Loran-C

Um Loran... C receptor para uso em navios mercantes

Loran-C é um sistema de navegação de rádio hiperbólico que permite que um receptor determine sua posição ouvindo sinais de rádio de baixa frequência que são transmitidos por balizas de rádio terrestres fixas. Loran-C combinou duas técnicas diferentes para fornecer um sinal de longo alcance e altamente preciso, características que eram incompatíveis. Sua desvantagem era o custo do equipamento necessário para interpretar os sinais, o que fez com que o Loran-C fosse usado principalmente por militares depois que foi introduzido em 1957.

Na década de 1970, o custo, o peso e o tamanho dos componentes eletrônicos necessários para implementar o Loran-C foram drasticamente reduzidos devido à introdução da eletrônica de estado sólido e, a partir de meados da década de 1970, dos primeiros microcontroladores para processar o sinal. As unidades Loran-C de baixo custo e fáceis de usar tornaram-se comuns a partir do final dos anos 1970, especialmente no início dos anos 1980, e o sistema LORAN anterior foi descontinuado em favor da instalação de mais estações Loran-C em todo o mundo. Loran-C tornou-se um dos sistemas de navegação mais comuns e amplamente utilizados para grandes áreas da América do Norte, Europa, Japão e todas as áreas do Atlântico e do Pacífico. A União Soviética operava um sistema quase idêntico, CHAYKA.

A introdução da navegação civil por satélite na década de 1990 levou a uma rápida queda no uso do Loran-C. As discussões sobre o futuro de Loran-C começaram na década de 1990; várias datas de desligamento foram anunciadas e depois canceladas. Em 2010, os sistemas canadenses foram desligados, juntamente com as estações Loran-C/CHAYKA que eram compartilhadas com a Rússia. Várias outras cadeias permaneceram ativas; alguns foram atualizados para uso contínuo. No final de 2015, as cadeias de navegação na maior parte da Europa foram desligadas. Em dezembro de 2015, nos Estados Unidos, também houve uma discussão renovada sobre o financiamento de um sistema eLoran, e o NIST se ofereceu para financiar o desenvolvimento de um receptor eLoran do tamanho de um microchip para distribuição de sinais de temporização.

A legislação dos Estados Unidos introduzida posteriormente, como o National Timing Resilience and Security Act de 2017, propôs a ressurreição de Loran.

História

Loran-A

O LORAN original foi proposto em 1940 por Alfred Lee Loomis em uma reunião do Comitê de Microondas do Exército dos EUA. O Corpo Aéreo do Exército estava interessado no conceito de navegação de aeronaves e, após alguma discussão, retornou um requisito para um sistema que oferece precisão de cerca de 1 milha (1,6 km) a um alcance de 200 milhas (320 km) e um alcance máximo de até 500 milhas (800 km) para aeronaves voando alto. O Comitê de Microondas, nessa época organizado no que se tornaria o Laboratório de Radiação do MIT, assumiu o desenvolvimento como Projeto 3. Durante as reuniões iniciais, um membro da equipe de ligação do Reino Unido, Taffy Bowen, mencionou que sabia que os britânicos também estavam trabalhando em um conceito semelhante, mas não tinha informações sobre seu desempenho.

A equipe de desenvolvimento, liderada por Loomis, progrediu rapidamente no projeto do transmissor e testou vários sistemas durante 1940 antes de se decidir por um projeto de 3 MHz. Extensas medições de intensidade de sinal foram feitas montando um receptor de rádio convencional em uma caminhonete e dirigindo pelos estados do leste. No entanto, o design do receptor personalizado e seus monitores de tubo de raios catódicos associados provaram ser um problema maior. Apesar de vários esforços para contornar o problema, a instabilidade no visor impedia medições precisas à medida que a saída mudava para frente e para trás na face do osciloscópio.

A essa altura, a equipe estava muito mais familiarizada com o sistema British Gee e estava ciente de seu trabalho relacionado em "strobes", um gerador de base de tempo que produzia "pips& #34; no visor que pode ser usado para medições precisas. Isso significava que a imprecisão do posicionamento no display não tinha efeito, qualquer imprecisão na posição do sinal também estava no estroboscópio, então os dois permaneceram alinhados. A equipe do Projeto 3 se reuniu com a equipe Gee em 1941 e imediatamente adotou essa solução. Esta reunião também revelou que o Projeto 3 e o Gee exigiam sistemas quase idênticos, com desempenho, alcance e precisão semelhantes, mas o Gee já havia concluído o desenvolvimento básico e estava entrando na produção inicial, tornando o Projeto 3 supérfluo.

Em resposta, a equipe do Projeto 3 disse à Força Aérea do Exército para adotar o Gee e, em vez disso, a pedido da equipe britânica, realinhou seus esforços para fornecer navegação de longo alcance nos oceanos onde o Gee não era útil. Isso despertou o interesse da Marinha dos Estados Unidos e uma série de experimentos demonstrou rapidamente que os sistemas que usam o conceito básico de Gee, mas operando em uma frequência mais baixa em torno de 2 MHz ofereceriam uma precisão razoável da ordem de algumas milhas em distâncias da ordem de 1.250 milhas (2.010 km), pelo menos à noite, quando os sinais dessa faixa de frequência foram capazes de escapar da ionosfera. Seguiu-se um rápido desenvolvimento, e um sistema cobrindo o Atlântico ocidental estava operacional em 1943. Seguiram-se estações adicionais, primeiro cobrindo o lado europeu do Atlântico e depois uma grande expansão no Pacífico. No final da guerra, havia 72 estações LORAN operacionais e até 75.000 receptores.

Em 1958, a operação do sistema LORAN foi entregue à Guarda Costeira dos Estados Unidos, que renomeou o sistema "Loran-A", sendo o nome em minúsculas introduzido na época.

LF LORAN

Existem duas maneiras de implementar as medições de tempo necessárias para um sistema de navegação hiperbólica, sistemas de temporização de pulso como Gee e LORAN e sistemas de temporização de fase como o Decca Navigator System.

O primeiro requer pulsos agudos de sinal, e sua precisão geralmente é limitada à rapidez com que os pulsos podem ser ativados e desativados, o que é uma função da frequência da portadora. Há uma ambigüidade no sinal; as mesmas medições podem ser válidas em dois locais relativos às emissoras, mas em operação normal, elas estão separadas por centenas de quilômetros, portanto, uma possibilidade pode ser eliminada.

