Sistema de Navegación Hiperbólico de Largo Alcance – LORAN-C

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Sistema de Navegación Hiperbólico de Largo
Alcance – LORAN-C
Mario E. Casado García, Laura Vicente Ortega y Jaime Vaquerizo Organista
Abstract—El sistema LORAN-C es la versión de LORAN más
extendida y la que mayor alcance y exactitud consigue de todas
las versiones que han llegado a ser operativas. No obstante se
trata de un sistema anticuado en los tiempos vigentes, en
comparación con los sistemas GNSS basados en satélites, que por
el contrario se sigue utilizando y tiene asegurada su continuidad
a corto y medio plazo por decisión política de los EE.UU. y de
varios países europeos. Pero esta continuidad hoy por hoy está
ceñida a una mera transición, debido a que una nueva versión
mejorada de LORAN, aún en fase experimental, el eLORAN, lo
sustituirá en todas sus funciones actuales, además de añadir otras
muchas.
Corporation” (ITT). El sistema LORAN-C es utilizado en
muchos países, entre ellos los Estados Unidos de América,
Japón y varios países europeos. Actualmente funcionan más
de cien estaciones terrenas LORAN-C, aunque su uso está
decayendo rápidamente siendo reemplazado por sistemas
GNSS (Sistema Global de Navegación por Satélite). Sin
embargo, se está estudiando la posibilidad de mejorar y volver
a popularizar este sistema como veremos a lo largo de este
artículo.
Palabras clave—Enhanced LORAN, Eurofix, GLORIA,
GNSS, LORAN-C, Navstar GPS, sistema de navegación
hiperbólico de largo alcance.
II. MOTIVACIÓN Y OBJETIVO DEL SISTEMA
I. INTRODUCCIÓN
L
ORAN (LOng RAnge Navigation) es un sistema de ayuda
a la navegación electrónico que fija un posicionamiento.
Existen diferentes versiones del sistema, LORAN-A,
LORAN-B,… actualmente todas en desuso menos la versión
más utilizada en todo el mundo, debido al mayor alcance y
exactitud, el LORAN-C. Este mide diferencias de tiempo
entre la recepción de señales de la estación maestra y sus
esclavas y también sus diferencias de fase, para conseguir con
ello ubicar nuestra situación. Son señales de baja frecuencia
(90-100 KHz) moduladas en amplitud. Es un sistema de
radionavegación hiperbólica de largo alcance y gran
precisión.
LORAN fue desarrollado durante la Segunda Guerra
Mundial (1939-1945) como ayuda a la navegación de la
aviación aliada y a los convoyes del Atlántico Norte. Tras la
guerra, el servicio de guardacostas de los Estados Unidos de
América extendió su uso como ayuda a la navegación.
Durante los años 50 se perfecciono el sistema LORAN, en
cuanto a la precisión (dando lugar a la versión C),
principalmente para el uso militar. En el ámbito no militar,
con las mayores exactitudes obtenidas tras las investigaciones,
incluyó estudios de busca, ayuda, reconocimiento y
orientación. Una aplicación adicional del sistema fue la de
extender a escala mundial una referencia de tiempo precisa.
Como principal desarrolladora del sistema se encontraba la
empresa de EE.UU. “International Telephone and Telegraph
Como con la mayoría de los avances tecnológicos, este
sistema se desarrollo debido a una acción bélica, un periodo
de máxima agitación en el cual se invierte ingentes cantidades
de dinero para el progreso, investigación y desarrollo de
elementos o sistemas que hagan o faciliten el ganar la
contienda. Este es el caso de LORAN que se desarrollo en la
Segunda Guerra Mundial para ayudar a la navegación de la
aviación aliada y a los convoyes del Atlántico Norte, es decir
se creó para satisfacer una necesidad militar que había en
aquella época. Podemos comprobar a día de hoy que las
estaciones LORAN todavía existentes se encuentran la
mayoría en bases militares.
Fig. 1. Estación LORAN situada en una base militar Norte Americana
afincada en España. Actualmente en ruinas. [20]
Pronto se vio que el sistema era muy preciso en el
posicionamiento, 0,1 a 0,25 millas náuticas, en aquella época
y desbancaba a todos los demás sistemas existentes. De tal
modo que siguió evolucionando y surgieron nuevas versiones
de LORAN dando lugar en 1958 a LORAN-C. Esta versión es
la que hoy en día se encuentra operativa, con modificaciones
incluidas a lo largo de los años, como por ejemplo la
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digitalización del sistema en los años 80. Las demás versiones
de LORAN han desaparecido o nunca pasaron de la fase
experimental.
