altímetro de radar

El concepto fundamental del altímetro radar se desarrolló independientemente del campo del radar en general y tiene su origen en un estudio de telefonía de larga distancia realizado en los Laboratorios Bell . Durante la década de 1910, Bell Telephone se enfrentaba al problema de la reflexión de señales causada por cambios en la impedancia de las líneas telefónicas, especialmente en los puntos de conexión de los equipos a los cables. Esto era particularmente significativo en las estaciones repetidoras, donde las impedancias mal adaptadas reflejaban grandes cantidades de señal y dificultaban la telefonía de larga distancia. ^{[ 5 ]}

Los ingenieros observaron que las reflexiones presentaban un patrón irregular; para cualquier frecuencia de señal, el problema solo sería significativo si los dispositivos estuvieran ubicados en puntos específicos de la línea. Esto dio lugar a la idea de enviar una señal de prueba a la línea y luego cambiar su frecuencia hasta que se observaran ecos significativos. Esto revelaría la distancia aproximada al dispositivo, permitiendo su identificación y localización incluso en líneas con numerosas estaciones repetidoras. ^{[ 5 ]}

Lloyd Espenschied trabajaba en los Laboratorios Bell cuando concibió la idea de utilizar este mismo fenómeno para medir distancias en un cable. Uno de sus primeros avances en este campo fue una patente de 1919 (otorgada en 1924) ^{[ 6 ]} sobre la idea de enviar una señal a las vías del tren y medir la distancia a las discontinuidades. Estas podrían utilizarse para detectar vías rotas o, si la distancia cambiaba más rápidamente que la velocidad del tren, podrían alertar sobre la presencia de otros trenes en la misma línea. ^{[ 5 ]}

Durante este mismo período, se produjo un gran debate en física sobre la naturaleza de la propagación de las ondas de radio. Las exitosas transmisiones transatlánticas de Guglielmo Marconi parecían imposibles. Los estudios de las señales de radio demostraban que viajaban en línea recta, al menos a largas distancias, por lo que la transmisión desde Cornualles debería haber desaparecido en el espacio en lugar de ser recibida en Terranova . En 1902, Oliver Heaviside en el Reino Unido y Arthur Kennelly en los Estados Unidos postularon independientemente la existencia de una capa ionizada en la atmósfera superior que reflejaba la señal hacia el suelo para que pudiera ser recibida. Esta capa se conoció como la capa de Heaviside . ^{[ 7 ]}

Aunque la idea resultaba atractiva, faltaban pruebas directas. En 1924, Edward Appleton y Miles Barnett lograron demostrar la existencia de dicha capa en una serie de experimentos realizados en colaboración con la BBC . Tras finalizar las transmisiones programadas del día, un transmisor de la BBC en Bournemouth emitió una señal cuya frecuencia aumentaba gradualmente. Esta señal fue captada por el receptor de Appleton en Oxford , donde aparecieron dos señales. Una era la señal directa de la estación, la onda terrestre, mientras que la otra se recibió más tarde, después de viajar a la capa de Heaviside y regresar, la onda ionosférica. ^{[ 7 ]}

Para la demostración, era necesario medir con precisión la distancia recorrida por la onda ionosférica, demostrando así que se encontraba realmente en el cielo. Este era el propósito del cambio de frecuencia. Dado que la señal terrestre recorría una distancia menor, era más reciente y, por lo tanto, más cercana a la frecuencia que se enviaba en ese instante. La onda ionosférica, al tener que recorrer una distancia mayor, se retrasaba y, por consiguiente, tenía la frecuencia que tenía tiempo atrás. Al mezclar ambas señales en un mezclador de frecuencia, se produce una tercera señal con una frecuencia única que codifica la diferencia entre las dos entradas. Dado que en este caso la diferencia se debe a la mayor longitud del recorrido, la frecuencia resultante revela directamente dicha longitud. Aunque técnicamente más compleja, esta era, en última instancia, la misma técnica básica que utilizaba Bell para medir la distancia a los reflectores del cable. ^{[ 7 ]}

En 1929, William Littell Everitt , profesor de la Universidad Estatal de Ohio , comenzó a considerar el uso de la técnica básica de Appleton como base para un sistema de altímetro. Asignó el trabajo a dos estudiantes de último año, Russell Conwell Newhouse y M. W. Havel. Su sistema experimental era más similar al trabajo previo realizado en Bell, que utilizaba cambios de frecuencia para medir la distancia al extremo de los cables. Ambos lo utilizaron como base para una tesis conjunta de último año en 1929. ^{[ 8 ]}

Everitt dio a conocer el concepto a la Oficina de Patentes de los Estados Unidos , pero no solicitó la patente en ese momento. Posteriormente, se dirigió al Fondo Daniel Guggenheim para la Promoción de la Aeronáutica en busca de financiación para su desarrollo. Jimmy Doolittle , secretario de la Fundación, contactó con Vannevar Bush de los Laboratorios Bell para que diera su opinión. Bush se mostró escéptico sobre la viabilidad del sistema en ese momento, pero aun así sugirió que la Fundación financiara el desarrollo de un prototipo funcional. Esto permitió a Newhouse construir una máquina experimental que sirvió de base para su tesis de maestría de 1930, en colaboración con J. D. Corley. ^{[ 8 ] [ 9 ]}