O segundo sistema usa sinais constantes ("onda contínua") e faz medições comparando a fase de dois sinais. Este sistema é fácil de usar mesmo em frequências muito baixas. No entanto, seu sinal é ambíguo na distância de um comprimento de onda, o que significa que existem centenas de locais que retornarão o mesmo sinal. A Decca referiu-se a esses locais ambíguos como células. Isso exige que algum outro método de navegação seja usado em conjunto para escolher em qual célula o receptor está e, em seguida, usar as medições de fase para colocar o receptor com precisão dentro da célula.

Muitos esforços foram feitos para fornecer algum tipo de sistema secundário de baixa precisão que pudesse ser usado com um sistema de comparação de fase como o Decca para resolver a ambigüidade. Entre os muitos métodos estava um sistema de transmissão direcional conhecido como POPI, e uma variedade de sistemas combinando temporização de pulso para navegação de baixa precisão e, em seguida, usando comparação de fase para ajuste fino. A própria Decca reservou uma frequência, "9f", para testar esse conceito de sinal combinado, mas não teve a chance de fazê-lo até muito mais tarde. Conceitos semelhantes também foram usados no sistema experimental Navarho nos Estados Unidos.

Sabe-se desde o início do projeto LORAN que os mesmos monitores CRT que mostram os pulsos LORAN podem, quando adequadamente ampliados, também mostrar as ondas individuais da frequência intermediária. Isso significava que a correspondência de pulso poderia ser usada para obter uma correção aproximada e, em seguida, o operador poderia obter precisão de tempo adicional alinhando as ondas individuais dentro do pulso, como Decca. Isso pode ser usado para aumentar muito a precisão do LORAN ou, alternativamente, oferecer precisão semelhante usando frequências portadoras muito mais baixas e, assim, estender bastante o alcance efetivo. Isso exigiria que as estações transmissoras estivessem sincronizadas no tempo e na fase, mas grande parte desse problema já havia sido resolvido pelos engenheiros da Decca.

A opção de longo alcance foi de grande interesse para a Guarda Costeira, que montou um sistema experimental conhecido como LF LORAN em 1945. Ele operava em frequências muito mais baixas do que o LORAN original, a 180 kHz e exigiam antenas de balão muito longas. Os testes foram realizados ao longo do ano, incluindo vários voos de longa distância até o Brasil. O sistema experimental foi então enviado para o Canadá, onde foi usado durante a Operação Muskox no Ártico. A precisão foi de 150 pés (46 m) a 750 milhas (1.210 km), um avanço significativo sobre o LORAN. Com o fim do Muskox, decidiu-se manter o sistema funcionando sob o que ficou conhecido como "Operação Musk Calf", comandado por um grupo formado pela Força Aérea dos Estados Unidos, Força Aérea Real Canadense, Marinha Real Canadense e o Royal Corps of Signals do Reino Unido. O sistema funcionou até setembro de 1947.

Isso levou a outra grande série de testes, desta vez pela recém-formada Força Aérea dos Estados Unidos, conhecida como Operação Beetle. O besouro estava localizado no extremo norte, na fronteira do Canadá com o Alasca, e usava novas torres de aço de 625 pés (191 m) estaiadas, substituindo as antenas de cabo em balão do sistema anterior. O sistema tornou-se operacional em 1948 e funcionou por dois anos até fevereiro de 1950. Infelizmente, as estações mostraram-se mal localizadas, pois a transmissão de rádio sobre o permafrost era muito mais curta do que o esperado e a sincronização dos sinais entre as estações usando ondas terrestres se mostrou impossível. Os testes também mostraram que o sistema era extremamente difícil de usar na prática; era fácil para o operador selecionar as seções erradas das formas de onda em sua tela, levando a uma imprecisão significativa no mundo real.

CYCLAN e Whyn

Em 1946, o Rome Air Development Center enviou contratos para sistemas de navegação de longo alcance e mais precisos que seriam usados para navegação de bombardeio de longo alcance. Como as Forças Aéreas do Exército dos Estados Unidos estavam se movendo para equipes menores, apenas três no Boeing B-47 Stratojet, por exemplo, um alto grau de automação era desejado. Dois contratos foram aceitos; Sperry Gyroscope propôs o sistema CYCLAN (CYCLe correspondente LorAN) que era amplamente semelhante ao LF LORAN, mas com automação adicional, e Sylvania propôs Whyn usando navegação de onda contínua como Decca, mas com codificação adicional usando modulação de frequência. Apesar de grandes esforços, Whyn nunca conseguiu trabalhar e foi abandonado.

CYCLAN operado enviando os mesmos sinais do tipo LF LORAN em duas frequências, LF LORAN's 180 kHz e novamente em 200 kHz. O equipamento associado procuraria uma amplitude ascendente que indicasse o início do pulso do sinal e, em seguida, usaria portas de amostragem para extrair a fase da portadora. O uso de dois receptores resolveu o problema de desalinhamento dos pulsos, pois as fases só se alinhariam adequadamente entre as duas cópias do sinal quando os mesmos pulsos estivessem sendo comparados. Nada disso era trivial; usando a eletrônica baseada em tubo da época, o sistema experimental CYCLAN preenchia grande parte de um semi-reboque.

O CYCLAN teve grande sucesso, tanto que ficou cada vez mais claro que os problemas que levaram os engenheiros a usar duas frequências simplesmente não eram tão ruins quanto o esperado. Parecia que um sistema usando uma única frequência funcionaria tão bem, com a eletrônica certa. Essa foi uma notícia especialmente boa, pois a frequência de 200 kHz estava interferindo nas transmissões existentes e teve que ser movida para 160 kHz durante o teste.

Ao longo desse período, a questão do uso do espectro de rádio foi se tornando uma grande preocupação, e levou a esforços internacionais para decidir sobre uma faixa de frequência adequada para navegação de longo alcance. Esse processo acabou se estabelecendo na banda de 90 a 100 kHz. O CYCLAN parecia sugerir que a precisão em frequências ainda mais baixas não era um problema, e a única preocupação real era o custo do equipamento envolvido.

Cytac

O sucesso do sistema CYCLAN levou a um novo contrato com a Sperry em 1952 para um novo sistema com o objetivo duplo de trabalhar na faixa de 100 kHz, sendo igualmente preciso, menos complexo e mais barato. Esses objetivos normalmente seriam contraditórios, mas o sistema CYCLAN deu a todos os envolvidos a confiança de que eles poderiam ser alcançados. O sistema resultante era conhecido como Cytac.

