Breve storia della radionavigazione, dagli esperimenti di Marconi alla costellazione Galileo

La nascita della radionavigazione
Il 31 luglio 1934 un articolo del quotidiano inglese Daily Mail (figura 1) iniziava con il seguente titolo:

“UN NUOVO TRIONFO DI MARCONI
Battello guidato dalle onde radio
Navigazione cieca”

Figura 1: l’articolo del Daily Mail del 31 luglio 1934

L’articolo continuava descrivendo il successo degli esperimenti compiuti da Marconi a Sestri Levante, a bordo del suo panfilo-laboratorio Elettra. Si spiegava come Marconi, alla presenza di tecnici, ufficiali della Marina Italiana e Inglese e di numerosi rappresentanti della stampa, avesse utilizzato un radiofaro operante sulla lunghezza d’onda di 60 centimetri (500 MHz), installato lungo la costa ad un’altezza di 100 metri sul livello del mare, per dirigere la navigazione del battello lungo un percorso delimitato da boe.
Il Corriere della Sera testimoniava così l’evento: “Salpando da Santa Margherita, l’ Elettra si è diretta verso Sestri Levante, sul cui promontorio era stato installato il radiofaro. A circa 800 metri da questo si trovavano disposte due boe distanziate tra loro di 100 metri, tra le quali l’ Elettra è passata con grande precisione, guidata unicamente in base ai segnali emessi dal radiofaro.”
In quel giorno di luglio di settanta anni fa vedeva la luce un’invenzione forse meno famosa di quella delle comunicazioni radio, ma che avrebbe salvato migliaia di vite umane e cambiato in modo radicale i trasporti aerei, marittimi, ferroviari ed automobilistici: la radionavigazione, cioè l’utilizzo delle onde radio come ausilio alla navigazione.
Dai primi esperimenti di Marconi la tecnologia si è andata evolvendo con sorprendente velocità, passando dai primi radiofari ai sistemi Decca, Omega, Loran e, più recentemente, ai sistemi satellitari GPS, Glonass e Galileo.

L’uomo e la navigazione

Sin dai tempi preistorici, gli uomini hanno cercato di inventare metodi affidabili per determinare la loro posizione e per ritornare alle loro abitazioni. Gli uomini delle caverne probabilmente usarono pietre e rami secchi per segnare una traccia verso il luogo dove cacciavano le loro prede, nonché montagne o alberi come punti di riferimento. I primi marinai seguivano la costa da vicino per evitare di perdersi in mare aperto. Quando i primi navigatori veleggiarono verso l’oceano, essi scoprirono di poter tracciare il loro percorso seguendo le stelle. Le stelle appaiono differenti da differenti luoghi della Terra, pertanto osservando le stelle i marinai traevano indicazioni sulla direzione da prendere. L’osservazione delle stelle è stato per secoli il metodo principale di navigazione. Sfortunatamente le stelle sono visibili solo di notte (e solo con il bel tempo).
I più importanti sviluppi nella ricerca per il metodo ideale di navigazione furono segnati dall’invenzione della bussola magnetica ed del sestante. L’ago di una bussola punta sempre verso nord (in realtà verso il nord “magnetico”), fornendo quindi a qualunque ora del giorno ed in qualsiasi condizione atmosferica la direzione nella quale si sta procedendo. L’origine della bussola è oscura ed incerta: alcuni dicono che essa sia un’invenzione dei cinesi, altri degli arabi o dei marinai amalfitani. E’ tuttavia abbastanza certo che questo strumento apparve in Europa intorno all’anno mille e che prese la sua forma definitiva nel 1300, ad opera del (forse) mitico Flavio Gioia di Amalfi.
Il sestante usa un sistema di specchi per misurare l’angolo esatto delle stelle, della luna e del sole sopra l’orizzonte. All’inizio comunque era possibile determinare con il sestante solo la latitudine (cioè la posizione sulla Terra misurata a nord o a sud dell’Equatore). I marinai erano ancora incapaci di calcolare la loro longitudine (cioè la posizione sulla Terra a est o ovest di un meridiano di riferimento). Il problema della determinazione della longitudine in mare aperto appassionò per oltre due secoli le menti più illuminate d’Europa e divenne così serio che nel 17° secolo gli inglesi formarono un gruppo di noti scienziati per studiarne la soluzione. Il gruppo offrì ventimila sterline, equivalenti ad un milione di dollari di oggi, a chiunque potesse trovare il modo di determinare la longitudine di una nave in mare aperto con un’accuratezza di trenta miglia nautiche.
La trovata ebbe successo. Nel 1761, infatti, un artigiano autodidatta di nome John Harrison costruì uno speciale orologio meccanico da imbarcare a bordo delle navi, chiamato cronometro marino, in grado di perdere o guadagnare non più di un secondo al giorno (un’accuratezza incredibile per quel tempo!) (figure 2 e 3).

