Breve historia de la aviación comercial (3)

La navegación aérea

En abril de 1915 el capitán J.M. Furnival, en Inglaterra, escuchó la voz del mayor Prince desde su avión: «Si me oyes ahora, será la primera vez que unas palabras se han comunicado a un avión en vuelo». Furnival las escuchó y los aviones empezaron a recibir señales desde tierra gracias a la radio.

Después de la I Guerra Mundial los aviones solían transportar correo y se orientaban con las líneas de ferrocarril, carreteras y la orografía. My pronto se empezaron a dibujar marcas en las terrazas o sobre los tejados de algunas casas con flechas que indicaban la dirección y distancia a determinados lugares o el nombre del emplazamiento. En Estados Unidos, en 1926, el Congreso encargó a varias organizaciones el despliegue de marcas para ayudar a los navegantes aéreos de todo el país, con el objetivo de que, al menos, cada quince millas hubiera alguna señalización. Cuando estalló la II Guerra Mundial la nación contaba con unas trece mil marcas.

El correo aéreo se transportaba día y noche. En marzo de 1926, cuatro aviones D.H.4 del servicio postal cruzaron Estados Unidos de Nueva York a San Francisco en 33 horas y 20 minutos. Para facilitar los vuelos nocturnos los aeródromos se señalizaban con hogueras alineadas en los lados de la pista de aterrizaje y las rutas se marcaban con fuegos espaciados cierta distancia a lo largo del trayecto. Estos fuegos se sustituirían por faros rotatorios, separados unas diez millas, más próximos en zonas de montaña y más alejados en las llanuras. Las pistas de aterrizaje se iluminaron con luces. Sin embargo, la lluvia y las nubes impedían que los pilotos pudieran orientarse con las luces y la falta de visibilidad dejaba con demasiada frecuencia las sacas de correo en tierra.

A finales de los años 1920 empezaron a utilizarse radiobalizas omnidireccionales: simples estaciones de radio que emitían señales de baja o media frecuencia en todas las direcciones, en inglés estaciones NDB (Non directional beacon). Desde el avión podían detectarse con un receptor de radio sencillo y mediante un instrumento relativamente simple, ADF (Automatic Directional Finder), era posible determinar la dirección de la que procedían. Con un poco de viento lateral, navegar exclusivamente con estas ayudas era peligroso porque, aunque el morro del avión apuntara siempre a la radiobaliza, la aeronave describía una trayectoria curva con el consiguiente peligro de entrar en una zona montañosa o en la que hubiera otros obstáculos.

En Gran Bretaña, el Gobierno estableció en 1922 los procedimientos para determinar la posición de las aeronaves, desde tierra, con el empleo de radiogoniómetros. Consiguieron hacerlo con una exactitud de un par de millas, tardaban menos de dos minutos y el Gobierno decidió, a partir de esa fecha, organizar el control del tráfico aéreo de esta forma.

Con los radiofaros resultaba difícil seguir una trayectoria y cuando la empresa automovilística Ford decidió fabricar aviones y lanzó al mercado su legendario trimotor metálico, en 1927, empezó a utilizar un revolucionario sistema de guiado para las aeronaves. El invento era originalmente alemán, pero el ingeniero de Ford, Eugene S. Donovan, lo perfeccionó. En un principio funcionaba con dos antenas girada una, noventa grados con respecto a la otra, ambas con diagramas de radiación en forma de ocho. Una antena transmitía en morse la letra A (punto y raya) y la otra la letra N (raya y punto). Cuando la aeronave volaba hacia las antenas por un radial equidistante a las dos, el piloto recibía ambas señales a la vez de forma que escuchaba una raya continua: un tono. Si se desviaba a un lado solamente escuchaba una letra, la A o la N. El piloto, con un simple receptor y unos auriculares, era capaz de mantenerse en la ruta corrigiendo el rumbo del avión para oír el tono; las letras le indicaban el sentido de la rectificación. Si el volumen de la señal aumentaba el piloto sabía que iba hacia la estación, de lo contrario, se alejaba. Los dos primeros equipos se instalaron en los aeropuertos de Lansing en Chicago y Dearborn en Michigan. La Ford efectuó numerosos vuelos cargueros entre los dos aeródromos y el sistema funcionó bien. En Estados Unidos, el Bureau of Air Commerce perfeccionó el invento con cuatro antenas, que transmitían haces frontales de unos 90 grados de apertura, situadas en los vértices de un cuadrado y llegó a desplegar unas 400 instalaciones denominadas Radio Range, o Four Course Radio Ranges, en todo el país. Las estaciones transmitían en código morse, cada 30 segundos, dos letras a modo de identificador. Cada estación definía cuatro aerovías que podían enlazarse con otras estaciones para formar así los caminos por los que circulaban las aeronaves. Durante el periodo de entre guerras los cielos se cubrieron de aerovías invisibles señalizadas con equipos radioeléctricos que facilitaron el desarrollo del transporte aéreo comercial. El uso de estos sistemas se extendió por todo el mundo y no empezó a decaer hasta después de la II Guerra Mundial y desaparecieron por completo en 1970. Con el Radio Range nació el vuelo instrumental que, a diferencia del vuelo visual, se caracteriza porque la navegación se hace gracias al uso de un conjunto de dispositivos que permiten volar sin visibilidad.