Para resolver o problema de complexidade, um novo circuito foi desenvolvido para cronometrar adequadamente a amostragem do sinal. Este consistia em um circuito para extrair a envoltória do pulso, outro para extrair a derivada da envoltória e, finalmente, outro que subtraía a derivada da envoltória. O resultado dessa operação final se tornaria negativo durante uma parte muito específica e estável da borda de subida do pulso, e esse cruzamento de zero foi usado para acionar uma porta de amostragem de tempo muito curto. Este sistema substituiu o complexo sistema de relógios usado no CYCLAN. Simplesmente medindo o tempo entre os cruzamentos de zero do mestre e do secundário, o tempo de pulso foi extraído.

A saída do amostrador de envelope também foi enviada para um deslocador de fase que ajustou a saída de um relógio local que travou para a portadora mestre usando um loop de travamento de fase. Isso reteve a fase do sinal mestre por tempo suficiente para a chegada do sinal secundário. Gating no sinal secundário foi então comparado a este sinal mestre em um detector de fase, e uma tensão variável foi produzida dependendo da diferença de fase. Esta tensão representou a medição de posicionamento fino.

O sistema foi geralmente bem-sucedido durante os testes até 1953, mas houve preocupações sobre a potência do sinal em longo alcance e a possibilidade de interferência. Isso levou a outras modificações do sinal básico. A primeira era transmitir uma série de pulsos em vez de apenas um, transmitindo mais energia durante um determinado tempo e melhorando a capacidade dos receptores de sintonizar um sinal útil. Eles também adicionaram um deslocamento de fase fixo de 45° a cada pulso, de modo que sinais simples de interferência de onda contínua pudessem ser identificados e rejeitados.

O sistema Cytac passou por uma enorme série de testes nos Estados Unidos e no exterior. Dada a precisão potencial do sistema, descobriu-se que até mesmo pequenas alterações na sincronização das ondas terrestres causavam erros que poderiam ser eliminados — problemas como o número de rios que o sinal atravessava causavam atrasos previsíveis que podiam ser medidos e então considerados em soluções de navegação. Isso levou a uma série de contornos de correção que poderiam ser adicionados ao sinal recebido para ajustar essas preocupações, e estes foram impressos nos gráficos Cytac. Usando características proeminentes em barragens como pontos-alvo, uma série de testes demonstrou que os sinais não corrigidos forneciam precisão da ordem de 100 jardas, enquanto a adição de ajustes de contorno de correção reduziu isso para a ordem de dez jardas.

Loran-B e -C

Foi nesse momento que a Força Aérea dos Estados Unidos, tendo assumido esses esforços ao se mudar das Forças Aéreas do Exército dos Estados Unidos, desistiu do projeto. Embora os motivos não sejam bem registrados, parece que a ideia de um sistema de bombardeio totalmente automatizado usando auxílios de rádio não era mais considerada possível. A AAF esteve envolvida em missões cobrindo cerca de 1.000 km (a distância de Londres a Berlim) e o sistema Cytac funcionaria bem nessas faixas, mas como a missão mudou para missões transpolares de 5.000 km ou mais, nem mesmo o Cytac oferecem o alcance e a precisão necessários. Eles voltaram sua atenção para o uso de plataformas inerciais e sistemas de radar Doppler, cancelando o trabalho no Cytac, bem como em um sistema concorrente conhecido como Navarho.

Por volta desse período, a Marinha dos Estados Unidos começou a trabalhar em um sistema semelhante usando pulso combinado e comparação de fase, mas com base na frequência LORAN existente de 200 kHz. A essa altura, a Marinha dos Estados Unidos havia entregue o controle operacional do sistema LORAN à Guarda Costeira, e presumia-se que o mesmo arranjo seria válido para qualquer novo sistema. Assim, a Guarda Costeira dos Estados Unidos teve a opção de nomear os sistemas e decidiu renomear o sistema existente Loran-A e o novo sistema Loran-B.

Com o Cytac totalmente desenvolvido e seu sistema de teste na costa leste dos Estados Unidos desativado, a Marinha dos Estados Unidos também decidiu recomissionar o Cytac para testes na função de longo alcance. Uma extensa série de testes através do Atlântico foi realizada pelo USCGC Androscoggin a partir de abril de 1956. Enquanto isso, Loran-B provou ter sérios problemas para manter seus transmissores em fase, e esse trabalho foi abandonado. Pequenas alterações foram feitas nos sistemas Cytac para simplificá-lo ainda mais, incluindo uma redução no espaçamento da cadeia de pulso de 1200 para 1000 µs, a taxa de pulso alterada para 20 pps para corresponder ao sistema Loran-A existente e a mudança de fase entre pulsos para um deslocamento alternado de 0, 180 graus em vez de 45 graus em cada pulso dentro da cadeia.

O resultado foi Loran-C. Os testes do novo sistema foram intensivos e os voos sobre a água ao redor das Bermudas demonstraram que 50% das correções estavam dentro de um círculo de 260 pés (79 m), uma melhoria dramática em relação ao Loran-A original, atendendo à precisão do sistema Gee, mas em um alcance muito maior. A primeira cadeia foi estabelecida usando o sistema Cytac experimental original, e uma segunda no Mediterrâneo em 1957. Seguiram-se outras cadeias cobrindo o Atlântico Norte e grandes áreas do Pacífico. Na época, os gráficos globais eram impressos com seções sombreadas representando a área onde uma correção precisa de 3 milhas (4,8 km) poderia ser obtida na maioria das condições operacionais. Loran-C operou na faixa de frequência de 90 a 110 kHz.

Melhorando os sistemas

O Loran-C foi originalmente projetado para ser altamente automatizado, permitindo que o sistema seja operado mais rapidamente do que a medição de vários minutos do LORAN original. Também foi operado em "cadeias" de estações vinculadas, permitindo que uma correção seja feita comparando simultaneamente dois secundários a um único mestre. A desvantagem dessa abordagem era que o equipamento eletrônico necessário, construído com a tecnologia de tubos da década de 1950, era muito grande. A busca por empresas com conhecimento em eletrônica de comparação de fase multicanal transoceânica levou, ironicamente, à Decca, que construiu o AN/SPN-31, o primeiro receptor Loran-C amplamente utilizado. O AN/SPN-31 pesava mais de 100 libras (45 kg) e tinha 52 controles.

