MX2010010467A - Sistema de posicionamiento, deteccion y comunicacion. - Google Patents

Abstract

Un sistema de posicionamiento, comunicación y detección diseñado para proporcionar una ubicación tridimensional de un objeto, herramientas de navegación y comunicaciones bidireccionales de superficie a subsuperficie, así como métodos de uso del sistema; el sistema puede incluir uno o múltiples transmisores que comprenden electrofaros magnéticos, receptores de radio definidos por software con una unidad de procesamiento asociada y sistema de adquisición de datos, así como antenas magnéticas; el sistema podría emplear cálculos teóricos, pruebas de modelo a escala, procesamiento de señales y datos de sensores.

Description

SISTEMA DE POSICIONAMIENTO, DETECCIÓN Y COMUNICACIÓN Esta solicitud es una continuación parcial de la Solicitud de Patente de EUA No. de Serie 11/640,337, presentada el 18 de diciembre de 2006, la cual reivindica el beneficio de la Solicitud Provisional de Patente de EUA No. de Serie 60/750,787, presentada el 16 de diciembre de 2005, cuya descripción completa de cada una de las mismas se incorpora en la presente por referencia.

DERECHOS GUBERNAMENTALES Parte del trabajo realizado durante el desarrollo de esta invención ha empleado fondos del gobierno de Estados Unidos. El gobierno de Estados Unidos podría tener ciertos derechos en la invención.

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN Las modalidades descritas se refieren en general a métodos y dispositivos correspondientes a un sistema de posicionamiento, detección y comunicación.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La generación de mapas geológicos y la exploración geofísica sobre la superficie terrestre son ciencias maduras con una historia de mejoras tecnológicas que han mejorado la fidelidad en la comprensión de la Tierra, por arriba y por debajo de la superficie. Sin embargo, cuando se emplean las técnicas convencionales en un ambiente subterráneo, la geolocalización ha representado un reto que toma conceptos de las técnicas de análisis de reemplazamiento para la instrumentación de geolocalización y contactos geológicos y puede limitar realmente la efectividad de las tecnologías empleadas.

Los sistemas convencionales de generación de mapas y exploración, como el Sistema de Posicionamiento Global (GPS, por sus siglas en inglés), determinan la ubicación de objetos usando señales satelitales. Sin embargo, existe un añejo problema con la determinación de la ubicación del personal y equipo dentro de, por ejemplo, las instalaciones subterráneas sin el uso de exploración. Hasta la fecha, este problema no ha sido resuelto debido a la dificultad de señalización / comunicación entre la superficie terrestre y las instalaciones / cavernas / minas subterráneas, así como la complejidad de la propagación electromagnética dentro de la Tierra.

Sistemas de muy baja frecuencia con menor fidelidad se encuentran actualmente en desarrollo en Europa para dar sustento a las comunicaciones para las operaciones de rescate en cuevas. Los sistemas únicamente obtienen una posición de proco profundidad cuando el sistema de comunicación se utiliza de manera subterránea. Estos sistemas de comunicación son efectivos hasta a 600 m y ocasionalmente hasta 1 ,200 m. Los sistemas se emplean también para localizar transmisores subterráneos a profundidades comparables. En experimentos controlados, han logrado una exactitud del 2% en la posición horizontal y únicamente del 5% en profundidad.

El medio típico para proveer la sincronización básica de tiempo entre un transmisor y el receptor empleado para propósitos de navegación, ha sido ya sea (1) proporcionando una señal de referencia de radio de tiempo uniforme a partir de una fuente independiente (señal GPS o VLF) ó (2) proporcionando a cada transmisor y receptor con su propio mecanismo de temporización altamente estable y exacto que se sincronizan entonces mutualmente al inicio del periodo de interés. En ambientes subterráneos, las señales de GPS y VLF son ya sea no disponibles o no confiables. Proporcionar a cada dispositivo su propia base de tiempo estable podría resultar costoso, difícil y derrochador de la energía eléctrica limitada que se encuentra disponible.

Las comunicaciones inalámbricas normales de frecuencia de radio a / desde un receptor de subsuperficie por parte de un transmisor de superficie, no se han encontrado disponibles debido a las propiedades eléctricas del suelo, tierra y roca. Las comunicaciones más allá de una profundidad de 100 metros, resultan particularmente difícil. Un sistema que provee contacto inalámbrico entre las ubicaciones subterráneas y las ubicaciones superficiales, resultaría deseable. En particular, dicho sistema podría proporcionar un posicionamiento, detección y comunicación exactos en la subsuperficie y la superficie de la Tierra.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN El sistema proporciona un medio para la determinación de ubicaciones en el subsuelo, la determinación de masas subterráneas y comunicaciones de superficie a subsuperficie. Este desarrollo se hace posible a través del ensamble de tecnologías detectoras y capacidades de procesamiento que se encuentran actualmente en evolución en el estado de la técnica en diversos ámbitos.

El sistema puede proporcionar a los individuos y equipo que se mueven dentro de un espacio, ya sea por arriba o por debajo de la tierra, la capacidad de conocer su ubicación en tres dimensiones. El sistema identifica la ubicación de un objeto aplicando cálculos teóricos, así como demostraciones novedosas de tecnología, incluyendo un vanguardista procesamiento de señales, fusión de múltiples datos de sensores y conceptos únicos de operación, que incluyen faros magnéticos y receptores especiales de Radio Definidos por Software (SDR, por sus siglas en inglés) para determinar la ubicación de un objeto, por arriba o por debajo de la tierra. Se provee la capacidad de comunicación de canal de retorno.

Un ejemplo de modalidad del sistema emplea múltiples transmisores en la superficie, en la vecindad de un espacio subterráneo, para proveer faros magnéticos. El procesamiento de señales puede ser suplementado con señales distantes de oportunidad, tanto cooperativas como no cooperativas. El receptor de SDR transportado subterráneamente puede medir ángulos entre distintos transmisores. Las ubicaciones de los transmisores de superficie pueden ser determinadas cuando se despliegan y el campo de radiación magnética puede ser calculado de manera que la ubicación de los receptores subterráneos pueda ser determinada.

Puede incluirse una unidad de orientación por inercia como parte de la unidad de procesamiento, para proveer una referencia estable como una capacidad de navegación provisional. Además del receptor de SDR y de la unidad de orientación por inercia, las modalidades descritas pueden emplear acelerómetros / dispositivos de medición de inclinación, compás magnético, microbarógrafo, que oscilan en el sistema de comunicación de canal de retorno, así como dispositivos automatizados de ritmo / velocidad.

Pueden emplearse múltiples dipolos magnéticos que giran en torno a un eje para proveer mediciones que permitan los cálculos de posición, sin requerir de una orientación particular de los receptores. Una antena de núcleo magnético puede ser provista para un rango incrementado de transmisores, de manera que se permitan las comunicaciones bidireccionales de superficie a subsuperficie. Ésta y otras características de las modalidades descritas se comprenderán mejor con base en la lectura de la descripción detallada que aparece a continuación, en vista de las figuras, las cuales forman parte de esta especificación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La figura 1 muestra la arquitectura de un sistema de posicionamiento.

La figura 2 muestra un diagrama de bloques un receptor de Radio Definido por Software de conformidad con una modalidad.

La figura 3 muestra un transceptor de conformidad con una modalidad.

La figura 4 muestra un diagrama de bloques de un transmisor de faro magnético.

La figura 5a muestra una antena de núcleo esférico y una antena de bucle horizontal.

La figura 5b muestra una antena de núcleo de vástago.

La figura 6 ilustra un análisis de un sistema de posicionamiento de conformidad con una modalidad.

La figura 7 muestra un análisis de errores para el sistema de posicionamiento de conformidad con una modalidad.

La figura 8 muestra la cobertura de los transmisores al realizarse el despliegue de conformidad con una modalidad.

La figura 9 muestra un método de digitalización de subsuperficie de conformidad con una modalidad.

Las figuras 10-1 1c muestran variaciones de un dipolo magnético. La figura 12 muestra una línea de campo de un faro magnético en coordenadas polares.

La figura 13 muestra una variación de un dipolo magnético.

La figura 14 muestra un sistema de conformidad con una modalidad.

La figura 15 muestra la interacción entre un transmisor y un receptor.

La figura 16 es un cuadro que muestra la relación entre el momento magnético efectivo y un momento magnético de bobina sin núcleo DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN En la siguiente descripción detallada, se hace referencia a los dibujos anexos, los cuales forman parte de la presente y muestran, a manera de ilustración, modalidades específicas en las que podrían implementarse las modalidades descritas. Estas modalidades se describen con el suficiente detalle como para permitir que el experto en la técnica implemente las modalidades descritas y debe sobreentenderse que podrían emplearse otras modalidades, así como que podrían realizarse cambios estructurales, lógicos y de otro tipo, sin desviarse del espíritu y alcance de las modalidades descritas en la presente.

Un ejemplo de sistema de posicionamiento 10 se muestra en la figura 1. El sistema de posicionamiento 10 comprende una serie de componentes, los cuales pueden incluir transmisores 12 (según se emplean en la presente, los términos "transmisor" y "faro" son intercambiables) y una unidad de SDR 14 ("receptor"). Las señales adicionales de oportunidad 13, como aquellas de otros transmisores en el rango de frecuencia muy baja / baja / media y señales de radio AM, también pueden ser explotadas como fuentes adicionales de señales, como se explicará con mayor detalle más adelante.

