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Sistema de posicionamiento en interiores

Un mapa de localización en interiores en un teléfono móvil Un sistema de posicionamiento en interiores ( IPS ) es una red de dispositivos que se utiliza para localizar personas ...

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Un mapa de localización en interiores en un teléfono móvil

Un sistema de posicionamiento en interiores ( IPS ) es una red de dispositivos que se utiliza para localizar personas u objetos donde el GPS y otras tecnologías satelitales carecen de precisión o fallan por completo, como dentro de edificios de varios pisos, aeropuertos, callejones, estacionamientos y lugares subterráneos. [ 1 ]

Se utiliza una gran variedad de técnicas y dispositivos para proporcionar posicionamiento en interiores, desde dispositivos reconfigurados ya desplegados como teléfonos inteligentes, antenas Wi-Fi y Bluetooth , cámaras digitales y relojes; hasta instalaciones construidas específicamente con repetidores y balizas estratégicamente ubicadas en un espacio definido. Luces, ondas de radio, campos magnéticos, señales acústicas y análisis de comportamiento se utilizan en redes IPS. [ 2 ] [ 3 ] IPS puede lograr una precisión de posición de 2  cm, [ 4 ] que está a la par con los receptores GNSS habilitados para RTK  que pueden lograr una precisión de 2 cm en exteriores. [ 5 ] IPS utiliza diferentes tecnologías, incluida la medición de distancia a nodos de anclaje cercanos (nodos con posiciones fijas conocidas, por ejemplo, puntos de acceso Wi-Fi / Li-Fi , balizas Bluetooth o balizas de banda ultraancha), posicionamiento magnético , navegación a estima . [ 6 ] O bien localizan activamente dispositivos móviles y etiquetas o proporcionan ubicación ambiental o contexto ambiental para que los dispositivos sean detectados. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] La naturaleza localizada de un IPS ha dado lugar a la fragmentación del diseño, con sistemas que utilizan diversas tecnologías ópticas , [ 10 ] de radio , [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ] o incluso acústicas . [ 18 ] [ 19 ]

Los sistemas IPS tienen amplias aplicaciones en los sectores comercial, militar, minorista y de control de inventario. Si bien existen varios sistemas comerciales en el mercado, no hay estándares para los sistemas IPS. Por lo tanto, cada instalación se adapta a las dimensiones espaciales, los materiales de construcción, los requisitos de precisión y las limitaciones presupuestarias.

Para suavizar y compensar errores estocásticos (impredecibles), debe existir un método sólido para reducir significativamente el margen de error. El sistema podría incluir información de otros sistemas para abordar la ambigüedad física y permitir la compensación de errores. La detección de la orientación del dispositivo (a menudo denominada dirección de la brújula para diferenciarla de la orientación vertical del teléfono inteligente) puede lograrse detectando puntos de referencia en imágenes tomadas en tiempo real o mediante trilateración con balizas. [ 20 ] También existen tecnologías para detectar información magnetométrica dentro de edificios o lugares con estructuras de acero o en minas de mineral de hierro. [ 21 ]

Aplicabilidad y precisión

Debido a la atenuación de la señal causada por los materiales de construcción, el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) basado en satélites pierde potencia significativa en interiores, lo que afecta la cobertura requerida para los receptores por al menos cuatro satélites. Además, las múltiples reflexiones en las superficies provocan propagación multitrayecto, lo que genera errores incontrolables. Estos mismos efectos degradan todas las soluciones conocidas para la localización en interiores que utilizan ondas electromagnéticas desde transmisores a receptores en interiores. Se aplica un conjunto de métodos físicos y matemáticos para compensar estos problemas. La corrección de errores de posicionamiento por radiofrecuencia ofrece una dirección prometedora gracias al uso de fuentes alternativas de información de navegación, como la unidad de medición inercial (IMU), la localización y mapeo simultáneos (SLAM) con cámara monocular y el SLAM Wi-Fi. La integración de datos de diversos sistemas de navegación con diferentes principios físicos puede aumentar la precisión y la robustez de la solución global. [ 22 ]

