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La storia dei sistemi di navigazione: dal XIX al Secolo XX – parte IV di Andrea Mucedola

livello elementare
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ARGOMENTO: STORIA DELLA NAVIGAZIONE
PERIODO: XIX – XX SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: radionavigazione
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Guglielmo Marconi osserva l’aquilone che sarà utilizzato per sollevare l’antenna St. John’s, Terranova, dicembre 1901 – fu grazie a questi esperimenti che si aprì una nuova era nel mondo delle comunicazioni e della navigazione – immagine apparsa nell’articolo “Marconi’s Achievement” nel numero di febbraio 1902 di McClure’s Magazine.

Nel nostro viaggio nella storia dei sistemi di ausilio alla navigazione arriviamo alla fine del XIX secolo con la scoperta delle onde radio ed il fondamentale contributo di un italiano, Guglielmo Marconi.

Guglielmo Marconi

Guglielmo Marconi concepì giovanissimo l’idea di usare le onde elettromagnetiche per stabilire comunicazioni a distanza senza collegamenti con fili e sviluppò il primo sistema di comunicazione con la telegrafia senza fili. Marconi, già dal 1894, aveva iniziato i primi esperimenti con le onde elettromagnetiche, oggetto di studio e ricerca a livello europeo, basandosi sugli studi di Hertz. Nel 1895, preparò il primo trasmettitore (e ricevitore) telegrafico senza fili, che sperimentò a Pontecchio (Bologna) con il fratello che, si racconta, segnalò la ricezione con un colpo di fucile. Lo straordinario interesse suscitato dai suoi esperimenti  nel mondo intero gli valse un invito ufficiale perché ripetesse in Italia le sue esperienze e, nel luglio 1897, compì una serie di esperimenti nel Golfo della Spezia, instaurando con la Regia Marina italiana quella collaborazione che doveva rivelarsi così proficua negli anni seguenti. Il sistema Marconi fu il primo ad utilizzare per la trasmissione e ricezione un sistema comprendente un nuovo componente, l’antenna. I contributi da lui portati al progresso delle radiocomunicazioni sia per lo sviluppo di sistema di radiocomunicazioni direttive con onde lunghe (1904), sia per la sicurezza della navigazione con l’ideazione del primo radiofaro marittimo (1920), e le sue fondamentali esperienze con onde corte e cortissime furono riconosciuti unanimemente e a lui fu riconosciuto, nel 1909, il premio Nobel per la fisica nel 1909 (insieme con K. F. Braun) che gli valse il premio Nobel, segnando in pratica l’inizio delle radiocomunicazioni.

Una nuova era: la Radionavigazione
L’impiego dei sistemi di radiocomunicazioni dimostrarono da subito la loro importanza per la sicurezza della navigazione. Il 17 marzo 1899, l’East Goodwin Sands Lightship, inviò un segnale per conto della nave mercantile Elbe, che si era incagliata al largo della costa del Kent. Il messaggio fu stato ricevuto dall’operatore radio in servizio presso il faro di South Foreland, che poté avvisare la nave di soccorso Ramsegate. Ironia della sorte alcune settimane dopo, il 30 aprile 1899, la  East Goodwin Sands inviò un messaggio di soccorso sul suo conto quando fu speronata dalla SS R F Matthews

All’epoca il segnale di chiamata per le navi in pericolo era “CQD”. Creato nel 1904 dalla British Marconi Society. Nonostante fosse inteso come “Come Quick Danger” (Vieni Velocemente sono in pericolo) il suo significato ufficiale derivava dal segnale telegrafico terrestre CQ – “sécu” dalla parola francese sécurité – seguito da D per Distress. In seguito, nel 1906, fu approvato il segnale del codice Morse “SOS” – tre punti / tre trattini / tre punti – come segnale di pericolo internazionale.

