Mateo S. Masaschi
Hace veinticinco años, en 1995, la Fuerza Aérea de EE. UU. alcanzó un hito: su Sistema de Posicionamiento Global satelital entró en pleno funcionamiento. Hoy, el GPS dirige nuestro mundo, desde los superpetroleros hasta las entregas de pizza. Pero antes de la creación de esta moderna maravilla de la navegación, los humanos miraban al cielo para encontrar su camino.
Durante siglos, usando un sextante, un marinero podía marcar la ubicación de un barco haciendo algunos cálculos para determinar la posición de las estrellas en relación con el horizonte. Ahora, una versión de alta tecnología de esta tradición marítima está volviendo a la práctica.
El GPS es indispensable en estos días, pero aún es increíblemente frágil. Puede ser falsificado con una señal satelital falsa, pirateado por un adversario o simplemente destruido. ¿Spoofing, pirateo o destrucción de las estrellas? No esta pasando.
El GPS puede haber revolucionado la forma en que navegamos, pero durante años la navegación celestial ha estado experimentando una revolución silenciosa propia.
No lo llames un regreso
La Marina de los EE. UU. se volvió menos dependiente del sextante tradicional en la Segunda Guerra Mundial con el advenimiento de las herramientas de navegación por radio , pero los cielos siguen siendo un mapa importante para los marineros y especialmente para los pilotos. Los bombarderos de la Segunda Guerra Mundial como el B-17 Flying Fortress tenían un astrodomo, un hemisferio transparente que permitía al navegante observar las estrellas.
El astrodomo, que se encuentra en la nariz del B-17G frente a la ventana de la cabina, ayudó a los navegantes a encontrar su camino usando las estrellas. Institución Smithsonian Wikimedia Commons
Después de la guerra y el nacimiento del motor de cohetes, los científicos se propusieron dotar a los misiles del mismo tipo de inteligencia celestial.
El misil de crucero SM-62 Snark, desarrollado en la década de 1950, presentaba el primer sistema de navegación celeste automatizado, un dispositivo mecánico-eléctrico que pesaba casi una tonelada. El navegador Snarks tenía un pequeño telescopio montado en tres cardanes que giraban para apuntar a un área determinada del cielo. Uno de los primeros fotosensores ubicaba las estrellas en el campo de visión y medía sus ángulos, identificándolas a partir de un catálogo de estrellas. Los fabricantes afirmaron que el Snark podía navegar en un radio de unos tres kilómetros, pero nunca funcionó tan bien en la práctica.
Por otra parte, no necesitas mucha delicadeza de navegación cuando estás lanzando una ojiva nuclear de 3,8 megatones.
Cómo funciona un sextante
Colección impresa Getty Images
Puede parecer desalentador, pero un sextante simplemente mide el ángulo entre una estrella celeste, un planeta, una luna o un sol y el horizonte.
Los componentes clave de un sextante son un telescopio en miniatura, un espejo medio plateado (a través del cual mira el telescopio) y un espejo índice en un brazo móvil. Mirando un cuerpo celeste a través del telescopio, gira el espejo índice hasta que parece estar en el horizonte. Luego anotas el ángulo del brazo que corresponde al ángulo del cuerpo celeste desde el horizonte.
Medir el ángulo de un cuerpo celeste les dice a los navegantes que están en algún lugar de un círculo en la superficie de la Tierra, conocido como el círculo de posición. Por ejemplo, en un momento dado hay una variedad de posiciones desde las cuales el sol está exactamente a 35 grados, sobre un círculo de unas 3,000 millas de diámetro. Los navegantes pueden trazar este círculo en el mapa si tienen los gráficos relevantes y saben la hora exacta.
Debido a que el círculo es tan grande, aparece como una línea recta en un mapa local. Trazar dos círculos de este tipo para dos objetos celestes da dos líneas, y donde se cruzan es su ubicación en teoría. Los navegantes cuidadosos suelen hacer tres o más avistamientos, porque las líneas no necesariamente se encuentran en un solo punto. Tres líneas encierran un área triangular de posibles posiciones conocida tradicionalmente como sombrero de tres picos.