Los sistemas de posicionamiento en interiores son muy eficaces en entornos donde las señales GPS son débiles o inexistentes, como hospitales, centros comerciales, almacenes, fábricas, aeropuertos e instalaciones subterráneas. La precisión alcanzable depende de la tecnología utilizada. Los sistemas basados ​​en Wi-Fi y Bluetooth suelen ofrecer una precisión de entre 1 y 5 metros , lo que los hace adecuados para la navegación y el seguimiento de activos, mientras que tecnologías avanzadas como UWB (banda ultraancha) pueden alcanzar una precisión centimétrica para aplicaciones de alta precisión como la robótica, la automatización industrial y el seguimiento de equipos en tiempo real. Sin embargo, factores como los materiales de las paredes, la interferencia de la señal, las reflexiones por trayectos múltiples y los objetos en movimiento pueden afectar al rendimiento y reducir la precisión del posicionamiento. [ 23 ]

El Sistema de Posicionamiento Global (GPS) de EE. UU. y otros sistemas globales de navegación por satélite (GNSS) similares generalmente no son adecuados para establecer ubicaciones en interiores, ya que las microondas se atenúan y dispersan por techos, paredes y otros objetos. Sin embargo, para que las señales de posicionamiento sean ubicuas, se puede realizar una integración entre el GPS y el posicionamiento en interiores. [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

Actualmente, los receptores GNSS son cada vez más sensibles gracias al aumento de la capacidad de procesamiento de los microchips. Los receptores GNSS de alta sensibilidad pueden recibir señales satelitales en la mayoría de los entornos interiores, y se han logrado determinar la posición 3D en interiores. [ 32 ] Además de aumentar la sensibilidad de los receptores, se utiliza la técnica A-GPS , en la que el almanaque y otra información se transmiten a través de un teléfono móvil.

Sin embargo, a pesar de que la cobertura adecuada para los cuatro satélites necesarios para localizar un receptor no se logra con todos los diseños actuales (2008-11) para operaciones en interiores, la emulación de GPS se ha implementado con éxito en el metro de Estocolmo. [ 33 ] Las soluciones de extensión de cobertura GPS han podido proporcionar posicionamiento basado en zonas en interiores, accesible con conjuntos de chips GPS estándar como los que se utilizan en los teléfonos inteligentes. [ 33 ]

Tipos de uso

Localización y posicionamiento

Aunque la mayoría de los IPS actuales pueden detectar la ubicación de un objeto, son tan imprecisos que no pueden utilizarse para detectar la orientación o dirección de un objeto. [ 34 ]

Localización y seguimiento

Uno de los métodos para lograr una idoneidad operativa suficiente es el seguimiento . Este consiste en determinar una secuencia de ubicaciones que forman una trayectoria desde la primera hasta la última. Los métodos estadísticos se utilizan para suavizar las ubicaciones determinadas en una trayectoria que se asemeja a las capacidades físicas del objeto para moverse. Este suavizado debe aplicarse tanto cuando un objetivo se mueve como cuando permanece fijo, para compensar las mediciones erráticas. De lo contrario, la ubicación fija o incluso la trayectoria seguida consistirían en una secuencia itinerante de saltos.

Identificación y segregación

En la mayoría de las aplicaciones, la población de objetivos es mayor que un solo individuo. Por lo tanto, el IPS debe proporcionar una identificación específica y precisa para cada objetivo observado, además de ser capaz de segregarlos y separarlos individualmente dentro del grupo. Un IPS debe poder identificar las entidades que se están rastreando, a pesar de la presencia de vecinos que no sean relevantes. Según el diseño, la red de sensores debe saber de qué etiqueta ha recibido información, o bien el dispositivo de localización debe poder identificar los objetivos directamente.

Tecnologías inalámbricas

Cualquier tecnología inalámbrica puede utilizarse para la localización. Muchos sistemas aprovechan la infraestructura inalámbrica existente para el posicionamiento en interiores. Existen tres topologías de sistema principales para la configuración de hardware y software: basadas en red, basadas en terminal y asistidas por terminal. La precisión del posicionamiento puede incrementarse a costa de adquirir equipos e instalaciones de infraestructura inalámbrica.