La figura 2 muestra un diagrama de bloques de un receptor 14. El receptor 14 comprende un receptor magnético sensible de tres componentes que es capaz de detectar de manera exacta los vectores de campo magnético que emanan de los transmisores 12, una unidad de procesamiento 15, una fuente de energía 42, un receptor de GPS 17, una unidad de orientación por inercia 19, una antena magnética 31 , un antena dipolar 33, un procesador de señales 43, un transceptor VHF 45, un sistema de navegación terrestre 47 y los sensores secundarios adicionales 30 (v.g., compás magnético, acelerómetros, medidores de inclinación, microbarómetro).

La unidad de procesamiento 15 procesa los datos recibidos por el receptor VLF de tres canales 35, la antena dipolar 33 y los sensores secundarios 30 para proveer una ubicación tridimensional del receptor 14, ya sea por debajo o por arriba de la tierra. La inclusión del receptor de GPS 17 permite que el receptor 14 entre en interfaz con una unidad de navegación terrestre a base de GPS y proporcione una integración completa con los sistemas y bases de datos de información geográfica de superficie. La salida 24 de la unidad de procesamiento 15 puede configurarse de tal manera que las opciones de navegación terrestre existentes para el despliegue e interfaz de usuario, se preserven y se obtengan las ubicaciones subterráneas a partir de una fácil transición del sistema de posicionamiento 10 de las ubicaciones de GPS determinadas empleando las veces que el receptor 14 se encuentra por arriba de las superficies terrestres 5.

El procesador 15 puede almacenar también ubicaciones de referencia de cada uno de los transmisores 12, así como la información de exploración sobre las señales de oportunidad 13. Estos datos pueden ser utilizados para estimar la posición actual del usuario. Las ubicaciones de GPS de los puntos de ingreso se utilizan para proveer la "verdad" para las posiciones de partida. Las salidas del microbarómetro (parte de los sensores secundarios 30) del receptor 14 también pueden emplearse para proporcionar una creciente actualización y corrección de errores para las estimaciones de elevación. Utilizando estos datos, la ubicación calculada puede ser actualizada de manera continua en la salida de despliegue 24.

Los campos magnéticos inducidos por los transmisores 12 son detectados por la antena magnética 31 del receptor 14. Una antena magnética 31 preferida para emplearse con el receptor 14 es el sensor de Cubo Raytheon, un receptor magnético de bobina de aire triaxial que es actualmente uno de los instrumentos más sensibles disponibles con un umbral mínimo de ruido de 10 kHz de 0.6 ftesla/raíz cuadrada Hz para la antena de 30.48 centímetros y de 5 ftesla/raíz cuadrada Hz para la antena de 15.24 centímetros. La unidad de procesamiento 15 opera un receptor VLF de tres componentes 35 y un procesador de señales 43 para calcular el ángulo de desviación y la inclinación de los campos magnéticos de vectores inducidos por los transmisores 12. Utilizando las ubicaciones conocidas de los transmisores 12 y los ángulos de desviación con respecto a los transmisores distantes 12, la unidad de procesamiento 15 determina la ubicación del receptor 14 de manera continua a medida que el receptor 14 se desplaza dentro del espacio subterráneo.

El ruido inducido por el movimiento del receptor 14 puede reducir de manera potencial la exactitud del sistema 10 y, de preferencia, debe reducirse por debajo del umbral mínimo de ruido del sistema 10 para los movimientos de usuario típicos. La frecuencia de operación puede mitigar el ruido indeseable, dado que los componentes de ruido de usuario inducidos a la frecuencia operativa son pequeños. Tomando esto en cuenta, el receptor 14 se encuentra diseñado de manera que el movimiento de los componentes en el rango de frecuencia muy baja de interés (de preferencia por debajo de 10 kHz, sea mínimo. Debe sobreentenderse que el método de tomar en cuenta dicha consideración de diseño podría implementarse de distintas maneras de conformidad con las limitaciones particulares del receptor 14, las cuales podrían ser de tipo físico, eléctrico o estético. Por ejemplo, y de forma no limitativa, las antenas 31 , 33 pueden encontrarse cubiertas por materiales amortiguadoras, v.g., hule espuma, que atenúen de forma sustancial los componentes en movimiento en este rango. Esto puede realizarse con volúmenes relativamente pequeños de material amortiguador. Además, el rango dinámico suficiente en las salidas de la antena 31 , puede ser provisto de tal manera que el ruido inducido por el movimiento fuera de banda (fundamentalmente en el rango de frecuencia extremadamente baja), no sobrecargue los componentes electrónicos. Los sensores de inclinación (parte de otros sensores 30) pueden incluirse en las antenas 31 , 33 para medir el movimiento de las antenas. Los sensores de inclinación en estado sólido a base de sensores micro-electromecánicos pueden ser utilizados con este propósito. Con la información de movimiento adecuada, el filtrado de adaptación puede ser empleado para reducir de manera adicional los efectos del movimiento sobre la antena 31 , 33. La protección complete de Faraday de la antena 31 , 33 puede resultar útil para reducir la interferencia potencial de las interferencias exteriores.

La navegación en ambientes subterráneos es posible realizando una modalidad of el sistema 10 que cuenta con transmisores 12 con dos o más dipolos magnéticos co-localizados con propiedades magnéticas conocidas (v.g., frecuencia, amplitud y orientación dipolar) o dipolos giratorios (dipolos excitados a una frecuencia determinada con la dirección dipolar girando a una velocidad conocida en torno a un eje conocido), como se muestra en las figuras 11b y 11c. Los dipolos giratorios son preferidos y comprenden por lo menos dos alambres dipolares 2 con una señal modulada, de manera que el momento magnético dipolar gira en torno a un eje de rotación 6, produciendo una señal de amplitud asociada que puede ser detectada por el receptor 14. Este acercamiento permite el uso potencial de un número más pequeño de transmisores 12, lo cual proporcionaría también una solución de navegación más sólida. Los esquemas de navegación anteriores requerían de por lo menos tres faros operativos 12. Esta modalidad permite la navegación a partir de un único faro de navegación VLF 12 que comprende dos o más dipolos magnéticos transmisores co-localizados.

Si la calibración de la antena magnética 31 y el receptor VLF 35 es conocida, así como el magnetometro y el transmisor 12 se encuentran sincronizados, puede obtenerse la posición exacta del magnetometro a partir de un solo faro 12 en un espacio vacío. Si el dipolo giratorio gira en la totalidad de las tres dimensiones de un faro 12, entonces el cojinete en el sistema global de coordenadas puede ser obtenido empleando un solo transmisor 12.

Las soluciones de ubicación o navegación para la modalidad de dipolos giratorios, puede extenderse también a las modalidades de dipolos co-localizados. Como se muestra en la figura 10, un faro de dipolos colocalizados 12 es un faro 12 que comprende dos o más dipolos magnéticos oscilatorios que son accionados por separado. Los dipolos se ubican de tal manera que sus centros 3 se encuentren en el mismo punto. Las orientaciones de los momentos magnéticos 4 para cada dipolo, son diferentes. Un cubo con tres bobinas envueltas en torno a sus caras perpendiculares, es un ejemplo de un dipolo co-localizado. Una esfera con varias bobinas es otro ejemplo. El transmisor 12 puede basarse en un ferronúcleo magnético 44 (esfera, cubo, etcétera; figuras 5a y 5b) o puede carecer de núcleo.

La figura 10 es un ejemplo de un faro de dipolos co-localizados sin núcleo 12 basado en dos bobinas 2. La figura muestra dos dipolos colocalizados. Dos bobinas de alambre 2 transportan Corrientes de dos alimentaciones separadas de energía. Las bobinas 2 son fijas en el espacio, aunque la corriente en cada una de las bobinas 2 es modulada de manera diferente. Por ejemplo, una bobina 2 es accionada a una frecuencia f1 y la otra a una frecuencia f2 que produce una señal de amplitud asociada que puede ser detectada por el receptor 14.

Un faro dipolar giratorio 12, como aquel que se muestra en las figuras 11a a 11b, es un dipolo magnético que gira en torno a un eje 6 en el espacio. Una modalidad incluye un transmisor 12 con el eje de rotación 6 perpendicular a la orientación del dipolo magnético resultante que gira con una velocidad angular constante. La figura 11a muestra un faro magnético que comprende un dipolo magnético que se hace girar en torno a un eje 6 perpendicular a su vector magnético 4 (momento magnético dipolar). La figura 1 1b muestra un faro magnético 12 con el campo equivalente a aquel en la figura 11a. Las dos bobinas de alambre 2 son perpendiculares entre sí. La fuente de corriente es modulada por una señal igual al seno y coseno de la fase de rotación. La figura 11c muestra un faro 12 capaz de realizar la rotación tridimensional del dipolo magnético efectivo (tres dipolos co-localizados).

Un faro dipolar giratorio no tiene que contar con ninguna parte movible. Por ejemplo, un faro descrito en la figura 11 b con dos bobinas magnéticas 2 perpendiculares entre sí, producirá el mismo campo si la fuente de corriente que acciona las dos bobinas ortogonales 2 en la figura 11 b se encuentra produciendo las corrientes definidas por la siguiente Ecuación 1 : ( ????? = ' Rotación SGn(<P otación) l ^ Verde = ^Rotac i 0ii CO S(^> Rotación)" ^ ^ en donde ¡verde e zui y son las corrientes respectivas a través de las dos bobinas 2 e ¡Rotación es la corriente a través de la bobina giratoria, mientras que ( otación es el ángulo de rotación de la bobina giratoria. Pueden derivarse fórmulas similares para los faros que comprenden bobinas que no son ortogonales.