El dispositivo fue llevado a Wright Field, donde fue probado por Albert Francis Hegenberger , un reconocido experto en navegación aérea. Hegenberger descubrió que el sistema funcionaba según lo anunciado, pero afirmó que tendría que funcionar a frecuencias más altas para ser práctico. ^{[ 8 ] [ a ]}

Espenschied también había estado considerando el uso de la idea de Appleton para la medición de altitud. En 1926, sugirió la idea tanto como un método para medir la altitud como un sistema predictivo para evitar obstáculos y detectar colisiones. Sin embargo, en ese momento, la frecuencia de los sistemas de radio disponibles, incluso en lo que se conocía como onda corta, se calculó que era cincuenta veces menor que la necesaria para un sistema práctico. ^{[ 5 ] [ 9 ]}

Espenschied finalmente patentó la idea en 1930. ^{[ 9 ]} Para entonces, Newhouse había dejado la Universidad Estatal de Ohio y había aceptado un puesto en los Laboratorios Bell. Allí conoció a Peter Sandretto , quien también estaba interesado en temas de radionavegación. Sandretto dejó Bell en 1932 para convertirse en Superintendente de Comunicaciones en United Air Lines (UAL), donde dirigió el desarrollo de sistemas de radio comerciales. ^{[ 8 ]}

La patente de Espenschied no se concedió hasta 1936, ^{[ 10 ]} y su publicación generó un gran interés. Casi al mismo tiempo, Bell Labs había estado trabajando en nuevos diseños de tubos capaces de entregar entre 5 y 10 vatios a hasta 500  MHz, perfectos para la función. ^{[ 9 ]} Esto llevó a Sandretto a contactar a Bell con la idea, y en 1937 se formó una asociación entre Bell Labs y UAL para construir una versión práctica. Dirigido por Newhouse, un equipo tenía un modelo funcional en fase de pruebas a principios de 1938, y Western Electric (la división de fabricación de Bell) ya se estaba preparando para un modelo de producción. Newhouse también presentó varias patentes sobre mejoras en la técnica basadas en este trabajo. ^{[ 11 ]}

El sistema se anunció públicamente el 8 y 9 de octubre de 1938. ^{[ 12 ]} Durante la Segunda Guerra Mundial , RCA se hizo cargo de la producción en masa , fabricándolos bajo los nombres ABY-1 y RC-24. En la posguerra, muchas empresas asumieron la producción y se convirtió en un instrumento estándar en muchos aviones, ya que los aterrizajes a ciegas se volvieron comunes. ^{[ 11 ]}

Un artículo que describía el sistema fue publicado conjuntamente por Espenschied y Newhouse al año siguiente. El artículo explora las fuentes de error y concluye que el peor escenario previsto era del orden del 9%, ^{[ 13 ]} pero este podría llegar al 10% al volar sobre terrenos accidentados como las zonas urbanizadas de las ciudades. ^{[ 13 ]}

Durante los primeros vuelos del sistema, se observó que el patrón de las señales reflejadas en el osciloscopio variaba según el tipo de terreno bajo la aeronave. Esto abrió la posibilidad de diversas aplicaciones para la misma tecnología, como el escaneo del terreno y la navegación. Sin embargo, Bell no pudo explorar estos conceptos en aquel momento. ^{[ 12 ]}

Desde finales del siglo XIX se sabía que el metal y el agua eran excelentes reflectores de señales de radio, y desde entonces se habían realizado numerosos intentos para construir detectores de barcos, trenes e icebergs. La mayoría de estos presentaban importantes limitaciones prácticas debido al uso de señales de baja frecuencia que requerían grandes antenas para ofrecer un rendimiento aceptable. La unidad Bell, que operaba a una frecuencia base de 450  MHz, se encontraba entre los sistemas de mayor frecuencia de su época, lo que la hacía mucho más útil. ^{[ 13 ] [ b ]}

En Canadá, el Consejo Nacional de Investigación (NRC) comenzó a trabajar en un sistema de radar aerotransportado basado en el altímetro Bell. Esto sorprendió enormemente a los investigadores británicos durante su visita en octubre de 1940 como parte de la Misión Tizard , ya que en aquel entonces creían ser los únicos que trabajaban en el concepto. Al constatar que la idea ya no era un secreto, la Misión presentó al NRC sus diseños de calidad de producción. El diseño basado en el Bell fue abandonado en favor de la construcción del diseño británico ASV Mark II , completamente desarrollado , que operaba a niveles de potencia mucho mayores. ^{[ 14 ]}

En Francia, investigadores de la división francesa de IT&T realizaban experimentos similares con radar cuando la invasión alemana se acercó a los laboratorios en París. Los laboratorios fueron destruidos deliberadamente para evitar que la investigación cayera en manos alemanas. Los equipos alemanes encontraron las antenas entre los escombros y exigieron una explicación. El director de investigación de IT&T desvió las sospechas mostrándoles el altímetro en la portada de una revista y reprendiéndolos por no estar al día con las últimas técnicas de navegación. ^{[ 11 ]}