As unidades aerotransportadas se seguiram e um AN/SPN-31 adaptado foi testado em um Avro Vulcan em 1963. Em meados da década de 1960, as unidades com alguma transistorização estavam se tornando mais comuns e uma cadeia foi criada no Vietnã para apoiar o Estados Unidos' esforços de guerra lá. Vários operadores de companhias aéreas comerciais também experimentaram o sistema, usando-o para navegação na rota do grande círculo entre a América do Norte e a Europa. No entanto, as plataformas inerciais acabaram se tornando mais comuns nessa função.

Em 1969, a Decca processou a Marinha dos Estados Unidos por infração de patente, produzindo ampla documentação de seu trabalho no conceito básico já em 1944, junto com o "desaparecido" Frequência 9f em 98 kHz que foi reservada para experimentos usando este sistema. A Decca ganhou o processo inicial, mas o julgamento foi anulado em recurso quando a Marinha alegou "conveniência em tempo de guerra".

Loran-D e -F

Quando o Loran-C se espalhou, a Força Aérea dos Estados Unidos mais uma vez se interessou em usá-lo como um sistema de orientação. Eles propuseram um novo sistema em camadas sobre o Loran-C para fornecer uma precisão ainda maior, usando a correção do Loran-C como o sinal de orientação grosseiro da mesma forma que o Loran-C extraiu a localização aproximada do tempo de pulso para remover a ambigüidade no medição fina. Para fornecer um sinal de orientação extrafino, Loran-D intercalou outro trem de oito pulsos imediatamente após os sinais de uma das estações Loran-C existentes, dobrando os dois sinais juntos. Esta técnica ficou conhecida como "Modulação de Interpulso Supernumária" (SIM). Estes foram transmitidos a partir de transmissores portáteis de baixa potência, oferecendo serviço de alcance relativamente curto de alta precisão.

Loran-D foi usado apenas experimentalmente durante jogos de guerra na década de 1960 a partir de um transmissor instalado no Reino Unido. O sistema também foi usado de forma limitada durante a Guerra do Vietnã, combinado com o sistema designador de laser Pave Spot, uma combinação conhecida como Pave Nail. Usando transmissores móveis, o receptor de navegação AN/ARN-92 LORAN pode atingir precisão da ordem de 60 pés (18 m), que o laser Spot melhorou para cerca de 20 pés (6,1 m). O conceito de SIM mais tarde se tornou um sistema para enviar dados adicionais.

Na mesma época, a Motorola propôs um novo sistema usando cadeias de pulso pseudo-aleatórias. Esse mecanismo garante que não haja duas cadeias dentro de um determinado período (na ordem de muitos segundos) com o mesmo padrão, facilitando a determinação se o sinal é uma onda terrestre de uma transmissão recente ou um sinal multi-hop de uma transmissão anterior. O sistema Multi-User Tactical Navigation Systems (MUTNS) foi usado brevemente, mas descobriu-se que Loran-D atendia aos mesmos requisitos, mas tinha a vantagem adicional de ser um sinal Loran-C padrão também. Embora o MUTNS não estivesse relacionado aos sistemas Loran, às vezes era referido como Loran-F.

Recusar

Apesar de suas muitas vantagens, o alto custo de implementação de um receptor Loran-C tornou-o antieconômico para muitos usuários. Além disso, como os usuários militares atualizaram de Loran-A para Loran-C, um grande número de receptores Loran-A excedentes foi despejado no mercado. Isso tornou o Loran-A popular, apesar de ser menos preciso e bastante difícil de operar. No início dos anos 1970, a introdução de circuitos integrados combinando um receptor de rádio completo começou a reduzir bastante a complexidade das medições Loran-A, e unidades totalmente automatizadas do tamanho de um receptor estéreo tornaram-se comuns. Para os usuários que exigem maior precisão, a Decca teve um sucesso considerável com seu sistema Decca Navigator e produziu unidades que combinavam os dois receptores, usando Loran para eliminar as ambiguidades da Decca.

O mesmo rápido desenvolvimento da microeletrônica que tornou o Loran-A tão fácil de operar funcionou igualmente bem nos sinais do Loran-C, e o desejo óbvio de ter um sistema de longo alcance que também pudesse fornecer precisão suficiente para navegação em lagos e portos levou à "abertura" do sistema Loran-C para uso público em 1974. Os receptores civis seguiram rapidamente, e os receptores A/C de sistema duplo também foram comuns por um tempo. A mudança de A para C foi extremamente rápida, em grande parte devido à rápida queda dos preços, o que levou muitos usuários a mudarem de opinião. primeiro receptor sendo Loran-C. No final dos anos 1970, a Guarda Costeira decidiu desligar o Loran-A, em favor da adição de estações Loran-C adicionais para cobrir as lacunas em sua cobertura. A rede Loran-A original foi desativada em 1979 e 1980, com algumas unidades usadas no Pacífico por algum tempo. Dada a ampla disponibilidade de gráficos Loran-A, muitos receptores Loran-C incluíam um sistema para converter coordenadas entre as unidades A e C.

Uma das razões para a abertura de Loran-C ao público foi a mudança de Loran para novas formas de navegação, incluindo sistemas de navegação inercial, Transit e OMEGA, o que significou que a segurança de Loran não era mais tão rigorosa como era como uma forma primária de navegação. À medida que esses sistemas mais novos deram lugar ao GPS nas décadas de 1980 e 90, esse processo se repetiu, mas desta vez os militares conseguiram separar os sinais do GPS de forma a fornecer sinais militares seguros e civis inseguros em o mesmo tempo. O GPS era mais difícil de receber e decodificar, mas na década de 1990 os componentes eletrônicos necessários já eram tão pequenos e baratos quanto o Loran-C, levando a uma rápida adoção que se tornou amplamente universal.

Loran-C no século 21

Embora Loran-C fosse amplamente redundante em 2000, ele não desapareceu universalmente a partir de 2014 devido a uma série de preocupações. Uma delas é que o sistema GPS pode ser bloqueado por vários meios. Embora o mesmo seja verdadeiro para Loran-C, os transmissores estão próximos e podem ser ajustados se necessário. Mais importante ainda, existem efeitos que podem fazer com que o sistema GPS se torne inutilizável em áreas amplas, principalmente eventos climáticos espaciais e eventos EMP em potencial. Loran, localizado inteiramente sob a atmosfera, oferece mais resiliência a essas questões. Houve um debate considerável sobre os méritos relativos de manter o sistema Loran-C operacional como resultado de tais considerações.

