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Escuela Técnica Superior de Náutica y Máquinas Navales Departamento de Ciencias y Técnicas de la Navegación, Máquinas y Construcciones Navales COMPÁS MAGNÉTICO INTEGRAL PARA LA OBTENCIÓN DE DESVÍOS EN TIEMPO REAL A PARTIR DE UN SISTEMA GLOBAL DE NAVEGACIÓN POR SATELITE (GNSS) Aitor Martínez Lozares Bilbao, diciembre 2008
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Escuela Técnica Superior de Náutica y Máquinas Navales
Departamento de Ciencias y Técnicas de la Navegación,
Máquinas y Construcciones Navales
COMPÁS MAGNÉTICO INTEGRAL PARA LA OBTENCIÓN DE DESVÍOS
EN TIEMPO REAL A PARTIR DE UN SISTEMA GLOBAL DE
NAVEGACIÓN POR SATELITE (GNSS)
Aitor Martínez Lozares
Bilbao, diciembre 2008
A mi sobrino Iñigo.
“En movimiento, de nada serviría una exactitud
extrema en el posicionamiento, sin una precisión
en la sincronización del tiempo”.
Aitor Martínez Lozares
AGRADECIMIENTOS
Por la ayuda ofrecida al amarrar todos los cabos que componen esta
Tesis, quisiera dar las gracias y dedicar la misma a ti, Aita, por verme
privado de tu crítica, al ser coautor y también parte de esta obra para tí
“póstuma”, a mi sobrino Íñigo, un CAMPEÓN que con tan solo siete años,
demostró minuto a minuto una sensatez y madurez envidiables, a
Aitziber, Patxi y Adrián para que sigáis luchando como hasta ahora. A
Carolina, mi hija y mayor alegría, a Ana por su peculiar forma de
apoyarme en esta tarea y sus críticas. A mi Amatxu por perseverar y
animarme a hacer los cursos de Doctorado en mis periodos de
desembarque; también al pequeño imán de herradura de su costurero,
que tanto me llamó la atención siendo niño y por prestarme su portátil
tanto tiempo; a Fran y a mi familia, TODA! Sin excepción porque siempre
se han volcado conmigo. A las amigas y amigos, especialmente los que
han colaborado en esta tesis.
Por orden de reparto y por la confianza que me transmiten:
A los directores de esta Tesis, El Doctor en Física, Jesús Vila Muñoz,
por su brillante y cuidada dirección, y Ricardo Gaztelu–Iturri Leicea,
Capitán de la Marina Mercante y Doctor en Náutica y Transporte Marítimo,
por su profesionalidad y asesoramiento, dedicado durante tantos años a
las enseñanzas náuticas, específicamente a navegación donde estaría
incluida esta materia.
Mi mención más que especial a la Doctora en Química Inés Pellón
por introducirme tanto en este mundo de la investigación, totalmente
desconocido para mí, como en la Sociedad Española de Historia de las
Ciencias y de las Técnicas.
A los Capitanes de la Marina Mercante y Doctores: Fernando
Cayuela, Director de la Escuela de Náutica y Jorge Argintxona, Subdirector
de la misma.
A profesionales como el Capitán Manuel Malet de Bustamante y al
Jefe de máquinas Javitxu Guezuraga, por sus enseñanzas durante años,
tanto en singladuras como en tierra.
A Jorge Mendieta Corral, compañero, amigo y colega.
Por la confianza depositada al poner a nuestra disposición sus
barcos: a Alberto Basterretxea y Juan Antonio Echevarria (armadores del
“LAU A” y “ATO” respectivamente) y a Compañía Trasmediterránea
(ACCIONA) como armador del buque “SOROLLA”.
A Joaquim y Març Fabregat de Autonautic Instrumental (Barcelona),
a Álvaro y Jorge Huertas de Unilux Geomar (Madrid), a Javier Donate de
Crame (Madrid), a Ana, José y Dani de Ingeniería Magnética Aplicada
(Barcelona). A Pedro Bartolomé Azpeitia por sus disertaciones sobre la
“gyro”.
Al Catedrático José Antonio Casla, al apostar por mí desde un
principio, a los Doctores Miguel Ángel Gómez, con quien tuve la suerte de
compartir como Secretario, la Dirección del Departamento de Ciencias y
Técnicas de la Navegación, Máquinas y Construcciones Navales, Juan Luis
Larrabe, por su gran aportación en este proyecto y Alfonso Davalillo por
su apoyo.
Y para finalizar, agradecer a los Catedrádicos en Derecho Gonzalo
Maestro y en Medicina Francisco Doñate, por brindarme su AMISTAD,
además de profesionalidad.
ÍNDICE
i
I. INTRODUCCIÓN
1. PRESENTACIÓN ................................................................ 1
2. ANTECEDENTES................................................................ 2
3. OBJETIVOS...................................................................... 7
4. ORGANIZACIÓN ............................................................... 8
II. DESARROLLO TEÓRICO
1. PREÁMBULO ......................................................................10
2. MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO................................11
2.1. Definiciones y conceptos ...................................................11
2.2. Campo magnético. Vector inducción magnética B . Excitación
magnética Hr
...............................................................................11
2.3. Ciclo de histéresis ...........................................................15 2.4. Clasificación de las sustancias............................................18
2.4.1. TSustancias diamagnéticas ........................................18
2.4.2. TSustancias paramagnéticas ......................................19
2.4.3. Sustancias ferromagnéticas – Teoría de los dominios ...19 2.4.4. Materiales ferromagnéticos ......................................22
2.5. Imanes. Aleaciones .........................................................24
2.5.1. Imanes temporales – Electroimanes ..........................25 2.5.2. Imanes permanentes...............................................25
2.5.3. Imanes permanentes de última generación ................26 2.5.3.1. Imanes cerámicos o ferritas...........................26 2.5.3.2. Imanes de tierras raras.................................26 2.5.3.3. Imanes – Elastómero....................................30 2.5.3.4. Otras aleaciones ..........................................30
ÍNDICE
ii
3. MAGNETISMO TERRESTRE .....................................................31
3.1. Definiciones y conceptos ...................................................31 3.2. Elementos magnéticos terrestres .......................................33 3.3. Naturaleza del magnetismo ...............................................37 3.4. Anomalías continentales ...................................................38 3.5. Anomalías magnéticas ......................................................40 3.6. Variación del campo magnético con el tiempo .....................41
3.6.1. Variaciones seculares ..............................................42 3.6.2. Variaciones diarias ..................................................43 3.6.3. Tormentas magnéticas ............................................44
3.7. Estructura del campo magnético ........................................45 3.8. Campo magnético en épocas geológicas pasadas..................49 4. AGUJAS Y COMPASES MAGNÉTICOS......................................54 4.1. Menciones científicas sobre el imán ....................................54 4.2. Utilizaciones de la aguja magnética ....................................54 4.3. Evolución en la orientación hasta llegar a la aguja magnética .56 4.4. Historia de la rosa de los vientos........................................57 4.5. Declinación e inclinación ...................................................59 4.6. Evolución del compás magnético a la bitácora ......................59
ÍNDICE
iii
4.7. Agujas magnéticas...........................................................65
4.7.1. Agujas secas ..........................................................65 4.7.2. Agujas líquidas o de flotador.....................................66
4.7.2.1. Aguja Plath-Geomar .....................................68 4.7.2.2. Aguja de reflexión y de proyección .................69 4.7.2.3. Aguja de sobrecubierta .................................69 4.7.2.4. Aguja con autotimonel ..................................70 4.7.2.5. Aguja con transmisión a distancia...................70 4.7.2.6. Aguja para embarcaciones rápidas .................70
4.7.3. Emplazamiento de los compases magnéticos ..............71
4.8. Diferentes métodos de compensación .................................72
4.8.1. Compensación preliminar .........................................73 4.8.2. Compensación definitiva ..........................................76
4.8.2.1. Rumbo de grada ..........................................77
4.8.3. Compensación reducida ...........................................78
5. COMPASES GIROSCÓPICOS .................................................81
5.1. TIntroducción....................................................................81
5.2. Antecedentes históricos ....................................................81
5.3. Definición .......................................................................82
5.4. Descripción .....................................................................83
5.4.1. Propiedades ...........................................................84
5.4.1.1. Rigidez giroscópica.......................................84 5.4.1.2. Precesión ....................................................85
5.4.2. Características........................................................86
5.4.2.1. Movimiento giroscópico.................................86 5.4.2.2. Efecto de rotación de la Tierra en un giróscopo
libre...........................................................88
ÍNDICE
iv
5.4.3. Giroscopio de dos grados de libertad .........................91
5.4.3.1. Giroscopio pendular......................................91 5.4.3.2. Giroscopio balístico de mercurio .....................92 5.5. Aplicaciones ....................................................................94
5.5.1. Girocompases........................................................95
5.5.1.1. Aguja giroscópica de Sperry .........................95 5.5.1.2. Aguja giroscópica de Brown..........................96 5.5.1.3. Aguja giroscópica de Anschutz ......................97
5.5.2. Giropilotos ............................................................99 5.5.3. Satélites artificiales ..............................................101
5.5.3.1. Giróscopos utilizados como sensores............101 5.5.3.2. Giróscopos utilizados como actuadores.........101
5.5.4. Misiles................................................................102
6. SISTEMAS GLOBALES DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE ..........103
6.1. Descripción del sistema GPS............................................103
6.2. Fundamentos del sistema de navegación GPS (Global Positioning System).............................................103 6.3. Sistema de navegación GPS-NAVSTAR ..............................107
