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 actualmente debajo de un avión o nave espacial cronometrando el tiempo que tarda un haz de ondas de radio viaja hasta el suelo, se refleja y regresa 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 ( detección y determinación de distancias por radio ) es el principio fundamental del sistema. El sistema transmite ondas de radio al suelo y mide el tiempo que tardan en reflejarse 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 normalmente utilizado en los primeros sistemas de radar.
Para hacer esto, el transmisor envía una señal de frecuencia modulada que cambia de frecuencia con el tiempo, aumentando y disminuyendo entre dos límites de frecuencia, F min y F max durante un tiempo determinado, T. En las primeras unidades, esto se logró usando un LC. tanque con un condensador de sintonización impulsado por un pequeño motor eléctrico. Luego, la salida se mezcla con la señal portadora de radiofrecuencia y se envía a la antena de transmisión. [1]
Dado que la señal tarda algún 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 en estas dos frecuencias se puede extraer en un mezclador de frecuencias , y debido a que la diferencia en 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 puede visualizarse fácilmente en instrumentos analógicos. [2] Esta técnica se conoce como radar de onda continua de frecuencia modulada .
Los altímetros de radar normalmente funcionan en la banda E , la banda K a o, para mediciones más avanzadas del nivel del mar, la banda S. Los altímetros de radar también proporcionan un método fiable y preciso para medir la altura sobre el agua, cuando se vuelan largas trayectorias marítimas. Estos son fundamentales para su uso cuando se opera hacia y desde plataformas petrolíferas. [ se necesita aclaración ] [ se necesita cita ]
La altitud especificada por el dispositivo no es la altitud indicada del 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 onda continua de frecuencia modulada lineal (LFMCW o FMCW) y alrededor de 25.000 aviones 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 de radar más amplio y se origina en un estudio de telefonía de larga distancia en Bell Labs . Durante la década de 1910, Bell Telephone luchaba con el reflejo de las señales causadas por cambios en la impedancia en las líneas telefónicas, generalmente donde los equipos estaban conectados a los cables. Esto fue especialmente significativo en las estaciones repetidoras, donde las impedancias mal adaptadas reflejarían grandes cantidades de señal y dificultarían la telefonía de larga distancia. [5]
Los ingenieros notaron que los reflejos parecían tener un patrón "jorobado"; Para cualquier frecuencia de señal dada, el problema sólo 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 observaran 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 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 ferrocarril y medir la distancia hasta las discontinuidades. Estos podrían usarse para detectar vías rotas o, si la distancia cambia 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 hacía rebotar la señal hacia el suelo para poder recibirla. Esta se conoció como la capa de Heaviside . [7]
Si bien 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 terminaron las transmisiones programadas para el día, un transmisor de la BBC en Bournemouth envió una señal que aumentó lentamente en frecuencia. Esto fue captado 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 Heaviside y regresar, la onda celeste. [7]
Para la demostración fue necesario medir con precisión la distancia recorrida por la onda celeste, demostrando que realmente estaba en el cielo. Este era el propósito del cambio de frecuencia. Dado que la señal terrestre viajó una distancia más corta, era más reciente y, por lo tanto, más cercana a la frecuencia que se envió en ese instante. La onda celeste, al tener que recorrer una distancia mayor, se retrasó y, por tanto, mantuvo la frecuencia como hace algún tiempo. Al mezclar las dos en un mezclador de frecuencia, se produce una tercera señal que tiene su propia frecuencia única que codifica la diferencia en 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 era más desafiante, en última instancia se trataba de la misma técnica básica que utilizaba 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 altímetro. Asignó el trabajo a dos personas mayores, Russell Conwell Newhouse y MW Havel. Su sistema experimental era más común con el trabajo anterior de Bell, que utilizaba cambios de frecuencia para medir la distancia hasta el final de los cables. Los dos lo utilizaron como base para una tesis conjunta en 1929. [8]
Everitt reveló el concepto a la Oficina de Patentes de EE. UU. , pero no presentó una patente en ese momento. Luego se dirigió al Fondo Daniel Guggenheim para la Promoción de la Aeronáutica en busca de financiación para el desarrollo. Jimmy Doolittle , secretario de la Fundación, se acercó a Vannevar Bush de Bell Labs para emitir un juicio. Bush se mostró escéptico de que el sistema pudiera desarrollarse en ese momento, pero aun así sugirió que la Fundación financiara el desarrollo de un modelo funcional. Esto permitió a Newhouse construir una máquina experimental que formó la base de su tesis de maestría de 1930, en colaboración con JD Corley. [8] [9]
El dispositivo fue llevado a Wright Field , donde fue probado por Albert Francis Helgenberger, 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 que fuera práctico. [8] [un]
Espenschied también había estado considerando el uso de 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 el terreno y detectar colisiones. Sin embargo, en aquella época se calculaba que la frecuencia de los sistemas de radio disponibles, incluso en la llamada onda corta , era cincuenta veces menor de lo que se necesitaría para un sistema práctico. [5] [9]