En un caso de velocidad angular constante, la ecuación que define dichas corrientes puede ser mostrada por la Ecuación 2, de la siguiente manera: 'Azul = Votación sen(wf)sen(íl/ + F) = / Rfl^10n (Cos((0J + O)? 4- F) - COS(w - O)G - F) 'vente = 'Rotación sen(wí)cos(f-/ + F) = ¡Kot8ioa (8ß?((? + fl)t + F) 4- sen(w - O)G - F) (Ec. 2) En otras palabras, un dipolo giratorio es tan sólo un caso especial de un dipolo co-localizado general. La rotación tridimensional completa del dipolo es un equivalente a 3 dipolos co-localizados (figura 11c). En una formulación equivalente, el momento magnético del faro se describe con la siguiente Ecuación 3: M = M .seu.(flr + F) (Ec. 3) 0 en donde M = cosrof es el valor dipolar, O y f son la frecuencia de rotación y fase, así como ? es la frecuencia de transportación de faro. Por razones de simplicidad, la fase de la señal de frecuencia transportadora de faro se especifica en 0.

Los dipolos co-localizados permiten que la línea de cojinete (LOB, por sus siglas en inglés) sea determinada por un receptor 14 con una orientación desconocida. Para resolver la LOB, se determinan 5 variables: 2 ángulos con respecto a la posición del receptor 14 en el sistema de coordenadas del dipolo magnético (faro) y 3 ángulos que determinan la orientación y posición del faro en el sistema de coordenadas del receptor 14. Teóricamente, la distancia puede ser determinada también. La geoubicación total requiere de la medición de una sexta variable: la distancia entre el faro y el receptor 14.

Las mediciones del campo magnético producen tres mediciones por dipolo magnético en un faro de transmisor co-localizado 12. Por lo tanto, cualquier faro co-localizado permite la determinación de LOB en las coordenadas del receptor 14.

Cuando un faro magnético se localiza en el origen de un Sistema de Coordenadas Globales (GCS, por sus siglas en inglés) y el faro colocalizado es un faro giratorio con el dipolo girando en torno al eje z 6 en el GCS, el valor del vector magnético en GCS es descrito mediante la Ecuación 3 anterior. El campo magnético (B) del dipolo es determinado a través de la Ecuación 4, de la siguiente manera: Por lo tanto, el valor del campo magnético en un punto r en GCC, en donde: X r = Y Z se expresa con la Ecuación 5, de la siguiente manera: B Global - - 3z2 sen.(nf - 0) (Ec. 5) La figura 12 muestra un faro magnético en coordenadas polares.

El faro se localiza en el origen del sistema de coordenadas X, Y, Z. La unidad del receptor 14 se encuentra en el punto de origen del vector B. El vector M del momento magnético dipolar 4 denota una orientación instantánea del momento magnético del faro en un punto particular en el tiempo. Se muestra la línea del campo magnético instantáneo 32 para la posición de corriente del faro giratorio. La línea del campo magnético 32 se interseca con la posición del magnetómetro. El momento magnético 4 es excitado por una bobina magnética, v.g., 2, que opera a una frecuencia fija por debajo de 10 kHz, al mismo tiempo que gira en torno al eje Z 6 a varias docenas de revoluciones por minuto. En un sistema de coordenadas polares definido por el receptor 14 así como el centro 3 del dipolo, los valores del momento magnético 4 y la distancia son definidos a través de la Ecuación 6, de la siguiente manera: M cos(f2r + F - >)cos(9 M M sen(Hr + F - f) T ~ L M eos (fír 4- F - <¿>)sen# (Ec. 6) En donde e,, se refiere a un vector unitario en la dirección correspondiente. Por lo tanto, las magnitudes de los componentes del campo magnético B son definidas a través de la Ecuación 7, de la siguiente manera: (Ec.7) La característica importante de la Ecuación 7 anterior es el hecho de que la misma separa las dependencias radial (r), de ángulo de desviación (f) y de inclinación (3) del campo magnético. El cuadrado del valor del campo magnético puede ser determinado a partir de la Ecuación 8, de la siguiente manera: \B\ = (^3) ·(! +3cos2(nr + <í>-¥>)-cos2(?) = = ( ^j) -(1 + 1.5- cos2c? + 1.5· cos2(? · cos(2 · (O/ + F - f))) = fUoM 2 3 (A \ = (^3) ' 4 3 +cos2<9 + (l + cos2<?)¦ cos(2 · (O? + F - ?)) (Ec.8) Adviértase que el valor de |6|2 es independiente de la orientación real del receptor 14. Sin embargo, si la dependencia del tiempo de |S|2 es conocida, esto provee suficientes ecuaciones para resolver la distancia (/"), ángulo de desviación {f) e inclinación (3) en el sistema GCS.

La navegación de LOB en el receptor 14 / Sistema de Coordenadas Locales (LCS, por sus siglas en inglés) puede realizarse usando esta modalidad. El receptor 14 mide los valores instantáneos del campo magnético Bx, By, Bz. Para determinar la LOB del faro 12, debe encontrarse una orientación en el sistema LCS en donde la dependencia del tiempo de los componentes correspondientes del vector magnético satisfaga la Ecuación 7. Para encontrar esta orientación, puede retirarse la frecuencia de transportación adaptando el valor del campo magnético en cosíyf y y cambiar las frecuencias por el valor de ?. Según se deriva de esta modalidad, los valores de campo magnético descritos son valores algebraicos de la modulación. Los valores del campo magnético Bx, By, Bz se adaptan en cos ¾ y siní2r, de modo que aplique la siguiente Ecuación 9: B x=ax cos(Qr+<í>)+bx ßß?(O?+F) z=az cos(Qí+ )+bz 8ß?(O?+F) (Ec. 9) Los factores definidos son los siguientes: Vo = a y W° = Los ángulos a y ß se encuentran para definir la rotación del detector del campo magnético empleando la Ecuación 10, de la siguiente manera: rot, = (Ec. 10) de manera que el nuevo eje y sea paralelo al plano de la rotación del dipolo magnético al satisfacerse la Ecuación 1 1 , de la siguiente manera: V' = rot¡¦ Vo W¡ = rot¡¦ W° y el ángulo ? es determinado mediante la Ecuación 12, de la siguiente manera: cosy 0 seny rot¡¡ = 0 t 0 -seny 0 COSy (Ec. 12) de manera que el nuevo eje x mire hacia el transmisor 12, de modo que se satisfaga la Ecuación 6, de la siguiente manera: ( Vi¡ - rot¡¡¦ V \ W¡¡ = rot¡¡¦ W¡ Vf ' + wf + 4 · V 2 + 4 · wf = 4 · vf + 4 · wf (Ec. 13) Se calcula la siguiente Ecuación 14: *2 yi Z2 = rot¡¡ · rot¡ 3 yi ¾ (Ec. 14) en donde el vector: mira hacia el transmisor en el Sistema de Coordenadas Locales. Una vez que se realizan estos dos ajustes, puede calcularse la dirección al receptor 14 en el sistema de coordenadas de faro advirtiendo que el vector: - 2- ( i'')2 + (Wj')2 (Ec. 15) en el Sistema de Coordenadas Globales mira hacia el receptor 14. El vector D no es unitario y puede ser normalizado de manera que: _ D D0 =— \D\ (Ec. 16) La Ecuación 13 es cierta después de que se aplica rot¡¡. Por lo tanto, debe determinarse si el ajuste descrito en la Ecuación 9 y 10 debe ser realizado después de aplicar la Ecuación 12 a los campos medidos de la Ecuación 9, como en la siguiente Ecuación 17: Para determinar la LOB del receptor 14, se encuentra una orientación en el sistema GCS en donde la dependencia del tiempo de los correspondientes componentes de vector del campo magnético de la señal de amplitud asociada satisfaga la Ecuación 7. Para encontrar esta orientación, puede retirarse la frecuencia de transportación ajustando el valor del campo magnético en cosorf y sinwí y cambiando las frecuencia por el valor de ?. Los valores instantáneos de la fuerza del campo magnético cuadrado pueden calcularse usando la Ecuación 18, de la siguiente manera: B \2 = \ B X\2+\ B \2+ \ B Z\2 (Ec. 18) El valor de la fuera del campo magnético se ajusta en cos t y s'm t, de manera que se satisfaga la Ecuación 19, de la siguiente manera: \ B l2=c1 COS(2í"á+2 I>)+C2 sen(2Q+2 )+c3 (Ec. 19) Los valores del ángulo de desviación (<j>) y de inclinación (9) en el sistema GCS pueden ser determinados empleando la Ecuación 20, de la siguiente manera: El valor de C3 en la Ecuación 19 anterior no puede ser determinado de forma exacta en un ambiente Ruidoso, incluso si la integración se realiza a lo largo de un tiempo prolongado. El valor de la proporción de C1 y C2 es algo menos susceptible al ruido. En este ambiente, un faro giratorio dual, como aquel mostrado en la figura 13, puede ser introducido de manera que su momento magnético 4 (o su señal asociada) se defina a través de la Ecuación 23, de la siguiente manera: M = | El faro mostrado en la figura 12 es capaz de producir un momento magnético 4 como aquel descrito para M por la Ecuación 23 anterior. Utilizando las Ecuaciones 8 y 18 a 20, pueden derivarse los valores de ángulo de desviación en los sistemas de coordenadas definidos de manera independiente por M1 y M2. El valor del ángulo de desviación en el sistema de coordenadas M2 de la figura 13 es la inclinación en el sistema de coordenadas M1 y viceversa. La figura 13 muestra un faro giratorio y los momentos magnéticos relacionados 4, los cuales giran de forma independiente en los planos XY y YZ.