6.4. Segmentos del sistema GPS ............................................108
6.5. Sistemas de referencia de coordenadas terrestres ..............111
6.5.1. Datum ................................................................114
ÍNDICE
v
6.6. Precisión y fuentes de error en el sistema GPS ...................118
6.6.1. Geometría de los satélites y del usuario ...................118
6.6.2. Errores atmosféricos por la presencia de la
ionosfera y troposfera ...........................................120
6.6.3. Efectos relativistas y gravitacionales........................121
6.7. GPS Diferencial (DGPS) ..................................................123
6.8. Otros sistemas de navegación por satélite .........................124
III MATERIAL Y MÉTODOS
1. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL ............................................126
1.1 Instrumentos utilizados ..................................................126 1.1.1. Compás magnético Geomar....................................126 1.1.2. Magnetómetro Fluxgate World ................................129 1.1.3. Compás satelitario ................................................136
1.2. Descripción y explicación del dispositivo............................143
2. PROCEDIMIENTOS.............................................................146
2.1. Elección del software y formulación ..................................146
2.1.1 Identificadores y formatos de las sentencias sobre el protocolo NMEA 0183 ..........................................150
2.2. Descripción LABVIEW .....................................................151
ÍNDICE
vi
2.3. Descripción REALBASIC ..................................................155
2.3.1. Función del código fuente para captura de señal de rumbo magnético..............................................159 2.3.2. Función del código fuente para captura de señal de rumbo satelitario...............................................160 2.3.3. Función del código fuente para calcular la diferencia de rumbos............................................................161 2.3.4. Función del código fuente para registro
de desvío............................................................162 2.3.5. Función del código fuente para obtención de desvío............................................................162
2.3.6. Función del código fuente para cálculo de coeficientes ....................................................162
2.3.7. Función del código fuente para cálculo de desvíos por coeficientes...................................................162 2.3.8. Función del código fuente para obtención de datos
en serie..............................................................163 2.3.9. Función del código fuente para guardar el registro de datos NMEA....................................................163 2.3.10. Función del código fuente para parsear el
rumbo NMEA ......................................................164
IV RESULTADOS EXPERIMENTALES
1. PRIMERA FASE: Programa Labview .......................................169 1.1. Conexión y preparación de equipos en la ETS ..............169 1.2. Lekeitio embarcación “LAUA”.....................................170
2. SEGUNDA FASE: Buque “SOROLLA”. Programa Real Basic ........171
2.1. Análisis de datos en maniobra de salida del puerto de Barcelona, 15 de junio de 2007................................172
2.2. Análisis de datos en maniobra de salida del puerto de Palma de Mallorca, 16 de junio de 2007 .....................179
2.3. Análisis de datos en maniobra de hombre al agua o curva de evolución anterior a entrada en el puerto de
Barcelona, 16 de junio de 2007 ................................184
3. TERCERA FASE: Embarcación “LAUA”. Programa Real Basic ......189
3.1. Maniobra curva de evolución. Elantxobe, 9 de octubre de 2007...............................................190
ÍNDICE
vii
V DISCUSIÓN Y POSIBLES EXTENSIONES DISCUSIÓN...................................................................195 VI CONCLUSIONES CONCLUSIONES ............................................................198 VII BIBLIOGRAFÍA BIBLIOGRAFÍA ................................................. ............ 200 ANEXOS
A.1. NORMA ESPAÑOLA PARA FABRICACIÓN DE COMPASES CLASE “A”. UNE-EN ISO 449 .......................................... 208 1. OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN................................210 2. NORMAS PARA LA CONSULTA ......................................210 3. DEFINICIONES...........................................................211 4. MARCADO .................................................................211 5. COMPASES MAGNÉTICOS ............................................211 6. BITÁCORAS...............................................................216 7. ALIDADAS.................................................................219 8. DESIGNACIÓN ...........................................................220 9. MARCADO .................................................................220
A.2. LISTA DE DATUMS .........................................................221
1. TABLA A-1. NOMBRES DE DATUMS Y ABREVIACIONES ....221 2. TABLA A-2. ELIPSOIDES..............................................222 3. TABLA A-3.1/f APLANAMIENTO INVERSO.......................222 4. TABLA A-4. EXCEPCIONES...........................................223 5. TABLA A-5. AJUSTES DE DATUMS.................................224 A.3. TRABAJOS DERIVADOS DE LA TESIS DOCTORAL.................226
LISTA DE ABREVIATURAS
viii
a Semieje mayor de la elipse que define el tamaño de la órbita
AlNiCo Aluminio, Níquel y Cobalto
B Vector de inducción magnética o densidad de flujo magnético
BaO Óxido de bario
BH máx. Producto máx. energía
Br Remanencia
c Velocidad de la luz = 299.792,458 Km/s
C Constante de Curie
Ct Corrección total
C.O.G. Course Over Ground
CIO Conventional International Origin, polo geográfico medio en 1903
CMG Rumbo entre la posición actual y el punto de partida
δm Declinación magnética
dL Variación del momento cinético
θ Colatitud (90° - φ)
ϕ Latitud del lugar referida al campo geomagnético
n∆ Desvío al norte
D Distancia real o corregida
Di Pseudodistancia
Dm Distancia errática
e Excentricidad (distancia del centro al foco de la elipse)
EGNOS European Geostationary Navigation Overlay Service
Et Desfase en tiempo del reloj del usuario y del satélite
EUROFIX Sistema de aumentación europeo que combina DGPS y LORAN C
ε1 Error global en latitud en las LDP o rectas de altura de dos astros
ε2 Error global en Longitud en las LDP o rectas de altura de dos astros
εm Mayor error posible
f Frecuencia
32OFe Óxido de hierro
43OFe Óxido ferroso-férrico
GALILEO Sistema Global de Navegación Europeo
GDOP Geometric Dilution Of Precision, dilución geométrica de la precisión
GLONASS Sistema Global de Navegación Soviético
LISTA DE ABREVIATURAS
ix
GND Suministro y toma a tierra
GNSS Global Navigation Satellite System
GPS Global Positioning Systems
Hr
Intensidad de campo magnético o excitación magnética
CH Campo coercitivo
Hci Coercividad intrínseca
HDG Heading
HDOP Valor de dilución horizontal de la posición
i Inclinación
I Intensidad de corriente
I.L. Imanes longitudinales
I.T. Imanes transversales
JRC: Japan Radio Corporation.
l latitud del buque
L Longitud del buque
LDP Líneas de posición
mr Momento magnético
Mr
Vector de magnetización o imanación
M Momento magnético de la Tierra (8,3 • 10 CGS)
M.g. Momento de liberación del eje del giróscopo
SM Imanación de saturación
rM Imanación remanente
MSAS Sistema de Aumentación de Japón
N Nodo ascendente
NdFeB Neodimio-Hierro-Boro
NDGPS Nationwide Differencial GPS, sistema de aumentación
Nm Polo norte magnético
ω Argumento del perigeo
Ω Ángulo de ascensión recta
P Perigeo
PC Personal Computer
Pr-Pp: Línea proa-popa
r Radio terrestre
R Radio terrestre referido al campo geomagnético
LISTA DE ABREVIATURAS
x
Ra Rumbo de aguja
Rg Rumbo de girocompás
Rm Rumbo magnético
Rv Rumbo verdadero
Rf Rumbo de fondo
S Superficie.
S.O.G. Speed Over Ground
Sm Polo sur magnético
SmCo Samario-Cobalto
SPI: Interface de periféricos serie
SRI Indicador de intensidad de señal de recepción del radiofaro entrada
SrO Óxido de estroncio
µ Permeabilidad magnética absoluta de la sustancia
0µ Permeabilidad magnética del vacío
rµ Permeabilidad magnética relativa
to Referencia temporal del paso del satélite por el perigeo P
T Campo magnético de la Tierra
Ta Campo anómalo de las capas superficiales de la Tierra
CT Temperatura Curie
Te Campo de una esfera homogénea imantada
.Text Campo exterior no terrestre
Tl Campo local
Tn Campo normal de la Tierra
Tr Campo regional
TN Temperatura de Neel
Tv Variaciones del campo magnético
V Módulo y sentido de giro rotación cada 24 horas o 15º cada hora
VAH Velocidad en rumbo
VTD Velocidad hacia el destino
wa Velocidad angular de precesión
WAAS Wide Area Augmentation System
WGS-84 Word Geodetic Survey
χ Susceptibilidad magnética
Z Zenit
Z’ Nadir
I
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN
1
1. PRESENTACIÓN
El origen de mi interés hacia el estudio en el campo del magnetismo
terrestre y las correcciones al desvío de la aguja magnética, surgieron de dos
fuentes principalmente, por una parte durante la infancia, mi Aita me enseñó a
manejar una brújula para situarme sobre unos mapas de montaña, afición que
me inculcó y tuvimos la suerte de compartir desde mis cinco años hasta su
fallecimiento en junio de 2005 y por otra, cursando ya, la carrera de náutica,
fueron los temas de magnetismo terrestre, compensación y comportamiento de
la aguja magnética los que más interés suscitaron en mí. Después, durante mis
veinte años de ejercicio de la profesión como Piloto y al final como Capitán de la
Marina Mercante, pude comprobar todas las imperfecciones, incorrecciones e
inexactitudes de los compases magnéticos de a bordo.
Comenzaban su andadura en la marina mercante allá por los años 80 los
satélites en las navegaciones transoceánicas y de altura con modelos como el
SAT NAV D.S.4 (RACAL-DECCA) actualmente derivado en los tan extendidos
receptores satelitarios G.P.S. (Global Positioning System) que tantas utilidades y
servicios proporcionan; debo puntualizar también que tan solo unos años antes
de la aparición de los mismos, tuvo como aplicación a la navegación marítima, la
utilización del giróscopo haciendo las delicias de pilotos y timoneles con tan
importantísima adaptación al Piloto Automático.
