Il LORAN (LOng RAnge Navigation, dall'inglese navigazione a lungo raggio) è un sistema di radionavigazione terrestre tramite onde radio LF (a bassa frequenza) che sfrutta l'intervallo di tempo tra i segnali ricevuti da tre o più stazioni per determinare la posizione di una nave o di un aereo.
La versione del LORAN oggi in uso è denominata LORAN-C, ed opera sulla banda di frequenze da 90 a 110 kHz, inclusa nella porzione LF dello spettro radio. Varie nazioni fanno uso di questo sistema, tra cui Stati Uniti d'America, Giappone e vari paesi europei. La Russia utilizza un sistema quasi identico, sulla stessa banda di frequenza, chiamato Chayka.
Ad oggi, l'uso del LORAN è in rapido declino, a causa dell'avvento dei più efficaci e precisi sistemi di posizionamento satellitare, come il GPS. Nonostante ciò, vi sono tuttora tentativi di migliorare e riabilitare il sistema.
Storia Il sistema LORAN fu sviluppato dal Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti a partire dal sistema britannico GEE, usato durante la Seconda guerra mondiale. L'uso di sistemi di radionavigazione veniva a sostituire la navigazione astronomica in ambito aeronautico, rivoluzionando i sistemi di determinazione della posizione dei velivoli e delle navi.
I primi LORAN avevano un raggio di circa (1000 miglia), che grazie alla propagazione favorevole, si estendevano a più di (3000 miglia) nelle ore notturne, contro i circa dei sistemi GEE dell'epoca. I sistemi LORAN furono utilizzati già durante la Seconda guerra mondiale e furono ampiamente sfruttati sul campo dalla US Navy e dalla Royal Navy. Successivamente, il sistema fu molto usato dalla guardia costiera statunitense.
Fu inizialmente designato LRN, Loomis Radio Navigation, dal nome del fisico Alfred Lee Loomis che, oltre ad aver inventato il sistema, ebbe un ruolo cruciale nell'ambito di ricerca e sviluppo militare durante la guerra.
Principio di funzionamento
Il metodo di navigazione sfruttato dal sistema LORAN si basa sull'intervallo di tempo che intercorre tra segnali ricevuti da una coppia di radiotrasmettitori sincronizzati. L'intervallo di tempo, in condizioni ideali, è direttamente proporzionale alla differenza delle distanze dai due trasmettitori e definisce quindi una linea di posizione iperbolica, detta linea TD (time delay, ritardo di tempo), i cui fuochi sono occupati dalle due stazioni che emettono il segnale. Il LORAN fa quindi parte della famiglia di sistemi di radionavigazione iperbolici.
Se si conoscono le posizioni delle stazioni, la posizione del ricevente deve appartenere all'iperbole corrispondente all'intervallo di tempo misurato. Per questo motivo, una sola coppia di stazioni non permette di determinare la posizione bidimensionale sugli infiniti punti dell'iperbole. È necessario che lo stesso principio sia applicato anche su un'altra coppia di trasmettitori, che individuerà una seconda iperbole: la posizione cercata si troverà all'intersezione delle due distinte iperboli. Nella pratica, il sistema LORAN si basa su sole tre stazioni, accoppiandone una per due volte.
Sistema LORAN Nel caso del LORAN, una stazione, detta master, è usata per entrambe le applicazioni del principio ed è confrontata separatamente con ognuna delle due stazioni slave o secondarie. Date due stazioni secondarie, la differenza di tempo (abbreviata TD, dalla designazione inglese) tra la stazione master e la prima secondaria identifica una curva, mentre la differenza di tempo tra la stazione master e l'altra secondaria identifica un'altra curva. Le due curve, spesso dette linee TD, si intersecano in un punto geografico relativo alle posizioni delle tre stazioni.