Figura 2 (a sinistra): l’inventore autodidatta John Harrison

Figura 3: i quattro modelli di cronometro marino realizzati da Harrison, i cosiddetti H1, H2, H3 ed H4

Nei due secoli successivi, sestanti e cronometri furono usati in combinazione per ricavare l’informazione sulla latitudine e la longitudine. Si deve tuttavia tenere presente che, specialmente nel corso di lunghi viaggi per mare, era facile accumulare alcuni minuti di errore nella determinazione del tempo; un cronometro con un errore di 4 minuti comporta d’altra parte un errore di un grado di longitudine (equivalente a più di cento chilometri all’Equatore). E’ solo all’inizio del ventesimo secolo che, con l’avvento delle onde radio, si svilupparono vari sistemi di radionavigazione, che furono poi largamente usati durante la Seconda Guerra Mondiale.

Marconi e la radionavigazione
Il principio della radionavigazione (“Radio Direction Finder”, RDF), basato sull’utilizzo di una sorgente radio per orientare la navigazione di un mezzo mobile (aereo o nave) attraverso l’uso di un’antenna direzionale, era stato inventato dalla Marconi Company nei primi anni del 1900.
Nel 1931 il sistema si era talmente diffuso da diventare obbligatorio per tutte le imbarcazioni di stazza superiore alle 5000 tonnellate.
Sempre nel 1931 Marconi aveva iniziato a sperimentare l’uso delle microonde, conducendo una serie di esperimenti che avrebbero poi portato nel 1932 al primo ponte radio a microonde per collegare telefonicamente la Città del Vaticano con la residenza estiva del Papa, Pio XI, a Castel Gandolfo.
Quasi contemporaneamente, iniziarono a Sestri Levante degli esperimenti che utilizzavano radiofari a microonde per dirigere la navigazione di imbarcazioni in mare (figura 4).

Figura 4: Guglielmo Marconi nella sala radio del panfilo Elettra

La dimostrazione ufficiale del sistema di “navigazione cieca” fu condotta il 30 luglio del 1934, a bordo dello yacht Elettra, alla presenza di numerosi esperti e di rappresentanti inglesi dei Lloyd’s di Londra.
Il panfilo era pilotato da un capitano “neutrale”, il comandante inglese Austin Bates, della compagnia Cunard-White Star Line. Partendo da circa dieci miglia dalla costa, il panfilo si diresse verso Sestri Levante dove due boe erano ancorate nella baia alla distanza di 90 metri e ad 800 metri dalla riva, simulando l’entrata di un porto (figura 5).

Figura 5: l’Elettra nel golfo di Genova, tra Santa Margherita e Sestri Levante

Le finestre della cabina di comando erano ricoperte da spesse tende, per cui il timoniere poteva contare solo sull’ausilio del radiofaro posto su un promontorio a cento metri sul livello del mare. Uno strumento dotato di indicatore ad ago mobile mostrava al timoniere se l’imbarcazione procedeva a sinistra o a destra della rotta che conduceva all’ingresso del porto simulato, rappresentato dalle due boe. Il radiofaro generava anche un segnale acustico in un altoparlante che aiutava a correggere la direzione.
L’esperimento fu ripetuto varie volte e sempre con pieno successo. Anche partendo con un errore di due miglia rispetto alla rotta voluta, il panfilo riuscì a passare esattamente al centro delle due boe. Il comandante Austin Bates, congratulandosi con Marconi, dichiarò: “la navigazione cieca è ora una realtà”.
Marconi salpò subito dopo con l’Elettra per l’Inghilterra, dove la sua invenzione riscosse l’immediata ed entusiastica approvazione dell’ammiraglio Sir Henry Jackson, sovrintendente del Porto di Londra, e fu successivamente brevettata dalla Marconi Company.