Hoy por hoy se sigue utilizando LORAN-C para la
navegación marítima, estando relegado a sistema secundario
en el terreno aéreo y terrestre, debido a la inclusión de los
sistemas de navegación por satélite, GNSS.
A. Formato de la señal
En cuanto a la forma de la señal, es un pulso modulado en
amplitud sobre una portadora de 90-100 KHz, como se
puede observar en la Figura 3. Se basa en medir diferencias de
fase y medir el tiempo de tal forma que nos permita identificar
que cadena se está recibiendo y de que estación procede cada
componente de la señal que llega al receptor.
III. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
LORAN-C es un sistema de ayuda a la navegación
electrónico que utiliza el intervalo transcurrido entre la
recepción de señales de radio transmitidas desde tres o más
transmisores para determinar la posición del receptor. Es la
versión más moderna hasta el momento, que haya llegado a
una fase operativa. Comprende frecuencias del espectro
electromagnético entre 90 y 110 KHz.
LORAN-C está formado por una estación principal, y
varias secundarias. La estación principal es la encargada de
sincronizar y disparar la transmisión de las estaciones
secundarias y actúa como control de toda la cadena LORAN.
En la actualidad existen 28 cadenas funcionando en todo el
mundo. En cuanto a las estaciones secundarias, estas se van a
encargar de transmitir grupos de señales LORAN y
sincronizar las transmisiones en un tiempo fijado.
Utiliza una técnica de grupos de impulsos en concreto ocho
impulsos por cada intervalo de repetición y nueve pulsos en el
caso del master (principal). La separación entre estos pulsos
es de 1 ms. Emplea un sistema de codificación de fase de tal
manera que la relación de fase entre la portadora y la
envolvente cambia de impulso a impulso dentro del grupo.
Esta técnica es la que permite identificar la señal principal y la
secundaria evitando de este modo la interferencia de la onda
de espacio por un pulso anterior sobre impulsos siguientes. El
uso de n pulsos por cada estación trasmisora aumenta en un
factor n la relación señal a ruido (SNR), siempre y cuando
estos pulsos se integren de forma coherente en el receptor.
Por el hecho de ser un sistema de impulsos, conserva la
exactitud y estabilidad de la onda de tierra. Esto se debe a que
es posible distinguir entre la energía de la onda de tierra y la
energía retardada de la onda del espacio. Otra ventaja que
tiene este sistema es que evita la interferencia de la onda de
espacio que utilizan los transmisores de onda continua.
Pero también tiene un inconveniente, y es que tiene que
identificar un ciclo preestablecido dentro de la envolvente de
impulsos, la cual es utilizada para obtener la diferencia de
tiempos.
Fig. 2. Interferencias debidas a la onda de espacio (skywave). En esta figura
podemos ver la interferencia que se produce entre dos ondas de espacio. [3]
Fig. 3. Pulso de la señal del sistema LORAN-C. Modulación en amplitud
sobre una portadora de 100 KHz. [3]
B. Receptores
Como era de esperar el procesado analógico en los
receptores y transmisores ha quedado en la antigüedad siendo
sustituido por el procesado digital. En cuando a las acciones
básicas de un receptor cabe destacar las siguientes:
1) Búsqueda de señales master y secundarias.
2) Determinación y seguimiento de la envolvente y de la
fase de la portadora.
3) Medidas de las diferencias de tiempos.
4) Adición de las diferencias de tiempos.
5) Cálculo de la posición.
Por ejemplo para obtener la búsqueda de señales master la
frecuencia de repetición en la producción de pulsos generados
internamente en el receptor tiene que ser mayor que el GRI
(Group Repetition Interval), repetición del grupo de intervalo.
Una vez llegado a este punto se busca una alta correlación,
bastante resistente a las reflexiones en la ionosfera, gracias a
la codificación en fase. Durante esta fase de búsqueda el
ancho de banda se reduce a 5 KHz, provocando distorsión en
la forma del pulso. En cuanto a la SNR de un pulso, se
considera aceptable si supera -20 dB. Una vez que la
secuencia de tiempos en el receptor esta enganchada a la señal
master, con un proceso análogo al anterior obtenemos la
búsqueda de las señales secundarias.
