Ignorantiae autem fatuorum effunde.

La radionavegación aérea en 1937, fuera de los Estados Unidos, consistía casi por completo en sistemas de radiogoniometría, tanto desde el propio avión como desde redes terrestres que recibían transmisiones del avión. Se utilizaban frecuencias alrededor de los 300 kHz, y la falta de fiabilidad durante la noche, causada por los efectos de la onda ionosférica (sky wave), hacía que la radio no se utilizara con gran confianza excepto a distancias cortas. Utilizar la antena direccional (DF loop) de un avión requería bastante habilidad y solo podía proporcionar un rumbo (dirección) a la vez. Para obtener una posición fiable se necesitaban al menos dos —preferiblemente tres— rumbos combinados con navegación estimada (dead-reckoning) para compensar el retraso entre la toma de cada uno —claramente, no era un sistema operado por el propio piloto.

Los rumbos tomados por una red terrestre a partir de las transmisiones de un avión eran más fiables, ya que las estaciones terrestres utilizaban sistemas de antenas Adcock, menos propensos a los efectos de la onda ionosférica que una antena de bucle de avión. Sin embargo, todavía había un retraso mientras las tres estaciones correlacionaban sus rumbos y calculaban una posición. Era un sistema inutilizable en tiempos de guerra, ya que revelaba la posición del avión, y además no podía ser utilizado por más de un avión al mismo tiempo.

En los Estados Unidos, las «radio-ranges» (rutas aéreas radioeléctricas) habían sido ampliamente adoptadas para la navegación en aerovías civiles con bastante éxito, aunque no permitían rutas aleatorias y eran inflexibles. También sufrían por la onda ionosférica nocturna como cualquier otro sistema de media frecuencia (MF), pero podían ubicarse lo suficientemente juntas sobre el territorio continental estadounidense como para que no representara un problema serio.

Ninguno de estos sistemas era aplicable a la navegación militar sobre territorio hostil y, cuando las perspectivas de una guerra en Europa se hicieron evidentes, comenzaron a destinarse recursos al desarrollo de nuevos sistemas de radio de todo tipo. La mayor parte de este trabajo fue necesariamente mantenida en secreto y no se hizo público, una de las consecuencias de lo cual es que existen pocos registros oficiales disponibles; la mayoría de la información proviene de memorias personales.

Aparte del sistema estadounidense de «radio-range», Alemania lideraba el desarrollo de sistemas precisos de guiado por radio para aterrizajes en condiciones meteorológicas adversas (el sistema de aproximación ciega por haz Lorenz, desarrollado en 1932, seguía siendo utilizado por la Royal Air Force en 1940 bajo el nombre SBA —Standard Beam Approach). También se desarrollaron sistemas como Sonne, Wullenweber, Knickebein y otros similares, pero solo Sonne era fundamentalmente hiperbólico y los demás no se tratan aquí (aunque pueden consultarse, por ejemplo, en las referencias 5 y 6).

El primer trabajo real sobre un sistema hiperbólico operativo ocurrió, de forma bastante sorprendente, en Gran Bretaña; sorprendente porque hasta ese momento casi no se había trabajado en ello allí, si se toma como indicador la total ausencia de patentes británicas. Fue impulsado por la toma de conciencia de que, aunque la RAF se estaba fortaleciendo con una flota de bombarderos como núcleo, y se estaban realizando trabajos avanzados en el diseño de bombarderos (la especificación original — B12/36 — de la que surgió el Lancaster fue redactada en 1936), se estaba haciendo muy poco para asegurar que realmente pudieran encontrar sus objetivos.

La RAF solo incorporó navegantes cuya única tarea era la navegación a sus tripulaciones a partir de 1942 y, en la edición de 1935 del AP 1234, el Manual de Navegación Aérea de la RAF, de unas 300 páginas, solo 12 estaban dedicadas a ayudas por radio, casi todas sobre la calibración de antenas direccionales (DF loops).