A raíz también de haber pasado muchas singladuras en aquellos
larguísimos viajes a New Orleans, Mobile, etc… en los que se aprovechaba para
corregir las cartas náuticas, tanto publicaciones españolas con “Avisos a los
navegantes” como las inglesas del almirantazgo con sus “Notice to mariners” y
actualmente dedicado a la enseñanza como profesor en el área de conocimiento
de Ciencias y Técnicas de la Navegación, en la Escuela de Náutica de Bilbao de
la Universidad del País Vasco, es a partir de haber realizado el curso de
Compensador de Agujas Náuticas, cuando decido poner manos a la obra,
ampliando conocimientos sobre magnetismo, electromagnetismo y más
concretamente en magnetismo terrestre, animándome a investigar en los
sistemas satelitarios, tanto los que actualmente se encuentran en servicio, como
INTRODUCCIÓN
2
los que entrarán en un futuro muy próximo, pudiendo así escribir mis
conocimientos sobre el tema.
2. ANTECEDENTES
La determinación de las coordenadas terrestres, latitud y Longitud, que en
la actualidad no solo carecen de dificultad para poder ser determinadas, sino que
se definen con un acotamiento extremo, tienen tras de sí unas profundas
reflexiones para su estudio en diferentes campos.
Así como la latitud fue conocida desde muy antiguo, prácticamente desde
los orígenes de la astronomía, al poderse tomar altura de los astros mediante:
ballestilla, astrolabio, octante y finalmente sextante, la Longitud fue un
parámetro difícil de determinar, puesto que su raíz no se encuentra en la
astronomía, si no en la necesidad de contar con su presencia en mapas y cartas
geográficas, siendo su origen fruto de una elaboración enteramente humana.
Para la determinación de las coordenadas terrestres, fueron los
conocimientos de todo un erudito de la antigüedad como Claudio Ptolomeo (200
d.C.) cuyas obras maestras de astronomía, geografía y matemáticas, perduraron
en la Europa medieval hasta el Renacimiento de mediados del siglo XVI con
aportaciones de otro grande de la cartografía como Mercator cuyas proyecciones
son actualmente utilizadas para posicionamiento.
Ptolomeo fue el primero en fijar los lugares terrestres en sus mapas
usando las coordenadas de latitud y Longitud. Referenció el Ecuador como círculo
máximo de origen astronómico en el cual basar la medición matemática de las
latitudes. Pero se le presentaba el problema de fijar un meridiano de referencia o
llamado cero, destinado a establecer la magnitud de las Longitudes.
Así pues su trabajo marcó sin duda el apogeo de la cartografía antigua,
también el final del gran impulso de los alejandrinos, puesto que respecto a los
mapas griegos, los romanos supusieron un retroceso [35].
INTRODUCCIÓN
3
Por aquel entones, optó por el que comprendía las islas llamadas
afortunadas; Islas Canarias y Madeira. Constituyendo así el mencionado
meridiano y originario de posteriores, hasta la localización definitiva del actual
Meridiano de Greenwich.
Quedando así refrendada la diversidad del origen de latitud y Longitud. La
primera como hemos dicho de fundamento astronómico y, la segunda basada
enteramente en decisiones humanas, con las consiguientes alteraciones sufridas
a lo largo del tiempo que supusieron a su vez catástrofes tanto en el área de la
navegación como en la geografía en general.
Tras la búsqueda de la Longitud, sin solución alguna transcurridos ya
centenares de años, comienzan serios esfuerzos en el transcurso del siglo XVII.
Diferentes astrónomos de renombre de la época como Galileo, Newton o Halley,
se evocaron a la búsqueda de un desenlace que se preveía por dos vías
diferentes.
La astronómica o la derivada de la diferencia de hora entre dos lugares
separados en Longitud. Esta última basada en el hecho de que la tierra tarda 24
horas en efectuar un giro completo en torno a su eje lo cual equivale a 360º
(determinando lo que conocemos como movimiento de rotación),
estableciéndose las siguientes equivalencias:
A cada hora en tiempo, le corresponden 15º de arco de Ecuador o lo que
es lo mismo de diferencia de Longitud. 1º de Ecuador a 4 minutos y 1 minuto de
arco a 4 segundos en tiempo.
De ahí y sin entrar en detalles de diferenciación entre los diferentes tipos
de tiempo como pueden ser el sidéreo, el verdadero, el medio o el universal,
decimos que la precisión horaria resultaba ya indispensable para enfocar la
solución mediante el sistema de hora enunciado, ya que se carecía de relojes con
la exactitud requerida.
En todas ellas vemos la importancia del tiempo para la determinación de la
Longitud y a principios del siglo XVIII en el que Inglaterra como primera potencia
INTRODUCCIÓN
4
naval europea, unida a profesionales de la mar y comerciantes marítimos,
urgieron al gobierno a tomar alguna medida seria y definitiva que procurase
solucionar el problema referente a la coordenada de la Longitud. Así el gobierno
británico designó un “Comité de Longitud”. Este comité solicitó la cooperación del
mayor sabio de la época, Sir Isaac Newton, que en su primer informe al
Parlamento dejó establecido, que el problema de hallar la Longitud se encontraba
solucionado en teoría, pero de difícil ejecución con los medios disponibles.
El Parlamento estableció la “Ley de la Longitud” llamando a ingleses y
extranjeros a presentar un sistema viable de poder determinar la referida
coordenada. Presentándose soluciones tanto en el área de la astronomía como en
el horario.
En cuanto a la solución astronómica, Newton después de explicar varias
soluciones meramente teóricas, citó el “grandioso método” de la distancia lunar
fundamentado en la teoría del astrónomo alemán Johannes Werner, basada en el
hecho que el desplazamiento lunar horario es aproximadamente igual a su
diámetro. Dando margen a obtener la Longitud a través de mediciones angulares
diurnas entre el Sol y la Luna cuando ello fuere posible o entre esta última y
determinadas estrellas cuando pudieren ser observadas en el transcurso de
crepúsculos o durante la noche.
Mientras que para la solución horaria, fue crucial la intervención del inglés
Jeremías Tacker, el cual dio forma a un nuevo tipo de reloj de precisión
contenido en una caja al vacío al cual denominó cronómetro.
El reloj montado en una suspensión cardan, contaba con un sistema de
doble cuerda lo que le permitía activar la tensión de una de ellas sin que
detuviese su funcionamiento. El reloj resultó susceptible a los cambios de
temperatura pero sin embargo constituyó un gran adelanto. La exactitud
requerida a bordo, tardó aún varios años en ser resuelta y se debió al relojero
inglés John Harrison, quien creó el primer cronómetro para marinos y durante
muchos años se fue perfeccionando y poniendo a punto.
INTRODUCCIÓN
5
Y fue el cronómetro inventado a comienzos del siglo XIX por el relojero
suizo Louis Berthoud el único reloj mecánico de alta precisión, perfeccionado su
sistema de cuerda. Utilizado por los navegantes para determinar la Longitud
geográfica y calcular su posición en alta mar. Asimismo eran usados por
astrónomos y joyeros para calibrar instrumentos de medida.
Aunque existe documentación que confirma que fue el astrónomo y
relojero suizo George Graham quien utilizó por primera vez la palabra
cronómetro para referirse a un mecanismo similar al de un reloj de péndulo
pequeño portátil. También se empleó la palabra durante mucho tiempo para
determinar los elementos de precisión que se usaban en la marina.
Así pues para determinar la Longitud, se efectuaron estudios para el
cálculo de las distancias lunares de J. R. Young, de recta de altura de Thomas H.
Sumner, la tangente de A. L. A. Marcq de Blond de Saint-Hilaire, o más recientes
como el sistema Greve [4], [53].
En el capítulo sexto, veremos la importancia del tiempo en el
posicionamiento.
A expensas de todas estas investigaciones y en estos últimos siglos de una
forma paralela, se han ido desarrollando diferentes estudios sobre la utilización
de la aguja magnética, como veremos al detalle en el capítulo cuarto, con la
utilización de magnetitas, y posteriormente de planchas y barras imantadas, en
un principio naturales y posteriormente de forma artificial. También los lugares
donde se utilizaron como China, Japón y tanto por tierra como por mar. No
obstante, hasta el siglo XII no aparece mencionado en ningún escrito la aguja
magnética [51]. Se supone que fue en Europa donde se empezó a utilizar por
primera vez para navegar.
Dentro de las múltiples modificaciones de la aguja a lo largo de la historia,
desde un simple trozo de magnetita unida a un flotador sobre un recipiente con
agua, hasta la creación de agujas artificiales pegadas a una rosa de los vientos,
creando de esta forma el primer compás magnético.
INTRODUCCIÓN
6
Los avances más relevantes vinieron de la mano de: Girolamo Cardano,
Jorge Fournier, Gowin Knight, Flinder, Peter Barlow, William Scoresby, Airy y
William Thomson, así como las investigaciones de William Gilbert sobre
magnetismo [32].
Con la aparición de los barcos de metal se tuvo que avanzar en la
compensación de la aguja para contrarrestar el efecto de estos metales. Así
pues, las bitácoras sufrieron modificaciones hasta llegar a la bitácora de hoy en
día, incorporando metales e imanes para dicha compensación. La bitácora actual,
incorpora esferas compensadoras de hierro dulce, imanes internos ajustables y
la barra flinder.
Actualmente con la aparición de los sistemas globales de navegación por
satélite, pretendemos ofrecer el compás magnético integral; por un lado una
esfera que contiene la rosa con su imán correspondiente careciendo de los
mecanismos internos que actualmente presentan, así como del sistema cardan.
