Sonne (en alemán, "sol") fue un sistema de navegación por radio desarrollado en Alemania durante la Segunda Guerra Mundial . Se desarrolló a partir de un sistema experimental anterior conocido como Elektra , por lo que también se lo conoce como Elektra-sonnen . Cuando los británicos conocieron el sistema, comenzaron a usarlo también, bajo el nombre de Consol , que significa "por el sol".
Elektra era una versión actualizada del sistema de radio de baja frecuencia (LFR) basado en haces que se utilizó en los Estados Unidos durante la década de 1930. Este sistema se modificó aún más para crear Sonne, rotando electrónicamente la señal para crear una serie de haces que barrían el cielo. Mediante una simple sincronización de la señal, el navegante podía determinar el ángulo con respecto a la estación. Dos de esas mediciones proporcionaban entonces una posición de radio . La precisión y el alcance eran excelentes, con posiciones de alrededor de ¼ de grado posibles a una distancia de 1.600 km (1.000 millas).
El sistema Sonne resultó tan útil que las fuerzas británicas también lo utilizaron ampliamente, y se hicieron cargo de su funcionamiento después de la guerra. El sistema se utilizó para la navegación de largo alcance con el nombre de Consol y recibió el apoyo de la OACI como uno de los sistemas de navegación aérea de largo alcance sugeridos . Se construyeron nuevas estaciones en todo el mundo durante los siguientes veinte años. El sistema se mantuvo en uso parcial hasta la década de 1990, y el último transmisor en Noruega se apagó en 1991.
En navegación, la determinación de un " punto de referencia " requiere la realización de dos mediciones. Utilizando los métodos clásicos, esto era normalmente la medición de dos ángulos, o rumbos , a lo largo de la línea de visión hacia puntos de referencia destacados , como un faro . Después de tomar las dos mediciones, se dibujan líneas de posición que irradian desde los puntos de referencia a lo largo del ángulo inverso. Las líneas se cruzarán en algún punto, y su intersección determina la ubicación del navegante. En la práctica, a menudo se utiliza una tercera medición, lo que da como resultado tres líneas que no se cruzan perfectamente; el tamaño del área de intersección del triángulo resultante da una indicación aproximada de la precisión de la medición en su conjunto. [1]
La introducción de los sistemas de radio portátiles a principios del siglo XX dio lugar a la posibilidad de utilizar emisoras de radio ( balizas ) como punto de referencia que sería visible para un receptor de radio a distancias muy grandes, cientos de millas o más. El ángulo entre el navegante y la baliza se puede medir utilizando un mecanismo simple conocido como antena de bucle . A medida que la antena gira alrededor de un eje vertical, la intensidad de la señal recibida varía y cae a cero (el nulo ) cuando el bucle es perpendicular a la línea de la baliza. [2]
Esta técnica, conocida como radiogoniometría (RDF), es útil pero sólo moderadamente precisa. Es difícil realizar mediciones mejores que unos pocos grados con una antena de cuadro pequeña y, debido a las características eléctricas, no siempre es fácil fabricar una versión más grande que pueda proporcionar más precisión. Además, la adición de una antena de cuadro puede no ser posible en vehículos más pequeños o puede resultar difícil de utilizar para aquellos que no cuentan con un navegador dedicado. [2]
Hubo algunos experimentos con una especie de versión "invertida" del concepto RDF. Entre ellos estaba la baliza británica Orfordness , que transmitía una señal desde un bucle que giraba continuamente a 1 rpm (6 grados por segundo). Cada vez que el bucle pasaba hacia el norte, transmitía brevemente la señal en código Morse de la letra "V". Los usuarios escuchaban la señal V y luego ponían en marcha un cronómetro , esperando a que la señal desapareciera a medida que el bucle giraba frente a ellos. El tiempo transcurrido, multiplicado por seis, indicaba el ángulo de orientación desde la estación. Una segunda orientación hacia una estación similar en RAE Farnborough proporcionaba una solución. [3]
Lamentablemente, en la práctica se comprobó que el sistema sólo era preciso durante el día y con buen tiempo, lo que limitaba su utilidad para su función prevista de guía naval, y el sistema sólo estuvo operativo durante un breve período.
Otra solución al problema de la navegación por radio es utilizar una señal de "haz" direccional que sólo se pueda recibir en una zona determinada. Las aeronaves que vuelen dentro del haz oirán la señal en una radio convencional. Esto presenta un problema; el haz debe ser lo suficientemente ancho para que una aeronave pueda encontrarlo, pero lo suficientemente estrecho para que sea una guía precisa.