Para detector los momentos magnéticos 4 de la figura 13 por separado, únicamente una de las dos frecuencias (de transportación y giratoria) que caracterizan cada uno de los momentos magnéticos debe ser diferente. Por ejemplo, podrían tener la misma frecuencia de transportación si las frecuencias de rotación son diferentes. De manera inversa, podrían tener la misma frecuencia de rotación, si así se desea Es importante saber si el receptor 14 se encuentra calibrado y se conoce la amplitud del faro 12, si se conoce la fase T del faro 12 y si el receptor 14 se encuentra sincronizado y, con base en ello, qué puede ser determinado. Si el receptor 14 se encuentra calibrado y la amplitud del faro 12 se conoce, así como si se conoce la fase del faro 12 y el receptor 14 se encuentra sincronizado, puede determinarse la posición exacta del receptor 14 en el sistema GCS. Si el receptor 14 no se encuentra calibrado ni se conoce la amplitud del faro 12, pero se conoce la fase del faro 12 y el receptor 14 se encuentra sincronizado, entonces el cojinete del receptor 14 en el sistema GCS puede ser determinado. Si el receptor 14 no se encuentra calibrado o no se conoce la amplitud del faro 12, así como si la fase del faro 12 no se conoce o el receptor 14 no se encuentra sincronizado, el cojinete del receptor 14 en el sistema LCS puede ser determinado.

Utilizando un sistema 10 como aquel mostrado en la figura 14, puede derivarse que un faro 12 con tres o más dipolos co-localizados proporcione cojinetes en el sistema GCS y no se requiere de un faro giratorio 12. En esta modalidad, cuando se utiliza un solo dipolo giratorio por faro 12, el ángulo de desviación hasta el receptor 14 en las coordenadas del faro 12 puede ser determinado. Se emplean tres faros 12 con ejes Z 6 de faro no paralelos para la triangulación. Cuando se emplean múltiples (2 ó más) dipolos giratorios por transmisor 12, puede determinarse la LOB completa hasta el receptor 14. Esto utiliza dos faros 2 para realizar la triangulación, en donde uno de ellos puede ser un único dipolo giratorio. Con un faro 12 ajustado de manera active, el faro 12 gira en torno a la orientación al receptor 14 y se emplea un canal de comunicación. Ahí, la orientación del faro 12 rastrea al receptor 14 en busca de una proporción más alta de señal a ruido y puede determinarse la LOB completa hasta el receptor 14. Como tales, se emplean dos faros 12 para realizar la triangulación y se emplea una energía total menor que para la configuración del faro giratorio múltiple 12.

En otra modalidad, se elimina la necesidad de proveer al receptor 14 una sincronización independiente basada en el tiempo con el transmisor 12 para la navegación magnetométrica escalar de la línea de cojinete usando dipolos magnéticos giratorios co-localizados. En esta modalidad, dos dipolos magnéticos giran en torno al mismo eje 6 y es posible que solamente se empleen dos bobinas magnéticas 2. Dicha modalidad puede ser considerada añadiendo una segunda bobina 2 a la modalidad mostrada en la figura 11a, de manera que se provoque que dos dipolos giren en torno al eje 6, aunque la fase de las señales se encuentra a diferentes frecuencias de pulsación. La fase de una señal en las diferentes frecuencias de pulsación generadas por los dos dipolos giratorios, es independiente de la posición y orientación del magnetómetro y de esta manera puede emplearse como una señal de reloj. Adicionalmente, además de utilizar los dipolos magnéticos gemelos para la sincronización de reloj, también podrían emplearse para la navegación.

Para medir al ángulo entre las partes reales de los campos magnéticos que se describen anteriormente, cada uno de los transmisores 12 y receptores 14 deben proveerse con mecanismos de temporización altamente exactos y estables (parte de los receptores de GPS 17, 18 u otros sensores 30), que se sincronizan entonces mutuamente al inicio del periodo de interés. La figura 15 muestra cómo el receptor 14 puede interceptar las líneas de campo magnético 32 de la señal resultante de los dipolos magnéticos de un faro 12 con base en las mediciones del ángulo de desviación 7, la inclinación 8 y el campo magnético.

En un ambiente en donde la conductividad es alta, la sincronización con una frecuencia de pulsación podría usarse para compensar errores relacionados con los efectos de la propagación temporal (entre los transmisores 12 y el receptor 14). El campo magnético de dos momentos magnéticos (M) con la misma frecuencia de modulación ? girando en torno al eje Z 6 con frecuencias y O2 se describe a través de las siguientes Ecuaciones 24 y 25: (Ecuación de momento magnético) Micos( it + ? ) + M2cos(n2r + F2) M i de??(O? I 4- F? ) + M sen(ñ2t + F2) • COSCc o (Ec. 24) (Ecuación de campo magnético) En coordenadas de latitud / longitud, los valores del campo son determinados a través de la Ecuación 26, de la siguiente manera: De manera correspondiente, el valor del cuadrado del campo magnético B es determinado por la Ecuación 27, de la siguiente manera: B + ? - f)) + + Ténnino 1 )) ++ Ténnino 2 2^-cos2(? + 1 j + M2^ - cos2(? + 1 ++ Ténnino 3 Mi 2cos2c? · cos(ÍV + F1 + O2? + F2 - Ténnino 4 Mi 2(3cos?(? + 2) · cos(ÍV - ¿ + F. Ténnino 5 (Ec. 27) Con respecto a los términos 1, 2 y 4 anteriores (Ecuación 27), cada uno de los mismos, o bien la totalidad de los mismos juntos, pueden utilizarse para determinar el ángulo de desviación f del magnetómetro. El primer Término (o su Segundo Término equivalente) se emplea para determinar el ángulo de desviación en caso del transmisor 12 que comprende un solo faro giratorio 12. El cuarto término es muy similar a los primeros dos Términos, excepto porque se trata de una frecuencia de pulsación. El quinto Término, la diferencia de la frecuencia de pulsación, es independiente del ángulo de desviación.

El término de la diferencia de la frecuencia de pulsación podría ser utilizado para la sincronización como una señal de reloj. Dado que el valor de fase de ese Término es independiente del ángulo de desviación, su fase puede ser empleada como un reloj para determinar el momento de partida de la navegación. En un ambiente en donde la conductividad es alta, la sincronización con una frecuencia de pulsación podría ser usada para compensar los efectos de propagación temporal, dado que el retraso de tiempo en la detección de la señal a partir del quinto Término es muy similar a aquellos para los Términos 1 , 2 y 4.

Los Términos de la suma y la diferencia de las frecuencias de pulsación podrían usarse para determinar la elevación. La proporción de las amplitudes de los últimos dos términos, depende de la elevación únicamente y se expresa a través de la Ecuación 28, de la siguiente manera: Término 4 3cos & Término 5 3cos2(3 + 2 _ nn^ (Ec. 28) La proporción es independiente tanto del ángulo de desviación como de la distancia. Ambos de estos términos pueden ser medidos en un ambiente ruidoso. Normalmente, se espera que la proporción de la amplitud sea más ruidosa que la medición de fase. A diferencia del caso de un faro giratorio único, sin embargo, ninguno de estos términos se mide a una frecuencia fija (2a>), pero son equivalentes de la medición de la diferencia de las señales a dos frecuencias diferentes alrededor de 2?.

En otra modalidad, el receptor 14 también puede incorporar una vía de comunicación de canal de retorno integrado que permita que el usuario mantenga una comunicación elemental a todo lo largo y en el exterior de la ubicación subterránea enlazada con sistemas de comunicación tradicionales localizados cerca del punto de ingreso. Como se muestra en la figura 3, una modalidad utiliza transceptores ad hoc interconectados en malla en miniatura, desechables, que pueden ocultarse con facilidad 36 con este fin.

El protocolo de interconexión de redes puede configurarse para permitir la unión automática de redes, transmisión y actualización usando el receptor 14 y los transceptores 36. Una transceptor de radio de base de 2.4 GHz 36 mide menos de 21 x 27 x 6 mm, incluyendo una antena, o bien alrededor del área de una estampilla de correos. En la operación, un usuario puede dejar caer o colocar estos transceptores 36 como un camino de "migajas de pan" a medida que se mueve a lo largo de un túnel o instalación. Cuando se ubican en equinas o cuellos de botella, los transceptores 36 son capaces de comunicar varios cientos de metros antes de que deba colocarse otro.

El transceptor VHF 45 (figura 2) del receptor 14 puede tener un transceptor 36 incrustado en sus componentes electrónicos que se comunique con el camino de "migajas de pan". En la entrada a un área subterránea, un transceptor de comunicación convencional (no mostrado) puede conectarse con un canal de comunicación para el resto de la red que soporta la operación. Los transceptores 36 pueden enviar y recibir datos. El receptor 14 puede configurarse con métodos para que un operador introduzca de forma fácil y rápida comandos codificados que pueden ser comunicados a y desde la red de comunicación. Para este propósito puede emplearse un asistente digital personal pequeño, portátil o que pueda ponerse, o bien un dispositivo de salida de usuario similar 24 ó 16. También es posible enviar y recibir comunicaciones de voz ya sea intermitentes o continuas a lo largo de esta misma red. Además, los usuarios son capaces de enviar su posición al resto del equipo de operaciones. De manera similar, los usuarios son capaces de recibir, a través de la misma red, las ubicaciones de otros usuarios en un equipo a medida que reportan sus posiciones con otros receptores 14.

Haciendo referencia nuevamente a la figura 1 , los transmisores pueden ser faros magnéticos de superficie 12 que proporcionen una señal en diferentes frecuencias en el rango de frecuencia muy baja / baja. De tres a cuatro de estos transmisores 12 generalmente son preferidos para dar soporte al receptor 14 del sistema de posicionamiento 0, como en su uso en un espacio subterráneo.