Sistema de posicionamiento basado en Wi-Fi (WPS)

El sistema de posicionamiento Wi-Fi (WPS) se utiliza cuando el GPS es inadecuado. La técnica de localización empleada para el posicionamiento con puntos de acceso inalámbricos se basa en la medición de la intensidad de la señal recibida ( intensidad de la señal recibida en inglés RSS) y el método de "huella digital". [ 35 ] [ 36 ] [ 37 ] [ 38 ] Para aumentar la precisión de los métodos de huella digital, se pueden aplicar técnicas de postprocesamiento estadístico (como la teoría de procesos gaussianos ) para transformar un conjunto discreto de "huellas digitales" en una distribución continua de RSSI de cada punto de acceso en toda la ubicación. [ 39 ] [ 40 ] [ 41 ] Los parámetros típicos útiles para geolocalizar el punto de acceso Wi-Fi o punto de acceso inalámbrico incluyen el SSID y la dirección MAC del punto de acceso. La precisión depende del número de posiciones que se hayan introducido en la base de datos. Las posibles fluctuaciones de la señal que puedan producirse pueden aumentar los errores e imprecisiones en la trayectoria del usuario. [ 42 ] [ 43 ]

Bluetooth

Originalmente, Bluetooth se centraba en la proximidad, no en la ubicación exacta. [ 44 ] Bluetooth no fue diseñado para ofrecer una ubicación fija como el GPS, sin embargo, se le conoce como una solución de geocerca o microcerca, lo que la convierte en una solución de proximidad en interiores, no en una solución de posicionamiento en interiores.

El micromapeo y el mapeo de interiores [ 45 ] se han vinculado a Bluetooth [ 46 ] y al iBeacon basado en Bluetooth LE promovido por Apple Inc. Se ha implementado y aplicado en la práctica un sistema de posicionamiento en interiores a gran escala basado en iBeacons. [ 47 ] [ 48 ]

La ubicación de los altavoces Bluetooth y las redes domésticas pueden utilizarse como referencia general.

En 2021, Apple lanzó sus AirTags , que permiten una combinación de tecnología Bluetooth y UWB para rastrear dispositivos Apple dentro de la red Buscar mi iPhone, lo que provocó un aumento en la popularidad de la tecnología de rastreo.

Conceptos de puntos de estrangulamiento

El concepto simple de indexación de ubicación e informe de presencia para objetos etiquetados utiliza únicamente la identificación conocida del sensor. [ 16 ] Este suele ser el caso con los sistemas de identificación por radiofrecuencia (RFID) / NFC pasivos , que no informan sobre la intensidad de la señal ni las distintas distancias de las etiquetas individuales o de un conjunto de etiquetas, y no actualizan las coordenadas de ubicación previamente conocidas del sensor ni la ubicación actual de ninguna etiqueta. El funcionamiento de estos enfoques requiere un paso estrecho para evitar que se salgan del alcance.

conceptos de cuadrícula

En lugar de mediciones de largo alcance, se puede disponer una densa red de receptores de corto alcance, por ejemplo, en forma de cuadrícula para optimizar el uso del espacio observado. Debido al corto alcance, una entidad etiquetada solo será identificada por unos pocos receptores cercanos conectados a la red. Una etiqueta identificada debe estar dentro del alcance del lector, lo que permite una aproximación de su ubicación. Los sistemas avanzados combinan la cobertura visual con una cuadrícula de cámaras y la cobertura inalámbrica para obtener una ubicación aproximada.

Conceptos de sensores de largo alcance

La mayoría de los sistemas utilizan una medición física continua (como ángulo y distancia, o solo distancia) junto con los datos de identificación en una señal combinada. El alcance de estos sensores suele cubrir una planta entera, un pasillo o una sola habitación. Las soluciones de corto alcance se aplican con múltiples sensores y áreas de cobertura superpuestas.

Ángulo de llegada

El ángulo de llegada (AoA) es el ángulo desde el que una señal llega a un receptor. Generalmente, el AoA se determina midiendo la diferencia de tiempo de llegada (TDOA) entre varias antenas en un conjunto de sensores. En otros receptores, se determina mediante un conjunto de sensores altamente direccionales; el ángulo se puede determinar según el sensor que recibió la señal. El AoA se suele utilizar con triangulación y una línea base conocida para determinar la ubicación con respecto a dos transmisores de referencia.