Décadas más tarde, los ingenieros construyeron navegadores celestiales modernizados, ahora del tamaño de un horno de microondas, en el bombardero B-2 y el misil Trident. Un observatorio en el Centro de Reparación de Orientación de Boeings en Heath, Ohio, verifica la ubicación de la Estrella del Norte cada pocos días y utiliza las mediciones para calibrar los sistemas militares de navegación y orientación. En los misiles modernos, la guía celestial se usa junto con un sistema de navegación inercial (INS).
Si bien la navegación celeste sobrevivió en aplicaciones de nicho como los misiles, el GPS superó a la competencia porque es preciso y económico . Pero el GPS solo funciona cuando hay una buena señal de satélite, y los adversarios son muy conscientes de esa debilidad.
GPS: RevolucionarioCuando funciona
En 2018, la interferencia del GPS ruso interrumpió un ejercicio de la OTAN en Escandinavia, y las señales de falsificación del GPS chino pueden hacer que los barcos en muchas áreas costeras vean ubicaciones falsas . Los sistemas GPS militares modernos cuentan con una variedad de protecciones electrónicas para evitar interferencias y suplantaciones de identidad, incluidas antenas direccionales y una señal de satélite militar de código M especial.
Incluso con estas medidas de seguridad, es posible que una señal de GPS simplemente no esté allí: existe la preocupación de que el sistema satelital pueda ser pirateado o que los propios satélites sean destruidos por un enemigo o una tormenta solar masiva. Esto ha centrado las mentes militares en las alternativas.
Un soldado revisa un mapa durante el ejercicio Trident Juncture de la OTAN en octubre de 2018. Los participantes acusaron al gobierno ruso de interferir con el GPS durante el ejercicio. Imágenes falsas de Leon Neal
El Sistema de Navegación Celestial Automatizado de la Marina reemplazaría las mediciones manuales a bordo con algo más preciso, mientras que los expertos del Comando de Operaciones Especiales están desarrollando un dispositivo portátil para comandos. Ambas piezas de tecnología apuntan a una precisión de nivel GPS.
La mejor precisión para la navegación celeste con certeza está dentro de un par de metros, dice Benjamin Lane de la unidad de Instrumentación de Posición, Navegación y Cronometraje Avanzado en el Laboratorio Draper en Cambridge, Massachusetts. En la práctica, estamos dentro de un factor de unos pocos de eso.
¿Spoofing, pirateo o destrucción de las estrellas? No esta pasando.
Los nuevos sistemas utilizan luz infrarroja en lugar de luz visible para localizar estrellas, lo que permite la navegación diurna. Las estrellas brillan tanto en el cielo diurno como en la noche, pero su luz queda enmascarada por la luz solar dispersada por la atmósfera. La dispersión es más fuerte en longitudes de onda cortas. Si alguna vez has vislumbrado el cielo, sabes que la luz azul es la que más se dispersa. Pero vislumbra ese mismo cielo con un filtro que solo permite la luz infrarroja, y de repente el cielo se oscurece y se llena de estrellas.
Hace veinte años, estos sensores infrarrojos eran bastante caros, dice George Kaplan, consultor del Observatorio Naval de EE. UU. Desde entonces, los costes han ido bajando y el número de píxeles es cada vez mayor.
El aumento de la navegación celestial también se ve favorecido junto con otra pieza de tecnología llamada matriz óptica en fase, que no necesita apuntar a una sección del cielo como lo hace un telescopio. Este tipo de sensor no tiene una lente para enfocar, sino que tiene una serie de diminutas antenas de metamaterial para capturar la luz. Una unidad de procesamiento puede desfasar la señal de cada antena para lograr el mismo efecto que una lente de enfoque móvil.
