En 1904, Fessenden (EE.UU.) patentó un sistema de radio que usaría mediciones de distancia obtenidas a partir de comparaciones de amplitud para proporcionar la localización de una embarcación. No hay evidencia de que haya logrado hacerlo funcionar, y otros experimentos realizados por Marconi y en Alemania pronto demostraron la utilidad limitada de las mediciones por amplitud. El interés por los sistemas de posicionamiento decayó, aunque se avanzó bastante en el desarrollo de sistemas de radiogoniometría; el goniómetro de Bellini-Tosi y el radiofaro de Scheller datan de 1907, y el radiofaro para aeronaves de Round de 1909. Algunos escritos de la época resultan algo confusos debido a la costumbre de referirse a la determinación de posición como «radiogoniometría» (presumiblemente porque, una vez obtenida la posición, se puede estimar la dirección al destino).
Aunque el sistema de radio de Scheller no era hiperbólico, describía la posibilidad de ajustar cíclicamente la potencia de sus cuatro antenas para proporcionar múltiples zonas de anulación (nulls), algo que, en ciertos aspectos, fue un precursor del sistema Consol/Sonne.
La guerra de 1914–1918 aceleró el desarrollo de las válvulas de radio, lo que resultó en receptores mucho más sensibles y transmisores de alta potencia más estables y de banda estrecha. El uso de la fase pasó a ser posible como un método controlable para producir patrones de interferencia de radio estables, lo que llevó a desarrollos hiperbólicos cada vez más rápidos.
La patente de Fessenden fue seguida, después de la guerra, por las de Conners (EE.UU., 1919), Mottez (Francia, 1923), Affel (EE.UU., 1923) y otros. Powell proporciona un excelente y muy legible resumen de estas patentes, altamente recomendable para el lector interesado. Aquí se ofrece una descripción con el objetivo principal de ilustrar cuándo surgieron por primera vez las diversas ideas necesarias para los sistemas hiperbólicos.
3.1. La Patente de Fessenden — EE.UU. 236861, 4 Dic. 1904
Aunque limitada por la tecnología de la época al uso de la amplitud de señal como un análogo de la distancia, la principal contribución de Fessenden fue probablemente darse cuenta de que el uso de un solo transmisor no sería satisfactorio y que se necesitarían dos o tres. En sus propias palabras:
Para practicar mi invención empleo dos o más estaciones inalámbricas situadas en puntos fijos, como faros o barcos faro. El buque cuya posición se desea determinar también lleva un aparato inalámbrico. Se emiten señales, preferentemente a intervalos regulares, desde las estaciones fijas y, en el método aquí descrito, el buque localiza su posición comparando la intensidad de las señales recibidas entre sí o en relación con una fuente de intensidad fija ubicada a bordo del buque.
Si se depende únicamente de una medición absoluta de la intensidad, cualquier defecto en el aparato que haga que las señales tengan menos intensidad de la que deberían, provocaría que se situara al buque mucho más cerca de tierra de lo que realmente está. Por tanto, este método, aunque puede usarse, no debe ser totalmente confiable y debe ser verificado mediante el uso, como se mencionó, de un estándar a bordo del buque y, preferiblemente también, mediante la comparación de la intensidad relativa de las señales de las estaciones fijas.
En esa época no existían transmisores ni receptores de radio sintonizables. Los transmisores usaban chispas que radiaban en un amplio rango de frecuencias, y los receptores eran detectores simples, sin amplificación ni mucha capacidad de sintonía. Era difícil distinguir entre transmisores por frecuencia, así que Fessenden lo resolvió haciendo que transmitieran por turnos —lo que hoy llamaríamos «multiplexado en el tiempo».
Un operador en cada transmisor escuchaba la señal del transmisor más cercano y, cuando esta se detenía, comenzaba a emitir su propia señal durante un periodo fijo, tras lo cual el primero transmitía de nuevo. ¡Uno se pregunta cuánto tiempo habrían podido mantener esa coordinación!
Los receptores de la época, inestables y simples, también hacían difícil realizar mediciones absolutas de intensidad de señal, así que se dispuso que cada transmisor aumentara su potencia por pasos durante su transmisión, calculados para hacer coincidir la intensidad recibida con el estándar a bordo a distancias sucesivamente mayores (por ejemplo, en incrementos de 10 millas). En cada paso, el transmisor enviaba un número diferente en código Morse para que el operador del barco supiera qué nivel de potencia estaba en uso. Todo lo que tenía que hacer era esperar hasta que la señal recibida coincidiera con su estándar local, anotar el número y buscar en una tabla para encontrar su distancia. Luego podía repetirlo con un segundo transmisor y un tercero si lo había.