La figura 4 muestra un diagrama de bloques de un transmisor 12. Cada uno de los transmisores 12 comprende una alimentación de energía 16, típicamente un paquete de baterías capaz de dar sustento al sistema durante hasta 30 ó más horas, que puede extenderse con baterías adicionales, un procesador 25, un transmisor de Muy Alta Frecuencia ("VHF", por sus siglas en inglés) 27, un transmisor de Muy Baja Frecuencia ("VLF", por sus siglas en inglés) 29, una antena dipolar 20 y una antena de lazo magnético 21. El transmisor 12 provee una fuente de frecuencia ajustable detectable a través del receptor 14. El receptor de GPS 18 podría ser utilizado por el procesador 25 para determinar la ubicación del transmisor 12 dentro de una distancia de un metro. Las coordenadas son transmitidas al receptor 14 como datos de configuración 23 antes de que el receptor 14 se introduzca en el espacio de interés, ya sea por arriba o por debajo del suelo. La antena de transmisión 21 puede ser una simple bobina de alambre o un sistema más complejo que emplee un núcleo de ferrito. Los transmisores 12 podrían empacarse para su emplazamiento manual, para lanzamiento aéreo o para montarse en vehículos.

Haciendo referencia de nuevo a la figura 1 , cuando el receptor 14 es operado en un espacio de interés subterráneo 50, cantidades variables de tierra, roca y elementos del suelo de la superficie 5 pueden ser desechadas entre los transmisores 12 y el receptor 14. Con el fin de determinar la fuerza de salida del transmisor 12 requerida para la detección por parte del receptor 14 bajo dichas circunstancias, un operador podría suponer una fuente de 1 Am2 y calcular los campos en la ubicación recibida como una función de la frecuencia (2p?), profundidad (R) y conductividad de la tierra (s). Para un dipolo magnético vertical en la superficie de la Tierra 5, los campos son descritos para el caso cuasi estático en donde la distancia del transmisor 12 a la fuente es mucho menor que una longitud de onda en el medio conductor (v.g., la superficie de la Tierra 5). En dicho medio, la propagación constante es determinada usando la Ecuación 29: (Ec. 29) en donde µ y e son la permeabilidad y permisividad del medio conductor y ? es la constante de propagación. Por definición, la longitud de onda (?) en los medios conductores, se muestra a través de la Ecuación 30, de la siguiente manera: 1/??? =? (Ec. 30) Para las condiciones de: 10 1 < s < lO^ mhos 100 < R < 1000 metros 100 < f < 106 hertz el principal componente del campo magnético en las paredes de un túnel en la ubicación del receptor 14 es el campo magnético vertical, determinado por la Ecuación 31 de la siguiente manera: 3meyz p-??? (Ec. 31) en donde m es el momento de dipolo magnético en Amp-m2. Hacer algunas suposiciones para las condiciones operativas típicas: s = 10"3 mhos f = 10,000 Hz R = 100 y 300 metros Produce los siguientes valores para la Resistencia de campo en el receptor 14: R - 100 n Hz = 1.5 x 105 ÍTesla R = 300 m, Hs, = 1.9 x 101 ÍTesla De nuevo, los valores anteriores suponen un momento dipolar de transmisión de 1 A-m2.

La sensibilidad de la antena de base de cubo ELF de 15.24 centímetros para usarse en el receptor 14 es de 6 ÍTesla a 10 kHz. Suponiendo que esta sensibilidad es tangencial (SNR = 6dB), esta modalidad puede operar a 20 dB SNR y un ruido límite de banda de 1 Hz para dar una respuesta satisfactoria de sistema dinámico. Calcular la resistencia deseada del transmisor 12 deseado muestra que los momentos dipolares usados son 1.6 x 10"3 Am2 a 100 m de profundidad y 0.8 Am2 a una profundidad de 300 m. Éstas son resistencias generadas de forma relativamente fácil en el rango de 5 a 10 kHz. Por ejemplo, el transmisor Zonge NT-20 TEM operado con batería que controla un lazo de 1 m2 puede generar fácilmente un momento dipolar de 25 Am2. Pueden generarse momentos mucho más grandes si este transmisor emplea una antena más grande.

Se utilizan faros magnéticos de muy baja frecuencia (VLF, por sus siglas en inglés) para implementar los sistemas de navegación de subsuperficie descritos en la presente. Estos faros magnéticos son compactos, hacen un uso eficiente de la energía y son poderosos, generando un alto momento magnético con una mínima energía. La figura 5a ilustra un ejemplo de antena dipolar 20 y la antena de bucle horizontal 21 del transmisor 12 mostrado en la figura 4. La antena 21 puede tener las siguientes características: un núcleo de aire 44, 100 vueltas de 37 alambres de aluminio, dos capas de grosor, 0.1 m de radio y 0.26 m de alto. Una antena 21 de esta configuración pesaría alrededor de 3.7 kg y tendría una impedancia de entrada con 10 kHz de 1+J48 O. Para crear un momento dipolar de 1 A-m2, se operaría con una entrada de energía de 0.3 amperios a 15 voltios ó 5 Watts. Puede emplearse un amplificador de energía eficiente, Clase D, para producir la señal de control con niveles aceptables de distorsión armónica y con eficiencias del 90%. Por lo tanto, para alrededor de 6 Watts de potencia de batería, el transmisor puede proveer una señal de transmisor de CW constante.

Para un diseño que utilice una bacteria primaria de L1SO2 de celdas 10 D que suministre 175 Watts-hora a 15 voltios, el transmisor 12 puede operar más de 30 horas. Los parámetros de la antena 21 no se encuentran limitados a la configuración anterior, pero podrían encontrarse configurados para utilizar la optimización para reducir al mínimo el consumo de energía y producir el mayor momento dipolar transmitido que se requiera. El diseño de los componentes electrónicos del amplificador es claro y no será discutido más en la presente.

Con el fin de incrementar el momento magnético, en otra modalidad, la antena 20 puede diseñarse usando un núcleo magnético 44, en lugar de un núcleo de aire 44. El núcleo magnético 44 puede disparar el momento magnético efectivo, con la ventaja sobre un núcleo a base de aire 44 de que, a diferencia del número de vueltas del alambre 37, el núcleo magnético 44 arranca tanto el momento magnético (M) como la inductancia (L) en la misma proporción, como se muestra en la figura 16. La permeabilidad magnética puede encontrarse en el rango de 10 a 50. Esto puede lograrse usando un núcleo de ferrito 44 de diámetro pequeño o un núcleo de hule espuma 44 de diámetro grande con partículas de ferrito suspendidas en el mismo. Con base en el modelado de una bobina magnética de una sola vuelta con un diámetro de 1.001 metros y un momento magnético de 1 Am2, el momento magnético efectivo de una bobina 37 con un núcleo esférico 44 se expresa con la Ecuación 32 de la siguiente manera: Msfeclim = (Ec. 32) en donde M es el momento magnético sin el núcleo 44 y µ es la permeabilidad del material magnético. El modelo calculado sigue la gráfica de la figura 16.

El núcleo magnético 44 puede ser esférico, como se muestra en la figura 5a, ó un núcleo de vastago cilindrico 44 como la antena 34 mostrada en la figura 5b. La antena del núcleo magnético 34 que incluye un núcleo magnético 44, en particular un núcleo de vástago cilindrico 44, puede emplearse para proveer una comunicación bidireccional entre la superficie y el subsuelo en el sistema 10. Con dicha antena 34 incluida en el receptor 14, así como sobre la superficie, el momento magnético puede ser amplificado a tal grado que sea posible mantener una comunicación continua. Esto permite que un usuario del receptor 14 mantenga comunicación continua, bidireccional de superficie a subsuperficie a través del sistema 0.

La figura 6 muestra una señal polarizada elípticamente 28 y un diagrama 26 de potencia de señal recibida frente a la orientación de la antena. El diagrama 26 de la distribución de la energía muestra una señal polarizada elípticamente enviada por un transmisor 12 y recibida por un Cubo Raytheon utilizado como un receptor 14. Una vez que las señales de los faros 12 son recibidas por el receptor 14, éstas pueden ser procesadas para determinar el ángulo de desviación del vector del campo magnético primario de cada uno de los transmisores 12, según se reciban. Cada canal correspondiente a las frecuencias de transmisión de las antenas 21 en la superficie, puede ser procesado de esta manera para determinar los ángulos sólidos entre los campos de vectores de cada uno de los transmisores 12. Además de las señales de los transmisores de superficie 12, otras señales de oportunidad 13 (figura 1 ), como los faros de navegación, sistemas de comunicación de muy baja frecuencia, así como Programa de Investigación Auroral Activa de alta frecuencia (HAARP, por sus siglas en inglés), pueden ser empleadas para proveer información adicional sobre la ubicación.

La exactitud de ubicación del sistema 10 se ve afectada por la capacidad del receptor 14 para comprender de manera exacta y compensar las anomalías de propagación en el medio entre los transmisores de superficie 12 y el receptor 14 cuando el receptor 14 se encuentra debajo de la tierra. Las señales de oportunidad 13 pueden en ocasiones ser utilizadas para caracterizar el medio (v.g., por debajo de la superficie 5). Las fuentes distantes de las señales de oportunidad 13 pueden producir básicamente campos uniformes en la superficie de la región en torno al área operativa. Estos campos uniformes pueden proporcionar una fuente de señales que pueden ser medidas en el receptor 14. Midiendo de manera exacta estas señales 13, los efectos de la falta de homogeneidad en el medio pueden ser estimados. Estos efectos pueden emplearse entonces para ajusfar la dirección medida de la llegada de las señales de los transmisores de superficie 12, para predecir de manera exacta la ubicación del receptor 14.