Un dispositivo que mediante un algoritmo computerizado es capaz de
obtener tanto la curva como la tabla de desvíos en tiempo real, contrastando
dicho sistema integral la información recibida de un compás satelitario con la de
un lector óptico, pudiendo adaptarse a los equipos de navegación de última
generación.
Las técnicas de posicionamiento y navegación por satélites, han
evolucionado de manera tan vertiginosa desde su aparición, que han ido más allá
de lo que se pretendía en sus comienzos, llegándose a utilizar actualmente en
aplicaciones que pudiesen considerarse futuristas hasta hace unos pocos años
[58].
Dichos avances tanto en comunicaciones como en desarrollo de los
sistemas electrónicos, han originado un amplio despliegue de productos en el
mercado, que aunque a día de hoy dichos servicios resultan totalmente gratuitos,
no ofrecen la precisión absoluta, ni la integridad necesaria, requerida para los
programas que se pretenden desarrollar en esta Tesis, ahora bien, en un periodo
de tiempo que podríamos definir como medio, con la implantación del sistema
INTRODUCCIÓN
7
Galileo, así como con la coexistencia que Galileo con G.P.S. y Glonass pudieran
tener cabida los programas que actualmente nos encontramos desarrollando [8].
Para simplificar y centrándonos en el tema que nos ocupa, como es su
aplicación a la navegación y más concretamente marítima, en lo que respecta al
posicionamiento, la obtención de datos, queda limitada únicamente a: posición
del buque, como son las coordenadas latitud y longitud y C.O.G. (Course Over
Ground) que corresponde al ángulo entre el meridiano geográfico y la línea que
une los puntos del centro de gravedad del buque sobre el fondo marino y que
conocemos como rumbo de fondo, es decir lleva implícito dos ángulos en el caso
de que existiesen como son el de abatimiento originado por la existencia de
viento y la deriva causada por una corriente existente. 3. OBJETIVOS
Nos propusimos que el trabajo cubriese una serie de requerimientos que
considerábamos que eran determinantes para una navegación segura al tener un
valor absoluto real del Rumbo verdadero, mediante el conocimiento inmediato de
los valores de la corrección total así como de los desvíos una vez discriminado el
valor de la declinación magnética, y que a su vez pudiese cumplir tanto con las
especificaciones en su construcción como con las prestaciones mínimas exigibles
por la administración, a un instrumento de estas características; principalmente
las de IMO (International Maritime Organitation) de esta forma se pretende que
el Compás Magnético Integral, cumpla con las siguientes características:
1. Un algoritmo que calcule los valores de los desvíos del compás magnético en
tiempo real. Para ello se elaborará un programa informático capaz de realizar
dichos cálculos.
2. Que los diferentes elementos electrónicos así como la compensación de la
aguja, no constituyan relevancia alguna, a diferencia de como viene siendo en la
actualidad.
INTRODUCCIÓN
8
3. Conseguir la fiabilidad suficiente mediante la adopción de un sistema de
control en lazo cerrado de dichos valores, que eventualmente fuesen
proporcionando al piloto automático el valor del rumbo verdadero.
4. Comprobar y controlar que dichos valores de los desvíos, no sobrepasan los
parámetros establecidos por la administración.
5. Integrar el compás magnético, liberándolo al mismo de la bitácora como
habitáculo habitual, mediante la utilización de un software capaz de importar las
lecturas de los datos en las sentencias NMEA 0183, para esta clase de
instrumentos, con lo cual se elimina la dualidad de programas existentes.
Simplificando los dispositivos para obtener la información de la forma más
sencilla posible.
Todas estas características constituyen los objetivos a conseguir en el
presente trabajo.
4. ORGANIZACIÓN
El contenido de esta tesis se articula en base a tres partes fundamentales:
aguja magnética, giróscopo y sistemas globales de navegación por satélite.
Basándonos en los fundamentos del magnetismo, electromagnetismo y
magnetismo terrestre.
Obtenidos los resultados de las investigaciones empíricas desarrolladas, se
expondrán los datos tras su análisis, finalizando la misma con las conclusiones.
En este capítulo primero, hago una introducción y detallo mí interés por las
materias que se tratan, además de una breve síntesis de los antecedentes
referidos a técnicas de posicionamiento y obtención del rumbo.
INTRODUCCIÓN
9
El capítulo segundo, analiza todos los elementos que conforman el
desarrollo teórico, describiendo en cinco temas el estado del arte de todos los
elementos de los que se puede obtener el rumbo.
El capítulo tercero, incluye el material y métodos, en dos temas
fundamentalmente, el primero con la descripción y características de los equipos
utilizados para la configuración del dispositivo y en el segundo se enumeran los
procedimientos, así como el desarrollo de los programas informáticos y métodos
seguidos para la realización de las pruebas.
En el cuarto se efectúa un análisis de las diferentes pruebas realizadas,
mostrando los resultados obtenidos.
En el capítulo quinto, señalamos a partir de la experiencia, la discusión de
los resultados una vez analizados dichos datos y las recomendaciones y posibles
extensiones a futuro.
En el capítulo sexto, se presentan las conclusiones derivadas de las
pruebas empíricas realizadas a bordo de los diferentes buques.
Para concluir, se da un listado de la bibliografía citada en el texto y en
último lugar se anexan, por un lado las directrices de normas UNE para
fabricación de compases, por otro la lista de Datums y finalmente los trabajos
derivados de la tesis doctoral.
II
DESARROLLO TEÓRICO
DESARROLLO TEÓRICO
10
1. PREÁMBULO
El contenido de este capítulo, se articula en base al estado del arte de las
tres partes fundamentales y únicas a la hora de obtención del rumbo del
buque, como son: aguja magnética, giróscopo y sistemas globales de
navegación por satélite. Basándonos en los fundamentos del magnetismo y
electromagnetismo desde la óptica de la física, destacando los imanes de
última generación así como la composición de sus aleaciones.
El magnetismo terrestre, por la importancia que supone la declinación
magnética y sus cambios, analizamos las diferentes teorías desde algunas de
las etapas de formación de la Tierra, hasta nuestros días.
A través de un breve recorrido histórico tanto de la utilización de la aguja
en sí, como los diferentes sistemas de compensación, analizaremos el compás
magnético al representar el elemento más indispensable tanto por la
información que nos proporciona, como por su autonomía.
El girocompás en su aplicación a la navegación marítima, desde que
Sperry y Anztchüz desarrollaran la teoría del giroscopio aplicándole un motor a
lo que era un simple juguete infantil, hasta su utilización actualmente en la
orientación de los satélites.
En el punto sexto del presente capítulo, analizaremos sistemas globales de
navegación por satélite, tanto operativos como los que actualmente se están
desarrollando, incidiendo en la diferenciación entre precisión e integridad.
DESARROLLO TEÓRICO
11
2. MAGNETISMO Y ELECTROMAGNETISMO
2.1. DEFINICIONES Y CONCEPTOS
Podríamos definir inicialmente el magnetismo como la propiedad que
exhiben determinados materiales, especialmente algunos minerales de hierro,
cobalto y níquel, de atraer objetos de hierro. El magnetismo terrestre es el
conjunto de los fenómenos magnéticos ligados al globo terráqueo (también
denominado geomagnetismo) [36], [56], [64], [70].
Entre los cuerpos que naturalmente poseen esta propiedad se distingue la
magnetita, mineral de hierro cuya fórmula química es 43OFe (óxido ferroso-
férrico). Una de las primeras aplicaciones del magnetismo se basó en la
orientación que experimenta un imán permanente situado en la Tierra, el cual en
general mantiene una posición fija con respecto a cierta dirección. Así surgió la
brújula, que ejerció gran influencia sobre la navegación y los descubrimientos
geográficos.
2.2 CAMPO MAGNÉTICO. VECTOR INDUCCIÓN MAGNÉTICA B .
EXCITACIÓN MAGNÉTICA Hr
Se denomina campo magnético, a la región del espacio en que se ponen
de manifiesto los efectos magnéticos, los cuales son inducidos por la presencia
de imanes, cargas en movimiento o corrientes eléctricas [79], [80].
Para estudiar el campo magnético, se define el vector de inducción
magnética B (también llamado densidad de flujo magnético) y que se
representa por medio de las líneas de inducción magnética, las cuales son
cerradas, (sin principio ni fin). Ello significa que no existen cargas magnéticas
que creen un campo magnético, como las cargas eléctricas originan el campo
eléctrico.
DESARROLLO TEÓRICO
12
Si se tiene un imán en forma de varilla, imanado a través de su eje
(imanación axial), y se espolvorea con limaduras de hierro, éstas se adhieren a
la superficie de la varilla, sobre todo agrupadas en ambos extremos, a los que se
denomina polos magnéticos (N y S). Cumpliéndose que polos magnéticos de la
misma naturaleza se repelen y de distinta se atraen [22].
Figura 2.1. Acción magnética de máxima intensidad hacia los polos magnéticos
La piedra imán (magnetita), al ser suspendida de forma libre, señalaba el
Norte y Sur (geomagnéticos).
Si se imana una delgada tirilla de acero y se coloca sobre un pivote o de
forma que se le permita girar libremente sobre su centro en un plano horizontal,
señalará, aproximadamente, el Norte y Sur, siendo éste el principio de la brújula.
Al acercar dos brújulas, se verá que los extremos de las agujas de la misma
polaridad, se repelen, mientras los extremos de polaridad opuesta, se atraerán,
como ocurre en el caso de los imanes.
Figura 2.2. Principio de la brújula
El espectro magnético (líneas de fuerza) del campo de una barra
magnética (imán), con su polo N dirigido hacia el polo N terrestre es el que a
continuación detallamos [39].