En 1937, Sir Edgar Ludlow-Hewitt fue nombrado Comandante en Jefe del Mando de Bombarderos y realizó una inspección de su nuevo mando. Informó que la navegación era su mayor deficiencia, tanto en lo que respecta a las ayudas a la navegación como a la capacidad para utilizarlas. Su informe decía:

«Una fuerza aérea para buen tiempo es relativamente inútil… nuestra Fuerza de Bombardeo es, juzgada con estándares de guerra, prácticamente inútil y no puede aprovechar las excelentes características de sus nuevos y costosos aviones».

La historia del desarrollo del radar por parte de Watson-Watt es bien conocida; lo que no es tan conocido es que las primeras ideas que finalmente llevaron al sistema hiperbólico Gee surgieron de ese desarrollo del radar. Fue técnicamente viable gracias al desarrollo de transmisores de pulsos de alta potencia para radar, y se impulsó por la comprensión de que el mejor bombardero del mundo era inútil si no podía encontrar su objetivo. Antes de que se introdujeran las nuevas ayudas a la navegación por radio en 1942, menos del 1% de las bombas de la RAF caían dentro de 1 milla de sus objetivos.

En los Estados Unidos, el trabajo avanzó más lentamente, ya que no se percibía una inminente amenaza de guerra, hasta que se formó el Comité de Microondas bajo Alfred L. Loomis, que propuso el desarrollo de un sistema hiperbólico por pulsos en octubre de 1940. En ese momento, no estaban al tanto del trabajo británico sobre el Gee, y su propuesta fue sorprendentemente similar, aunque finalmente evolucionó de forma diferente hacia el sistema Loran.

Alemania apostó por los sistemas de haz para el bombardeo y nunca produjo un sistema hiperbólico operativo, aunque el sistema Sonne (Consol) puede clasificarse marginalmente como hiperbólico y ha sido incluido aquí. De hecho, hubo al menos dos sistemas hiperbólicos en desarrollo en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial (Bodentruhe e Ingolstadt), pero por diversas razones, ninguno llegó a concretarse.

En retrospectiva, resulta curioso que eligieran sistemas de haz. Los haces, por su naturaleza, se vuelven menos precisos a medida que aumenta la distancia (justo lo contrario de lo que se necesita en una ayuda para bombardeo), pero probablemente su mayor desventaja es que, una vez detectados por los defensores, revelan inmediatamente el destino de los bombarderos y permiten tomar medidas adecuadas, como ocurrió en la Segunda Guerra Mundial una vez que los británicos detectaron los sistemas Knickebein y X-Gerät. Un sistema hiperbólico, por supuesto, no da ninguna indicación de este tipo.

5.1.- Desarrollos en el Reino Unido.-

5.1.1. El sistema ‘Gee’

La demostración de Watson-Watt en 1931 sobre las posibilidades del radar para detectar aeronaves provocó que en el Reino Unido se comenzara a trabajar intensamente en el desarrollo de transmisores de pulsos de alta potencia y, con igual importancia, en métodos para presentar los ecos de las aeronaves a los operadores. Solo podía hacerse mediante presentación visual, lo que requería diseñar bases de tiempo estables y precisas para tubos de rayos catódicos. En 1935, los osciloscopios de rayos catódicos (u oscilógrafos, como se les llamaba entonces) aún eran instrumentos de laboratorio, y de ningún modo estaban ampliamente disponibles ni eran baratos. Los pocos televisores que existían en ese momento eran caros, prácticamente hechos a mano, y poco fiables.

Como ya se ha mencionado, el principal problema común a todos los sistemas hiperbólicos descritos anteriormente era la medición del tiempo. No existía ningún medio para medir directamente microsegundos, lo que obligaba a los diseñadores a usar la comparación de fase de ondas continuas, con su consiguiente problema de ambigüedad. Una vez que fue posible transmitir pulsos muy breves, se comprendió de inmediato la posibilidad de crear sistemas no ambiguos, pero no existía forma de medir intervalos cortos de tiempo que pudiera usarse en un sistema operativo por operadores relativamente poco capacitados. El desarrollo de tubos de rayos catódicos fiables y sus bases de tiempo asociadas proporcionó la solución.