Em novembro de 2009, a Guarda Costeira dos Estados Unidos anunciou que o Loran-C não era necessário para a navegação marítima dos EUA. Esta decisão deixou o destino de LORAN e eLORAN nos Estados Unidos para o Secretário do Departamento de Segurança Interna. Por um anúncio subsequente, a Guarda Costeira dos EUA, de acordo com a Lei de Apropriações DHS, encerrou a transmissão de todos os sinais Loran-C dos EUA em 8 de fevereiro de 2010. Em 1º de agosto de 2010, a transmissão dos EUA do sinal russo-americano foi encerrada e, em Em 3 de agosto de 2010, todos os sinais canadenses foram desligados pela USCG e pela CCG.

A União Européia decidiu que as potenciais vantagens de segurança de Loran valem não apenas manter o sistema operacional, mas também atualizá-lo e adicionar novas estações. Isso faz parte do sistema Eurofix mais amplo, que combina GPS, Galileo e nove estações Loran em um único sistema integrado.

Em 2014, a Noruega e a França anunciaram que todos os seus transmissores restantes, que constituem uma parte significativa do sistema Eurofix, seriam desligados em 31 de dezembro de 2015. Os dois transmissores restantes na Europa (Anthorn, Reino Unido e Sylt, Alemanha) não seria mais capaz de sustentar um serviço Loran de posicionamento e navegação, com o resultado de que o Reino Unido anunciou que seu serviço eLoran experimental seria descontinuado na mesma data.

Descrição

Navegação hiperbólica

Um diagrama bruto do princípio LORAN - a diferença entre o tempo de recepção de sinais sincronizados de estações de rádio A e B é constante ao longo de cada curva hiperbólica; quando demarcada em um mapa, essas curvas são conhecidas como "linhas TD". "TD" significa "Time Difference".

Na navegação convencional, medir a localização de uma pessoa, ou fazer uma correção, é feito fazendo duas medições em locais bem conhecidos. Em sistemas ópticos, isso geralmente é feito medindo o ângulo de dois pontos de referência e, em seguida, desenhando linhas em uma carta náutica nesses ângulos, produzindo uma interseção que revela a localização do navio. Os métodos de rádio também podem usar o mesmo conceito com o auxílio de um localizador de direção de rádio, mas devido à natureza da propagação de rádio, tais instrumentos estão sujeitos a erros significativos, especialmente à noite. A radionavegação mais precisa pode ser feita usando tempo de pulso ou técnicas de comparação de fase, que dependem do tempo de voo dos sinais. Em comparação com as medições de ângulo, elas permanecem bastante estáveis ao longo do tempo, e a maioria dos efeitos que alteram esses valores são objetos fixos, como rios e lagos, que podem ser contabilizados em gráficos.

Sistemas de cronometragem podem revelar a distância absoluta de um objeto, como é o caso do radar. O problema no caso de navegação é que o receptor precisa saber quando o sinal original foi enviado. Em teoria, pode-se sincronizar um relógio preciso com o sinal antes de deixar o porto e, em seguida, usar isso para comparar o tempo do sinal durante a viagem. No entanto, na década de 1940, nenhum sistema adequado estava disponível que pudesse manter um sinal preciso durante o período de tempo de uma missão operacional.

Em vez disso, os sistemas de radionavegação adotaram o conceito de multilateração. que se baseia na diferença de tempos (ou fase) em vez do tempo absoluto. A idéia básica é que é relativamente fácil sincronizar duas estações terrestres, usando um sinal compartilhado por uma linha telefônica, por exemplo, para que se possa ter certeza de que os sinais recebidos foram enviados exatamente ao mesmo tempo. No entanto, eles não serão recebidos exatamente ao mesmo tempo, pois o receptor receberá primeiro o sinal da estação mais próxima. Cronometrar a diferença entre dois sinais pode ser facilmente realizado, primeiro medindo-os fisicamente em um tubo de raios catódicos ou eletrônica simples no caso de comparação de fase.

A diferença no tempo do sinal não revela a localização por si só. Em vez disso, determina uma série de locais onde esse tempo é possível. Por exemplo, se as duas estações estiverem separadas por 300 km e o receptor não medir nenhuma diferença nos dois sinais, isso implica que o receptor está em algum lugar ao longo de uma linha equidistante entre os dois. Se o sinal de um for recebido exatamente 100 µs depois, o receptor estará 30 quilômetros (19 mi) mais próximo de uma estação do que da outra. A plotagem de todos os locais onde uma estação está 30 km mais próxima que a outra produz uma linha curva. A obtenção de uma correção é realizada fazendo duas dessas medições com diferentes pares de estações e, em seguida, observando as duas curvas em um gráfico de navegação. As curvas são conhecidas como linhas de posição ou LOP.

Na prática, os sistemas de radionavegação utilizam normalmente uma cadeia de três ou quatro estações, todas sincronizadas com um sinal mestre que é emitido a partir de uma das estações. Os outros, os secundários, são posicionados de forma que seus LOPs se cruzem em ângulos agudos, o que aumenta a precisão da correção. Assim, por exemplo, uma determinada cadeia pode ter quatro estações com o mestre no centro, permitindo que um receptor pegue os sinais de dois secundários que estão atualmente o mais próximo possível dos ângulos retos, dada a sua localização atual. Sistemas modernos, que conhecem a localização de todas as emissoras, podem automatizar quais estações escolher.

Método LORAN

Pulso LORAN

No caso do LORAN, uma estação permanece constante em cada aplicação do princípio, a primária, sendo emparelhada separadamente com outras duas estações secundárias. Dadas duas estações secundárias, a diferença de tempo (TD) entre a primária e a primeira secundária identifica uma curva, e a diferença de tempo entre a primária e a segunda secundária identifica outra curva, cujas interseções determinarão um ponto geográfico em relação à posição de as três estações. Essas curvas são chamadas de linhas TD.

Na prática, LORAN é implementado em matrizes regionais integradas, ou chains, consistindo em uma estação primária e pelo menos duas (mas frequentemente mais) secundárias estações, com um intervalo de repetição de grupo (GRI) uniforme definido em microssegundos. A quantidade de tempo antes de transmitir o próximo conjunto de pulsos é definida pela distância entre o início da transmissão do sinal primário até o próximo início da transmissão do sinal primário.