Además de las radioayudas terrestres para el trazado de aerovías, el vuelo instrumental requiere de un equipamiento a bordo capaz de indicarle al piloto cual es la actitud del avión en todo momento. Sin referencias visuales fijas en tierra, el piloto no puede discernir si la aeronave está inclinada hacia un lado, desciende o sube, con el morro apuntando a tierra o al cielo. Los instrumentos giroscópicos, con sus discos que giran a unas siete mil revoluciones por minuto y tienden a mantener fijo el plano de rotación, permiten establecer una referencia con respecto a la cual es posible medir las desviaciones. El estadounidense Lawrence Sperry desempeñó un papel fundamental como introductor de mecanismos de pilotaje automático en las aeronaves. Su padre, Elmer, fue junto con el alemán Anschütz Kaempfe el autor del compás giroscópico y está considerado como el principal inventor de los sistemas giroscópicos de navegación automática en vehículos móviles. Lawrence aplicó las ideas de su progenitor a los aviones y tan pronto como en 1914 ganó el Concours de la Securité en Aéroplane que se celebró en París, en el que demostró cómo sus aparatos controlaban un avión que volaba a baja altura sobre el río Sena delante de los jueces, mientras su ayudante, el mecánico francés Chacin, y él, se paseaban por las alas.

A finales de la década de los años 1920 la tecnología de instrumentación y ayudas a la navegación permitía que las aeronaves pudiesen volar razonablemente bien sin apenas visibilidad, aunque no todas las aeronaves de entonces estaban equipadas para hacerlo, ni sus pilotos poseían la cualificación necesaria y tanto los instrumentos de a bordo como los equipos terrestres adolecían de importantes deficiencias. En particular, las tormentas eléctricas afectaban mucho al Radio Range. Y había una gran disparidad de equipamiento a bordo de las aeronaves.

En 1929, la ciudad de St. Louis contrató a un piloto y mecánico, Archie W. League, para que controlara el creciente tráfico aéreo de su aeropuerto. Se instaló en el aeródromo con una silla y protegido con un parasol utilizaba dos banderas para informar a los aviones: una roja para que esperasen y otra a cuadros para que entraran. Al año siguiente, en 1930, el aeropuerto de Cleveland fue el primero en abrir una sala con equipos de radio para comunicarse con los aviones y en los cinco años siguientes unas veinte ciudades estadounidenses hicieron lo mismo.

A finales de 1935, un consorcio formado por las principales aerolíneas norteamericanas, para evitar que se produjeran colisiones entre aeronaves en vuelo, organizó el primer centro de control de tráfico, para las aerovías definidas por los Radio Range, que se instaló en Newark (Nueva Jersey). A este centro, donde se marcaba la posición de cada avión sobre un mapa o en una pizarra, se añadieron otros dos más, en Cleveland y Chicago. Desde los mismos, los controladores no se comunicaban directamente con las aeronaves, sino que pasaban, vía telefónica, a las torres de control o a las estaciones Radio Range, las instrucciones para que estas las transmitieran por radio a los aviones. En 1936, el Departamento de Comercio de Estados Unidos se hizo cargo de los tres centros de control.