Hora de llegada

El tiempo de llegada (ToA, también llamado tiempo de vuelo) es el tiempo que tarda una señal en propagarse desde el transmisor hasta el receptor. Dado que la velocidad de propagación de la señal es constante y conocida (ignorando las diferencias en los medios), el tiempo de viaje de una señal se puede utilizar para calcular directamente la distancia. Se pueden combinar múltiples mediciones mediante trilateración y multilateración para determinar una ubicación. Esta es la técnica utilizada por los sistemas GPS y de banda ultraancha . Los sistemas que utilizan ToA generalmente requieren un mecanismo de sincronización complejo para mantener una fuente de tiempo fiable para los sensores (aunque esto se puede evitar en sistemas cuidadosamente diseñados mediante el uso de repetidores para establecer el acoplamiento [ 17 ] ).

La precisión de los métodos basados ​​en TOA a menudo se ve afectada por condiciones de multitrayectoria masiva en la localización en interiores, causadas por la reflexión y difracción de la señal de RF en objetos del entorno (por ejemplo, paredes interiores, puertas o muebles). Sin embargo, es posible reducir el efecto de la multitrayectoria aplicando técnicas basadas en la escasez temporal o espacial. [ 49 ] [ 50 ]

Ángulo articular y tiempo de llegada

La estimación conjunta de ángulos y tiempos de llegada es otro método para estimar la ubicación del usuario. De hecho, en lugar de requerir múltiples puntos de acceso y técnicas como la triangulación y la trilateración, un único punto de acceso podrá localizar a un usuario con ángulos y tiempos de llegada combinados. [ 51 ] Además, las técnicas que aprovechan las dimensiones espaciales y temporales pueden aumentar los grados de libertad de todo el sistema y crear más recursos virtuales para resolver más fuentes, mediante enfoques de subespacio. [ 52 ]

Indicación de la intensidad de la señal recibida

La indicación de intensidad de señal recibida (RSSI) es una medición del nivel de potencia recibido por el sensor. Debido a que las ondas de radio se propagan según la ley del inverso del cuadrado , la distancia se puede aproximar (típicamente a 1,5 metros en condiciones ideales y de 2 a 4 metros en condiciones estándar [ 53 ] ) basándose en la relación entre la intensidad de la señal transmitida y recibida (la intensidad de transmisión es constante según el equipo utilizado), siempre que no haya otros errores que contribuyan a resultados erróneos. El interior de los edificios no es un espacio libre , por lo que la precisión se ve significativamente afectada por la reflexión y la absorción de las paredes. Los objetos no estacionarios, como puertas, muebles y personas, pueden plantear un problema aún mayor, ya que pueden afectar la intensidad de la señal de forma dinámica e impredecible.

Muchos sistemas utilizan infraestructura Wi-Fi mejorada para proporcionar información de ubicación. [ 12 ] [ 14 ] [ 15 ] Ninguno de estos sistemas funciona correctamente con ninguna infraestructura tal como está. Desafortunadamente, las mediciones de la intensidad de la señal Wi-Fi son extremadamente ruidosas , por lo que se está llevando a cabo una investigación centrada en hacer que los sistemas sean más precisos.

Otras tecnologías inalámbricas

Otras tecnologías

Las tecnologías no radioeléctricas pueden utilizarse para el posicionamiento sin necesidad de la infraestructura inalámbrica existente. Esto puede proporcionar mayor precisión, aunque a costa de equipos e instalaciones costosas.

Posicionamiento magnético

El posicionamiento magnético puede ofrecer a los peatones con teléfonos inteligentes una precisión en interiores de 1 a 2 metros con un nivel de confianza del 90 %, sin necesidad de infraestructura inalámbrica adicional. El posicionamiento magnético se basa en el hierro presente en los edificios, que genera variaciones locales en el campo magnético terrestre. Los chips de brújula no optimizados de los teléfonos inteligentes pueden detectar y registrar estas variaciones magnéticas para mapear ubicaciones en interiores. [ 56 ]