En octubre de 1937, R. J. Dippy, quien entonces formaba parte del equipo de Watson-Watt, ideó un sistema que utilizaba transmisores de pulsos y una pantalla de tubo de rayos catódicos (CRT) para medir la diferencia en el tiempo de llegada de dos pulsos emitidos desde dos transmisores situados a unos 10 millas de distancia entre sí y con una línea base perpendicular (a 90°) a una pista de aterrizaje. Se enviarían pulsos sincronizados desde ambos transmisores, y la diferencia entre su recepción se visualizaría en la pantalla CRT. Cuando no hubiera retraso, los pulsos se verían como uno solo, lo que indicaría que el avión estaba sobre la bisectriz de la línea base, es decir, alineado con la pista. Si el avión estaba desviado, se observaría un retardo, y, al identificar cuál de los dos pulsos llegaba primero, el piloto podría saber a qué lado de la pista se encontraba y corregir el rumbo en consecuencia.

Watson-Watt señala que pensaba que el sistema era totalmente viable y, además, que era necesario, pero había necesidades aún más urgentes y, con pesar, tuvo que dejarlo en suspenso temporalmente.

Tal vez fue lo mejor. El dispositivo habría requerido interpretación directa por parte del piloto, y los tubos CRT de la época eran muy tenues y solo podían leerse a plena luz del día usando una capucha de oscurecimiento y permitiendo que los ojos se adaptaran a la oscuridad. Cuesta imaginar a un piloto descendiendo desde la brillante luz sobre las nubes confiando únicamente en lo que pudiera ver en una pantalla tenue. Además, tendría que apartar la vista de la pantalla para el momento del aterrizaje final y podría haber quedado totalmente deslumbrado durante esos segundos cruciales. Por la noche no habría sido tan problemático, por supuesto, pero en ese momento apenas se realizaban vuelos nocturnos. Varios años después, el sistema BABS (Blind Approach Beam System) hizo prácticamente lo mismo, pero era interpretado por el navegante.

En 1938, el Dr. (ahora Profesor) R. V. Jones, aparentemente sin conocimiento de la propuesta anterior de Dippy, también sugirió el uso de transmisores de pulsos para formar un sistema hiperbólico, pero sin éxito.

La idea de Dippy quedó inactiva hasta 1940, cuando crecientes pruebas de deficiencias en la navegación la volvieron a poner sobre la mesa. Había sido refinada, y ahora se presentaba como una ayuda para la navegación más que para el aterrizaje. Las nuevas propuestas de Dippy consistían en una estación maestra con hasta tres estaciones esclavas dispuestas alrededor de ella, con líneas base de 80 millas, lo que permitiría una cobertura casi completa en todas las direcciones. Él pensaba que funcionaría hasta unas 100 millas desde la estación maestra, pero las primeras pruebas de vuelo a finales de 1940 demostraron que era mucho mejor que eso (más adelante se lograron alcances de hasta 350 millas). Dippy recibió la patente británica nº 81602 en diciembre de 1942 por su invención.

Es interesante que los principales usos inicialmente previstos para el sistema fueran más bien locales: el ensamblaje preciso de grandes formaciones de bombarderos después del despegue y su recuperación exacta a la base o a aeródromos alternativos tras la misión. Una de las razones era que se subestimó en gran medida el alcance de las señales de 30 MHz, como también había ocurrido con el sistema Knickebein, que operaba en la misma banda de frecuencias. Más tarde, se pensó que podría proporcionar a los navegantes suficiente información de posición durante el trayecto hacia el continente para calcular vientos precisos para la navegación estimada posterior, pero se asumía que sería interferido sobre Alemania en un plazo de unos tres meses desde su puesta en funcionamiento y que, por tanto, no sería útil para bombardeos después de eso. En realidad, pasó más de un mes antes de que eso ocurriera, y fue una de las principales ayudas utilizadas en la incursión de los 1000 bombarderos sobre Colonia en mayo de 1942.