DESARROLLO TEÓRICO
13
Figura 2.3. Líneas de campo magnético
Es imposible la existencia de polos magnéticos separados. Si la varilla se
rompe en varios pedazos, cada pedazo tendrá de nuevo dos polos, se formará de
cada pedazo, un nuevo imán. En efecto, si cortáramos un imán por su línea
neutra, no obtendríamos un trozo con el polo Norte y otro con el polo Sur que
correspondía, sino que, en cada mitad, aparece automáticamente un polo Norte
y un polo Sur. Repitiéndose este fenómeno en cada nueva división que
hiciéramos.
Figura 2.4. Inseparabilidad de polos de un imán
El magnetismo puede explicarse según dos puntos de vista diferentes.
• El primero, por analogía a la electrostática, la noción de masa magnética,
positiva o negativa, que caracteriza las propiedades del polo norte o del
polo sur de un imán.
DESARROLLO TEÓRICO
14
• El segundo, debido a la existencia de corrientes elementales en todo
elemento de materia y ha encontrado su método de interpretación en el
movimiento de los electrones de los átomos.
A partir del segundo punto de vista, se puede concluir que los fenómenos
magnéticos, se deben a fuerzas originadas por cargas eléctricas en movimiento,
es decir por corrientes eléctricas. Un imán puede considerarse como constituido
por una gran cantidad de pequeños circuitos eléctricos, planos y cerrados,
recorridos por una intensidad de corriente I. Definiremos momento magnético
( mr ) de cada circuito como el producto de la intensidad de corriente por su
superficie SImrr .= .
Cuando se aplica un campo magnético a una sustancia material cualquiera,
ésta adquiere, aunque sea de forma muy débil, propiedades magnéticas.
El estado magnético de una sustancia se describe mediante el vector de
magnetización o imanación, Mr
;
V
mM i
i
∆=∑ r
r
Que se define como la densidad cúbica de momentos magnéticos
originados en esa materia, se expresa en 1−⋅mA en el Sistema Internacional de
unidades.
Si responsabilizamos a una nueva magnitud, Hr
(intensidad de campo
magnético o excitación magnética), del campo magnético existente en el vacío,
es evidente que la inducción magnética del campo creado en presencia de
materia, será proporcional a la suma de la imanación, Mr
, de ésta, y del campo
Hr
en el vacío, esto es:
( )HMBrrr
+= 0µ
a la constante de proporcionalidad 0µ se la denomina permeabilidad magnética
del vacío.
DESARROLLO TEÓRICO
15
Existe un gran número de sustancias en donde la magnetización Mr
es
proporcional a la intensidad del campo magnético Hr
, esta relación se puede
expresar de la forma:
HMrr
⋅= χ donde χ es la susceptibilidad magnética, factor adimensional.
Sustituyendo esta expresión, se obtiene:
( ) ( ) ( ) HHHHHHMBrrrrrrrr
⋅+=⋅+⋅=+⋅=+⋅= χµµχµχµµ 100000
siendo ( )χµµ += 10 la permeabilidad magnética absoluta de la sustancia.
HBrr
µ=
Se define la permeabilidad magnética relativa rµ como:
0µµµ =r χµ += 1r
2.3. CICLO DE HISTÉRESIS
Consideremos una sustancia desimantada (inicialmente punto 0) a la cual
queremos imantar mediante la aplicación de un campo exterior, irá adquiriendo
una imanación caracterizada en cada instante por un vector Mr
, representada
gráficamente por una curva como la (0 - a – b – c) [68].
DESARROLLO TEÓRICO
16
Figura 2.5. Ciclo de Histéresis
En el punto c, Mr
alcanzará un valor máximo SM (imanación de
saturación), para un cierto valor de Hr
, de forma que, aunque éste aumente, la
imanación permanecerá constante. Si a continuación disminuimos el campo
aplicado Hr
, la imanación disminuye, pero no lo hará por el mismo camino inicial,
sino que experimenta una inercia a la desimanación, de forma que, cuando el
campo exterior se ha anulado, la sustancia aún conserva una cierta imantación,
rM (imanación remanente).
Para lograr que la imanación de la sustancia desaparezca, es necesario
aplicar un cierto campo exterior de sentido contrario al aplicado con valor CH
(campo coercitivo o coercitividad).
Si aumentamos el campo magnético exterior en este mismo sentido,
observamos que el material se imana con polarización contraria, hasta llegar a
otro valor de saturación, simétrico respecto del logrado en la primera imanación.
Disminuyendo el campo exterior aplicado, lograremos una nueva imanación
remanente, un nuevo campo coercitivo de sentido contrario; con un aumento de
éste, llevaríamos la sustancia de nuevo al punto b , cerrando así un ciclo
magnético denominado ciclo de histéresis de la sustancia magnética en cuestión.
DESARROLLO TEÓRICO
17
Figura 2.6. Ciclo de Histéresis explicado
Es obvio que los valores constantes del ciclo, SM , rM y CH , son función
de la naturaleza de la sustancia imanada y no solo de la intensidad del campo
magnético actual, sino también de su historia magnética, es decir, desde que la
sustancia se originó. De lo expuesto parece deducirse que, una vez imanada una
cierta sustancia, el proceso es irreversible, y ya no podemos desimanarla.
Se puede desimantar una sustancia si le aplicamos campos magnéticos
cada vez más pequeños, y alternativamente, positivos y negativos, con lo que la
haremos describir sucesivos ciclos de histéresis, que harán descender
asintóticamente hasta cero la imanación.
Figura 2.7. Proceso de desimanación
DESARROLLO TEÓRICO
18
El valor del campo coercitivo, determina la anchura que tiene el ciclo de
histéresis; aquellos materiales con un ancho ciclo, se definen como
“duromagnéticos o hard magnets” o magnéticamente duros, siendo utilizados
para imanes permanentes. Y “suavemagnéticos” o magnéticamente blandos, a
aquellos en los que el ciclo es estrecho, utilizados para magnetómetros aéreos.
2.4. CLASIFICACIÓN DE LAS SUSTANCIAS
Por sus propiedades magnéticas, las diversas sustancias se dividen en:
• Diamagnéticas, en las que 0<χ 0µµ <
• Paramagnéticas, en las que 0>χ 0µµ >
• Ferromagnéticas, en las que 0>>χ 0µµ >>
En las sustancias paramagnéticas si 0>χ , Mr
está en la misma dirección
que Hr
; mientras que en las sustancias diamagnéticas, χ es negativa, y Mr
es
opuesto a Hr
.
2.4.1. SUSTANCIAS DIAMAGNÉTICAS
Las sustancias diamagnéticas se imanan débilmente en el sentido opuesto
al del campo magnético aplicado, aparece una fuerza de repulsión sobre el
cuerpo respecto del campo aplicado.
Presentan valores de χ pequeños en orden de magnitud y negativos, del
orden de 510 −− , lo que indica que el momento magnético producido en ellas
tiene sentido opuesto al campo aplicado Hr
. Además χ varía muy poco con la
temperatura, y no depende de la intensidad del campo imanador. Siendo la
permeabilidad relativa entonces ligeramente menor que 1.
DESARROLLO TEÓRICO
19
2.4.2. SUSTANCIAS PARAMAGNÉTICAS
Tienen valores de χ pequeños, pero positivos del orden de 510− . Aún
cuando χ no varía en este tipo de sustancias con H , sí lo hace con la
temperatura, y se ajusta a la ecuación de Curie-Weiss:
cTTC−
=χ
donde C es la constante de Curie y CT es una temperatura característica de la
sustancia conocida como punto de Curie [74] paramagnético, con lo que la
imantación será:
cTTBCM−
=
2.4.3. SUSTANCIAS FERROMAGNÉTICAS – TEORÍA DE LOS DOMINIOS
Estudios sobre el ferromagnetismo demuestran que en una sustancia
ferromagnética existen pequeñas regiones llamadas dominios. Estos son de
tamaño microscópico, pero suficientemente grandes para contener de 1210 a 1510
átomos. En cada dominio, los momentos magnéticos de todos los electrones son
paralelos entre sí, es decir, cada dominio está imantado a saturación [57].
Figura 2.8. Ejemplo de dominios magnéticos
Los sentidos de los campos magnéticos de los dominios de la muestra (en
este caso hierro) son paralelos a uno o a otro de los ejes cristalográficos, pero en
el hierro no imantado hay una variación al azar del sentido de un dominio a otro,
DESARROLLO TEÓRICO
20
de modo que el campo magnético resultante de una muestra de tamaño algo
grande es nulo como se muestra en la siguiente figura.
Figura 2.9. Muestra desimanada
Variaciones de distintos tipos pueden tener lugar en los dominios cuando
la muestra se encuentra en un campo exterior. En campos débiles, los cambios
consisten, primero, en rotaciones de los sentidos de imantación de los dominios,
que tienden a aproximarse al paralelismo con el campo exterior, y segundo, en
movimientos de los límites de los dominios. Aquellos dominios para los cuales la
imantación es aproximadamente paralela al campo exterior, aumentan de
tamaño a expensas de los dominios contiguos, en los cuales la imantación forma
ángulos mayores con el campo exterior (2.10).
Figura 2.10. Muestra con imanación parcial
En campos más intensos, para los que la curva de imantación tiene mayor
pendiente, todos los dominios giran º90 o º180 , hasta hacerse paralelos al eje del
cristal que está más próximo al sentido del campo magnético exterior (2.11).
Figura 2.11. Muestra con imanación. Dominios paralelos entre ellos
DESARROLLO TEÓRICO
21
En campos intensos, la imantación de todos los dominios gira de un modo
continuo, hasta hacerse paralela al campo exterior, y toda la muestra se
encuentra saturada (2.12).