En la práctica, las señales recibidas podrían no siempre ser tan "limpias" como se muestra en el ejemplo de la figura 6, pues puede haber una energía de múltiples vías, así como fuentes magnéticas secundarias inducidas. Sin embargo, este desorden aparente puede ser discriminado del campo primario debido a sus características de señal y cambio de fase de cuadratura. Con el fin de discernir adicionalmente la ubicación para el receptor 14, pueden emplearse sensores adicionales 30 (figura 2), como se ha mencionado previamente, con el receptor 14 para proveer información independiente ya sea para identificar directamente la ubicación o para ayudar a sopesar la contribución de las señales del faro 12. Los sensores adicionales 30 pueden incluir un compás magnético, acelerómetros / medidores de inclinación, un microbarógrafo, que oscila entre las tarjetas de transmisión comunicación de canal de retorno, así como un podómetro para una versión para ser cargada por una sola persona y un odómetro para una unidad montada en vehículo.

Si, durante un periodo de tiempo en la operación subterránea, no se detecta señal alguna en absoluto, el sistema de orientación de inercia 19 (figura 2) podría proveer información de ubicación actualizada varias veces por segundo. De esta manera, el receptor 14 podría continuar la operación durante los momentos en los que los transmisores 12 se encuentran temporalmente fuera de rango o se producen anomalías significativas en el receptor 14 que distorsionan los campos magnéticos para tener un impacto negativo sobre la ubicación calculada. Otra modalidad permite el uso de campos magnéticos para la localización sin requerir del uso de una unidad de navegación de inercia para orientar el sensor del campo magnético sensor del receptor 14. Si se encuentran disponibles múltiples fuentes de campos magnéticos a partir del transmisor 12 de una ubicación y frecuencia conocidas, los parámetros de campo magnético pueden ser medidos independientemente de la orientación del receptor 14, empleando los ángulos entre las partes reales de los archivos magnéticos creados por cada uno de los transmisores 12. Esta modalidad se adapta bien para emplease con las antenas magnéticas 20, 21 , 34 de núcleo de ferrito 44 mostradas en las figuras 5a y 5b.

Aunque el sistema de orientación de inercia 19 resulta útil para situaciones en las que el receptor 14 se encuentra fuera del rango de los transmisores 12, es menos confiable si se depende completamente del mismo, proporcionando en ocasiones coordenadas erróneas debido a las desviaciones. También requiere que el receptor 14 se oriente adecuadamente, lo cual podría resultar inconveniente en ocasiones. El magnetómetro del receptor 14 puede ser utilizado como una revisión adicional de ubicación durante periodos de uso cuando el receptor detecta el campo magnético de por lo menos dos transmisores 12. El receptor 14 mide un campo magnético en el sistema de coordenadas de su propio cuerpo. Suponiendo que el Sistema de Coordenadas Globales y el sistema de coordenadas del cuerpo se encuentren alineados, el receptor 14 puede medir tres valores de componentes (x, y , z) del campo magnético H de conformidad con la Ecuación 33, de la siguiente manera: ó para una señal sinusoidal pura, de conformidad con Ecuación 34, de la siguiente manera: Sin embargo, el sistema de coordenadas global y corporal no se encuentran necesariamente alineados. La relación entre estos sistemas de coordenadas se describe a través de una matriz de rotación dependiente del tiempo de 3 x 3 Rot(t), de manera que el receptor 14 mida realmente H de conformidad con la Ecuación 35, de la siguiente manera: (Ec. 35) en donde Rot(t) satisface la Ecuación 36, de la siguiente manera: (Ec. 36) Resulta importante advertir que el cuadrado del vector magnético es independiente de la orientación del receptor 14, como lo muestra la Ecuación 37 que aparece a continuación: HMed T( - H Med H(t) HT{t)-H{t) (Ec. 37) Las variables pueden ser extraídas de las mediciones del cuadrado de la amplitud del campo magnético (Ecuación 37). Suponiendo que los faros magnéticos de dos transmisores 12 se encuentran generando los campos H1 y H2 en la ubicación del receptor 14 que puede describirse como: ?? =???·??8(???+???·^?(???=?ß(??ß'?1?) (Ec. 38) La salida de un receptor 14 expuesto al campo magnético (Ecuación 34) será descrita aún con las Ecuaciones (36) y (37): H · sen (? A t)+ H2R-COs((ú2t)+ ?2?· *ß?(?2?))++ Ruido (Ec. 39) Al combinar los términos de frecuencia de la Ecuación 39, utilizando la Ecuación 40 que aparece a continuación, puede derivarse: (Ec.40) ^ Ht -H2 ·3ß?((?? + ?2)?)++ H i · H2— H i · H 9 — — - cos((w1+w2)r)++ 2 ^fl 2 2 __„/ 2 IH +|H2| -IH,] -1H2| 2 ++ Riiido La detección coherente en frecuencias de faro dobles y frecuencias de pulsación, recuperará los valores de cada uno de los términos en la Ecuación 40. Por ejemplo, al utilizar la Ecuación 41 que aparece a continuación, uno puede recuperar los términos quinto y séptimo de la Ecuación 40. 2 2 f rT __r _ * H -72 -H¡-H2 ' d J .t"-H ( ·/ (G)·??5((?? -?2)? = - 2—— l- T J 'o° (Ec.41) La Ecuación 40 no permite una completa recuperación de los vectores. Cada uno de los vectores cuenta con 3 componentes tanto para partes reales como imaginarias. Por lo tanto, existen 12 variables desconocidas en la Ecuación 40 y únicamente 8 sub-ecuaciones. Sin embargo, la Ecuación 40 permite la recuperación de un valor muy importante, es decir, el coseno del ángulo entre los vectores de partes reales del campo magnético generado por los dos transmisores 12 (1 y 2): Puede determinarse el numerador de la Ecuación 42 a partir de la Ecuación 40.

En un medio isotrópico, el denominador de la Ecuación 42 puede ser recuperado también. Hay ocho sub-ecuaciones y ocho elementos desconocidos en la Ecuación 40, en particular: , n? j*_ · tpi 2R TJ R jjl r R I En medios no isotrópicos, la Ecuación 42 puede ser resuelta únicamente de forma aproximada pero, en frecuencias lo suficientemente bajas, con exactitudes suficientes.

La figura 7 proporciona un análisis de errores para el sistema de posicionamiento 10. Este análisis supone que existe un error de +/- 5o en la medición de la dirección del vector. A través de la integración y el procesamiento de señales, éste puede reducirse a +/- . Sin embargo, los efectos geológicos y la presencia de radiadores secundarios anómalos incrementan esa incertidumbre a aproximadamente +/- 5o. A través del uso del control de la frecuencia de precisión, así como de la sincronización externa de los transmisores 12 y el receptor 14 a través de los datos de configuración iniciales 23 y las comunicaciones de superficie a subsuperficie o de canal de retorno, resulta posible reducir esta incertidumbre final en un factor adicional.

El sistema de posicionamiento 10 puede utilizar la distancia potencial, pero las fuentes cooperativas ayudan a reducir la incertidumbre en relación con la profundidad. Pueden utilizarse transmisores de potencia más alta 12 para excitar una señal chirp de frecuencia eliminada u otra señal de multi-frecuencia. Debido a la dependencia de frecuencia de la profundidad de penetración de las ondas electromagnéticas en la tierra, la antena 31 del 14 en el subsuelo es capaz de detector la atenuación incrementada de las frecuencias más altas dentro de la señal chirp y de proporcionar, de esta manera, una limitación adicional de la profundidad del receptor 14.

El sistema de posicionamiento 10 puede tener un tiempo de configuración corto, puede operarse con facilidad por personal de campo y permite el despliegue en todo el mundo. El sistema 10 consiste de transmisores magnéticos resistentes 12 (faros) que operan en el rango de frecuencia muy baja / baja. El sistema 10 puede ser suministrado por aire o medio manual y no se ve afectado por la mayor parte de las estructuras cercanas.

El despliegue de los transmisores 12 puede ser realizado de varias maneras. Los transmisores 12 pueden tirarse desde el aire a través de aeronaves de alas fijas, aeronaves giratorias, o bien emplazarse de manera manual. Un vehículo todo terreno podría ser empleado para colocar los transmisores 12 en la ubicación deseada, proporcionando el patrón de disposición óptimo. Los transmisores 12 deben ser colocados de tal manera que por lo menos tres de las señales 40, 40', 40" se traslapen entre sí en el rango de faro efectivo, como se muestra en la figura 8. Para asegurar la cobertura del rango de faro del transmisor 12, las emisiones de señales 40, 40', 40" pueden conformar un paraguas a lo largo del área objetivo 50.

Para iniciar el uso del sistema de posicionamiento 10, el personal de campo puede sincronizar sus receptores 14 con los transmisores 12 verificando la conectividad mediante el despliegue de señales en sus receptores 14. Una vez que cada uno de los transmisores 12 se coloque y active, éstos pueden encenderse y auto-localizarse empleando un Sistema de Posicionamiento Global (GPS, por sus siglas en inglés). Al bloquearse el sistema GPS, el transmisor 12 puede comenzar a emitir señales de ubicación y orientación al receptor 14 (figura 1). Las ubicaciones y orientación del transmisor 12 se envían al receptor 14 antes de ingresar a una instalación subterránea. El operador puede asegurar que el receptor 14 se inicialice con los transmisores 12 antes de ¡r al subsuelo, así como de que el registro de rastreo sea operativo. Un centro de operaciones localizado fuera del sitio, pero próximo al sitio de la aplicación, podría ser establecido para monitorear la posición actual de los receptores del sistema de posicionamiento 14 en el subsuelo.