El uso de un solo transmisor se consideraba peligroso porque, si la señal recibida era más débil de lo que debería ser, el operador creería que estaba más lejos de la costa de lo que realmente estaba. Fessenden recomendaba usar tres transmisores, ya que incluso si todas las señales eran débiles, se obtendría la posición correcta, pues los tres rangos solo se intersectarían en un punto. No se detalla más en la patente, pero tal vez Fessenden pensó que el operador podía sumar o restar cantidades iguales a los tres rangos hasta que se encontraran en un punto.
Entre las ideas muy originales de Fessenden destacan:
(i) la primera descripción de la necesidad de múltiples transmisores para obtener una localización geométricamente precisa;
(ii) un método para distinguirlos (multiplexado en el tiempo);
(iii) el primer intento de cobertura de área en lugar de sistemas de localización por dirección desde un solo punto;
(iv) el uso de un estándar de referencia local para calibración.
3.2. H. M. Mottez, Especificación Francesa SJJ629, 24 de abril de 1923
Al final de la Primera Guerra Mundial, se había avanzado mucho en radiogoniometría, incluyendo el tipo rotatorio. Estos sistemas usaban una antena direccional rotatoria mecánica, del tipo lazo o Bellini–Tosi; el usuario anotaba la hora en que ocurría el mínimo de señal (null) y a partir de ello deducía su rumbo. El problema era que los lazos radiaban de forma ineficiente y tenían poco alcance, lo cual fue precisamente lo que Mottez intentó solucionar.
Decidió mejorar el alcance usando grandes antenas verticales fijas de mucha mayor eficiencia de radiación. Como no podían girarse mecánicamente, logró un patrón de señal rotatorio variando diferencialmente la fase de las señales enviadas a las antenas. Alimentar dos antenas desfasadas no era nuevo, pero lo novedoso fue la idea de cambiar la fase de forma continua y cíclica por medios eléctricos.
Mottez se dio cuenta de que este principio podía extenderse para producir múltiples nulls que aumentaran la precisión, aunque también generarían ambigüedades.
Su primer diagrama —probablemente la primera vez que se ilustró el principio hiperbólico en relación con sistemas de radio— mostraba dos antenas, A y B, separadas dos longitudes de onda, alimentadas desde un único transmisor y, por tanto, transmitiendo a la misma frecuencia y fase. Las señales estarían en fase a lo largo de la extensión de la línea base; en el bisector derecho de la misma; y en otras dos líneas que serían hipérbolas, ya que unirían todos los puntos donde la diferencia de distancia desde las dos antenas fuera un múltiplo de una longitud de onda. A mitad de camino entre estas líneas, no se oiría nada, pues las señales estarían exactamente desfasadas y se cancelarían.
Su segundo diagrama mostraba el caso en que la fase de B se adelantaba respecto a A. Las hipérbolas se desplazaban hacia A, y al cambiar la fase un ciclo completo, el patrón volvía al punto de inicio.
El navegador solo necesitaba un receptor simple y oía una señal que variaba en intensidad de forma cíclica. Sabiendo que el ciclo se repetía, por ejemplo, cada minuto, solo debía cronometrar el retardo hasta que la señal desapareciera momentáneamente para saber en qué hipérbola estaba.
Mottez reconoció que habría problemas de ambigüedad y los describió en detalle. Señaló que si la distancia entre antenas o la frecuencia aumentaban, aparecerían más hipérbolas más cercanas entre sí, lo que aumentaría la precisión, pero también la incertidumbre sobre cuál era la correcta (problema de identificación de franjas). Lo resolvió cambiando periódicamente a una frecuencia más baja para generar patrones más amplios que resolvieran los más finos. También recomendó elegir combinaciones de frecuencias y longitudes de base según el uso: patrones amplios para navegación marítima a larga distancia, y patrones estrechos y precisos para entradas de puerto.
Finalmente, describió métodos para lograr el cambio de fase continuo, que en 1923 solo podían ser electromecánicos, sugiriendo alternadores separados para cada antena conectados mediante un engranaje diferencial para asegurar que uno girara ligeramente más lento que el otro.
No se sabe si el sistema fue probado en la práctica. Superaba el principal problema del sistema de Fessenden —mantener la amplitud precisa— pero introducía otro: el control de fase. Aun así, requería cierto control de amplitud, ya que los nulls perfectos solo ocurren si ambas señales tienen exactamente la misma amplitud además de estar desfasadas 180°. Es dudoso que en 1923 la ingeniería electrónica pudiera controlar la fase de forma exacta y continua.
El sistema solo podría haber sido usado como ayuda de navegación desde un solo punto, ya que ambas antenas transmitían a la misma frecuencia y un tercer transmisor introduciría más patrones que harían el sistema inutilizable. Además, un problema básico de los sistemas que usan solo la amplitud como indicador de diferencias de fase es que no indican el sentido ni la dirección.
