Un altímetro de radar ( RA ), también llamado radioaltímetro ( RALT ), altímetro electrónico , altímetro de reflexión o radioaltímetro de bajo alcance ( LRRA ), mide la altitud sobre el terreno que se encuentra debajo de una aeronave o nave espacial cronometrando el tiempo que tarda un haz de ondas de radio en viajar hasta el suelo, reflejarse y regresar a la nave. Este tipo de altímetro proporciona la distancia entre la antena y el suelo directamente debajo de ella, en contraste con un altímetro barométrico que proporciona la distancia sobre un punto de referencia vertical definido , generalmente el nivel medio del mar .
Como su nombre lo indica, el radar ( radiodetección y medición de distancia ) es el principio fundamental del sistema. El sistema transmite ondas de radio hasta el suelo y mide el tiempo que tardan en reflejarse de vuelta hasta el avión. La altitud sobre el suelo se calcula a partir del tiempo de viaje de las ondas de radio y la velocidad de la luz . [1] Los altímetros de radar requerían un sistema simple para medir el tiempo de vuelo que pudiera visualizarse utilizando instrumentos convencionales, a diferencia de un tubo de rayos catódicos que normalmente se utilizaba en los primeros sistemas de radar.
Para ello, el transmisor envía una señal modulada en frecuencia que cambia de frecuencia con el tiempo, subiendo y bajando entre dos límites de frecuencia, F min y F max, durante un tiempo determinado, T. En las primeras unidades, esto se lograba utilizando un tanque LC con un condensador de sintonización accionado por un pequeño motor eléctrico. La salida se mezcla luego con la señal portadora de radiofrecuencia y se envía a la antena de transmisión. [1]
Como la señal tarda un tiempo en llegar al suelo y regresar, la frecuencia de la señal recibida se retrasa ligeramente en relación con la señal que se envía en ese instante. La diferencia entre estas dos frecuencias se puede extraer en un mezclador de frecuencias y, como la diferencia entre las dos señales se debe al retraso en llegar al suelo y regresar, la frecuencia de salida resultante codifica la altitud. La salida suele ser del orden de cientos de ciclos por segundo, no megaciclos, y se puede mostrar fácilmente en instrumentos analógicos. [2] Esta técnica se conoce como radar de onda continua modulada en frecuencia .
Los altímetros de radar normalmente funcionan en la banda E , la banda K o, para mediciones más avanzadas del nivel del mar, la banda S. Los altímetros de radar también proporcionan un método confiable y preciso para medir la altura sobre el agua, cuando se vuelan largas distancias sobre el mar. Estos son fundamentales para su uso cuando se opera hacia y desde plataformas petrolíferas. [ aclaración necesaria ] [ cita necesaria ]
La altitud indicada por el dispositivo no es la altitud indicada por el altímetro barométrico estándar. Un altímetro de radar mide la altitud absoluta : la altura " sobre el nivel del suelo " (AGL).
A partir de 2010 [actualizar], todos los altímetros de radar comerciales utilizan ondas continuas moduladas en frecuencia lineal (LFMCW o FMCW) y alrededor de 25.000 aeronaves en los EE. UU. tienen al menos un radioaltímetro. [3] [4]
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El concepto subyacente del altímetro de radar se desarrolló independientemente del campo más amplio del radar y se originó en un estudio de telefonía de larga distancia en Bell Labs . Durante la década de 1910, Bell Telephone tenía problemas con la reflexión de señales causadas por cambios en la impedancia de las líneas telefónicas, típicamente donde el equipo se conectaba a los cables. Esto era especialmente significativo en las estaciones repetidoras, donde las impedancias mal adaptadas reflejaban grandes cantidades de la señal y dificultaban la telefonía de larga distancia. [5]
Los ingenieros notaron que las reflexiones parecían tener un patrón irregular; para cualquier frecuencia de señal dada, el problema solo sería significativo si los dispositivos estuvieran ubicados en puntos específicos de la línea. Esto llevó a la idea de enviar una señal de prueba a la línea y luego cambiar su frecuencia hasta que se vieran ecos significativos. Esto revelaría la distancia aproximada al dispositivo, lo que permitiría identificarlo y repararlo. [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 (concedida en 1924) [6] sobre la idea de enviar una señal a las vías del tren y medir la distancia hasta las discontinuidades. Estas podrían utilizarse para detectar vías rotas o, si la distancia cambiaba más rápidamente que la velocidad del tren, otros trenes en la misma línea. [5]
Durante este mismo período hubo un gran debate en física sobre la naturaleza de la propagación de la radio. Las exitosas transmisiones transatlánticas de Guglielmo Marconi parecían imposibles. Los estudios de señales de radio demostraron 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 EE. UU. postularon de forma independiente la existencia de una capa ionizada en la atmósfera superior que rebotaba la señal de regreso al suelo para que pudiera ser recibida. Esto se conoció como la capa de Heaviside . [7]