In pratica, il sistema LORAN è implementato mediante gruppi geografici o catene costituite da una stazione master e almeno due (ma spesso più) stazioni secondarie, con un determinato intervallo di ripetizione chiamato group repetition interval (intervallo di ripetizione del gruppo, abbreviato GRI) e definito in microsecondi
La stazione master trasmette ripetutamente serie di impulsi intervallate dal GRI. Le stazioni secondarie ricevono il segnale dalla master, attendono un determinato intervallo (nell'ordine dei millisecondi) chiamato secondary coding delay (ritardo di codifica secondaria) prima di inviare il segnale di risposta. In una data catena, ogni secondary coding delay è diverso per permettere di identificare la provenienza di ciascun segnale, anche se in pratica i ricevitori LORAN moderni non sfruttano questo fattore.
Le stazioni sono sincronizzate con orologi atomici al cesio, con un errore di .
Il sistema, a lungo raggio, consente di utilizzare rotte ortodromiche tra due punti qualsiasi, compresi nell'area di copertura.
Catene LORAN Ogni catena LORAN nel mondo utilizza un GRI univoco, designato dal numero di microsecondi diviso per 10 (i ritardi GRI sono in genere multipli di 100 microsecondi). Le catene LORAN sono referenziate spesso quindi tramite il loro GRI, ad esempio GRI 9960.
A causa della natura delle curve iperboliche, è possibile che una particolare combinazione tra una master e due secondarie definisca una griglia dove gli assi si intersecano in angoli acuti. Per un'accuratezza geografica ideale, sarebbe invece più agevole lavorare in un sistema di coordinate cartesiane (dove gli assi si intersecano ad angolo retto). Quando il ricevitore si muove attraverso la zona coperta da una catena, una griglia che all'inizio è quasi cartesiana diventa progressivamente sempre più angolata; di conseguenza una o entrambe le secondarie dovrebbero essere riselezionate in modo che le linee TD si intersechino in angoli più vicini ad angoli retti. Quasi ogni catena, per permettere ciò, possiede quindi da almeno tre a cinque secondarie.
Cartografia LORAN
Laddove la copertura LORAN sia disponibile, le carte nautiche marine includono rappresentazioni visibili delle linee TD a intervalli regolari, che coprono le acque. Per ciascuna linea è indicato l'intervallo di tempo associato. Le linee che rappresentano un dato accoppiamento master-slave sono stampate con colori differenti.
A causa di problemi di interferenza e propagazione sofferti dai segnali LF da elementi di terra e strutture artificiali, l'accuratezza del segnale LORAN diminuisce drasticamente nelle acque interne. Conseguentemente, le carte nautiche non inseriscono linee TD in tali aree, per evitare che ci si affidi al LORAN per la navigazione in tali aree.
I ricevitori LORAN tradizionali visualizzano in genere l'intervallo di tempo tra ogni accoppiamento tra la master e una delle due secondarie selezionate. Il valore è in relazione con i numeri associati alle linee TD segnati sulla carta.
I ricevitori LORAN moderni sono in grado di visualizzare direttamente le coordinate geografiche anziché gli intervalli, con maggiore accuratezza e immediatezza d'uso.
Trasmettitori e antenne
I trasmettitori LORAN-C operano con potenze che vanno da circa a , comparabili con le stazioni di radiodiffusione sulle onde lunghe. Molti trasmettitori LORAN-C utilizzano torri di trasmissione isolate dal terreno, con altezze tra 190 e 220 metri. Le torri sono dimensionate induttivamente e provviste di un induttore di carico. Una stazione che utilizza questo tipo di antenna è il trasmettitore LORAN-C Rantum.
Sono usate anche torri di trasmissione senza tiranti, con altezze simili. Un esempio è il trasmettitore LORAN-C Carolina Beach.
I trasmettitori con potenze di uscita superiori 1000 kW utilizzano talvolta torri supertall, con altezze tra le più elevate per quanto riguarda le opere architettoniche.
Altre stazioni LORAN-C ad alta potenza, come il trasmettitore LORAN-C George, utilizzano quattro antenne T montate su quattro torri con tiranti, disposte a quadrato.
Tutte le antenne LORAN-C irradiano in maniera omnidirezionale. A differenza delle stazioni di radiodiffusione in onde lunghe, le stazioni LORAN-C non possono usare antenne di riserva, dato che la loro posizione leggermente differente produrrebbe infatti linee di posizione differenti rispetto a quelle dell'antenna primaria.