En vuelos transoceánicos de larga duración las aeronaves no podían contar con estaciones radioeléctricas terrestres, a lo largo de la mayor parte de la ruta, y los pilotos se vieron obligados a utilizar otros recursos. El más simple era la navegación a la estima: a partir de una posición inicial conocida y manteniendo el rumbo se mide el tiempo, la velocidad y la deriva de la aeronave, para determinar la nueva posición. Existían aparatos para evaluar la deriva, el ángulo que forma la velocidad real del avión con respecto al rumbo que sigue (derivómetros), y otros incluso para determinar la velocidad del avión con respecto a tierra, pero todos ellos eran difíciles de manejar y no excesivamente precisos. Los aviadores en sus vuelos oceánicos, a partir de la década de los años 1930 y hasta después de la II Guerra Mundial se situarían igual que los marinos, con los astros. Para ello utilizaban sextantes, denominados de precisión, porque desde una cierta elevación es difícil determinar la línea del horizonte, imprescindible para medir la altura de un astro con el sextante. El portugués Gago Coutinho fue el inventor de este tipo de sextante de precisión, que utilizaba una burbuja como referente en vez de la línea del horizonte, y que probó con éxito en su vuelo a través del Atlántico Sur con Sacadura Cabral, en 1922. El piloto español, Ramón Franco fue el primero en cruzar este océano, en 1926, y también llevaba a bordo un sextante, aunque fue el radiogoniómetro la ayuda que le permitió culminar con éxito el vuelo.

Durante la II Guerra Mundial se desarrollaron los sistemas de navegación y radioayudas que permitieron a la aviación comercial extender una amplia red de aerovías a nivel global y navegar con seguridad por todos los cielos del planeta durante un largo periodo tiempo, hasta mediados de la década de 1990 cuando se inició la navegación por satélite.

La navegación inercial, las radioayudas para la navegación VOR y DME, los sistemas de ayuda al aterrizaje ILS, los sistemas de navegación hiperbólica como el LORAN, el RADAR primario y el radar secundario junto con nuevos equipos de comunicación de voz en las frecuencias VHF y HF, formaron el núcleo del equipamiento con el que se organizó la navegación aérea de los aviones comerciales desde el final de la II Guerra Mundial hasta el año 1994. A lo largo de esos años, la gestión global del tráfico aéreo se organizó mediante centros de control en tierra que asumieron la responsabilidad de garantizar la separación entre aeronaves y modular la secuencia de llegadas y salidas a los aeropuertos para evitar la congestión del espacio aéreo. A partir de 1970, con la irrupción de la electrónica digital y los ordenadores, los sistemas de comunicaciones de datos con las aeronaves como el Aircraft Communications Addressing and Reporting System” (ACARS) y entre los centros de control a través de la red Aeronautical Fixed Telecommunication Network (AFTN), el proceso de la información de los planes de vuelo de las aeronaves y la facilidad de acceso a la información necesaria para el vuelo y su distribución, permitieron la implantación de un robusto sistema de apoyo a la aviación comercial, en la década de los años 1980, que se extendió por todo el mundo. El espacio aéreo global se parceló en pequeños sectores, con la salvedad de la navegación oceánica donde se mantuvo el concepto de rutas, a los que se le asignaron controladores para ordenar el tráfico y garantizar la separación entre aeronaves. La tecnología desarrollada durante la guerra, perfeccionada en la era digital, alumbró el sistema de comunicaciones, navegación y vigilancia (CNS) que hizo posible el espectacular crecimiento del tráfico aéreo durante la segunda mitad del siglo XX.

El equipo de Von Braun en Alemania, durante la II Guerra Mundial y en Estados Unidos el Instrumentation Laboratory del MIT, Northrop, y Autonetics financiados por la Fuerza Aérea, a partir de 1940, desarrollaron dispositivos con giróscopos y acelerómetros para determinar la posición de misiles. Esta tecnología de navegación inercial, durante mucho tiempo se restringió al ámbito militar, pero a finales de los años 1960 se incorporó a la navegación espacial y a la aviación comercial: los aviones Boeing 747 y Vickers VC-10 fueron los primeros en utilizarla.

Las radioayudas con las que se ha construido la extensa red de aerovías por la que navegan los aviones en nuestro planeta son el VOR (Very High Frequency Omnidirectional Range, que empezó a desarrollarse en el Washington Institute of Technology en 1937) y el DME (Distance Measuring Equipment, inventado en Australia por James Gerrand de la Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization). El VOR permite volar hacia o desde el equipo por un radial y el DME facilita la distancia de la aeronave a la radioayuda. Con un VOR y un DME, juntos, en un conjunto de emplazamientos clave, se forman nodos que enlazan aerovías por las que los aviones circulan y siguiéndolas son capaces de volar instrumentalmente entre dos aeropuertos cualesquiera, siempre y cuando las distancias entre nodos no sean muy grandes ya que el alcance de éstas radioayudas está limitado en la práctica a unas 130 millas, lo que impide su uso en la navegación oceánica. Los VOR y los DME sustituyeron a los Radio Range.