Los receptores digitales tienen la ventaja de realizar
varias tareas en paralelo con gran facilidad y la
flexibilidad y eficacia del procesado digital. Las funciones
son las mismas que las de un receptor analógico, pero lo que
varia es la forma de realizar el muestreado de la señal. Otra
característica en el funcionamiento típico del receptor digital
es obtener la diferencia de tiempos, basándose directamente en
la fase de la portadora.
En ningún caso debería olvidarse mencionar los limitadores
fuertes que incluyen los receptores digitales, para evitar el
3
ruido atmosférico que suele contener picos, pero el
inconveniente de estos limitadores es que acentúan la
sensibilidad a interferencias de ondas continuas y reducen la
SNR.
C. Transmisores
La antena transmisora más común es el monopolo
cargado, aunque también puede ser habitual encontrarse con
multitorres. Todas las antenas tienen que llevar unos
contrapesos de gran tamaño, para poder simular el plano de
tierra de manera sintética. Las antenas multitorre son más
costosas de implementar pero tienen una eficacia ampliamente
más alta La potencia radiada por una antena monopolo está
comprendida entre 200- 400 kW y la radiada por una antena
multitorre alrededor de 1MW.
D. Exactitud y cobertura
La cobertura del sistema es aquella donde la onda espacial
(skywave) es tan intensa como la onda de superficie. Esta
última es decreciente con la distancia y la onda del espacio
aumenta durante un cierto tramo. Lo que nos lleva a que la
cobertura de LORAN-C varía dependiendo de la dirección
hacia las estaciones transmisoras, de la hora del día y de la
época del año, así como la calidad del receptor. Siendo,
tomando una estimación y a modo de ejemplo, los alcances
habituales de 2.000 a 3.000 km sobre la superficie del mar
durante el día.
Con todo esto podemos afirmar que la fuente de error más
importante del sistema es la incertidumbre en el conocimiento
de la velocidad de propagación, ya que depende de la
conductividad (σ) de la superficie y en menor medida de
las condiciones atmosféricas. Concluyendo que tanto la
cobertura como la estabilidad de la señal son mejores sobre el
mar que sobre la tierra firme.
En la Figura 4 presentamos unos datos, estimaciones,
concernientes a los errores que actúan en la determinación de
la posición.
navegación por satélite, GPS, también propiedad de Estados
Unidos. En el Plan Federal de Radionavegación de 1990, de
los EE.UU., se mostraba el futuro de los sistemas de
radionavegación, el cual, podemos expresar de la siguiente
forma: “Tanto en el continente como en las zonas costeras de
EE.UU. se continuaría prestando servicio hasta entrado el
próximo siglo. En el resto de las zonas, la europea entre ellas,
el 31 de diciembre de 1994 se dejaría de operar si el país
donde está instalada cada estación, no se hace cargo de
ella”.
El sistema GPS ofrece desde finales de 1993 cobertura y en
el 1995 ya ofrecía una cobertura mundial en tres dimensiones.
Es por ello que el sistema LORAN-C queda excluido a un
segundo plano en detrimento de estos sistemas GNSS. Aún así
a día de hoy se sigue utilizando para la navegación marítima y
como sistema independiente de reserva en caso de que falle
GPS. Con esta última idea planteada, cabe decir que el sistema
tendrá una vida aún más larga, debido precisamente a
mantener un sistema de reserva de posicionamiento. Pero esta
no será muy alargada debido a que se está experimentado con
una nueva versión de LORAN que suplirá a la actual
LORAN-C como vernos más adelante.
V. APLICACIONES
LORAN es un sistema de navegación creado durante la
Segunda Guerra Mundial y desarrollado durante la misma.
Este sistema, aunque sí que fue un gran invento en aquella
época (primordial interés para aplicaciones militares) para el
guiado de aeronaves y convoyes, enseguida se vio eclipsado
por los nuevos sistemas de navegación por satélite (GNSS)
para este fin.
Este sistema sí que llego a desplegarse por todo el mundo
como podemos ver en la Figura5, aunque más concretamente
en las regiones de los Estados Unidos de América, Japón y
varios países de Europa.