Aunque era una idea atractiva, faltaban pruebas directas. En 1924, Edward Appleton y Miles Barnett pudieron demostrar la existencia de dicha capa en una serie de experimentos realizados en colaboración con la BBC . Después de que terminaran las transmisiones programadas del día, un transmisor de la BBC en Bournemouth envió una señal que aumentaba lentamente en frecuencia. Esta 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 en el tiempo después de viajar a la capa Heaviside y regresar nuevamente, la onda ionosférica. [7]
Para la demostración era necesario medir con precisión la distancia recorrida por la onda ionosférica, para comprobar que se encontraba realmente en el cielo. Ése era el propósito del cambio de frecuencia. Dado que la señal terrestre recorría una distancia más corta, era más reciente y, por lo tanto, más cercana a la frecuencia que se estaba enviando en ese instante. La onda ionosférica, al tener que recorrer una distancia más larga, se retrasaba y, por lo tanto, era la frecuencia que era hace algún tiempo. Al mezclar las dos en un mezclador de frecuencias, se produce una tercera señal que tiene su propia frecuencia única que codifica la diferencia entre las dos entradas. Dado que en este caso la diferencia se debe al camino más largo, la frecuencia resultante revela directamente la longitud del camino. Aunque técnicamente es más difícil, en última instancia se trata de la misma técnica básica que utilizó Bell para medir la distancia a los reflectores en el 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 MW Havel. Su sistema experimental tenía más en común con el trabajo anterior en Bell, que utilizaba cambios en la frecuencia para medir la distancia hasta el extremo de los cables. Los dos lo utilizaron como base para una tesis conjunta de último año en 1929. [8]
Everitt reveló el concepto a la Oficina de Patentes de Estados Unidos , pero no presentó una patente en ese momento. Luego se acercó al Fondo Daniel Guggenheim para la Promoción de la Aeronáutica para obtener fondos para el desarrollo. Jimmy Doolittle , secretario de la Fundación, se acercó a Vannevar Bush de Bell Labs para que emitiera una opinión. Bush era escéptico de que el sistema pudiera desarrollarse en ese momento, pero sin embargo sugirió que la Fundación financiara el desarrollo de un modelo funcional. Esto le permitió a Newhouse construir una máquina experimental que formó la base de su tesis de maestría de 1930, en asociación con JD Corley. [8] [9]
El dispositivo fue llevado a Wright Field , donde fue probado por Albert Francis Hegenberger , un destacado experto en navegación aérea. Hegenberger descubrió que el sistema funcionaba como se anunciaba, pero afirmó que tendría que funcionar a frecuencias más altas para ser práctico. [8] [a]
Espenschied también había considerado la posibilidad de utilizar la idea de Appleton para medir la altitud. En 1926, sugirió la idea como una forma de medir la altitud y como un sistema de visión de futuro para evitar colisiones y evitar desviaciones del terreno. Sin embargo, en ese momento se calculó que la frecuencia de los sistemas de radio disponibles, incluso en lo que se conocía como onda corta, era cincuenta veces menor que la necesaria para un sistema práctico. [5] [9]
Espenschied finalmente presentó una patente sobre la idea en 1930. [9] En ese momento, Newhouse había dejado la Universidad Estatal de Ohio y había aceptado un puesto en Bell Labs. Allí conoció a Peter Sandretto, quien también estaba interesado en temas de navegación por radio. Sandretto dejó Bell en 1932 para convertirse en el 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 intenso interés. Casi al mismo tiempo, Bell Labs había estado trabajando en nuevos diseños de válvulas que fueran capaces de entregar entre 5 y 10 vatios a una frecuencia de hasta 500 MHz, perfectos para el papel. [9] Esto llevó a Sandretto a ponerse en contacto con Bell sobre la idea, y en 1937 se formó una asociación entre Bell Labs y UAL para construir una versión práctica. Liderados por Newhouse, un equipo tenía un modelo funcional en 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 , la producción en masa fue asumida por RCA , que los produjo bajo los nombres ABY-1 y RC-24. En la era de posguerra, muchas empresas asumieron la producción y se convirtió en un instrumento estándar en muchos aviones a medida que el aterrizaje a ciegas se volvió algo común. [11]
Al año siguiente, Espenschied y Newhouse publicaron conjuntamente un artículo que describe el sistema. El artículo analiza las fuentes de error y concluye que el peor escenario posible previsto era del orden del 9% [13] , pero que este porcentaje podría llegar al 10% cuando se vuela sobre terreno accidentado, como las zonas urbanizadas de las ciudades [13] .