La prima trasmissione transatlantica avvenne nel 1901, dall’Inghilterra, dove Marconi si era trasferito, fino al ricevitore posto in Canada (Terranova), coprendo una distanza di oltre 3.000 km e dimostrando che le onde radio potevano propagarsi a grande distanza nonostante la curvatura terrestre. Nel 1902, Marconi condusse esperimenti a bordo del transatlantico Philadelphia e poi sulla corazzata Carlo Alberto, sempre della Regia Marina italiana. Nel 1904 i segnali temporali incominciarono ad essere inviati alle navi per consentire ai navigatori di controllare i loro cronometri di bordo (sincronizzazione). Il servizio fu esteso dall’Ufficio Idrografico della Marina degli Stati Uniti che, nel 1907,iniziò ad inviare avvisi di navigazione alle navi in mare. La tecnologia proseguì consentendo il controllo remoto di boe di segnalazione e dei fari.

Radar
Il primo ad usare le onde radio per segnalare «la presenza di oggetti metallici distanti» fu Christian Hülsmeyer che, nel 1904, dimostrò che era possibile rilevare la presenza di una nave nella nebbia. Il sistema poteva però indicare un segnale di un bersaglio ma non la sua distanza.

Nel 1921 venne installato il primo radio beacon, un trasmettitore radio omnidirezionale in grado di trasmettere continuamente un segnale su una specifica frequenza, cosa che lo rendeva unicamente identificabile. La ricezione asservita ad un sistema tipo bussola poteva quindi dare delle direzioni precise per i naviganti. Nel 1922 Guglielmo Marconi ebbe l’idea di sviluppare un radiotelemetro per effettuare la localizzazione a distanza di oggetti in movimento.

Nel 1933, ne propose la realizzazione ad un gruppo di militari italiani, che ne affidarono la realizzazione ad un ufficiale tecnico della Regia Marina, l’ingegner Ugo Tiberio. Tiberio negli anni seguenti realizzò diversi prototipi, senza però ottenere mai i fondi necessari per arrivare a un sistema radar operativo. Per assurdo, Tiberio fu anche deriso dalle gerarchie militari italiane che non credevano nelle sue ricerche considerandole fantascientifiche. Nel frattempo gli studi sulle emissioni radar portarono ad un sistema radar di bordo che fu installato sulla USS Leary nell’aprile del 1937. Fu chiamato RADAR, acronimo per Radio Detection and Ranging, ovvero sistema per la “scoperta e misurazione di distanze via radio”, e fu sviluppato nel 1940 dalla Marina Statunitense. In pratica il radar consentiva di fare dei punti nave basati su rilevamenti e distanze di oggetti in mare riportati sulle carte. 

Nascita dei sistemi di navigazione a lungo raggio
Il 18 novembre 1940 Alfred L. Loomis ideò un sistema elettronico di navigazione aerea che fu successivamente sviluppato dal Radiation Laboratory del Massachusetts Institute of Technology (MIT) con il nome LORAN (sistema di navigazione a lungo raggio). Il sistema fu attivato il 1 novembre 1942 con quattro stazioni poste tra Chesapeake Capes e la Nuova Scozia, coprendo un’area strategica in tempo di guerra di grande traffico commerciale. Il LORAN era un sistema piuttosto complesso da usare e richiedeva apparecchiature voluminose per estrarre i diversi segnali. Il metodo di navigazione sfruttato dal sistema LORAN si basava sull’intervallo di tempo che intercorre tra segnali ricevuti da una coppia di stazioni radio sincronizzate. In pratica, essendo l’intervallo di tempo direttamente proporzionale alla differenza delle distanze dai due trasmettitori veniva definita una linea di posizione iperbolica i cui fuochi erano occupati dalle due stazioni emittenti. Conoscendo le posizioni delle stazioni era possibile ottenere una linea di posizione (iperbole). Ovviamente una sola coppia di stazioni non era sufficiente per ricavare la posizione sugli infiniti punti dell’iperbole ed era quindi necessario utilizzare un’altra coppia di trasmettitori, per individuare una seconda iperbole. L’intersezione delle due distinte iperboli forniva quindi una posizione. Il problema era che il sistema LORAN si basava su solo tre stazioni, accoppiandone quindi una per due volte, per cui la precisione era legata alla copertura relativa.

In seguito fu sviluppato un altro sistema di radionavigazione, chiamato DECCA Navigator basato su segnali radio continui ritardati in fase.