El principio de funcionamiento del Gee¹⁰ consistía en la transmisión de pulsos breves (de 6 microsegundos) en frecuencias alrededor de los 30 MHz (más tarde extendidas hasta 80 MHz) desde una estación maestra, que eran recibidos en hasta tres estaciones esclavas y utilizados para sincronizar sus propias transmisiones, que luego se emitían en la misma frecuencia que la estación maestra (ver Fig. 4). Por tanto, una transmisión esclava normalmente se recibiría después de la maestra, pero en la extensión de la línea base detrás de la estación esclava, la diferencia sería cero y los pulsos se solaparían. Tanto por esta razón como porque la estación esclava no podía transmitir instantáneamente al recibir la señal maestra, se incorporó un retraso fijo en el transmisor esclavo.

Se necesitaba algún método para identificar una estación esclava de otra, y esto se logró mediante una combinación de retrasos distintos y haciendo que las señales de las esclavas tuvieran apariencias visuales diferentes en el tubo de rayos catódicos (CRT) del operador. Así, la estación maestra (A) siempre aparecía al inicio de ambas trazas en una presentación de doble traza; la esclava B aparecía después de la maestra en la traza superior, la esclava C después de la maestra en la traza inferior, y la esclava D aparecía en ambas trazas pero como un pulso doble.

El pulso A correcto para iniciar la base de tiempo se seleccionaba haciendo que el transmisor A emitiera al doble de velocidad que los demás, pero haciendo que cada dos pulsos, uno fuera doble. El resultado final en la visualización de la base de tiempo era como se muestra en la Figura 5.

El pulso A1 (o «A-ghost», como se le conocía) también se utilizaba como identificador de cadena, haciéndolo parpadear en un patrón único para cada cadena. Esto era necesario porque el receptor Gee tenía que ser de banda ancha, y en ocasiones se podían ver señales de dos cadenas diferentes en frecuencias adyacentes al mismo tiempo.

La base de tiempo en sí no estaba sincronizada directamente con el pulso de la estación maestra, sino que era generada por un oscilador de funcionamiento libre, que podía ajustarse ligeramente mediante un control manual. Si no estaba correctamente sincronizado, los pulsos se desplazaban hacia la izquierda o la derecha, y el procedimiento consistía en detener ese desplazamiento con un control de ajuste, mientras se llevaban los pulsos A al borde izquierdo de la base de tiempo.

Luego, se colocaban pequeños pedestales (marcadores) debajo de las estaciones esclavas que se deseaban usar y se activaba una base de tiempo ampliada. Tras la alineación final de los pulsos, se conmutaba a una pantalla de medición de tiempo, y se contaban visualmente los retardos de tiempo de cada estación esclava. Esto podía hacerse con precisión porque se apagaban las señales y se obtenía una pantalla libre de ruido.

Por diversas razones, el conteo del tiempo no se hacía directamente en microsegundos (como en el sistema Loran), sino en «unidades Gee», equivalentes a 66,66 microsegundos. Se lograba una precisión de medición de 1 microsegundo, lo que representaba una precisión en la línea de posición de aproximadamente 150 metros en el mejor de los casos. Dos de estas líneas permitían una precisión de fijación de alrededor de 210 metros, aunque otros errores del sistema podían duplicar esta cifra. A distancias más largas —por ejemplo, a 350 millas— la elipse de error era de aproximadamente 6 millas por 1 milla.

Aunque hoy en día esto no parece notable, en su momento fue revolucionario y muy superior a cualquier otro método de posicionamiento disponible.

Las unidades receptoras e indicadores del Gee Mk. 2 se muestran en la Figura 6.

Se establecieron varias cadenas Gee en el Reino Unido y, después de 1944, también en el extranjero. En 1948 había cuatro cadenas en el Reino Unido (ver Figura 7), dos en Francia y una en Alemania. El Gee se convirtió en una de las ayudas a la navegación aérea por radio más extendidas de su época, convirtiéndose en estándar en la Octava Fuerza Aérea de EE.UU., así como en la RAF.