Le caratteristiche tecniche dell’esperimento di Marconi

Il radiofaro perfezionato da Marconi dopo tre anni di ricerche consisteva in due riflettori parabolici con i loro rispettivi illuminatori orizzontali alimentati in opposizione di fase da un trasmettitore comune, operante alla frequenza di 500 MHz (lunghezza d’onda di 60 cm).
In questo modo si veniva a creare un nullo molto profondo e ripido nel piano orizzontale (piano di azimuth) del diagramma di radiazione. A questo punto l’intero sistema d’antenna veniva fatto oscillare meccanicamente sul piano orizzontale di più o meno 15 gradi, cosicché il nullo di radiazione stesso copriva un settore circolare di 30 gradi.
Inoltre, il trasmettitore era modulato con due toni distinti, che si alternavano quando la direzione del nullo era esattamente allineata con quella della rotta desiderata.
A bordo dell’Elettra l’antenna ricevente (figura 6) era collegata ad un ricevitore a quattro valvole, modificato in modo da separare con filtri opportuni i due toni a frequenza fissa trasmessi dal radiofaro. L’uscita dei due filtri era quindi applicata ad uno strumento indicatore con zero centrale. In questo modo, l’ago mobile dello strumento deviava a sinistra o a destra (rispettivamente il “babordo” ed il “tribordo” del vascello), a seconda del tono ricevuto in quell’istante.
Solo quando l’antenna del radiofaro deviava verso sinistra e verso destra della stesso angolo, rispetto all’antenna dell’Elettra, l’indicatore mobile si manteneva fisso sullo zero, indicando che si stava esattamente seguendo la rotta desiderata. In caso contrario, il timoniere poteva correggere la direzione seguendo l’indicazione dello strumento.

Figura 6: il sistema d’antenna sul ponte dell’Elettra, utilizzato per i primi esperimenti di radionavigazione

Dagli esperimenti di Marconi ai nostri giorni

Nei settanta anni trascorsi dagli esperimenti di Marconi a Sestri Levante la radionavigazione ha vissuto un’evoluzione continua, pervadendo sempre più tutti gli aspetti della nostra vita quotidiana.
Dai primi sistemi terrestri, basati sul principio del “Radio Direction Finding” (RDF), si passò, durante gli anni della Seconda Guerra Mondiale ai sistemi cosiddetti “iperbolici”, quali il Loran-A, poi seguito dai sistemi Decca, Omega e Loran-C.
La necessità di sistemi a copertura globale ed in grado di fornire accuratezze di localizzazione sempre più spinte ha portato, negli anni ’70, allo sviluppo del primo sistema di navigazione satellitare globale ed in grado di fornire un servizio continuo nel tempo, l’americano “Navstar Global Positioning System (GPS)” (un precedente sistema satellitare, il TRANSIT, sviluppato nel 1962 dalla John Hopkins University e dalla U.S. Navy, aveva caratteristiche molto inferiori ed è stato spento nel 1997), poi seguito dal russo “GLobal Orbiting Navigation Satellite System (GLONASS)”.
Si tratta di due reti militari, composte ciascuna di una costellazione nominale di 24 satelliti operativi, che trasmettono segnali radio dalla loro orbita a circa 20 mila chilometri di altezza.
Nonostante le loro origini militari, sia per il GPS sia per il GLONASS erano previste anche applicazioni civili. Di fatto l'uso non militare dei sistemi si è sviluppato ben oltre quelle che erano le previsioni originali. E' stato stimato che, su dieci nuovi ricevitori di navigazione satellitare attualmente venduti, ben nove sono destinati ad usi civili e commerciali. L’ uso di questi apparecchi a bordo delle automobili sta diventando altrettanto diffuso di quello dell' autoradio.
I benefici della navigazione satellitare sono enormi. Per la comunità aeronautica ad esempio la sua introduzione è destinata ad essere altrettanto rivoluzionaria di quella del motore a reazione
Le ricadute della navigazione satellitare sono molto importanti anche in altre aree, quali ad esempio la navigazione marittima, i trasporti ferroviari, le telecomunicazioni, la gestione dei disastri naturali, il soccorso in caso di emergenza e l’assistenza ai disabili ed agli anziani. Esse miglioreranno il modo in cui viviamo e svolgiamo le nostre attività, in sintesi, la qualità della nostra vita.
E’ per questo che in Europa si sta realizzando Galileo (figura 7), un sistema di navigazione satellitare a copertura globale, concepito per scopi essenzialmente civili. Galileo rappresenterà non solo l’indipendenza nel campo della gestione del traffico e delle infrastrutture telematiche, ma porterà anche ampi benefici all’industria manifatturiera e dei servizi, creando nuove opportunità di lavoro in settori ad alta tecnologia.

Figura 7: il sistema europeo di navigazione satellitare Galileo