Si el DME y el VOR desempeñaron un papel muy importante en el diseño de aerovías y la navegación aérea instrumental durante la segunda mitad del siglo XX y los radares en la organización del control de tráfico aéreo, la aproximación a los aeropuertos y el aterrizaje final, sin visibilidad, fue posible gracias a otra radio ayuda: el ILS (Instrumental Landing System). Esta radioayuda empezó a desarrollarse en 1929, pero la primera vez que un avión de pasajeros de un vuelo regular aterrizó auxiliado de un ILS fue el 26 de enero de 1938, en Pittsburgh, cuando un Boeing 247-D de Pennsylvania-Central Airlines tomó tierra con una impresionante nevada. OACI homologó los ILS en 1949. Del ILS existen tres categorías con subcategorías en la categoría III en función de la precisión del aparato, y si está certificado para la máxima (Categoría IIIc) el piloto puede aterrizar sin visibilidad, mientras que en las inferiores se requiere cierta visibilidad. Es habitual que la indicación del ILS de la trayectoria que debe seguir el piloto, durante la aproximación, se presente en el horizonte artificial: dos barras perpendiculares que se cruzan en el centro del instrumento cuando el avión sigue la senda de descenso.

También hubo otros sistemas radioeléctricos de navegación hiperbólica que permitían a la aeronave determinar su posición a partir de las diferencias de fase de la señal que recibía de, al menos, dos estaciones. Estos equipos, como el LORAN y el DECCA o el CHAYKA de la Unión Soviética, se introdujeron también después de la II Guerra Mundial. El LORAN se desarrolló durante la II Guerra Mundial en Estados Unidos a partir del sistema británico GEE inventado por Robert Dippy, que trabajaba en el laboratorio de Robert Watson-Watts, para facilitar la navegación nocturna. Con la producción masiva de semiconductores a mediados de la década de 1970 los receptores del tipo LORAN se abarataron y el uso de esta ayuda se extendió mucho, sobre todo en las zonas donde no existía cobertura VOR/DME. A partir de los años 1990, con la introducción del GPS, la navegación hiperbólica dejó de utilizarse de forma progresiva, primero en 2010 en Estados Unidos y en 2015 se cerraron las últimas estaciones que daban cobertura en Europa.

El RADAR primario (Radio Detection and Ranging) lo desarrolló con gran secreto en el Reino Unido Robert Watson-Watts a lo largo de 1935. En 1937 se montaron tres estaciones en Inglaterra, a las que se añadirían diecisiete más, en el sur y el este de la costa (Chain Home) para detectar aviones enemigos y dirigir a los propios en sus misiones. El radar primario determina la posición de un avión midiendo el tiempo que tarda la señal en alcanzarlo y regresar después de reflejarse en el blanco. El radar secundario inicialmente surgió para determinar si un avión era amigo o enemigo (IFF). Las primeras patentes de este tipo de radar pertenecen también a Robert Watson-Watts. En 1940, otro ingeniero británico, Freddie Williams, sugirió que este radar secundario utilizara una frecuencia distinta al primario. Los sistemas de radar secundario que se emplean en el control de tráfico aéreo civil transmiten pulsos, en frecuencias distintas a las del radar primario (interrogaciones), y el avión responde con otros pulsos que contienen información útil para los controladores. Mientras que el radar primario indica la presencia de una aeronave en el espacio aéreo, en el lugar donde se encuentra y no necesita que el avión lleve ningún equipamiento especial, el radar secundario aporta, además de la posición, información específica transmitida por la aeronave y sí requiere que el avión esté dotado con un equipo denominado transpondedor. En Estados Unidos el uso de los radares secundarios para el control de tráfico aéreo civil se empezó a extender en 1960, poco después de que se creara la Federal Aviation Administration (FAA) y a raíz de un accidente sobre la ciudad de Nueva York, en 1960. Con el radar secundario los controladores podían identificar las aeronaves a las que se les asignaba un código. Se adoptaron códigos para situaciones de emergencia e incluso se reservó uno para que el piloto notificara un secuestro (3100 inicialmente); además el radar secundario también permite la transmisión de la altitud del avión (modo C) y posteriormente se definió el modo S, para que la comunicación del radar secundario se pudiese hacer selectiva (el equipo de tierra interroga a una aeronave) y el ADS-B, para que los aviones retransmitieran su posición (GPS).