Figura 2.12. Muestra Saturada. Los dominios totalmente paralelos al campo aplicado
El hierro, cobalto, níquel y aleaciones, son materiales fuertemente
ferromagnéticos. Se utilizan para la fabricación de imanes permanentes. Con los
momentos alineados, la sustancia permanecerá imantada al quitar el campo
magnético. Esta imanación disminuye con la temperatura, haciéndose nula para
CTT = (Temperatura de Curie), y a partir de ella, se comportan como
paramagnéticos.
Si una muestra de hierro es sometida a una excitación magnética H cons-
tante, experimentalmente se pueden medir las variaciones de la permeabilidad
relativa rµ al aumentar la temperatura, y exponerla gráficamente.
Figura 2.13. Medición experimental de las variaciones de la permeabilidad relativa
La figura indica que a partir de Cº770 el hierro deja de ser ferromagnético,
aunque continúa siendo paramagnético. Para el níquel puro, este fenómeno
sucede a los Cº350 .
DESARROLLO TEÓRICO
22
Los materiales ferromagnéticos no son lineales, no existe en ellos la
proporcionalidad entre M y H , con lo que la χ y µ no son constantes, sino que
dependen del valor de Hr
. B no es una función lineal de la excitación magnética,
µ no es una constante, depende de la historia magnética del material, fenómeno
llamado histéresis.
Observar que B y M tienden a un límite, correspondiente al caso en que
la muestra alcanza la saturación magnética, cosa que ocurre para valores de H
algo mayores a los A1000 vuelta 1−m .
Figura 2.14. Dependencia de B con H y de µ
con H para una muestra de hierro
Estas curvas reciben el nombre de curvas de imantación, y nos dan una
idea de la variación de la permeabilidad µ con la excitación. Se observa que µ
después de pasar por un valor máximo, tiende hacia 0µ al crecer H , y esto es
debido a que, una vez alcanzada la saturación, el material se comporta como una
sustancia ferromagnética.
2.4.4. MATERIALES FERROMAGNÉTICOS
Se denominan materiales ferromagnéticos a aquellos que, bajo la acción
de un campo magnético exterior, sus dominios adquieren una orientación tal que
refuerzan el campo magnético externo, y por tanto se imana el material.
DESARROLLO TEÓRICO
23
Hay que señalar que esta orientación alineada de los espines puede ocurrir en
tres formas diferentes y dar lugar a fenómenos distintos:
Figura 2.15. Esquema de alineación de dominios
Si algunos de los momentos tienden a descansar en una dirección muy
diferente de las otras (generalmente en la dirección exactamente opuesta) se
dice que el material es ferrimagnético.
En el caso especial en que los iones de una red son divididos en dos
grupos o subredes exactamente equivalentes, de forma que el momento
magnético total es nulo y están magnetizados antiparalelamente, al material se
le denomina antiferromagnético.
Existen algunos antiferromagnéticos que por la presencia de impurezas o
componentes parásitos en la red presentan un momento magnético total
pequeño; son los llamados antiferromagnéticos con imperfecciones.
Debe destacarse que minerales verdaderamente ferromagnéticos sólo son
el hierro, el níquel y el cobre metálicos, aunque no existen como minerales
nativos.
⎪⎩
⎪⎨
⎧
CoNiFe
ticosferromagné enteVerdaderam
DESARROLLO TEÓRICO
24
⎪⎪⎪
⎩
⎪⎪⎪
⎨
⎧
) Oematita Fefo de la h(PseudomorMaghemita ) TiO (FeUlvospinel
) S(FePirrotita )O Tita FeO (FeanomagnetiTit
)O(FeMagnetita
32
22
87
32
43
. ticosFerrimagné
⎩⎨⎧
) OeHematita(F)eTiOIimenita(F
32
3 agnéticosAntiferrom
)onita(HFeOlimGoethita 2 onesimperfecci con agnéticosAntiferrom
Los minerales ferrimagnéticos pasan a ser paramagnéticos cuando la
magnetización espontánea desciende a causa del aumento de la temperatura por
encima del punto de Curie. En los minerales antiferromagnéticos el ordenamiento
se pierde a la temperatura de Neel TN, por encima de la cual el cristal es
paramagnético; ciertos minerales como la hematita poseen una débil
magnetización espontánea, la cual se superpone a la estructura
antiferromagnética y desaparece con el antiferromagnetismo a la temperatura de
Neel.
2.5. IMANES. ALEACIONES
Se define un imán [21], [22], [50] como cualquier cuerpo que presente
propiedades magnéticas creando a su alrededor un campo magnético.
Los imanes se pueden clasificar es dos grupos distintos: imanes naturales,
imanes artificiales (dentro de este grupo englobaremos también a los
electroimanes). Los imanes que poseen esta propiedad naturalmente, como la
magnetita, se llaman imanes naturales y los que han adquirido esta propiedad
por algún tratamiento especial se denominan imanes artificiales [14].
DESARROLLO TEÓRICO
25
Los imanes artificiales, se podrían dividir según la duración del campo
magnético, como:
2.5.1. IMANES TEMPORALES. ELECTROIMANES
Son muy utilizados en el mundo industrial. Formados a base de hierro
dulce. Sus propiedades magnéticas sólo permanecen mientras actúa una acción
imanadora exterior (normalmente, la corriente eléctrica).
2.5.2. IMANES PERMANENTES
Estos materiales [48], una vez imanados, sus propiedades magnéticas
perduran, aunque no actúe ningún campo exterior imanador. Las agujas
imanadas de las brújulas, se imanarían con una corriente eléctrica.
Otra división interesante, sería según la forma del imán: (cilindro,
herradura, aguja).
Figura 2.16. Imán barra o cilindro
Figura 2.17. Imán herradura Figura 2.18. Brújula
DESARROLLO TEÓRICO
26
2.5.3. IMANES PERMANENTES DE ÚLTIMA GENERACIÓN
2.5.3.1. IMANES CERÁMICOS O FERRITAS
Los imanes de Ferrita de Bario y Estroncio son componentes de calidad
que se pueden encontrar en aplicaciones tan diversas como automatización,
control, medición, etc.
Los imanes de ferrita pueden ser isótropos o anisótropos.
Para calidades anisotrópicas se consiguen aplicando un campo magnético
durante el proceso de prensado (dirección de anisotropía). Y tras un proceso de
sinterización (tratamiento térmico a altas temperaturas), se obtienen las piezas
con su forma y solidez definitivas pero desimanadas. Mediante un proceso de
imanación se consigue el alineamiento de las partículas en la dirección de
anisotropía, con las características magnéticas deseadas.
Los imanes de ferrita su estequiometría 1912OBaFe o 1912OSrFe , éstos son
óxidos cerámicos de carácter frágil, quebradizo y sensible a golpes o flexiones.
Por su gran dureza (Mohs 6-7), deben ser mecanizadas con útiles de diamante.
Están compuestos de aprox. un 80% de óxido de hierro 32OFe y aprox. un 20%
de óxido de bario BaO u óxido de estroncio SrO . Las materias primas son de
fácil adquisición y de bajo coste, son de apariencia lisa y de color gris oscuro, de
aspecto parecido a la porcelana [73].
Las temperaturas de trabajo de las ferritas se centran principalmente entre
Cº40− y Cº250 .
2.5.3.2. IMANES DE TIERRAS RARAS
Los imanes de Neodimio y Samario representan la última generación de
los materiales magnéticos.
DESARROLLO TEÓRICO
27
El proceso de fabricación de los imanes de tierras raras [19], resulta
bastante complejo. La materia prima necesaria para su aleación tiene que ser
mezclada en vacío. Mezclando entonces las partículas según las tolerancias
definidas. Finalmente se sinterizan en unos hornos especiales, obteniendo así un
producto final extremadamente duro que, únicamente, y de la misma forma que
el cerámico o ferrita, se puede trabajar con maquinaria especial provista de
herramientas de diamante. Igualmente se utilizan procesos de enfriamientos
para su tratamiento. Tienen el inconveniente de resultar muy caros.
Los materiales magnéticos compuestos de tierras raras son Samario-
Cobalto, SmCo [47], y Neodimio-Hierro-Boro, NdFeB [11], los cuales pueden ser
utilizados en temperaturas bajo . Cº0
Dichos imanes poseen propiedades muy superiores a los tradicionales por
su alta coercitividad y su elevada remanencia, una fuerza entre 6 y 10 veces
superior a los materiales magnéticos tradicionales, como veremos en la siguiente
tabla que representa las características magnéticas para los imanes de NdFeB de
calidad Nd35 y los de SmCo calidad Sm2Co17.
Tabla 2.1. Propiedades del Nd35 y del Sm2Co17
Nd35 Sm2Co17
Propiedad CGS SI CGS SI
Br (remanencia) 1,100 T 11000 G 1,000T 10.000G
Hcb
(Coercitividad) 840 kA/m 10550 Oe 740 kA/m 9.300 Oe
Hci (Coercividad
intrínseca) >1990 kA/m >25000 Oe > 2070 kA/m >26.000 Oe
(BH) máx
(Producto máx.
energía)
231 kJ/m3 29 MGOe 190kJ/m3 24x106 GOe
Coef. de temp.
revers. de Br -0,093%/ºC (20ºC - 80ºC) -0,030 %/ºC (-20ºC - 200ºC)
Coef. de temp.
revers. de HcJ -0,430%/ºC (20ºC - 80ºC) -0,019 %/ºC (-20ºC - 200ºC)
Temperatura de
Curie (Tc) 590 ºF 310 ºC 1517ºF 825 ºC
T máxima de
trabajo (Tmax) 176 ºF 80 ºC 662ºF 350 ºC
DESARROLLO TEÓRICO
28
Se puede observar que la utilización de este tipo de imanes, está muy
condicionada por la temperatura de trabajo. Para los imanes de NdFeB la
temperatura máxima de trabajo puede ser de Cº80 a Cº200 , para los imanes de
SmCo de los Cº200 a los Cº350 [83].