Los altímetros de radar son utilizados frecuentemente por aeronaves comerciales para aproximación y aterrizaje, especialmente en condiciones de baja visibilidad (ver reglas de vuelo instrumental ) y aterrizajes automáticos mientras se encuentran en el modo de captura de senda de planeo por debajo de 200–300 pies (61–91 m) sobre el nivel del suelo (AGL), ^{[ 15 ]} lo que permite al piloto automático saber cuándo comenzar la maniobra de aterrizaje . Los altímetros de radar proporcionan datos al acelerador automático que forma parte de la computadora de vuelo .  

Los altímetros de radar generalmente solo proporcionan lecturas hasta 2500 pies (760 m) (sobre el nivel del suelo). Con frecuencia, el radar meteorológico se puede dirigir hacia abajo para proporcionar una lectura de mayor alcance, hasta 60 000 pies (18 000 m) sobre el nivel del suelo. A partir de 2012  Todos los aviones comerciales están equipados con al menos dos, y posiblemente más, altímetros de radar, ya que son esenciales para las capacidades de aterrizaje automático. ( A partir de 2012)(Determinar la altura mediante otros métodos, como el GPS, no está permitido por la normativa). Los aviones de pasajeros más antiguos de la década de 1960 (como el British Aircraft Corporation BAC 1-11 ) y los aviones de pasajeros más pequeños de la clase de menos de 50 asientos (como el ATR 42 y la serie BAe Jetstream ) están equipados con ellos.

Los altímetros de radar son una parte esencial de los sistemas de advertencia de proximidad al terreno (GPWS), ya que alertan al piloto si la aeronave vuela demasiado bajo o desciende demasiado rápido. Sin embargo, los altímetros de radar no pueden detectar el terreno directamente delante de la aeronave, solo el que se encuentra debajo; esta funcionalidad requiere conocer la posición y el terreno en esa posición o bien un radar de terreno con visión frontal. Las antenas de los altímetros de radar tienen un lóbulo principal bastante grande, de aproximadamente 80°, de modo que, con ángulos de alabeo de hasta unos 40°, el radar detecta la distancia desde la aeronave hasta el suelo (específicamente hasta el objeto reflectante grande más cercano). Esto se debe a que la distancia se calcula en función de la primera señal de retorno de cada período de muestreo. No detecta la distancia oblicua hasta superar los 40° de alabeo o cabeceo. Esto no supone un problema para el aterrizaje, ya que el cabeceo y el alabeo normalmente no superan los 20°.

Los radioaltímetros utilizados en la aviación civil operan en la banda C del IEEE entre 4,2 y 4,4 GHz. ^{[ 16 ]}

A principios de 2022, las posibles interferencias de las torres de telefonía móvil 5G provocaron algunos retrasos y cancelaciones de vuelos en Estados Unidos.

Los altímetros de radar también se utilizan en aeronaves militares para volar a baja altitud sobre tierra y mar, evitando así la detección por radar y el ataque de cañones antiaéreos o misiles tierra-aire . Un uso relacionado de la tecnología de altímetros de radar es el radar de seguimiento del terreno , que permite a los cazabombarderos volar a altitudes muy bajas.

Los F-111 de la Real Fuerza Aérea Australiana y de la Fuerza Aérea de los Estados Unidos cuentan con un sistema de radar de seguimiento del terreno (TFR) de visión frontal conectado mediante un ordenador digital a sus pilotos automáticos . Debajo del radomo del morro se encuentran dos antenas TFR independientes, cada una de las cuales proporciona información individual al sistema TFR de doble canal. En caso de fallo de este sistema, el F-111 dispone de un altímetro radar de respaldo, también conectado al piloto automático. Si, por cualquier motivo, el F-111 desciende por debajo de la altitud mínima preestablecida (por ejemplo, 15 metros), el piloto automático recibe la orden de realizar un ascenso vertical de 2G (un ascenso pronunciado con el morro hacia arriba ) para evitar estrellarse contra el terreno o el agua. Incluso en combate, el riesgo de una colisión es mucho mayor que el de ser detectado por el enemigo. Sistemas similares son utilizados por los aviones F/A-18 Super Hornet operados por Australia y Estados Unidos.

• Espenschied, Lloyd; Newhouse, Russell (enero de 1939). "Un indicador de separación del terreno". The Bell System Technical Journal . 18 (1): 222– 234. doi : 10.1002/j.1538-7305.1939.tb00813.x .
• "Primeros logros históricos: Altímetro de radio" (PDF) . Laboratorios Bell : 18-19 de enero de 1948.
• Colin, Robert (julio de 1967). "Premio Pionero de 1967: Lloyd Espenschied y Russell C. Newhouse". IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems . AES-3 (4): 736– 742. doi : 10.1109/TAES.1967.5408855 .