Aun así, el uso de la fase para producir variaciones de amplitud fue significativo. Hay similitudes con los sistemas Sonne/Consol, Decca y Omega, y es destacable la aparición de la idea de que se podrían necesitar sistemas estructuralmente distintos para navegación y para levantamientos geodésicos.
Mottez puede ser reconocido por:
(i) la primera descripción de un sistema de radio basado en hipérbolas;
(ii) la primera mención del problema de ambigüedad;
(iii) la primera sugerencia sobre cómo resolverlo;
(iv) darse cuenta de que la navegación y la topografía tienen necesidades distintas.
3.3. H. A. Affel, EE.UU. IS6248S, 24 de noviembre de 1923
El “Indicador de Movimiento y Posición” de H. A. Affel fue diseñado para utilizar dos antenas separadas cierta distancia entre sí, alimentadas simultáneamente desde un único transmisor y, por tanto, radiando la misma frecuencia y en fase; muy similar a la idea de Mottez, pero con líneas base más largas.
La diferencia crucial con respecto a Mottez fue que Affel propuso realizar la medición de fase en su receptor y eliminar por completo las mediciones de amplitud, proporcionando así un sentido de dirección. Describió métodos para eliminar las variaciones de amplitud antes de realizar las mediciones de fase, y por lo tanto fue el primer sistema auténtico de comparación de fase.
Antes de poder realizar la comparación de fase, debía separar las dos transmisiones (de lo contrario, estaría tratando con una señal compuesta como la de Mottez), y propuso hacerlo usando antenas direccionales con nulls (mínimos) muy agudos. Estas se alinearían de manera que sus nulls bloquearan la estación no deseada, y sus salidas se combinarían en un circuito especial sensible únicamente a la diferencia de fase.
Con solo dos transmisores, no podía ser un sistema de localización completa, ya que solo se obtendría una línea de posición, así que decidió que para obtener una localización (fix) se necesitarían cuatro estaciones dispuestas en un cuadrado. Estas no podrían separarse usando antenas direccionales, ya que se necesitarían tres nulls por cada antena y ningún lazo podría proporcionarlos, por lo que invirtió el sistema e hizo que el vehículo transmitiera, convirtiendo las cuatro estaciones en receptores.
Las cuatro estaciones se conectarían en pares para obtener diferencias de fase, y los dos conjuntos de hipérbolas así obtenidos se usarían para calcular una posición (véase Fig. 3). No se dijo nada sobre la resolución de ambigüedades, aparte de un comentario pasajero de que se debía llevar un seguimiento preciso de cada ciclo completo de diferencia de fase.
Pudo haber sido perfectamente funcional, aunque solo una embarcación podría haberlo utilizado a la vez. Dado que solo se medían diferencias, cualquier desviación en el transmisor de la embarcación no importaba (dentro de ciertos límites), y la amplitud era irrelevante.
El principal problema era realizar una comparación de fase precisa entre señales recibidas en dos sitios bastante separados entre sí. Las señales debían ser llevadas a un punto común para realizar la medición, y en el trayecto sufrían desplazamientos de fase. Aunque Affel preveía el uso de cambiadores de fase fijos en estas líneas para compensar y calibrar cualquier diferencia, es dudoso que las estabilidades de fase alcanzables en esa época fueran lo suficientemente constantes como para evitar una recalibración casi continua.
Affel parecía ser consciente de ello, ya que en otra parte de su patente describía el uso de una frecuencia mucho más baja, menos susceptible a desplazamientos de fase a través de las líneas telefónicas de la época, para transmitir la fase de una frecuencia más alta a un punto remoto.
Uno de los aspectos más interesantes de su patente fue que sugirió mostrar la posición en forma de un mapa. Dos punteros que se desplazaban sobre un mapa en ángulos rectos —un trazador X-Y— serían accionados por las salidas de los dos pares de receptores, que estarían situados con sus líneas base también en ángulos rectos. De este modo, según afirmaba, la posición de la embarcación se mostraría directamente sobre el mapa.
No mencionó nada sobre la proyección cartográfica necesariamente peculiar ni sobre cómo debía dibujarse el mapa. Posiblemente pensaba que, si las líneas base eran lo suficientemente largas en relación con el área a cubrir, habría tan poca distorsión que no se necesitaría un mapa especial.
A Affel se le puede atribuir el mérito de:
(i) haber hecho la primera propuesta de usar directamente diferencias de tiempo;
(ii) el primer uso de la fase con ese propósito;
(iii) la primera mención de un trazador de trayectoria.
Su patente marca el punto en el que la comparación de fase pasó a ser aceptada como el mejor método para realizar mediciones de distancia, aunque la tecnología aún no había avanzado lo suficiente como para hacerlo realmente práctico, y la adaptación a un sistema de navegación funcional tuvo que esperar un poco más.
Affel también es reconocido por haber inventado un cable coaxial práctico, sin el cual difícilmente habría sido posible el desarrollo de sistemas de radar o microondas.