Este período abarca una época en la que se fueron resolviendo cada vez más problemas técnicos relacionados con los sistemas hiperbólicos, con un número creciente de patentes registradas y pruebas realizadas. Sin embargo, el impulso para construir un sistema realmente práctico no surgió hasta el estallido de la Segunda Guerra Mundial. La razón era tanto económica como técnica. Durante estos años de entreguerras volaban relativamente pocos aviones, y la demanda de navegación precisa en todo tipo de clima era escasa. Aunque los sistemas de aerolíneas civiles europeas y estadounidenses se estaban estableciendo lentamente, no eran un factor importante en el transporte, ya que eran lentos, poco fiables y aún más propensos a cancelaciones que en la actualidad. Casi todos los vuelos se realizaban únicamente sobre tierra y durante el día, utilizando la lectura de mapas y la radiogoniometría como únicas ayudas a la navegación. En EE. UU. se introdujo en 1934 el mal llamado “Radio-range” (en realidad era un sistema de orientación) para vuelos transcontinentales, y luego se fue implementando lentamente en Europa. Los pocos vuelos de larga distancia que existían dependían de la lectura de mapas sobre tierra (¡si es que existía un mapa!) y de los métodos tradicionales de navegación marítima: observaciones astronómicas y estima con brújula y velocidad aérea sobre el agua.

Se prestaba muy poca atención a la navegación en la aviación militar, ya que se consideraba que su función era apoyar al ejército a corta distancia o bien la defensa, también de corto alcance, para lo cual bastaba con la lectura de mapas y un uso limitado de la radiogoniometría. La navegación la realizaba el propio piloto, que no contaba con piloto automático y no podía dedicar esfuerzos a mucho más que leer el mapa.

4.1. E. J. Green, Patente de EE. UU. n.º 1,750,668, 8 de diciembre de 1925.
Este sistema medía la distancia entre dos estaciones haciendo que la primera transmitiera una señal modulada en una frecuencia particular, la cual era retransmitida por la segunda estación en otra frecuencia, pero manteniendo la fase de la modulación. La fase de la modulación de retorno se comparaba con la de la señal saliente, lo que proporcionaba la distancia (aunque con cierta ambigüedad). Su relevancia para los sistemas hiperbólicos radica en que parece ser la primera vez que se superaron los problemas inherentes de separar señales con bloqueo de fase enviadas en la misma frecuencia desde dos sitios distintos, transmitiendo la señal de fase como una modulación sobre diferentes frecuencias portadoras.

4.2. Albersheim y Konheim, Patente de EE. UU. nº 1,995,285, 25 de enero de 1929.

Este fue un paso adicional, en el que se abandonó la idea de Green de modular portadoras separadas con una modulación relacionada en fase, y se restableció el uso de las propias portadoras para transmitir la información de fase. Aún se transmitía en frecuencias diferentes, como en el sistema de Green, pero ahora las frecuencias debían estar relacionadas de tal manera que, mediante multiplicación, pudiera derivarse una frecuencia común para la comparación de fase.

Se observó que ahora era posible igualar las amplitudes de ambas frecuencias en el receptor antes de la comparación de fase. Esto había sido un problema importante, ya que comparar la fase de dos señales con amplitudes muy diferentes es bastante difícil (como Affel había descubierto cuatro años antes).

El método permitía que una estación esclava recibiera directamente la transmisión de la estación maestra y la utilizara para bloquear en fase continuamente su propia transmisión, lo que hacía posible el uso de líneas base más largas.

Aquí vemos el germen de una idea que eventualmente daría lugar a toda una familia de sistemas hiperbólicos. Esta patente mencionaba específicamente a los “dirigibles” como usuarios (aunque probablemente no se refería literalmente a aeronaves más ligeras que el aire).