Los imanes de AlNiCo (también llamados NiAlCo) están compuestos por
Aluminio, Níquel y Cobalto; se designa el grupo de materiales magnéticos
obtenidos por fusión, el tipo RK1 es con diferencia la gradación más solicitada y
está compuesta por Aluminio 8%, Níquel 14%, Cobalto 24%, Cobre 3 – 3.5)%,
Hierro 50% y trazas de otros elementos. Resulta la composición magnética que
mejor resiste a las altas temperaturas, presentando una gran estabilidad en las
extremas, manteniendo sus características magnéticas entre Cº250− y Cº450 .
El coeficiente de temperatura reversible para la coercitividad Hcj es positivo, esto
significa que a medida que se incrementa la temperatura el AlNiCo aumenta su
coercitividad, lo que es valido en el rango de temperatura de Cº20− Cº450− .
Tabla 2.2. Propiedades del Álnico 500
Álnico 500
Propiedad CGS SI
Br (remanencia) 1,240 T 12.400 G
Hcb (Coercitividad) 48 kA/m 600 Oe
Hci (Coercividad intrínseca) 48,8 kA/m 610 Oe
(BH)máx (Producto máx.
energía) 39,8 kJ/m³ 5,0 MGOe
Coef. de temp. revers. de Br -0,02 %/ºC (-20ºC - 450ºC)
Coef. de temp. revers. de HcJ +0,01 %/ºC (-20ºC - 450ºC)
Coef. de temp. revers. de BH
máx. -0,015 %/ºC (-20ºC - 450ºC)
Temperatura de Curie (Tc) 1580 ºF 860ºC
T máxima de trabajo (Tmáx) 797 ºF 425 ºC
Densidad 7,3 g/cm³
Dureza Vickers 500 – 600 HV
Resistividad Eléctrica Específica 0,5 x10-6Ω·cm
Permeabilidad relativa µrec 3 – 4,5
DESARROLLO TEÓRICO
29
Figura 2.19. Relación B/H para Álnico 500
El Álnico es un material muy resistente pero a la vez muy frágil. Este tipo
de imanes se utiliza principalmente en aparatos de medición y sistemas de
detección por campos magnéticos (pesaje analítico, frenos).
Los imanes de Álnico, debido a que se fabrican mediante un proceso de
fundición, presentan en bruto un aspecto rugoso y de color oscuro. Con el fin de
conseguir un mayor grado de exactitud en las tolerancias del material, por lo que
es aconsejable realizar un proceso de rectificado como el anteriormente citado.
En el supuesto de necesitar cualquier tipo de modificación, en cualquier formato
de diseño elegido, únicamente se podrá efectuar durante el proceso de fundición,
dándole la precisión requerida final mediante herramientas de diamante o
carborundo o polvo de zafiro. Tienen de particularidad, que no presentan ningún
tipo de problemas de oxidación.
2.5.3.3. IMANES – ELASTÓMEROS
También actualmente se fabrican por aglomeración de partículas
magnéticas (hierro y estroncio) en un elastómero (caucho, PVC, etc.) los imanes
flexibles, consisten en una serie de bandas estrechas que alternan los polos norte
y sur. Siendo su campo magnético muy intenso únicamente en la superficie,
DESARROLLO TEÓRICO
30
anulándose esta a una distancia tan pequeña como el grosor del cuero de una
cartera; se utilizan en publicidad y se hacen así al objeto de no dañar la banda
magnética de una tarjeta de crédito. Estos aunque no son de aplicación para el
tema que nos ocupa, he considerado curioso el citarlos.
2.5.3.4. OTRAS ALEACIONES
Existen otras aleaciones utilizadas como son: cobre/níquel/cobalto y
hierro/cobalto/vanadio; en las que destacan las de platino/cobalto imanes de
muy alta calidad al ser utilizados en relojería, en dispositivos aeroespaciales y en
odontología para la retención de prótesis completas, resultando excesivamente
caros [61].
DESARROLLO TEÓRICO
31
3. MAGNETISMO TERRESTRE
3.1. DEFINICIONES Y CONCEPTOS
La Tierra se formó hace unos 4.650 millones de años. Después de
condensarse a partir del polvo cósmico y del gas mediante la atracción
gravitacional, la Tierra era casi homogénea y bastante fría.
Después, comenzó a fundirse bajo la influencia de la gravedad,
produciendo la diferenciación entre la corteza, el manto y el núcleo, con los
silicatos más ligeros moviéndose hacia arriba para formar la corteza y el manto y
los elementos más pesados, sobre todo el hierro y el níquel, cayendo hacia el
centro de la Tierra para formar el núcleo [84], [62].
Se define como magnetismo terrestre a la acción que ejerce nuestro
planeta, actuando como un inmenso imán, sobre las agujas imanadas,
obligándolas a tomar una dirección próxima SurNorte − cuando se pueden mover
libremente.
Como todo campo magnético es un campo vectorial; significando esto que
tiene magnitud y dirección. Este campo magnético es de sobras sabido que
provoca una atracción sobre según que tipo de materiales, atracción conocida
desde muy antiguo, que está sometida a desviaciones y perturbaciones que
requieren estudio especial. Los polos magnéticos de la Tierra no coinciden con los
polos geográficos, ni están fijos, sino que sufren desplazamientos lentos, y la
intensidad magnética de nuestro planeta varía.
Hay una variación diurna, mayor en verano que en invierno, es más intensa
que la ordinaria durante un periodo de actividad de las manchas solares, como
también más elevada en pleno día que de noche. Asimismo ocurren cambios
estaciónales y alteraciones debidas, probablemente, a masas ocultas de
minerales magnéticos, como también un pequeño cambio debido a la acción de la
Luna.
DESARROLLO TEÓRICO
32
Actualmente se cree que el campo magnético de la Tierra se debe a que en
su núcleo líquido existen corrientes inducidas por el calor y por la rotación del
planeta, a lo que deben considerarse dos aspectos: uno, la temperatura de su
núcleo que se calcula de aproximadamente, y otro que el núcleo sea
metálico [1], [22], [71].
Cº700.3
Se sabe que el campo magnético de la Tierra no es constante e incluso
cambia de polaridad mostrando notables cambios de año en año. Las variaciones
en el campo magnético de la Tierra incluyen el cambio en la dirección del campo
provocado por el desplazamiento de los polos. Variación periódica que se repite
cada 960 años, existiendo también una variación anual más pequeña.
En la figura 3.1, se muestran las líneas de fuerza, sobre impresionadas en
la Tierra. Siendo en dos puntos donde las líneas de fuerza son verticales, el
y el . Los polos magnéticos de la Tierra están separados de los polos geo-
gráficos aproximadamente unos . El está cerca de la costa oeste de
la isla Bathurst en los Territorios del Noroeste en Canadá; el en la
Antártida el extremo del continente antártico en Tierra Adelia al sur de Tasmania.
La intensidad del campo es, de aproximadamente, en los polos
magnéticos y en el ecuador magnético.
Nm
Sm
º18 NortePolo
SurPolo
gauss6,0
gauss3,0
Figura 3.1. Campo magnético de un dipolo. Una aguja imantada se
orientaría en la dirección de las líneas de fuerza (azules).
DESARROLLO TEÓRICO
33
3.2. ELEMENTOS MAGNÉTICOS TERRESTRES
El campo magnético que genera la tierra fue descubierto en el siglo II al
colgar de un hilo una barra de imán natural y comprobar que siempre se
quedaba orientada en una dirección que coincidía aproximadamente con la línea
. Reciben los nombres de polo norte magnético al extremo que
quedaba orientado al y polo sur magnético al opuesto orientado al .
[62], [66].
SurNorte −
Norte Sur
Este hecho indica que la propia tierra crea un campo magnético que orienta
a los imanes. Dadas las dimensiones del planeta, localmente podemos considerar
que las líneas de fuerza del campo magnético creadas por Tierra, son paralelas, y
el mismo campo, también localmente, se puede considerar uniforme.
Figura 3.2. En la esfera terrestre, Norte Geográfico próximo al Sur magnético del imán.
También puede observarse que, puesto que la orientación de los
imanes en la superficie terrestre hace apuntar su polo norte al polo norte
geográfico, en virtud de la atracción observada por los polos magnéticos
opuestos, podemos concluir que el polo magnético norte del campo terrestre,
está próximo al polo sur geográfico, y viceversa.
Para determinar el campo magnético terrestre, nos serviremos de agujas
imantadas que nos darán su dirección. La dirección del campo puede darse en
función de los parámetros de la figura 3.3.
DESARROLLO TEÓRICO
34
Figura 3.3. Parámetros que integran el campo magnético terrestre
La diferencia de ángulo entre el norte magnético y el geográfico recibe el
nombre de declinación magnética (δ) o variación magnética. El valor de este
ángulo no es constante en todos los puntos de la tierra. Según donde esté
situado el punto de medida, δ podrá ser positivo o negativo.
Esta variación se representa en los mapas mediante las denominadas líneas
isógonas que son las que representan puntos con igual declinación magnética.
Figura 3.4. Líneas isógonas en 1976
(INTERNET MAPA DE MAGNETISMO TERRESTRE.)
