dentro de la NANP ( América del Norte ) como 911 mejorado inalámbrico . 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 , de modo que pueda ayudar a las personas que simplemente están perdidas o desean otros servicios basados ​​​​en la ubicación . De forma predeterminada, esta selección 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) ^{[1] de la} Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) , como "un servicio de radiodeterminación para fines de radiolocalización", donde la radiolocalización se define como: "radiodeterminación utilizada para fines distintos de los de la radionavegación".

Este servicio de radiocomunicación se clasifica de acuerdo con el Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (artículo 1) de la siguiente manera:
Servicio de radiodeterminación (artículo 1.40)

• Servicio de radiolocalización (artículo 1.48)
  • Servicio de radiolocalización por satélite (artículo 1.49)

El servicio de radiolocalización distingue básicamente

• Estación móvil de radiolocalización terrestre, aeromóvil y marítima (artículo 1.89)
• Estación terrestre de radiolocalización (artículo 1.90)

• 
  Radar terrestre ( antena parabólica )
• 
  Radar terrestre ( radar de control de tiro FuMG 39 „Würzburg“ )
• 
  Radar terrestre ( radar de alerta temprana AN/FPQ-16 )
• 
  Radar móvil marítimo ( radar de matriz en fase activa en la fragata Hamburgo )
• 
  Radar aeromóvil ( Boeing E-3 Sentry con cúpula de radar giratoria )
• 
  Radar móvil terrestre ( TRML-3D Air Surveillance Radar)

El servicio de radiolocalización por satélite ( RLSS ) se define, según el artículo 1.49 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) ^{[2] de la} Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) , como «un servicio de radiodeterminación por satélite utilizado para fines de radiolocalización. Este servicio (de radiocomunicación) puede incluir también los enlaces de conexión 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, en este servicio funcionan sensores de radar militares instalados en satélites terrestres en el servicio de radiolocalización por satélite .

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

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

La asignación de frecuencias radioeléctricas se realiza de conformidad con el Artículo 5 del Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (edición 2012). ^[3]

Con el fin de mejorar la armonización en la utilización del espectro, la mayoría de las asignaciones de servicios estipuladas en este documento se incorporaron en los Cuadros nacionales de asignación y utilización de frecuencias, que son responsabilidad de la administración nacional correspondiente. La asignación puede ser primaria, secundaria, exclusiva y compartida.

Ejemplo de asignación de frecuencia

Según el artículo 1.90 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) ^{[4] de la} Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) , una estación terrestre de radiolocalización se define como «una estación de radio del servicio de radiolocalización que no está destinada a ser utilizada en movimiento». Cada estación de radiolocalización se clasificará según el servicio de radiocomunicación en el que opere de forma permanente o temporal.

De acuerdo con el Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (artículo 1) este tipo de estación radioeléctrica podría clasificarse de la siguiente manera:
Estación de radiodeterminación (artículo 1.86) del servicio de radiodeterminación (artículo 1.40)

• Estación móvil de radionavegación (artículo 1.87) del servicio de radionavegación (artículo 1.42)
• Estación terrestre de radionavegación (artículo 1.88) del servicio de radionavegación
• Estación móvil de radiolocalización (artículo 1.89) del servicio de radiolocalización (artículo 1.48)
• Estación terrestre de radiolocalización

Selección de estaciones terrestres de radiolocalización

• 
  Radar alemán Würzburg Riese (FuMG 65)
• 
  ALTAIR (radar de instrumentación y seguimiento de largo alcance ARPA)
• 
  Radar de la NASA para instalaciones de vuelo Wallops
• 
  Antena radar banda L TAR Finlandia
• 
  Antena parabólica de 50 pies de un radar de banda C de 3 kW
• 
  Radar de matriz en fase para recopilación de información FPS-108 COBRA DANE
• 
  Radar de matriz en fase AN/FPQ-16 PARCS
• 
  Radar Skyguide, Hochwacht en Boppelsen en Lägern (Suiza)

Según el artículo 1.89 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) ^[5] de la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT), una estación móvil de radiolocalización se define como «una estación de radio del servicio de radiolocalización destinada a ser utilizada en movimiento o durante paradas en puntos no especificados». Cada estación de radiolocalización se clasificará según el servicio de radiocomunicación en el que funcione de forma permanente o temporal.

De acuerdo con el Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT (artículo 1) este tipo de estación radioeléctrica podría clasificarse de la siguiente manera:
Estación de radiodeterminación (artículo 1.86) del servicio de radiodeterminación (artículo 1.40)

• Estación móvil de radionavegación (artículo 1.87) del servicio de radionavegación (artículo 1.42)
• Estación terrestre de radionavegación (artículo 1.88) del servicio de radionavegación
• Estación móvil de radiolocalización

Selección de estaciones móviles de radiolocalización

• 
  Radares de vigilancia aérea TRML-3D
• 
  Radar de alto alcance
• 
  Radar de la RAAF, AN/TPS-77
• 
  Sensor de radar alemán LÜR
• 
  MIM-104 Patriot en servicio en Japón
• 
  Radares Nike Hercules IFC LOPAR y los radares de seguimiento (MTR, TTR, TRR) fltr
• 
  Radar APAR Fregatte Hamburgo (F 220)
• 
  Radar de control de armas
• 
  Ya está en marcha un radar de banda X basado en el mar
• 
  Radar aerotransportado “Lichtenstein SN-2” en el ME Bf 110G

• 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: un estudio de los diseños de posicionamiento de última generación" (PDF) . Revista 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 nodos: localización cooperativa en redes de sensores inalámbricos" (PDF) . Revista IEEE Signal Processing . 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 (Compendio) v 2 2001. págs. 150-153