As estações secundárias recebem este sinal de pulso do primário, então esperam um número predefinido de milissegundos, conhecido como atraso de codificação secundário, para transmitir um sinal de resposta. Em uma determinada cadeia, o atraso de codificação de cada secundário é diferente, permitindo a identificação separada do sinal de cada secundário. (Na prática, no entanto, os receptores LORAN modernos não dependem disso para identificação secundária.)

Cadeias LORAN (GRIs)

LORAN Station Malone, Malone, Florida Great Lakes chain (GRI 8970)/Southeast U.S. chain (GRI 7980)

Cada cadeia LORAN no mundo usa um único Intervalo de Repetição de Grupo, cujo número, quando multiplicado por dez, dá quantos microssegundos passam entre os pulsos de uma determinada estação na cadeia. Na prática, os atrasos em muitas cadeias, mas não em todas, são múltiplos de 100 microssegundos. As cadeias LORAN são frequentemente referidas por esta designação, por exemplo, GRI 9960, a designação para a cadeia LORAN que serve o Nordeste dos Estados Unidos.

Devido à natureza das curvas hiperbólicas, uma combinação particular de uma estação primária e duas secundárias pode possivelmente resultar em uma "grade" onde as linhas de grade se cruzam em ângulos rasos. Para precisão posicional ideal, é desejável operar em uma grade de navegação onde as linhas da grade estão mais próximas de ângulos retos (ortogonais) entre si. À medida que o receptor percorre uma cadeia, uma certa seleção de secundários cujas linhas TD inicialmente formam uma grade quase ortogonal pode se tornar uma grade significativamente distorcida. Como resultado, a seleção de um ou ambos os secundários deve ser alterada para que as linhas TD da nova combinação fiquem mais próximas dos ângulos retos. Para permitir isso, quase todas as cadeias fornecem pelo menos três e até cinco secundários.

Gráficos LORAN

Este gráfico náutico de New York Harbor inclui linhas LORAN-A TD. Note que as linhas impressas não se estendem em áreas de vias navegáveis interiores.

Quando disponíveis, as cartas náuticas marítimas comuns incluem representações visíveis das linhas TD em intervalos regulares sobre as áreas de água. As linhas TD que representam um determinado emparelhamento primário-secundário são impressas com cores distintas e observam a diferença de tempo específica indicada por cada linha. Em uma carta náutica, a denotação de cada Linha de Posição de um receptor, relativa ao eixo e à cor, pode ser encontrada na parte inferior da carta. A cor nas cartas oficiais para as estações e as linhas cronometradas da posição não seguem nenhuma conformidade específica para fins da Organização Hidrográfica Internacional (IHO). No entanto, os produtores de gráficos locais podem colori-los em conformidade específica com seu padrão. Sempre consulte as notas do gráfico, a referência do Gráfico1 de administração e as informações fornecidas no gráfico para obter informações mais precisas sobre pesquisas, dados e confiabilidade.

Existem três fatores principais ao considerar o atraso e a propagação do sinal em relação ao LORAN-C:

1. Fase primária (PF) – Isso permite o fato de que a velocidade do sinal propagado na atmosfera é ligeiramente menor do que em um vácuo.
2. Fase secundária (SF) – Isso permite o fato de que a velocidade de propagação do sinal é lenta ao viajar sobre a água do mar por causa da maior condutividade da água do mar em comparação com a terra.
3. Factores secundários adicionais (ASF) – Porque os transmissores LORAN-C são principalmente baseados em terra, o sinal irá viajar em parte sobre a terra e em parte sobre a água do mar. ASF pode ser tratada como segmentos de terra e água, cada um com uma condutividade uniforme dependendo se o caminho está sobre terra ou água.

As notas da carta devem indicar se as correções ASF foram feitas (as cartas do Serviço Hidrográfico Canadense (CHS), por exemplo, as incluem). Caso contrário, os fatores de correção apropriados devem ser obtidos antes do uso.

Devido a problemas de interferência e propagação sofridos por características do terreno e estruturas artificiais, como edifícios altos, a precisão do sinal LORAN pode ser degradada consideravelmente em áreas interiores (consulte Limitações). Como resultado, as cartas náuticas não mostrarão as linhas TD nessas áreas, para evitar a dependência do LORAN-C para navegação.

Os receptores LORAN tradicionais exibem a diferença de tempo entre cada emparelhamento da estação primária e uma das duas estações secundárias selecionadas, que é então usada para encontrar a linha TD apropriada no gráfico. Os receptores LORAN modernos exibem coordenadas de latitude e longitude em vez de diferenças de tempo e, com o advento da comparação de diferenças de tempo e eletrônica, fornecem maior precisão e melhor fixação de posição, permitindo ao observador traçar sua posição em uma carta náutica com mais facilidade. Ao usar essas coordenadas, o datum usado pelo receptor (geralmente WGS84) deve corresponder ao do gráfico ou cálculos de conversão manual devem ser executados antes que as coordenadas possam ser usadas.

Tempo e sincronização

Relógio atômico de Cesium

Cada estação LORAN é equipada com um conjunto de equipamentos especializados para gerar os sinais precisamente sincronizados usados para modular/conduzir o equipamento de transmissão. Até três relógios atômicos de césio comerciais são usados para gerar sinais de 5 MHz e pulso por segundo (ou 1 Hz) que são usados por equipamentos de temporização para gerar os vários sinais de acionamento dependentes de GRI para o equipamento de transmissão.

Embora cada estação LORAN operada nos EUA deva ser sincronizada em 100 ns do Tempo Universal Coordenado (UTC), a precisão real alcançada em 1994 foi de 500 ns.

Transmissores e antenas

Banco de transmissores LORAN

Os transmissores LORAN-C operam com potências de pico de 100 a 4.000 quilowatts, comparáveis às estações de transmissão de ondas longas. A maioria usa radiadores de mastro de 190 a 220 metros de altura, isolados do solo. Os mastros são alongados indutivamente e alimentados por uma bobina de carga (ver: comprimento elétrico). Um exemplo bem conhecido de uma estação que usa tal antena é Rantum. Radiadores de torre independentes nesta faixa de altura também são usados. Carolina Beach usa uma torre de antena independente. Alguns transmissores LORAN-C com potências de saída de 1.000 kW e superiores usavam radiadores de mastro extremamente altos de 412 metros (veja abaixo). Outras estações LORAN-C de alta potência, como George, usavam quatro antenas T montadas em quatro mastros estaiados dispostos em um quadrado.