Los primeros intentos de abordar esta cuestión se hicieron en Alemania en 1904. O. Scheller, de la empresa Lorenz, propuso un sistema que utilizaba cuatro señales en un patrón general en forma de abanico. Cada una de las señales se modulaba de forma audible con la señal del código Morse para N (raya-punto) o A (punto-raya), de modo que una radio sintonizada en la frecuencia de transmisión oiría una de estas señales. Las señales se superponían ligeramente de forma deliberada, de modo que hubiera zonas en las que el oyente oiría ambas al mismo tiempo. En este caso, los huecos de una señal se rellenarían con la otra, lo que produciría un tono constante conocido como "equiseñal". [4]
Este concepto básico se desarrolló en varias ocasiones, pero no se puso en práctica hasta la Primera Guerra Mundial . En ese momento, la economía alemana estaba limitada y sus actividades de aviación estaban estrictamente restringidas. El desarrollo práctico se trasladó entonces a los Estados Unidos, donde se utilizó en forma modificada con dos patrones de transmisión anchos en forma de 8 que permitían una fácil captura de la señal. En lugar del sistema de aterrizaje de corto alcance propuesto por Scheller, el sistema estadounidense se utilizó para construir el sistema de radio de baja frecuencia (LFR) a partir de 1928, que ofrecía navegación de área amplia entre aeropuertos. [5]
Para utilizar el sistema, el avión sintonizaba la estación en una radio convencional. Luego escuchaba la señal y, dependiendo de si escuchaba la A o la N, giraba hasta que estaba volando en el medio del haz donde escuchaba la señal equivalente. El sistema estaba configurado de modo que el haz que apuntaba al oeste desde una estación tenía el patrón de puntos y rayas opuesto al que apuntaba al este desde la siguiente, de modo que el piloto podía sintonizar las estaciones en cada extremo de un tramo en particular y escuchar la misma señal de ambas. A medida que volaban de una estación, escuchaban cómo la señal de una se desvanecía y la de la otra aumentaba, hasta que pasaban sobre la estación donde entraban en el "cono de silencio". [6]
A medida que la economía alemana se recuperaba, el desarrollo del sistema Lorenz se retomó a finales de la década de 1930. Se le pidió a Ernst Kramar que desarrollara un sistema de aterrizaje a ciegas más en línea con el concepto original de Scheller. Esto surgió como un sistema conocido genéricamente como " haz de Lorenz ", que utilizaba tres antenas y técnicas de fase para producir señales altamente direccionales de solo unos pocos grados de ancho. Los transmisores se colocaban al final de las pistas y el piloto podía escuchar las señales para volar por la señal en forma de abanico hasta la pista. Durante la Segunda Guerra Mundial , se utilizaron versiones aún más precisas y de largo alcance como ayudas para bombardeos nocturnos; véase la Batalla de los Rayos para más detalles. [7]
A medida que la economía alemana mejoraba y Luft Hansa comenzó a ampliar su programación, se le pidió a Kramar que desarrollara un sistema similar al LFF para su uso en Europa. Lo llamó Elektra, en honor al personaje de la ópera homónima de Richard Strauss . Al utilizar haces de Lorenz, Elektra permitió que cada señal fuera más estrecha, de modo que una sola estación pudiera proporcionar una serie de rutas de entrada y salida, en lugar de solo cuatro. De esta manera, se podía utilizar un número menor de estaciones para producir una serie de rutas aéreas que conectaran aeropuertos de manera más directa. Sin embargo, no se había realizado ningún esfuerzo de despliegue cuando comenzó la guerra. [8]
Al principio de la guerra, la Luftwaffe se puso en contacto con Kramar para ver si era posible adaptar el Elektra para permitir la navegación general, en lugar de volar con haces de luz. Kramar respondió combinando el concepto de haz de luz del sistema Lorenz con la señal rotatoria del concepto Orfordness, pero en un sistema único que representaba un avance espectacular en cuanto a forma.
En lugar de rotar una antena de cuadro, Sonne utilizó tres antenas fijas separadas, distribuidas a lo largo de una línea con cada antena a 1 km de la siguiente, una distancia de tres longitudes de onda en la frecuencia operativa de 300 kHz (se utilizaron varias frecuencias entre 250 y 350 kHz). Un solo transmisor producía una señal que se enviaba directamente a la antena central. [8]
La señal también se separó de la señal principal y se envió a una "unidad de manipulación". Esta dividió la señal en uno de dos caminos, cada uno conectado a una de las dos antenas laterales. La unidad de manipulación envió la señal brevemente a una antena y luego durante un período más largo a la segunda, produciendo el patrón de puntos y rayas utilizado en los sistemas Lorenz. Como la antena central y una de las dos antenas laterales estaban alimentadas en un momento dado, el patrón de radiación resultante fue un cardioide . [8] [9]
La clave del sistema Sonne fue una modificación adicional de la señal antes de que llegara a las antenas. Se utilizó un desfasador para retardar la señal 90 grados cuando se enviaba a una de las antenas laterales, o para adelantarla 90 grados con respecto a la otra. Esto creó una serie de picos, o lóbulos, dentro del patrón de radiación cardioide, cada uno de unos 7,5 grados de ancho. [8] Como las antenas estaban separadas físicamente, los picos no se superponían con precisión, lo que producía los mismos puntos, rayas y zonas equiseñales del sistema Lorenz. [8] [10]