Mediciones inerciales

La navegación inercial para peatones y otros métodos para el posicionamiento de peatones proponen una unidad de medición inercial que lleva el peatón, ya sea midiendo los pasos indirectamente (conteo de pasos) o mediante un método montado en el pie, [ 57 ] a veces recurriendo a mapas u otros sensores adicionales para limitar la deriva inherente del sensor que se encuentra con la navegación inercial. Los sensores inerciales MEMS sufren de ruido interno que resulta en un error de posición que crece cúbicamente con el tiempo. Para reducir el crecimiento del error en dichos dispositivos, a menudo se utiliza un método basado en el filtrado de Kalman . [ 58 ] [ 59 ] [ 60 ] [ 61 ] Sin embargo, para que sea capaz de construir el mapa por sí mismo, se utilizará el marco del algoritmo SLAM [ 62 ] . [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

Las medidas inerciales generalmente cubren las diferenciales de movimiento, por lo que la ubicación se determina mediante integración y, por lo tanto, requiere constantes de integración para proporcionar resultados. [ 66 ] [ 67 ] La estimación de la posición real se puede encontrar como el máximo de una distribución de probabilidad 2D que se recalcula en cada paso teniendo en cuenta el modelo de ruido de todos los sensores involucrados y las restricciones impuestas por las paredes y los muebles. [ 68 ] Basándose en los movimientos y los comportamientos de caminar de los usuarios, IPS puede estimar las ubicaciones de los usuarios mediante algoritmos de aprendizaje automático. [ 69 ]

Posicionamiento basado en marcadores visuales

Un sistema de posicionamiento visual puede determinar la ubicación de un dispositivo móvil con cámara decodificando las coordenadas de ubicación a partir de marcadores visuales. En dicho sistema, se colocan marcadores en ubicaciones específicas dentro de un recinto, y cada marcador codifica las coordenadas de esa ubicación: latitud, longitud y altura desde el suelo. La medición del ángulo visual desde el dispositivo hasta el marcador permite al dispositivo estimar sus propias coordenadas de ubicación con respecto al marcador. Las coordenadas incluyen latitud, longitud, nivel y altura desde el suelo. [ 70 ] [ 71 ] Dado que los marcadores visuales generalmente no son simétricos, también se puede determinar la orientación del usuario. [ 72 ]

Localización basada en características visuales conocidas.

Una serie de instantáneas tomadas con la cámara de un dispositivo móvil permite crear una base de datos de imágenes útil para estimar la ubicación en un recinto. Una vez creada la base de datos, un dispositivo móvil que se desplace por el recinto puede tomar instantáneas que se interpolan en la base de datos, obteniendo así las coordenadas de ubicación. Estas coordenadas pueden utilizarse junto con otras técnicas de localización para lograr una mayor precisión. Cabe destacar que este puede ser un caso especial de fusión de sensores, donde la cámara actúa como un sensor más.

Matemáticas

Una vez recopilados los datos de los sensores, un sistema de prevención de intrusiones (IPS) intenta determinar la ubicación desde la que probablemente se recibió la transmisión. Los datos de un solo sensor suelen ser ambiguos y deben resolverse mediante una serie de procedimientos estadísticos para combinar las señales de entrada de varios sensores.

Método empírico

Una forma de determinar la posición es comparar los datos de la ubicación desconocida con un amplio conjunto de ubicaciones conocidas mediante un algoritmo como el de k-vecinos más cercanos . Esta técnica requiere un estudio exhaustivo in situ y resultará imprecisa ante cualquier cambio significativo en el entorno (debido al movimiento de personas u objetos).

Modelado matemático

La ubicación se calculará matemáticamente aproximando la propagación de la señal y hallando ángulos y/o distancias. Posteriormente, se utilizará trigonometría inversa para determinar la ubicación.

Los sistemas avanzados combinan modelos físicos más precisos con procedimientos estadísticos:

Usos

El principal beneficio para el consumidor del posicionamiento en interiores es la expansión de la informática móvil con capacidad de geolocalización en espacios cerrados. A medida que los dispositivos móviles se vuelven omnipresentes, la capacidad de geolocalización de las aplicaciones se ha convertido en una prioridad para los desarrolladores. Sin embargo, la mayoría de las aplicaciones actualmente dependen del GPS y funcionan mal en interiores. Las aplicaciones que se benefician de la geolocalización en interiores incluyen:

Véase también

Referencias

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