El receptor 14 del sistema de posicionamiento 10 puede montarse en un vehículo todo terreno o llevarse en una mochila en la espalda. El receptor 14 puede configurarse en modo que puede ser cargado por una sola persona o en una configuración ATV. Todos los accesorios necesarios son compatibles con cualquiera de las configuraciones. El receptor 14 puede desplegar una ubicación de grada actual, cojinete, rastreo de ruta, puntos críticos de interés en el camino y vida útil de la batería. El receptor 14 puede ser una plataforma a base de un menú desplegable, con luz de fondo, controlable por el operador. Los menús pueden diseñarse para ser navegados con facilidad y ser de fácil uso para el usuario.

Los transmisores 12 y receptores 14 pueden tener un ciclo de vida active de hasta 30 ó más horas de operación continua, que pueden extenderse con baterías adicionales. En el caso de que las operaciones de campo superen el ciclo de vida, las baterías pueden reemplazarse manualmente, o bien pueden desplegarse nuevos transmisores 12. Una batería de memoria interna 42 (figura 2) puede evitar la pérdida de datos del receptor 14 en caso de falla de la batería primaria. Para conservar la identificación operativa límite y la energía de la batería 16 del faro 12, pueden emplearse una capacidad de alerta y retraso de tiempo cuando los transmisores son emplazados antes de las operaciones.

Un enlace de comunicación de canal de retorno que emplea transceptores desechables 36 (figura 3) ó la comunicación bidireccional de superficie a subsuperficie que emplea dipolos magnéticos 34 (figura 5b), pueden ser empleados para comunicarse con el transmisor de superficie / receptor, así como otros elementos operativos. Estos transceptores 36 pueden proveer una línea de transmisión de datos visuales a lo largo de los túneles, mientras que los dipolos magnéticos 34 no necesitan depender de ello. Los transceptores individuales 36 pueden formar una red escasa capaz de transmitir datos entre unidades por arriba del suelo y por abajo del suelo. El receptor 14 puede tener la capacidad de enviar comunicaciones de datos de baja velocidad al receptor por arriba del suelo. Esto puede permitir que el centro de control remoto rastree la ubicación de los receptores 14 del sistema de posicionamiento subterráneo y se comunique con el operador de cada uno de los receptores 14.

La navegación y generación de mapas subterráneos pueden realizarse de múltiples maneras. En la configuración de mochila atrás, un solo operador puede operar y transportar el receptor 14 mientras explora el ambiente subterráneo. Con el receptor 14 montado en un vehículo, el operador del vehículo puede hacer operar el sistema de posicionamiento 10 de forma manos libres, mientras los datos son enviados al receptor en la superficie. El receptor portátil 14 puede fijarse al equipo del operador. El centro de control móvil puede tener la misma representación geográfica de la generación de mapas y navegación subterráneas que el operador subterráneo.

Más allá de la exploración geofísica, otras aplicaciones potenciales del concepto del sistema de posicionamiento 10, incluyen la exploración remota de minas subterráneas abandonadas, la exploración e investigación de cavernas naturales, así como el rescate en cavernas y minas subterráneas, o bien otros usos similares. Además, esta modalidad no se limita a aplicaciones subterráneas, sino que puede ser aplicada a toda una serie de ambientes, incluyendo las ubicaciones en tierra anteriores. En particular, ahora se describirá otra modalidad de manera detallada.

En la exploración geofísica tradicional que emplea acercamientos electromagnéticos, la presencia de conductores cerca de la fuente y el receptor 14 puede ser reducida al mínimo a través de una planeación de recolección cuidadosa. Sin embargo, en el sistema de posicionamiento 10, los sitios operativos podrían tener conductores de superficie cerca de las ubicaciones en donde se despliegan los transmisores 12. Estos conductores podrían tener la forma de tubos, revestimientos de túneles y pozos de perforación podrían encontrarse presentes a todo lo largo del área operada. El sitio podría incluir también conductores subterráneos cerca del campo del receptor 14. Para propósitos de la navegación, todos éstos resultan problemáticos y representan una fuente significativa de ruido que podría impedir la operación adecuada del sistema de posicionamiento 10. Las modalidades preferidas descritas en la presente pueden abordar todos estos elementos funcionales: validación de modelos teóricos; desarrollo de plantillas de campos magnéticos para sustentar algoritmos de ubicación; y desarrollo de procedimientos automatizados para separar el desorden de las señales directas transmitidas.

Para los aspectos de posicionamiento de este sistema, este ruido natural y producido por el hombre es un obstáculo potencial para el desempeño del sistema de posicionamiento 10. En otra modalidad de este sistema 10 mostrado en la figura 9, el ruido es en realidad una fuente de información de señal útil que puede ser analizada para revelar información significativa o importante sobre la composición de los materiales y/o la hidrología de la superficie terrestre 5 dentro del volumen de influencia de los transmisores 12 del sistema de posicionamiento 10. Son posibles varios medios diferentes para alterar el comportamiento y funcionamiento del sistema de posicionamiento 10 para realizar una investigación de las propiedades geofísicas de los materiales de subsuperficie.

Las instalaciones de digitalización magnética coherente de VLF o endurecidas estratégicas (SIIF, por sus siglas en inglés), así como las instalaciones subterráneas (SHUF, por sus siglas en inglés) proporcionan a un observador que utiliza el sistema 10, información sobre la distribución de los materiales conductores y los materiales magnéticos subterráneos. El receptor 14 es capaz de distinguir un motor o generador a partir del reactor de acero inoxidable o una pieza grande del equipo de comunicación. El sistema 10 puede detector también túneles reforzados. El sistema 10 puede proporcionar información detallada sobre qué hay detrás de la protección de frecuencia de radio que no puede ser provista por el radar que penetra en la tierra. Si la superficie terrestre 5 es demasiado conductora como para que el radar que penetra en la tierra sea útil, esta modalidad permite la detección de túneles tanto reforzados como no reforzados.

El digitalizador magnético coherente de VLF es una combinación de dos o más vehículos 101 y 102, como se muestra en la figura 9. Múltiples transmisores 12 en los rangos de frecuencia extremadamente baja / muy baja / baja, se emplean como los faros de campo magnético de frecuencia de radio. Dependiendo de la información deseada y de la disponibilidad de acceso específica, se emplean también transmisores similares 12 dentro del espacio subterráneo y en pozos de perforación verticales y/u horizontales. Para las aplicaciones geofísicas, los transmisores 12 pueden transmitir señales ya sea de una sola frecuencia, frecuencia eliminada o algún otro modo de señal para maximizar simultáneamente la determinación de la ubicación para las unidades receptoras 14 y proporcionar datos mejorados para sustentar las interpretaciones geofísicas. Las ubicaciones y orientaciones del transmisor 12 son pasadas por un enlace de frecuencia de radio a un receptor 14 en forma de datos de configuración 23 antes de que el receptor 14 vaya al subsuelo. La unidad receptora subterránea 14 comprende de nuevo un receptor de tres componentes para detector los transmisores 12, otras fuentes de frecuencia extremadamente baja / muy baja / baja, así como señales similares. La unidad receptora subterránea 14 también puede ser empleada por arriba del piso y/o en pozos de perforación verticales u horizontales, para mejorar las recolecciones de identificación geofísica. Pueden desplegarse sensores geofísicos adicionales simultáneamente para ayudar en la interpretación.

Los dos o más vehículos (v.g., aviones pilotados por control remoto o vehículos de superficie) 101 y 102 transportan un transmisor magnético 12 y un receptor 14. Un transmisor 12 se monta sobre un primer avión pilotado por control remoto 101 y un receptor 14 se monta sobre un segundo avión pilotado por control remoto 102. El receptor 14 mide los valores de campo magnético a lo largo de un área grande e intenta medir los valores equivalentes de los campos inducidos 103, 104 generados por los objetos subterráneos en el sitio de interés. Los campos inducidos se relacionan con el volumen de materiales magnéticamente activos y, por lo tanto, el tamaño y posiciones de los objetos subterráneos 105, 106. Los vehículos atraviesan el espacio por arriba del sitio de interés que se pretende digitalizar. El transmisor 2 genera un campo de referencia de dipolo magnético con una frecuencia extremadamente estable, v.g., sincronizada con el sistema GPS y una distribución de campo magnético bien caracterizada. El receptor 14 mide los valores en fase y de cuadratura de los tres componentes del campo magnético. Todas las mediciones son realizadas a frecuencias de alrededor de 1 kHz. Las mediciones se resuelven para determinar la distribución de las fuentes magnéticas equivalentes subterráneas. Las fuentes en fase corresponden a materiales magnéticos, v.g., generadores de motores. Las fuentes de cuadratura corresponden a materiales conductores, como estructuras de aluminio, cables, etcétera.

Esta modalidad cuestiona las técnicas de protección convencionales. La frecuencia de 1 kHz hace que el sistema sea relativamente insensible a elementos de mala conducción, como concreto reforzado, minerales con alto contenido de agua, etcétera. Las técnicas de protección convencionales como hoja de cobre gruesa de 1.6 milímetros no evitará que el sonde emplee el sistema 10 con una frecuencia muy baja, como se ha descrito anteriormente. Un usuario del sistema 10 de esta manera podría incrementar la sensibilidad a los materiales conductores al incrementar la frecuencia. De manera inversa, el usuario podría reducir la frecuencia para disminuir la sensibilidad al ambiente. El uso de frecuencias primarias por debajo de 10 kHz también reduce al mínimo la interferencia potencial de fuente que se producen naturalmente, como tormentas de rayos distantes que producen niveles reducidos de ruido en este rango de frecuencia.