Lane y su equipo ya han demostrado un prototipo funcional de dicho sensor.
Una vista de la constelación Starlink de SpaceX por la noche. Imágenes falsas de Yuri Smityuk
Brilla, Brilla, Pequeño Satélite
Pero el mayor avance, que persiguen tanto Draper Laboratories como Trex Enterprises, es un enfoque que supera uno de los mayores límites de la precisión. La navegación celeste tradicional requiere medir el ángulo de una estrella o planeta en el cielo. Para hacer esto, necesita ubicar con precisión el horizonte o, alternativamente, el azimut o la vertical verdadera.
Eso suena simple, pero no lo es.
Trex ha probado la detección infrarroja del horizonte, dice Kaplan. El problema es que el horizonte es refractivo; es muy sensible a las diferencias de temperatura. Obtienes todo tipo de reflejos extraños, incluido el espejismo.
Otros han sentido el azimut por la polarización del cielo, o por la refracción de la luz de las estrellas, o incluso sensores de movimiento angular que detectan la rotación de la Tierra. Ninguno de ellos se acerca a la precisión del GPS. Pero este nuevo enfoque toma lecturas de satélites hechos por humanos en lugar de estrellas, eludiendo el horizonte por completo.
Una historia militar de la navegación celestial
Reloj Longines Weems A-11 Aviadores
La hora precisa es vital para la navegación celeste: una incertidumbre de 30 segundos significa un error de distancia de diez kilómetros. El capitán aviador holandés PVH Weems desarrolló un reloj con segundero que podía ajustarse exactamente a las transmisiones de señales horarias por radio, que la Marina de los EE. UU. inició en 1904, reduciendo los errores. El Cuerpo Aéreo del Ejército de EE. UU. encargó su propia versión del reloj en 1937, el A-11, y entregó uno a cada nuevo aviador.
Astrodomo de plexiglás
Introducido justo a tiempo para los bombarderos de la Segunda Guerra Mundial, el astrodomo fue una maravilla de la tecnología de materiales: plexiglás, un plástico transparente resistente, formado en una cúpula que brinda una vista clara de 360 grados del cielo nocturno. El astrodomo incluía un punto de suspensión para un sextante para que los navegantes no tuvieran que sostener el pesado instrumento.
Fairchild-Maxson Mark I Línea de computadora de posición
Calcular la posición a partir de las lecturas de las estrellas era una tarea exigente y que requería mucho tiempo; no había ninguna aplicación para eso en los días previos a la electrónica. La USAAF automatizó el proceso con este dispositivo de cálculo mecánico de 1938. El navegador marcó las lecturas del ángulo y la hora, y la computadora de 20 libras hizo el resto. El Air Corps y la Navy construyeron y utilizaron varias docenas, pero el diseño resultó demasiado costoso.
Vista de deriva U-2
El tablero del avión espía U-2 estaba dominado por la vista a la deriva, un periscopio que mira hacia abajo para seguir las carreteras y otros puntos de referencia para la navegación. Cuando el suelo era invisible, voltear un espejo convirtió la vista a la deriva en un sextante con una vista del cielo a través de una burbuja de vidrio en la nariz del avión. Esto fue útil en áreas como el Ártico sin características de terreno y donde las brújulas magnéticas eran inútiles.
Sistema de navegación Nortronics NAS-14V2
Cariñosamente conocido como R2-D2, el navegante celestial del SR-71 Blackbird ocupaba una posición inmediatamente detrás del piloto. Con unas medidas de 48 x 46 x 31 pulgadas y un peso de 300 libras, realizó la función vital de mantener al Blackbird en el camino incluso a Mach 3, asegurando que las cámaras de los aviones fotografiaran el área de interés correcta en el suelo. También ayudó a mantener el valioso avión en el lado seguro de las fronteras internacionales delicadas.