Todas as antenas LORAN-C são projetadas para irradiar um padrão omnidirecional. Ao contrário das estações de transmissão de ondas longas, as estações LORAN-C não podem usar antenas de backup porque a posição exata da antena faz parte do cálculo de navegação. A localização física ligeiramente diferente de uma antena de backup produziria linhas de posição diferentes daquelas da antena primária.

Limitações

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  Oceano Atlântico cobertura LORAN (2006)

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  Oceano Pacífico cobertura LORAN (2006)

LORAN sofre com os efeitos eletrônicos do clima e os efeitos ionosféricos do nascer e do pôr do sol. O sinal mais preciso é a onda terrestre que segue a superfície da Terra, idealmente sobre a água do mar. À noite, a onda celeste indireta, curvada de volta à superfície pela ionosfera, é um problema, pois vários sinais podem chegar por caminhos diferentes (interferência de caminhos múltiplos). A reação da ionosfera ao nascer e ao pôr do sol é responsável pela perturbação específica durante esses períodos. As tempestades geomagnéticas têm efeitos graves, como acontece com qualquer sistema baseado em rádio.

LORAN usa transmissores terrestres que cobrem apenas determinadas regiões. A cobertura é muito boa na América do Norte, Europa e Pacífico.

A precisão absoluta do LORAN-C varia de 0,10 a 0,25 nmi (185 a 463 m). A precisão repetível é muito maior, normalmente de 60 a 300 pés (18 a 91 m).

Canal de Dados LORAN (LDC)

LORAN Data Channel (LDC) é um projeto em andamento entre a FAA e a Guarda Costeira dos Estados Unidos para enviar dados de baixa taxa de bits usando o sistema LORAN. As mensagens a serem enviadas incluem identificação da estação, tempo absoluto e mensagens de correção de posição. Em 2001, dados semelhantes às mensagens de correção de GPS do Wide Area Augmentation System (WAAS) foram enviados como parte de um teste da cadeia LORAN do Alasca. Em novembro de 2005, mensagens de teste usando LDC estavam sendo transmitidas de várias estações LORAN dos EUA.

Nos últimos anos, o LORAN-C tem sido usado na Europa para enviar GPS diferencial e outras mensagens, empregando um método de transmissão semelhante conhecido como EUROFIX.

Um sistema chamado SPS (Saudi Positioning System), semelhante ao EUROFIX, está em uso na Arábia Saudita. As correções diferenciais do GPS e as informações de integridade do GPS são adicionadas ao sinal LORAN. Um receptor GPS/LORAN combinado é usado e, se uma posição de GPS não estiver disponível, ele muda automaticamente para LORAN.

O futuro de LORAN

Como os sistemas LORAN são mantidos e operados por governos, sua existência contínua está sujeita a políticas públicas. Com a evolução de outros sistemas eletrônicos de navegação, como os sistemas de navegação por satélite, o financiamento dos sistemas existentes nem sempre é garantido.

Os críticos, que pediram a eliminação do sistema, afirmam que o sistema LORAN tem poucos usuários, carece de custo-benefício e que os sinais do Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS) são superiores aos do LORAN. Os defensores da operação contínua e aprimorada do LORAN observam que o LORAN usa um sinal forte, difícil de bloquear, e que o LORAN é um sistema independente, diferente e complementar a outras formas de navegação eletrônica, o que ajuda a garantir a disponibilidade dos sinais de navegação.

Em 26 de fevereiro de 2009, o U.S. Office of Management and Budget lançou o primeiro plano para o orçamento do ano fiscal de 2010. Este documento identificou o sistema LORAN-C como "desatualizado" e apoiou sua rescisão com uma economia estimada de US$ 36 milhões em 2010 e US$ 190 milhões em cinco anos.

Em 21 de abril de 2009, o Comitê de Comércio, Ciência e Transporte do Senado dos EUA e o Comitê de Segurança Interna e Assuntos Governamentais divulgaram contribuições para a Resolução do Orçamento Concorrente do ano fiscal de 2010 com suporte para o suporte contínuo ao sistema LORAN, reconhecendo o investimento já feito feito em atualizações de infraestrutura e reconhecendo os estudos realizados e a conclusão multidepartamental de que o eLORAN é o melhor backup para o GPS.

O senador Jay Rockefeller, presidente do Comitê de Comércio, Ciência e Transporte, escreveu que o comitê reconheceu a prioridade em "Manter o LORAN-C durante a transição para o eLORAN" como meio de reforçar as missões de segurança nacional, segurança marítima e proteção ambiental da Guarda Costeira.

O senador Collins, membro do Comitê de Segurança Interna e Assuntos Governamentais, escreveu que a proposta geral do orçamento do presidente para encerrar o sistema LORAN-C é inconsistente com os investimentos recentes, estudos reconhecidos e a missão do Guarda Costeira dos EUA. O comitê também reconhece o investimento de US$ 160 milhões já feito para atualizar o sistema LORAN-C para dar suporte à implantação completa do eLORAN.

Além disso, os Comitês também reconhecem os muitos estudos que avaliaram os sistemas de backup de GPS e concluíram a necessidade de backup de GPS e identificaram o eLORAN como o melhor e mais viável backup. “Esta proposta é inconsistente com o Plano Federal de Radionavegação (FRP) lançado recentemente (janeiro de 2009), que foi preparado em conjunto pelo DHS e os Departamentos de Defesa (DOD) e Transporte (DOT). O FRP propôs o programa eLORAN para servir como backup de Posição, Navegação e Tempo (PNT) para o GPS (Sistema de Posicionamento Global)."

Em 7 de maio de 2009, o presidente Barack Obama propôs cortar o financiamento (aproximadamente US$ 35 milhões/ano) para o LORAN, citando sua redundância ao lado do GPS. Em relação ao projeto de lei pendente do Congresso, HR 2892, foi posteriormente anunciado que "[o] governo apóia o objetivo do Comitê de alcançar uma rescisão ordenada por meio de um descomissionamento em fases a partir de janeiro de 2010, e a exigência que as certificações sejam fornecidas para documentar que a rescisão LORAN-C não prejudicará a segurança marítima ou o desenvolvimento de possíveis recursos ou necessidades de backup de GPS."