Esta técnica es diferente al sondeo magnético geológico, pues no intenta medir la distribución de las propiedades magnéticas de los materiales de subsuperficie. En frecuencias muy bajas, los campos magnéticos primarios y secundarios podrían separarse con facilidad. Las corrientes parásitas inducidas son ortogonales (en cuadratura) con respecto al campo magnético. Por lo tanto, el campo magnético secundario que generan se encuentra en cuadratura con el campo primario. Si este último es pequeño y pueden desdeñarse efectos terciarios (es decir, baja frecuencia o baja conductividad), las mediciones de campo en fase o de cuadratura pueden separar los campo magnéticos primarios y secundarios y, por lo tanto, las perturbaciones provocadas por los materiales ferromagnéticos, v.g., aceros, así como materiales conductores, v.g., cobre y aluminio, pueden ser detectadas.

Los procesos y dispositivos descritos anteriormente ilustran los métodos preferidos y los dispositivos típicos de los muchos que podrían ser utilizados y producidos. La descripción y los dibujos anteriores ilustran las modalidades que logran los propósitos, características y ventajas de la presente invención. Sin embargo, no se pretende que la presente invención se vea limitada de manera estricta a las modalidades descritas e ilustradas anteriormente. Cualquier modificación, aunque no sea predecible en el momento presente, de la presente invención que se encuentre dentro del espíritu y alcance de las siguientes reivindicaciones, debe ser considerada como parte de la presente invención.

Claims (50)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un sistema de navegación que comprende: por lo menos un transmisor que comprende por lo menos dos dipolos magnéticos, dicho transmisor encontrándose configurado para generar un campo magnético; y un receptor que comprende un magnetometro configurado para recibir entradas de dicho por lo menos un transmisor.

2 - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el transmisor se encuentra configurado para cambiar las amplitudes respectivas de los dipolos magnéticos de conformidad con uno o más patrones predeterminados, produciendo de esta manera señales asociadas.

3. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque la amplitud de un primer dipolo magnético se cambia de conformidad con un primer patrón y la amplitud de un segundo dipolo magnético se cambia de conformidad con un segundo patrón, en donde el primer patrón es diferente al segundo patrón.

4. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el receptor se encuentra configurado para identificar cada transmisor con base en las diferencias entre sus señales asociadas.

5.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el transmisor se encuentra configurado para cambiar las amplitudes de los dipolos magnéticos a una frecuencia constante con respecto al tiempo.

6.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el transmisor se encuentra configurado para cambiar la amplitud de un primer dipolo magnético a una primera frecuencia y la amplitud de un segundo dipolo magnético a una segunda frecuencia, en donde la primera frecuencia es diferente a la segunda frecuencia.

7.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 2, caracterizado además porque el transmisor se encuentra configurado para cambiar las señales asociadas de conformidad con un patrón predeterminado.

8.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el transmisor se encuentra configurado para cambiar la orientación del primer dipolo magnético de conformidad con un primer patrón y la orientación del segundo dipolo magnético de conformidad con un segundo patrón, en donde el primer patrón es diferente al segundo patrón.

9.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque los dipolos magnéticos se encuentran configurados para girar en torno a ejes respectivos a un ritmo constante.

10.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque las señales asociadas se encuentran configuradas para girar en un plano fijo.

11.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 10, caracterizado además porque el receptor se encuentra configurado para determinar un cojinete del transmisor con base en una orientación del plano fijo.

12. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque el receptor se encuentra configurado para determinar la línea del cojinete al transmisor con base en la diferencia de orientación entre por lo menos el primer dipolo magnético y el segundo dipolo magnético.

13. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado además porque el receptor se encuentra configurado para determinar una distancia al transmisor con base en las señales de amplitud de los dipolos magnéticos.

14. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el transmisor se encuentra configurado para cambiar las orientaciones de los dipolos magnéticos a distintas frecuencias respectivas.

15. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque el transmisor comprende adicionalmente un primer reloj, el receptor comprende adicionalmente un segundo reloj, caracterizado además porque el primer y segundo relojes se sincronizan para usarse en la detección de señales.

16. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque el receptor sincroniza el segundo reloj con el primer reloj con base en una diferencia en las orientaciones de los polos magnéticos.

17. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los dipolos magnéticos son dipolos giratorios.

18. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque los dipolos magnéticos comparten un centro de rotación.

19 - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el transmisor comprende adicionalmente por lo menos dos bobinas magnéticas no coaxiales para generar el campo magnético.

20. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el transmisor comprende adicionalmente por lo menos tres bobinas magnéticas no coaxiales para generar el campo magnético.

21. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 20, caracterizado además porque por lo menos una de las bobinas magnéticas incluye un núcleo magnético.

22.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 21 , caracterizado además porque las por lo menos dos bobinas magnéticas comparten el mismo núcleo magnético.

23.- El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque comprende adicionalmente un dispositivo para determinar una línea del cojinete del receptor con respecto al transmisor.

24. - Un sistema de navegación, el cual comprende: un transmisor que comprende por lo menos dos dipolos magnéticos giratorios co-localizados, dos dipolos magnéticos co-localizados compartiendo un eje de rotación; y un receptor que comprende a magnetómetro.

25. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado además porque dichos por lo menos dos dipolos magnéticos co-localizados son generados por dos o más bobinas magnéticas.

26. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado además porque dicho receptor se encuentra configurado para utilizar una señal producida por los dos dipolos magnéticos giratorios co-localizados como una señal de reloj.

27. - El sistema de navegación de conformidad con la reivindicación 24, caracterizado además porque el receptor se encuentra configurado para utilizar una señal producida por los dos dipolos magnéticos giratorios co-localizados para obtener una línea del cojinete con respecto al transmisor.

28. - Un sistema para transmitir señales entre una superficie superior y ubicaciones subterráneas, el cual comprende: un transmisor que comprende una primera antena magnética con un núcleo magnético; y un receptor que comprende una segunda antena magnética.

29. - El sistema de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque dicho núcleo magnético comprende un núcleo en forma de vastago cilindrico.

30.- El sistema de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque dicho núcleo magnético comprende un núcleo de ferrito.

31. - El sistema de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque dicho núcleo magnético comprende un núcleo de hule espuma incrustado con partículas de ferrito.

32. - El sistema de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque por lo menos uno de dicho transmisor y receptor comprende un a magnetómetro.

33. - El sistema de conformidad con la reivindicación 28, caracterizado además porque dicho núcleo magnético comprende un núcleo esférico.

34. - Un sistema para realizar digitalizaciones de subsuperficie, el cual comprende: un transmisor que comprende un dipolo magnético que produce un campo magnético primario; y un receptor sensible a valores de cuadratura y en fase del campo magnético primario y que es sensible a los campos magnéticos secundarios inducidos por el campo magnético primario.

35. - El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado además porque comprende adicionalmente un sistema de posicionamiento global sincronizado con dicho transmisor.

36. - El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado además porque el campo magnético primario cuenta con una frecuencia por debajo de 10 kHz.

37.- El sistema de conformidad con la reivindicación 34, caracterizado además porque el transmisor se provee en un primer vehículo móvil y el receptor se provee en un segundo vehículo móvil.

38. - Un método para la determinación de ubicaciones, el cual comprende: transmitir una señal con por lo menos dos dipolos magnéticos co-localizados; recibir la señal con un receptor; y determinar la ubicación del receptor con respecto a los por lo menos dos dipolos magnéticos colocalizados usando triangulación.

39. - El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque dichos por lo menos dos dipolos magnéticos co-localizados son dipolos giratorios.

40. - El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque dichos por lo menos dos dipolos magnéticos colocalizados comparten un centro de rotación.

41. - El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque dichos por lo menos dos dipolos magnéticos colocalizados cuentan con núcleos magnéticos.

42. - El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque comprende adicionalmente determinar una línea del cojinete desde el magnetómetro hasta los por lo menos dos dipolos magnéticos co-localizados.

43. - El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque comprende ajustar por lo menos una de la frecuencia de transportación y frecuencia de rotación en por lo menos uno de los por lo menos dos dipolos magnéticos co-localizados.

44. - El método de conformidad con la reivindicación 38, caracterizado además porque los dos dipolos magnéticos co-localizados se encuentran girando y comparten un eje de rotación.

45.- El método de conformidad con la reivindicación 44, caracterizado además porque comprende adicionalmente utilizar los dos dipolos magnéticos giratorios co-localizados como una señal de reloj.

46. - Un método para realizar la comunicación entre la superficie superior y las ubicaciones subterráneas, el cual comprende: transmitir una señal de baja frecuencia usando una primera antena con un núcleo magnético; y recibir la señal usando una segunda antena.

47. - El método de conformidad con la reivindicación 46, caracterizado además porque dicho núcleo magnético comprende por lo menos uno de un núcleo de vástago cilindrico, un núcleo esférico, un núcleo de ferrito y un núcleo de hule espuma incrustado con partículas de ferrito.

48. - Un método para la digitalización de subsuperficie, el cual comprende: transmitir un campo magnético primario de baja frecuencia usando un dipolo magnético; y detectar los valores de cuadratura y en fase del campo magnético primario y como campos magnéticos secundarios inducidos por el campo magnético primario.

49. - El método de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado además porque el campo magnético primario cuenta con una frecuencia inferior a 10 kHz.

50. - El método de conformidad con la reivindicación 48, caracterizado además porque comprende transmitir el campo magnético primario desde un primer vehículo móvil y detectar el campo magnético secundario en un segundo vehículo móvil.