Debido a que los satélites están relativamente cerca de la superficie de la Tierra, los observadores pueden calcular su propia posición en función de los ángulos entre diferentes satélites. El navegante no necesita ver el horizonte ni conocer la vertical local. En cambio, es una versión de triangulación que cualquier excursionista usa cuando toma lecturas de ángulos desde dos cimas de montañas.
Cualquier satélite visible se puede utilizar para navegar si se conoce su posición, y ahora hay mucho para elegir. En 2010 había menos de 1.000 satélites en órbita ; ese número se ha más que duplicado y está aumentando rápidamente con lanzamientos masivos de pequeños satélites. Solo la constelación Starlink de SpaceX agregará más de 7,000 en los próximos años, por lo que siempre debe haber uno a mano para tomar una lectura.
Los satélites Starlinks se están haciendo menos reflectantes pero aún rastreables, dice Lane. Si son predecibles, entonces podemos rastrearlos y usarlos.
El único límite es la precisión con la que se conoce la posición de un satélite. Si bien la trayectoria orbital generalmente se conoce con exactitud, la posición de un satélite a lo largo de la trayectoria orbital se ve afectada por la resistencia atmosférica, lo que resulta en una desviación de minutos de arco (un error de una milla náutica o 1952 metros).
Afortunadamente, el Comando de Defensa Aeroespacial de América del Norte (NORAD) rastrea muchos de ellos con un radar de alta precisión y puede proporcionar los datos a los usuarios militares.
Una vez que estas herramientas de navegación celestial estén listas para el combate, vendrán en diferentes formas y tamaños. El bombardero B-21 Raider probablemente tendrá una versión más compacta y altamente precisa de la unidad tipo B-2 Spirits R2-D2 que se encuentra detrás del piloto. En los barcos de la Marina, el Sistema de Navegación Celestial Automatizado reemplazará los viejos sextantes de latón y proporcionará datos que se pueden introducir en las computadoras de a bordo junto con otros sensores de navegación. Los futuros misiles balísticos también incluirán navegación celeste avanzada.
Y con un nuevo dispositivo de mano que está siendo desarrollado por el Comando de Operaciones Especiales, incluso el humilde soldado de a pie podría guiarse por las estrellas.
Limitaciones celestiales
El suboficial senior Jonathan Myers le enseña al jefe maestro de comando April Beldo cómo usar un sextante marino en el USS Carl Vinson . Travis K. Mendoza
Si bien ya es posible obtener una ubicación dentro de los 20 metros más o menos, y se están preparando dispositivos con mayor precisión, la navegación celestial no es tan útil como el GPS. Por un lado, actualmente lleva mucho más tiempo obtener una lectura, a menudo decenas de segundos.
Por otro lado, Kaplan dice que aunque las cámaras infrarrojas funcionan a través de la neblina y la capa de nubes ligeras, no pueden ver a través de nubes bajas y densas. A diferencia del GPS, la navegación celeste no estará disponible las 24 horas del día, los 7 días de la semana, por lo que tendría que funcionar con un sistema de navegación inercial. Afortunadamente, estos también se están volviendo mucho más pequeños y más baratos.
Otro problema con los satélites LEO es que durante el día la luz proviene de arriba, dice Kaplan. Esto significa que la parte más brillante, el conjunto solar, apunta lejos de la Tierra y el satélite es mucho menos brillante que en la noche. Pero los desarrolladores confían en que pueden superar estos problemas, desbloqueando el verdadero potencial de la navegación celestial como un sustituto del GPS sin todo el hardware espacial dedicado, los riesgos de interferencia o la vulnerabilidad a los ataques cibernéticos.
En 1980, el primer receptor GPS Rockwell portátil era una unidad de mochila que pesaba 20 libras. Tomó cinco minutos obtener una solución y costó alrededor de $ 30,000. Los receptores GPS modernos tienen el tamaño de un chip, brindan una lectura casi instantánea y cuestan menos de $50.
En 40 años, quién sabe adónde nos llevarán las estrellas.