Também em 7 de maio de 2009, o US General Accounting Office (GAO), o braço investigativo do Congresso, divulgou um relatório citando o potencial muito real para o sistema GPS se degradar ou falhar devido a atrasos no programa que resultaram em Lançamentos de satélites GPS com atraso de até três anos.

Em 12 de maio de 2009, o relatório da Equipe de Avaliação Independente (IAT) de março de 2007 sobre o LORAN foi divulgado ao público. Em seu relatório, o ITA afirmou que "recomenda unanimemente que o governo dos EUA conclua a atualização do eLORAN e se comprometa com o eLORAN como backup nacional do GPS por 20 anos". A divulgação do relatório seguiu uma extensa batalha da Lei de Liberdade de Informação (FOIA) travada por representantes da indústria contra o governo federal. Concluído originalmente em 20 de março de 2007 e apresentado aos comitês executivos do Departamento de Transportes e do Departamento de Segurança Interna (DHS) co-patrocinador, o relatório considerou cuidadosamente os sistemas de navegação existentes, incluindo o GPS. A recomendação unânime para manter o sistema LORAN e atualizar para eLORAN foi baseada na conclusão da equipe de que o LORAN está operacional, implantado e suficientemente preciso para complementar o GPS. A equipe também concluiu que o custo para desativar o sistema LORAN excederia o custo de implantação do eLORAN, negando assim qualquer economia declarada oferecida pelo governo Obama e revelando a vulnerabilidade dos EUA à interrupção do GPS.

Em novembro de 2009, a Guarda Costeira dos EUA anunciou que as estações LORAN-C sob seu controle seriam fechadas por razões orçamentárias após 4 de janeiro de 2010, desde que o Secretário do Departamento de Segurança Interna certificasse que o LORAN não é necessário como backup para GPS.

Em 7 de janeiro de 2010, a Segurança Interna publicou um aviso sobre a descontinuação permanente da operação LORAN-C. A partir de 2000 UTC de 8 de fevereiro de 2010, a Guarda Costeira dos Estados Unidos encerrou todas as operações e transmissões de sinais LORAN-C nos Estados Unidos. A transmissão da Guarda Costeira dos Estados Unidos do sinal russo-americano CHAYKA foi encerrada em 1º de agosto de 2010. A transmissão dos sinais canadenses LORAN-C foi encerrada em 3 de agosto de 2010.

ELORAN

Com a vulnerabilidade potencial dos sistemas GNSS e suas próprias limitações de propagação e recepção, surgiu um interesse renovado em aplicativos e desenvolvimento de LORAN. O LORAN aprimorado, também conhecido como eLORAN ou E-LORAN, compreende um avanço no design do receptor e nas características de transmissão que aumentam a precisão e a utilidade do LORAN tradicional. Com precisão relatada de até ± 8 metros, o sistema se torna competitivo com o GPS não aprimorado. O eLORAN também inclui pulsos adicionais que podem transmitir dados auxiliares, como correções de GPS diferencial (DGPS), além de garantir a integridade dos dados contra falsificação.

Receptores eLORAN usam "tudo à vista" recepção, incorporando sinais de todas as estações ao alcance, não apenas de um único GRI, incorporando sinais de tempo e outros dados de até quarenta estações. Esses aprimoramentos no LORAN o tornam adequado como um substituto para cenários em que o GPS está indisponível ou degradado.

Em 2017, foi relatado pela Associação Marítima dos Estados Unidos que a Guarda Costeira dos Estados Unidos havia relatado vários episódios de interferência de GPS no Mar Negro. A Coreia do Sul alegou que a Coreia do Norte bloqueou o GPS perto da fronteira, interferindo com aviões e navios. Até 2018, os Estados Unidos planejavam construir um novo sistema eLoran como complemento e backup do sistema GPS. O governo sul-coreano impulsionou planos para ter três beacons eLoran ativos até 2019, o que seria suficiente para fornecer correções precisas para todas as remessas na região se a Coréia do Norte (ou qualquer outra pessoa) tentar bloquear o GPS novamente. Em novembro de 2021, nenhum sistema eLoran foi implantado.

Implementação do eLORAN no Reino Unido

Em 31 de maio de 2007, o Departamento de Transportes (DfT) do Reino Unido, por meio das autoridades gerais dos faróis, concedeu um contrato de 15 anos para fornecer um serviço LORAN (eLORAN) aprimorado de última geração para melhorar a segurança de marinheiros no Reino Unido e na Europa Ocidental. O contrato de serviço deveria operar em duas fases, com trabalho de desenvolvimento e foco adicional para o acordo europeu de prestação de serviços eLORAN de 2007 a 2010 e operação completa do serviço eLORAN de 2010 a 2022. O primeiro transmissor eLORAN estava situado na Estação de Rádio Anthorn Cumbria, Reino Unido, e era operado pela Babcock International (anteriormente Babcock Communications).

O governo do Reino Unido concedeu aprovação para sete estações de tecnologia de posicionamento de navios eLoran diferenciais a serem construídas ao longo das costas sul e leste do Reino Unido para ajudar a combater a ameaça de bloqueio dos sistemas de posicionamento global. Eles deveriam atingir a capacidade operacional inicial no verão de 2014. As autoridades gerais do farol do Reino Unido e da Irlanda anunciaram em 31 de outubro de 2014 a capacidade operacional inicial do eLoran marítimo do Reino Unido. Sete estações de referência diferencial forneceram informações adicionais de posição, navegação e tempo (PNT) por meio de pulsos de baixa frequência para navios equipados com receptores eLoran. O serviço era para ajudar a garantir que eles pudessem navegar com segurança em caso de falha do GPS em uma das regiões marítimas mais movimentadas do mundo, com tráfego anual esperado de 200.000 embarcações até 2020.

Apesar desses planos, à luz da decisão da França e da Noruega de interromper as transmissões de Loran em 31 de dezembro de 2015, o Reino Unido anunciou no início daquele mês que seu serviço eLoran seria descontinuado no mesmo dia. No entanto, para permitir mais pesquisas e desenvolvimento de PNT, o sinal de temporização eLoran ainda está ativo nas instalações do governo em Anthorn.

Lista de transmissores LORAN-C

Mapa das estações LORAN.

Uma lista de transmissores LORAN-C. As estações com uma torre de antena superior a 300 metros (984 pés) são mostradas em negrito.