Il principio del sistema DECCA fu inventato negli Stati Uniti, ma lo sviluppo fu condotto nel Regno Unito. Fu utilizzato per la prima volta dalla Royal Navy durante la seconda guerra mondiale quando le forze alleate avevano bisogno di un sistema che potesse essere usato per facilitare gli atterraggi di precisione. Il passaggio ad un uso navale avvenne in un secondo tempo.

Le quattro stazioni radio DECCA emettevano onde radio continue di cui una era la stazione master, due erano slave e l’ultima aveva funzione di controllo. Queste ultime tre erano chiamate con dei colori: rosso, verde e viola.

sistema DECCA Mk 12

La portata del sistema era di circa 400 miglia nautiche di giorno e di 200 di notte, in funzione delle differenti condizioni di propagazione. Dopo la guerra, il DECCA fu ampiamente sviluppato in tutto il Regno Unito e successivamente utilizzato in molte aree del mondo per la navigazione costiera, offrendo una precisione decisamente migliore rispetto al sistema LORAN. I pescherecci divennero i principali utenti del dopoguerra. Grazie alla sua precisione trovò un ottimo uso sulle navi fino agli anni ’90.

Nel 1952 venne sviluppata una versione LORAN notevolmente migliorata rispetto alle precedenti, il LORAN C, che combinò le tecniche di timing degli impulsi con il confronto di fase impiegato dal DECCA. Il sistema si dimostrò affidabile e relativamente preciso anche a lunghe distanze. Il LORAN C era progettato per essere altamente automatizzato, consentendo al sistema di funzionare più rapidamente rispetto alla misurazione multi-minuto del LORAN originale. Anch’esso operava in “catene” di stazioni collegate, confrontando due stazioni slave ed una singola master station. Ci volle l’introduzione dei sistemi elettronici integrati per rendere gli apparati più facilmente gestibili. Negli anni ’80, il sistema poteva essere ricevuto con apparati delle dimensioni di una radio convenzionale e divenne strumento comune anche su imbarcazioni da diporto. Possiamo dire che fu il sistema di navigazione più popolare negli anni ’80 e ’90 soppiantando tutti i precedenti

OMEGA Navigation System
Nel nostro panorama di quegli anni vanno menzionati i sistemi iperbolici tra cui l’OMEGA Nav System. OMEGA determinava il timing degli impulsi non confrontando due segnali, ma confrontando un singolo segnale con un orologio atomico locale. Ogni stazione trasmetteva un segnale a bassissima frequenza, che consisteva in una serie di quattro toni unici per la stazione, ripetuti ogni dieci secondi. Anch’esso impiegava le tecniche di radionavigazione iperbolica, operando nello spettro VLF tra i 10 e i 14 kHz, consentendo di individuare la posizione di un oggetto entro 7,4 km (4 miglia nautiche), attraverso il principio della comparazione di fase dei segnali.

Ricordo che quando nel 1978 sul Vespucci noi allievi ufficiali dovevamo fare un punto elettronico OMEGA ogni 30 minuti per apprendere quello che, all’epoca, era considerato il sistema allo stato dell’arte nella navigazione oceanica. Ci affascinava il fatto che inserendo le coordinate di destinazione, il sistema ci desse continuamente la distanza alla destinazione finale ed il tempo necessario considerando la velocità attuale.

Il sistema OMEGA fu chiuso nel 1997 con l’introduzione dei sistemi di navigazione satellitari. Questa tabella riassume le precisioni dei sistemi elettronici di quegli anni che ,comparati a quelli odierni, erano molto basse.

In sintesi, i sistemi di radionavigazione, che di fatto avevano rivoluzionato il modo di posizionarsi in mare, furono un cambiamento epocale consentendo l’effettuazione di punti nave elettronici che sarebbero presto diventati integrati nei sistemi cartografici digitali. Di contro, per gli utenti militari questi sistemi avevano precisioni non sufficienti (oltre 2000 metri per l’Omega ai 180 metri del Loran C), ancora troppo basse per consentire la guida dei nuovi sistemi veloci militari, i missili. Nacquero così, sempre in ambito militare, i sistemi satellitari a copertura globale che, di fatto, cambiarono nuovamente il modus operandi dei naviganti.

 

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