Espenschied finalmente presentó una patente sobre la idea en 1930. [9] En ese momento, Newhouse había abandonado el estado de Ohio y había ocupado un puesto en Bell Labs. Aquí conoció a Peter Sandretto, que 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 fue concedida hasta 1936, [10] y su publicación generó un gran interés. Casi al mismo tiempo, Bell Labs había estado trabajando en nuevos diseños de tubos que fueran capaces de entregar entre 5 y 10 vatios hasta 500 MHz, perfectos para el papel. [9] Esto llevó a Sandretto a contactar a Bell sobre 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 prueba 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 técnicas basadas en este trabajo. [11]
El sistema fue anunciado 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 la posguerra, muchas empresas comenzaron a producirlo y se convirtió en un instrumento estándar en muchos aviones cuando el aterrizaje a ciegas se volvió algo común. [11]
Espenschied y Newhouse publicaron conjuntamente un artículo que describe el sistema al año siguiente. El artículo explora las fuentes de error y concluye que el peor de los casos incorporados era del orden del 9%, [13] pero esto 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 visto en un osciloscopio era distinto para los diferentes tipos de terreno debajo de la aeronave. Esto abrió la posibilidad de todo tipo de 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 habían realizado varios intentos de construir detectores de barcos, trenes y icebergs. La mayoría de ellos tenían importantes limitaciones prácticas, especialmente el uso de señales de baja frecuencia que exigían antenas grandes para proporcionar un rendimiento razonable. La unidad Bell, que operaba a una frecuencia base de 450 MHz, estaba entre los sistemas de frecuencia más alta de su época. [13] [b]
En Canadá, el Consejo Nacional de Investigación comenzó a trabajar en un sistema de radar aerotransportado utilizando el altímetro como base. Esto fue una gran sorpresa para los investigadores británicos cuando lo visitaron 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. Sin embargo, el diseño canadiense finalmente fue abandonado en favor de la construcción del diseño británico ASV Mark II completamente desarrollado , que operaba a niveles de potencia mucho más altos. [14]
En Francia, investigadores de la división francesa de IT&T estaban llevando a cabo experimentos similares con radar cuando la invasión alemana se acercó a los laboratorios de París. Los laboratorios fueron destruidos deliberadamente para evitar que la investigación cayera en manos alemanas, pero 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 actualizados sobre las últimas técnicas de navegación. [11]
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Los altímetros de radar son utilizados frecuentemente por aviones comerciales para aproximación y aterrizaje, especialmente en condiciones de baja visibilidad (ver reglas de vuelo por instrumentos ) y aterrizajes automáticos , lo que permite al piloto automático saber cuándo comenzar la maniobra de enderezamiento . Los altímetros de radar proporcionan datos al acelerador automático que forma parte de la computadora de vuelo .
Los altímetros de radar generalmente solo dan lecturas de 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 desde un rango más largo, hasta 60.000 pies (18.000 m) sobre el nivel del suelo (AGL). A partir de 2012 [actualizar], todos los aviones 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 , las regulaciones no permiten [actualizar]determinar la altura mediante otros métodos, como el GPS ). Aviones de pasajeros más antiguos de la década de 1960 (como el British Aircraft Corporation BAC 1-11 ) y 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 alerta de proximidad al suelo (GPWS), y advierten al piloto si la aeronave vuela demasiado bajo o desciende demasiado rápido. Sin embargo, los altímetros de radar no pueden ver el terreno directamente delante del avión, sólo el que está debajo; dicha funcionalidad requiere conocimiento de la posición y el terreno en esa posición o un radar de terreno orientado 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 rango se calcula en función del primer retorno de señal de cada período de muestreo. No detecta el rango de inclinación hasta más allá de aproximadamente 40° de inclinación o inclinación. 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 funcionan en la banda C del IEEE entre 4,2 y 4,4 GHz. [15]
A principios de 2022, una posible interferencia de las torres de telefonía móvil 5G provocó algunos retrasos y algunas cancelaciones de vuelos en Estados Unidos.
Los altímetros de radar también se utilizan en aviones militares para volar bastante bajo sobre la tierra y el mar para evitar la detección por radar y el objetivo de cañones antiaéreos o misiles tierra-aire . Un uso relacionado de la tecnología de altímetro 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 la Fuerza Aérea de EE. UU. 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 de la nariz hay dos antenas TFR separadas, cada una de las cuales proporciona información individual al sistema TFR de doble canal. En caso de falla en ese sistema, el F-111 cuenta con un sistema de radar altímetro 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, se le ordena a su piloto automático que ponga el F-111 en un vuelo 2G (un ascenso empinado con el morro hacia arriba ). para evitar chocar 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. Sistemas similares son utilizados por aviones F/A-18 Super Hornet operados por Australia y Estados Unidos.
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 de la nave espacial sobre la superficie de la Tierra u otra superficie" en el artículo 1.108 del Reglamento de Radiocomunicaciones de la UIT ( RR). [16] Los equipos de radionavegación serán clasificados por el servicio de radiocomunicaciones en el que operen permanente o temporalmente. El uso de equipos de radioaltímetro está categorizado como un servicio de seguridad de la vida , debe estar protegido contra interferencias y es un elemento esencial. parte de la navegación .