Fig. 4. Errores característicos en las medidas de posición con el sistema
LORAN-C. [3]
IV. ESTADO DEL ARTE DEL SISTEMA
La primera cadena LORAN-C entró en fase operativa
en la costa de EE.UU. en el año 1958. En la actualidad
existen todavía 28 cadenas funcionando en todo el mundo.
El sistema LORAN-C, de origen Norte americano se ha
visto sustituido por el nuevo, por aquel entonces, sistema de
Fig. 5. Cobertura a nivel mundial de LORAN-C. En esta imagen podemos ver
las diferentes zonas en las cuales hay cobertura, pudiéndose resumir a grandes
rasgos las regiones de los Estados Unidos de América, Europa y Japón. [19]
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LORAN-C se utilizó y se utiliza como medio de
navegación interoceánica principalmente en barcos, no
aplicándose como sistema vital, hoy por hoy, a la aviación a
causa de la gran cantidad de cálculos que requiere en
comparación con los nuevos sistemas GNSS. Pero cabe
destacar que con la llegada de LORAN-C es cuando se pudo
utilizar los sistemas LORAN para el guiado de la aviación,
aprovechando los beneficios de las computadoras.
En este contexto y a pesar de todo, LORAN-C es utilizado
en la actualidad, por bastantes países, como sistema de
reserva, en el posicionamiento terrestre y aéreo, de los
sistemas GNSS como por ejemplo GPS. Dentro de la
navegación aérea podemos destacar dos operaciones: Reglas
de Vuelo Visual (VFR) y Reglas de Vuelo Instrumental (IFR).
Utilidades que serán mera transición hoy por hoy, para este
sistema, a la espera de que se desarrolle por completo una
nueva versión del sistema LORAN, que veremos más
adelante, el cual tendrá estas y más aplicaciones disponibles,
como por ejemplo aplicaciones para las telecomunicaciones.
LORAN-C como cualquier sistema de navegación LORAN
requiere una certificación especial para ser utilizado como
método de navegación primario.
proyecto actual vinculado a los veteranos LORAN-C.
A. Enhanced LORAN (eLORAN)
Debido a la vulnerabilidad, y limitaciones en la recepción,
de los sistemas GNSS, un renovado interés ha surgido en el
desarrollo de un nuevo sistema LORAN, el enhanced LORAN
o eLORAN. Este nuevo método conlleva un avance en el
desarrollo de receptores y transmisores, aumentando la
precisión y utilidad de sus predecesores LORAN. El objetivo
de eLORAN es alcanzar una precisión de 8-20 metros, que
una exactitud competitiva con el GPS.
La principal diferencia entre LORAN-C y eLORAN, es que
el último de ellos incorpora un canal de datos, el cual incluye
correcciones, avisos e información sobre la integridad de la
información. Este canal puede utilizarse para transmitir
correcciones diferenciales GPS (DGPS). Además, al igual
que GPS, eLORAN está concebido para funcionar basándose
en el uso de todas las estaciones que estén a la vista del
receptor. Debido a todas estas mejoras, eLORAN se
convierte en un sustituto apropiado en el hipotético caso
de que GPS no esté disponible o su señal esté muy
degradada. En la Figura 6 podemos ver una breve
descripción del concepto de eLORAN.
VI. TENDENCIAS DE FUTURO
El sistema LORAN-C es mantenido y operado a nivel
estatal por la Guarda Costera de los Estados Unidos (USCG)
en colaboración con las instituciones de otros países, sobre
todo europeos. Es por ello que su continuidad sea considerada
asunto político. Además cabe destacar el desarrollo de los
sistemas de navegación por satélite, por lo que su financiación
no está asegurada. De hecho los presupuestos concernientes al
año 2010 de la Office of Management and Budget (OMB) de
los EE.UU. en la sección de Departamento de Seguridad
Nacional (DHS), aboga por la terminación de los sistemas
obsoletos LORAN-C. No obstante la USCG continuará
suministrando cobertura a la navegación marítima, y servirá
de apoyo a otros medios (aéreo o terrestre), con el actual
sistema LORAN-C hasta final de 2009, preparando planes de
actuación para el 2010. Como veremos más adelante esta
propuesta es incompatible con la del senado de la comisión de
comercio.