Durante los primeros vuelos del sistema, se observó que el patrón de los retornos que se observaban en un osciloscopio era distinto para los distintos tipos de terreno debajo de la aeronave. Esto abrió la posibilidad de todo tipo de otros usos para la misma tecnología, incluidos el escaneo terrestre y la navegación. Sin embargo, Bell no pudo explorar estos conceptos en ese momento. [12]
Desde finales del siglo XIX se sabía que el metal y el agua eran excelentes reflectores de las señales de radio, y desde entonces se han hecho muchos intentos de construir detectores de barcos, trenes e icebergs. La mayoría de ellos tenían importantes limitaciones prácticas debido al uso de señales de baja frecuencia que exigían antenas grandes para proporcionar un rendimiento razonable. La unidad Bell, que funcionaba a una frecuencia base de 450 MHz, estaba entre los sistemas de frecuencia más alta 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 utilizando el altímetro Bell como base. Esto fue una gran sorpresa para los investigadores británicos cuando visitaron el país en octubre de 1940 como parte de la Misión Tizard , ya que los británicos creían en ese momento que eran los únicos que trabajaban en el concepto. Al ver que la idea ya no era un secreto, la Misión presentó al NRC sus diseños de calidad de producción. El diseño basado en Bell fue abandonado a favor de la construcción del diseño británico ASV Mark II completamente desarrollado , que operaba a niveles de potencia mucho más altos. [14]
En Francia, los investigadores de la división francesa de IT&T estaban realizando experimentos similares con radares cuando la invasión alemana se aproximaba a los laboratorios de 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 la unidad de altímetro en la portada de una revista y amonestándolos por no estar al día en las últimas técnicas de navegación. [11]
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Los altímetros radar se utilizan con frecuencia en aviones comerciales para la aproximación y el aterrizaje, especialmente en condiciones de baja visibilidad (consulte las reglas de vuelo por instrumentos ) y para los aterrizajes automáticos , lo que permite al piloto automático saber cuándo comenzar la maniobra de aterrizaje . Los altímetros radar proporcionan datos al acelerador automático , que es parte de la computadora de vuelo .
Los altímetros de radar generalmente solo dan lecturas hasta 2500 pies (760 m) sobre el nivel del suelo (AGL). Con frecuencia, el radar meteorológico se puede dirigir hacia abajo para dar una lectura de un rango más largo, hasta 60 000 pies (18 000 m) AGL. A partir de 2012 [actualizar], todos los aviones de pasajeros 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 [actualizar], la determinación de la altura a través de otros métodos como el GPS no está permitida por las regulaciones). Los aviones de pasajeros más antiguos de la década de 1960 (como el BAC 1-11 de British Aircraft Corporation ) y los aviones de pasajeros más pequeños en la clase de menos de 50 asientos (como las series ATR 42 y 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 advierten al piloto si la aeronave está volando demasiado bajo o descendiendo demasiado rápido. Sin embargo, los altímetros de radar no pueden ver el terreno directamente delante de la aeronave, solo el que está debajo de ella; esta funcionalidad requiere conocimiento de la posición y el terreno en esa posición o un radar de terreno que mire hacia adelante. Las antenas de altímetro de radar tienen un lóbulo principal bastante grande de aproximadamente 80°, de modo que en ángulos de inclinación de hasta aproximadamente 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 el alcance se calcula en función de la primera señal de retorno de cada período de muestreo. No detecta el alcance oblicuo hasta más allá de aproximadamente 40° de inclinación o cabeceo. Esto no es un problema para el aterrizaje, ya que el cabeceo y el balanceo 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. [15]
A principios de 2022, posibles interferencias de las torres de telefonía móvil 5G provocaron algunos retrasos y cancelaciones de vuelos en Estados Unidos.
Los altímetros radar también se utilizan en aviones militares para volar a baja altura sobre la tierra y el mar y evitar que los detecten los radares y los ataquen los cañones antiaéreos o los misiles tierra-aire . Un uso relacionado de la tecnología de los altímetros 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 tienen un sistema de radar de seguimiento del terreno (TFR) orientado hacia adelante conectado a través de una computadora digital a sus pilotos automáticos . Debajo del radomo del morro hay dos antenas TFR separadas, cada una de las cuales proporciona información individual al sistema TFR de doble canal. En caso de un fallo en ese sistema, el F-111 tiene un sistema de altímetro de radar de respaldo, también conectado al piloto automático. Luego, si el F-111 alguna vez desciende por debajo de la altitud mínima preestablecida (por ejemplo, 15 metros) por cualquier motivo, su piloto automático recibe la orden de poner el F-111 en un vuelo ascendente de 2G (un ascenso pronunciado con el morro hacia arriba) para evitar estrellarse contra el terreno o el agua. Incluso en combate, el peligro de una colisión es mucho mayor que el peligro de ser detectado por un enemigo. Los aviones F/A-18 Super Hornet operados por Australia y los Estados Unidos utilizan sistemas similares .
La Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) define los radioaltímetros como “ equipos de radionavegación, a bordo de una aeronave o nave espacial, utilizados para determinar la altura de la aeronave o la nave espacial sobre la superficie de la Tierra u otra superficie” en el artículo 1.108 del Reglamento de Radiocomunicaciones (RR) de la UIT. [16] Los equipos de radionavegación se clasificarán según el servicio de radiocomunicación en el que operen de forma permanente o temporal. El uso de equipos de radioaltímetro está categorizado como un servicio de seguridad de la vida , debe estar protegido contra interferencias y es una parte esencial de la navegación .