Finalmente, la señal de retardo de fase se "rotó" lentamente. Durante un período de 30 segundos, la señal avanzada se retrasó 180 grados y la señal retardada avanzó los mismos 180 grados. Esto hizo que todo el patrón cardioide girara lentamente, los puntos en el sentido de las agujas del reloj y las rayas en el sentido contrario. [10]
Cada minuto se cortaba la señal de las antenas laterales, lo que producía un tono puro que se transmitía omnidireccionalmente desde la antena central. Esto se codificaba con un identificador de estación en código Morse. El navegante podía utilizar este período de 6 segundos para encontrar el rumbo general de la estación mediante RDF. Esto les permitía determinar en cuál de los lóbulos del patrón esperaban estar ubicados. [11]
Cuando los retrasos de fase comenzaron de nuevo, 2 segundos después de que el identificador de la estación terminara, la manipulación de puntos y rayas comenzó con él. El receptor normalmente estaría ubicado a un lado o al otro de la equiseñal, por lo que escucharía puntos o rayas; para este ejemplo, digamos puntos. A medida que se giraba el patrón, el lóbulo de puntos se alejaba del receptor mientras que la señal de rayas se acercaba. Por lo tanto, durante el período de 30 segundos, el receptor escuchará puntos, luego la equiseñal (brevemente) y luego rayas. Al cronometrar la llegada de la equiseñal, el navegador podría determinar su ubicación dentro del lóbulo. [11]
Mientras que Orfordness requería que este retraso se cronometrara en un reloj, Sonne activaba la señal una vez por segundo, lo que permitía registrar el tiempo simplemente contando el número de puntos o rayas. Para facilitar aún más este proceso, se produjo una serie de cartas náuticas con los recuentos indicados en ellas. El navegante simplemente buscaba el número en la carta para ver el rumbo. [11]
Como el patrón rotaba solo 7,5 grados en 30 segundos y la precisión de la sincronización era de solo un segundo, la precisión del sistema era teóricamente de 7,5/30, o ¼ de grado. En la práctica, durante el día a 300 millas náuticas, las precisiones de ±½ grado eran comunes cuando el receptor estaba ubicado en ángulo recto con la línea base de la estación, y de ±1 grado a 70 grados con respecto a la normal. Como la mayoría de los sistemas de onda media y larga, la precisión se degradaba por la noche debido a los efectos atmosféricos, a ±1 grado en la normal y ±2 grados a 70 grados. [9]
En la navegación, la regla general es que los resultados más precisos se obtienen cuando los dos rumbos están lo más separados posible por 90 grados. Como Sonne era un sistema de largo alcance, tenía sentido ubicar las estaciones a grandes distancias entre sí, para ampliar el área donde habría grandes ángulos entre las estaciones.
Esto dio lugar a la implantación de dos estaciones en España y una en Noruega a partir de 1940. A lo largo de la guerra se fueron añadiendo más estaciones, incluidas algunas en los Países Bajos, Francia, España y Alemania. Se llegó a construir un total de 18 emisoras, algunas de ellas denominadas Sonne y otras Elektra, aunque el motivo de esta denominación no está claro en las fuentes modernas. [12]
El sistema se vio comprometido por la captura del submarino alemán U-505 en 1944, lo que llevó a una comprensión completa del sistema en el Reino Unido. Esto resultó tan útil que Sonne fue rápidamente adoptado por el Mando Costero de la RAF , que necesitaba un sistema de mayor alcance que el que ofrecía Gee . Para mantener su uso menos obvio, todos los registros británicos se refieren al sistema como "Consol". [8]
El uso del sistema por parte del Mando Costero se generalizó tanto que llegó a depender completamente de él. A finales de la guerra, cuando los alemanes perdieron el acceso a España, la falta de piezas provocó que una de las estaciones españolas dejara de funcionar. Edward Fennessy organizó el suministro de piezas de repuesto proporcionadas por la RAF para mantenerla operativa. [8]
Sonne, ahora conocido por su nombre en código británico Consol, fue ampliamente utilizado en la era de posguerra. Comparado con sistemas como VOR o RDF , Consol no requería nada más en el barco de navegación que una radio convencional y la capacidad de contar. Esto resultó tan atractivo que se instalaron nuevas estaciones Consol en Francia, Irlanda del Norte e incluso tres en los EE. UU. (donde se conocía como Consolan) y varias en la URSS. Fue uno de los sistemas de navegación de largo alcance recomendados por la OACI . [8] [13]
Aunque se introdujeron sistemas más precisos y fáciles de usar, en particular LORAN-C , el bajo costo de implementación de Consol (una radio) lo mantuvo en uso como un sistema de navegación de recreo durante muchos años. La mayoría de las emisoras de Consol siguieron en uso hasta la década de 1980, y la estación de Stavanger permaneció en línea hasta 1991. [8] En ese momento, los sistemas LORAN y GPS estaban bajando de precio y estos habían reemplazado a la mayoría de las formas de navegación por radio en 2000.
Andøya, Bjørnøya y la isla Jan Mayen compartían la misma frecuencia y se turnaban para transmitir durante un ciclo de cuatro minutos.