Las críticas que apoyan su desaparición, afirman que el
sistema LORAN-C tiene un reducido número de usuarios, no
es rentable y los sistemas GNSS (GPS o GLONASS) son
superiores. Por el contrario los que apoyan al sistema
argumentan que LORAN utiliza una señal muy fuerte, difícil
de inhibir y lo que es más importante, que es un sistema
independiente y diferente de otras formas de navegación
electrónica. Es por ello, esta última afirmación, que puede
asegurar la disponibilidad de señales de navegación como
backup del GPS, por ejemplo.
Debido a todo esto un nuevo sistema LORAN, enhanced
LORAN (eLORAN), está en estos momentos desarrollándose.
Pasemos a ver más detalladamente este nuevo sistema y algún
Fig. 6. Funcionamiento del sistema eLORAN. Breve descripción del concepto
de la nueva versión del sistema LORAN. [16]
El 31 de mayo de 2007 el departamento de transporte del
Reino Unido (DfT), a través del General Lighthouse
Authorities (GLA), se comprometió a financiar un sistema
LORAN mejorado (eLORAN) durante 15 años, con el fin de
mejorar la seguridad de los marineros británicos y europeos.
Este proyecto operará en dos fases, la primera de ellas
centrada en el desarrollo del sistema (2007-2010) y una
segunda que pretende ser operativa (2010-2022).
El 29 de abril de 2009 el senado de la comisión de comercio
de los Estados Unidos, ciencia y transporte y el comité para la
seguridad nacional y asuntos gubernamentales da su apoyo
para la continuación y desarrollo del nuevo sistema LORAN,
reconociendo la inversión en infraestructura realizada,
LORAN-C, y concluyendo en que eLORAN es el mejor
backup para GPS. También se reconoce la prioridad de
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mantener el actual sistema LORAN-C mientras la transición al
nuevo sistema sea completada, es decir, tiene asegurada la
continuidad a corto y medio plazo.
B. Proyectos vinculados con LORAN-C
En este apartado trataremos de ver, muy resumidamente,
alguno de los proyectos que se han, o se están, desarrollando
bajo, o conjuntamente, con el sistema LORAN-C.
GLORIA (Gnss & LOran-c in Road and raIl Applications)
Este proyecto tiene como objetivo mejorar la penetración en
el mercado de servicios de posicionamiento, combinando los
GNSS actuales (GPS o GLONASS) con los sistemas terrestres
de determinación de la posición LORAN-C. Esta combinación
mejora la fiabilidad y la disponibilidad para la determinación
de la posición, así como la apertura de nuevas aplicaciones e
importantes mejoras en el diseño de carreteras y transporte
ferroviario.
Eurofix
Este sistema utiliza los emisores LORAN-C cuyas señales
son ligeramente modificadas para transmitir las
informaciones DGPS. El uso de dichos emisores presenta
numerosas ventajas. Puede observarse de este modo la buena
cobertura del sistema LORAN-C en Europa, el alcance de los
emisores, a veces, supera los 1000 kilómetros, así como su
fiabilidad.
Otra ventaja del sistema Eurofix es que puede utilizar las
informaciones procedentes del sistema LORAN-C en caso de
mala recepción de las señales GPS o cuando la geometría de
los satélites no permita determinar una posición con precisión.
A la espera de disponer de sus propios satélites de
posicionamiento (Galileo, sistema global de posicionamiento
por satélite, GNSS, desarrollado por la Unión Europea; que se
espera esté operativo entre 2010-2015), Europa deberá
beneficiarse, gracias al sistema Eurofix, de una autonomía
suficiente frente a los Estados unidos.
REFERENCIAS
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[12]
[13]
[14]
VII. CONCLUSIONES
LORAN-C es una de las versiones del sistema LORAN más
extendidas, de hecho es la única que actualmente se
implementa a nivel operativo. Esto ha sido debido a un mayor
alcance y mejores exactitudes conseguidas por esta versión, y
a que muchas de las versiones del sistema LORAN nunca
pasaron de la versión experimental. Básicamente LORAN es
un sistema de ayuda a la navegación electrónico que nos
ayuda a fijar nuestro posicionamiento en ruta.
LORAN-C no deja de ser un sistema de posicionamiento
muy antiguo, aunque todavía hoy en día se sigue utilizando
como sistema de posicionamiento de barcos, navegación
marítima, por la USCG por ejemplo y como sistema
independiente de reserva de los sistemas GNSS. No obstante
su utilización es hoy por hoy una mera transición al nuevo
sistema LORAN, eLORAN, el cual se encuentra en su versión
experimental.
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