El 16 de febrero de 1994, la FAA certificó el Garmin GPS 155 para su uso en vuelo sin visibilidad (IFR). Ese día la empresa de Gary Burrell y Min Kao (Garmin) marcó un importante hito en la historia de la navegación aérea. Los satélites del Global Positioning System (GPS) de Estados Unidos se desplegaron con el objetivo prioritario de atender las necesidades de las Fuerzas Armadas del país y la señal civil se alteraba de forma intencionada, para reducir la precisión con la que los receptores comerciales se situaban mediante la triangulación de satélites de la constelación GPS. Además, el Gobierno de Estados Unidos se reservaba el derecho de interrumpir el servicio, sin previo aviso y en cualquier momento. Para facilitar el uso del GPS en aplicaciones de navegación aérea, se introdujo, en 1994, el Wide Area Augmentation System (WAAS). Este sistema de aumentación envía, también desde un satélite, señales de corrección para los receptores terrestres y de aviso de falta de disponibilidad del GPS, en caso necesario. En principio el ámbito geográfico de operación del WAAS se limitaba a Estados Unidos, aunque posteriormente ha incrementado el área de cobertura a Canadá y México. Gracias al sistema de aumentación, a partir de 1994, los receptores baratos GPS permitieron, sobre todo a las pequeñas aeronaves comerciales, navegar y efectuar en los aeródromos aproximaciones, con un nivel de precisión similar al que ofrece el ILS de Categoria I, en Estados Unidos.

La revolución que representó la navegación aérea por satélite se extendió por todo el mundo. En 2011 OACI certificó el sistema de aumentación por satélite europeo European Geostationary Navigation Overlay System (EGNOS) que, inicialmente a partir de la señal GPS, con satélites geoestacionarios cubre el continente europeo y proporciona servicios similares al WAAS en la región europea. EGNOS ha firmado acuerdos para extender sus servicios en otras áreas geográficas y en diferentes partes del planeta han aparecido y se están desplegando nuevos sistemas de aumentación. Además del GPS estadounidense, las naciones han desplegado otros sistemas globales de navegación por satélite —Navigation Satellite System (GNSS). El ruso GLONASS, el europeo GALILEO y el chino BeiDou, estos tres con cobertura global y también hay otros que tan solo tienen cobertura regional (India y Japón). Existen acuerdos entre los propietarios de los sistemas, tanto de navegación por satélite como de aumentación, para facilitar la navegación aérea en las distintas partes del mundo con receptores compatibles.

El proyecto para la construcción de GALILEO se lanzó oficialmente en el año 2003, aunque las conversaciones entre los promotores empezaron en 1999, y la constelación inició las operaciones en 2016. Desde el principio la Unión Europea planteó que el sistema sería de libre acceso para el uso civil, con una señal de gran precisión y un servicio garantizado. Estados Unidos cambió la política con respecto a GPS, en el año 2000 se dejó de perturbar la señal civil y a partir de 2007 los nuevos satélites de la constelación ya no incluían esa capacidad. En el futuro, GPS III y GALILEO serán interoperables, facilitarán la redundancia y mejorarán la precisión.

En cualquier caso, el modo tradicional de navegación aérea por las aerovías, de un punto de la carta señalizado con la presencia de radioayudas, a otro análogo, se ha sustituido en muchos casos por una navegación directa entre dos puntos, lo que permite acortar distancias o agilizar el tráfico aéreo. Esto se conoce como Navegación de Área (RNAV). Hay varios tipos de navegación de área, en función de la precisión (RNAV-10, por ejemplo, implica una precisión de 10 millas en la posición de la aeronave, el 95% de las veces). Pero la precisión no es el único elemento importante, sino también la capacidad del sistema para advertir al navegante de si funciona correctamente o no el equipo, así como la fiabilidad, de modo que el concepto de navegación RNAV se revisó para incluir estos otros parámetros en lo que se denomina navegación de precisión RNP. Cualquier persona que se interese un poco por estos aspectos de la navegación aérea, debe disponerse a ingerir una auténtica ensalada de acrónimos que por lo general suelen añadir más confusión que claridad al asunto.

En realidad, lo que ocurre es que la navegación aérea, cada vez más, se apoya en instrumentos que toman señales de múltiples ayudas, espaciales o terrestres, que a su vez colaboran entre ellas y que permiten a la aeronave volar una trayectoria en cuatro dimensiones (posición y tiempo) con un nivel de precisión y fiabilidad prestablecido. Al navegante, la complejidad tecnológica le aporta una extraordinaria simplicidad para ejecutar el vuelo.

Vistas las cosas desde esta perspectiva, a lo largo del siglo XXI la navegación aérea por satélite podría desplazar por completo el viejo sistema cuya tecnología nació en la II Guerra Mundial, pero quizá no sea exactamente así. Las señales de los satélites son débiles, se pueden interferir fácilmente y son muy sensibles a cambios en las condiciones de la ionosfera, además la tecnología actual dispone de otras alternativas.