Limitazioni Il sistema LORAN è influenzato dagli effetti elettrici del tempo atmosferico, in particolare dagli effetti di alba e tramonto. Il segnale più accurato è l'onda di terra che segue la superficie terrestre, soprattutto se compie un percorso sul mare. Di notte, l'onda di cielo che si riflette sulla ionosfera compie un percorso diverso dall'onda di terra, causando un'interferenza multipercorso. L'alba e il tramonto inducono reazioni nella ionosfera, causando quindi particolari disturbi ai sistemi LORAN. Anche le tempeste magnetiche producono effetti notevoli, come su ogni altro sistema basato sulla radio.
Il LORAN richiede la ricezione di segnali da trasmettitori sulla terraferma, quindi ha una copertura limitata alle regioni provviste di catene di stazioni. Ad ogni modo la copertura è abbastanza buona in America settentrionale, Europa e nelle aree del Pacifico.
Sistemi LORAN Sono stati sviluppati vari tipi di sistemi LORAN, prima della definitiva adozione del LORAN-C, che però non andarono oltre lo stadio sperimentale. Il LORAN-A operava sulla banda MF ed era usato prima dell'impiego del più accurato LORAN-C. Le frequenze utilizzate dal LORAN-A erano . Il LORAN-A continuò comunque ad essere usato grazie al prezzo relativamente basso degli apparati ed al suo ampio uso nella navigazione privata e commerciale. Il LORAN-B era una variazione del LORAN-A, basato su una modifica strutturale che permette di comparare la fase dei segnali ricevuti. Il LORAN-D era un sistema a corto raggio, sviluppato per usi tattici da parte dei bombardieri della Air Force. Il LORAN-F era un sistema non ufficiale per il controllo di droni.
LORAN-A Il LORAN-A fu usato nella guerra del Vietnam per la navigazione dei grandi aerei statunitensi (C-124, C-130, C-97, C-123, HU-16 Albatross etc.).
Uno dei comuni ricevitori da aeromobile all'epoca era il R-65/APN-9 che combinava ricevitore e monitor CRT in una singola unità relativamente leggera, che sostituiva le due separate del precedente APN-4. L'APN-9 e l'APN-4 erano largamente usati sulle navi da pesca negli Stati Uniti durante il secondo dopoguerra, essendo economici, accurati e reperibili facilmente.
Il problema principale concernente l'uso nelle navi di ricevitori per aeromobile era la necessità di una tensione di 115 VAC a 400 Hz. Fu risolto inizialmente con l'uso di inverter meccanici, grandi, rumorosi e poco efficienti, in genere con ingresso a 28 VDC e uscita 115 VAC a 400 Hz. Negli anni sessanta alcune aziende (ad esempio Topaz e Linear Systems) lanciarono sul mercato inverter a stato solido progettati proprio per apparati LORAN-A di questo tipo, che in virtù delle loro ridotte dimensioni e della maggiore efficienza sostituirono quasi tutti gli inverter meccanici. Successivamente, la disponibilità di inverter a stato solido con ingresso a 12 V permise l'utilizzo dei dispositivi LORAN-A di provenienza surplus anche in barche più piccole, senza disponibilità di tensione a 24-28 V.
Il LORAN-A ebbe un ruolo importante nel recupero di varie navi alla deriva, essendo esse in grado fornire un'accurata stima della posizione. Fu anche un importante aiuto di navigazione per navi che non potevano permettersi un apparato radar, in situazioni dove la mancanza di tale dispositivo era in parte compensata da un'accurata conoscenza della posizione del mezzo (es. nebbia nei porti). Il basso prezzo degli apparati di surplus (spesso sotto i 150 dollari) permise anche ai proprietari di piccole navi da pesca di dotarsi di tali dispositivi, con un notevole aumento di sicurezza. Gli apparati LORAN-A di surplus erano comuni su navi commerciali da pesca, più rari sugli yacht, probabilmente a causa dell'estetica spartana.