4.3. M. Harms, Patente alemana nº 546000, 1930.

No se sabe si Harms conocía o no las patentes anteriores, pero sus propuestas eran notablemente similares, aunque llevaban el concepto un paso más allá hacia el desarrollo de una cadena completa de transmisores. Tenía los transmisores operando en frecuencias de radio distintas pero armónicamente relacionadas, de modo que el receptor multiplicaba cada frecuencia hasta alcanzar un valor común para la comparación de fase.

También tenía su cadena de transmisores funcionando en un sistema de líneas base cruzadas, similar al de Affel (1925).

El sistema de Harms fue descrito en un libro de texto alemán sobre sistemas de radio para aeronaves (Fassbender, Berlín, 1932), pero no parece que haya tenido continuidad, ya que los esfuerzos alemanes aparentemente se concentraron más en sistemas de haz fijo y haz rotativo.

Harms no describió ningún sistema para la resolución de ambigüedades, y ese pudo haber sido el problema.

4.4. E. Honoré (Francia), Patente de EE. UU. nº 2,148,267, 1935.
Siempre existieron problemas prácticos para lograr un bloqueo de fase preciso entre dos transmisores, incluso cuando operaban en frecuencias diferentes. La recepción del transmisor distante a veces era difícil y, aunque el transmisor local estuviera correctamente sincronizado, se producían desplazamientos de fase no deseados debido a los efectos meteorológicos sobre el sistema de antena.

Honoré ideó un nuevo método para lidiar con estos desplazamientos de fase: simplemente dejar que ocurrieran y luego corregirlos supervisando la diferencia de forma remota y transmitiéndola al usuario como una señal de radio separada. El receptor del usuario obtenía las correcciones a partir de esta señal adicional y las aplicaba al par maestro/esclavo, de una manera muy similar a los sistemas GPS diferenciales actuales.

Era un método poderoso y más adelante fue ampliamente utilizado en los sistemas franceses de posicionamiento por radio Toran, Lorac y Rana. Su desventaja era que la implementación de la resolución de ambigüedades era difícil, lo que impedía su uso en la navegación ordinaria. Sin embargo, dominó el pensamiento francés en el campo de la radionavegación durante muchos años después.

4.5. J. P. Shanklin, Patente de EE. UU. nº 2,144,203, 1937.
Shanklin intentó desarrollar un sistema libre de ambigüedades utilizando múltiples frecuencias de modulación armónicamente relacionadas. Los transmisores operarían con “cualquier frecuencia deseada”, realizándose la comparación de fase sobre la modulación. En ciertos aspectos, era un retorno a la patente de Green de 1927, pero considerablemente ampliada.

Las múltiples frecuencias aumentarían en pasos de un factor de diez, comenzando desde una frecuencia lo suficientemente baja como para tener una longitud de onda al menos igual a la línea base más larga entre dos transmisores. La modulación de frecuencia más alta (es decir, con franjas más estrechas) se usaría para proporcionar la máxima precisión del sistema, mientras que cada división sucesiva por diez resolvería las ambigüedades de la frecuencia inmediatamente superior.

Así, se trataría de un sistema muy preciso y sin ambigüedades, y anticipaba el uso de la identificación de franjas (lanes) y zonas en el sistema Decca. Es posible que Shanklin no llegara a realizar pruebas experimentales con este sistema, ya que más adelante W. J. O’Brien (conocido por su trabajo en Decca) demostró que una proporción de 10:1 entre las frecuencias utilizadas para la resolución de ambigüedades es demasiado alta, y que una relación de aproximadamente 3:1 es más práctica, al menos a frecuencias portadoras bajas.

Otro problema práctico habría sido que las múltiples frecuencias de modulación hacían que se tratara de una señal de banda ancha, y los transmisores habrían tenido que emitir con una potencia considerable, lo que convertía al sistema en costoso de implementar.

El sistema posterior Loran-C, que también era de banda ancha y debía transmitir varios cientos de kilovatios de potencia por la misma razón, no resultaba tan problemático porque era un sistema de impulsos (pulse system) y tenía un ciclo de trabajo relativamente bajo. El sistema de Shanklin, en cambio, habría sido de onda continua (continuous wave) con un ciclo de trabajo del 100%.