DESARROLLO TEÓRICO
35
A la declinación magnética en un punto dado o en una zona concreta se la
denomina declinación magnética local y se representa en las rosas magnéticas de
todas las cartas náuticas de la zona en cuestión en grados y minutos. Esto tiene
una gran importancia en la navegación tradicional. Al trazar un rumbo, el
navegante siempre debe tener en cuenta la declinación magnética.
Las líneas de flujo del campo magnético terrestre no son siempre paralelas a
la superficie de la tierra, sino que forman un ángulo respecto a la horizontal que
varía con la latitud. Este ángulo recibe el nombre de inclinación magnética (i) y
tiene una importancia fundamental en el diseño y calibración de los compases.
Como en todo punto de la tierra el campo magnético tiene dirección y
magnitud determinados siempre podremos representar este por un vector que
llamaremos T dando lugar a la siguiente figura:
Figura 3.5. Descomposición de vectores relativos al magnetismo
La proyección del vector T sobre el eje Z se denomina componente vertical y se
denota siempre con Z .
La proyección de T sobre el plano horizontal se denomina componente horizontal
y se señala siempre por H .
En cualquier parte de la Tierra, una aguja imantada de una brújula se
dirige a lo largo del vector H , es decir, en cada punto de la Tierra el vector H
siempre indica la dirección del meridiano magnético. El ángulo D es la declinación
magnética. El ángulo I es la inclinación magnética.
La declinación, la inclinación y los componentes del campo magnético Z y
DESARROLLO TEÓRICO
36
H se denominan elementos magnéticos terrestres. Entre ellos existen
dependencias muy simples, tales como:
; IsenTZ = ITH cos= ; ;
ales se
denominan de isógonas, de isoclínicas y de isodínamas, respectivamente.
o de todos los años que terminan en 5
945,1950, 1955, 1960, 1965, etc.).
ciendo los cambios, sus velocidades de variación y distribución en el tiempo.
a puede tener una posición indefinida (0° a 360°) al girar
el eje vertical.
l azimut geográfico
desde 0º a 360°, al igual que en los polos magnéticos.
') y las coordenadas de los puntos de las mediciones
φ) con una precisión 1'.
IsenTZ 222 =
222 ZHT +=
Los elementos magnéticos se representan en forma de mapas de isolíneas.
Para confeccionar éstos todos los valores de Z, H, D, I, son mensurables. Los
elementos magnéticos se consignan en el mapa geográfico y después se unen
todos los puntos de iguales valores de Z, H, D, I. Existen los mapas de las
declinaciones, de las inclinaciones, y de los componentes de Z y H, los cu
La intensidad del campo magnético varía con el tiempo; es por ello que
todos los mapas se construyen para un período determinado, que denominamos
época. Para la época se torna el 1º de juli
o 0 (1
cono
sobre
varía
(λ,
Lo anterior no quiere decir que no se pueda tener un mapa de determinado
parámetro para cualquier año, por ejemplo 1951 o 1952. Estos pueden obtenerse
En los mapas de los elementos magnéticos se distinguen los puntos
especiales denominados polos magnéticos. Sobre cada polo magnético gira la
aguja imantada alrededor del eje horizontal y se establece en la posición vertical.
La aguja de la brújul
Las líneas de declinación iguales se cortan en cuatro puntos, es decir, en los
polos magnéticos y geográficos. En los polos geográficos e
Para construir los mapas de los elementos magnéticos se han hecho los
levantamientos especiales, durante los cuales se medían las magnitudes H
(±0,001 h), D (± 1'), T (± 2
DESARROLLO TEÓRICO
37
Actualmente los mapas magnéticos se rectifican con ayuda de satélites, que
permiten medir el campo magnético con gran precisión. Estos satélites permiten
obtener los datos sobre toda la superficie de la Tierra en intervalos de tiempo
muy pequeños.
3.3. NATURALEZA DEL MAGNETISMO
La incógnita sobre el origen del campo magnético no ha sido resuelta total-
mente en la actualidad. Existen varias hipótesis sobre su naturaleza. Para
explicar el campo magnético de la Tierra una de ellas admite que esta se
encuentra imantada, pero tal hipótesis no puede explicar la magnetización de las
partes profundas de la Tierra, porque en las profundidades de 20 a 30 km la
temperatura de la sustancia es mayor que la temperatura de Curie. Es por esto
que en las profundidades de 20 a 30 km las rocas no pueden tener imantación.
Se ha supuesto que a grandes profundidades la temperatura de Curie debe
aumentarse. Pero los datos experimentales obtenidos en los laboratorios de alta
precisión, no han confirmado dicha suposición. Por tanto las rocas imantadas solo
pueden estar en la parte de la Tierra donde la profundidad no sea mayor de 20 a
30 km. Si decimos que esta capa de la Tierra crea el campo magnético, entonces
los cálculos indican que su imantación debe ser de 5 a 10 unidades CGSM,
mientras la magnetita -el mineral más magnético- tiene una imantación
aproximada de 0,1 CGSM [16], [17], [18].
Otra hipótesis supone que el campo magnético de la Tierra es provocado por
la rotación de ésta, ya que cualquier cuerpo que gira debe imantarse. Los datos
experimentales han demostrado que el campo magnético de la Tierra no puede
explicarse sólo por su rotación.
Las hipótesis más aceptadas son las de Frenkel y Elzasser. Frenkel supone
que el núcleo de la Tierra está constituido de una masa metálica líquida con muy
poca viscosidad. Una cantidad insignificante de los elementos radiactivos que se
encuentran en diferentes partes del núcleo de la Tierra provocan un relativo reca-
lentamiento de dichas partes y como resultado aparecen unas corrientes de
convección. Basta tener un campo magnético muy pequeño, como, por ejemplo,
DESARROLLO TEÓRICO
38
el que aparece bajo la influencia de la rotación de la Tierra, para crear corrientes
eléctricas en las masas donde existan movimientos de electrones libres. Estas
corrientes en determinados momentos provocan los campos magnéticos
complementarios que a su vez aumentan las corrientes eléctricas. El proceso
descrito es semejante al fenómeno o proceso que ocurre en cualquier dinamo.
Por ello es que a la hipótesis de Frenkel se le denomina efecto dinamo.
La hipótesis de Elzasser se diferencia poco de la anterior; a su criterio, las
corrientes en el núcleo aparecen principalmente bajo la influencia de la
temperatura de varias partes del núcleo; es decir, las corrientes termoeléctricas.
Actualmente la problemática del campo magnético de la Tierra se estudia en
varios países del mundo.
En cada punto de la superficie terrestre se puede determinar
aproximadamente el ángulo de inclinación I si se conoce su latitud.
La fórmula para Z y H da la posibilidad de calcular las componentes del
campo magnético de la Tierra, pero en la actualidad el campo de la Tierra se
diferencia del campo de una esfera imantada homogéneamente. Estas diferencias
vienen dadas por las anomalías continentales, las anomalías magnéticas y las
variaciones del campo magnético.
3.4. ANOMALÍAS CONTINENTALES
La diferencia entre la intensidad del campo observado y la intensidad del
campo calculado por las fórmulas para la esfera homogénea imantada, se
denomina campo magnético continental o anomalía continental. Sobre el globo
terráqueo se distinguen algunas anomalías muy grandes, y parecidas en su forma
a las producidas por los polos independientes.
DESARROLLO TEÓRICO
39
Tabla 3.1. Coordenadas de algunas anomalías continentales
Época 1945 Época 1950
Región ϕ λ Intensidad ϕ λ Intensidad
Este de Asia 35º N 110º + 0,139 70º N 100º + 0,175
África 0º N 20º - 0,124 0º N 10º - 0,155
Norteamérica 42º N 268º + 0,084 40º N 270º + 0,066
Norte del Océano Pacífico 45º N 182º - 0,021 50º N 120º - 0,030
Islandia 60º N 0º - 0,106 70º N 340º - 0,089
Isla de Tasmania 45º N 135º + 0,092 40º S 140º - 0,105
Sur del Océano Indico 50º N 325º + 0,164 60º S 325º - 0,167
Las coordenadas de algunas anomalías en el periodo de 5 años mostradas
en la tabla anterior, se puede observar que la situación de los centros de las
anomalías continentales y su intensidad no son constantes, sino que varían con
el tiempo.
Figura 3.6. Mapa de isoanómalas residuales de la componente Z para la época 1950.
La anomalía de mayor intensidad, como podemos apreciar en la figura
anterior, se encuentra en el Asia oriental, cerca de la ciudad de Yacutsk en los
estados soviéticos.
Esta anomalía abarca una gran área y se extiende desde el Océano Glacial
Ártico hasta el Océano Índico, y por territorio europeo. La intensidad de la com-
ponente Z en el epicentro de la anomalía constituye aproximadamente el 30 %
de toda la intensidad del campo normal terrestre.
DESARROLLO TEÓRICO
40
La naturaleza de las anomalías continentales no está establecida aún.
Algunos científicos suponen que su origen tiene lugar a grandes profundidades
(en una distancia comprendida entre y del radio de la tierra). Otros, por
el contrario, relacionan el origen de estas anomalías con diferentes procesos que
ocurren en la parte superior de la Tierra.
4,0 6,0
3.5. ANOMALÍAS MAGNÉTICAS
Todas las regiones donde está distribuido el carácter normal del campo y
los gradientes magnéticos, cuyas intensidades se diferencian de las áreas
vecinas, son denominadas áreas de anomalías y los campos magnéticos,
anomalías magnéticas (Ta ).
En Geofísica aplicada las anomalías magnéticas que estudiamos son
menores que 1 Oersted (unidad de la intensidad del campo magnético en el
sistema CGSM), es por lo que se acostumbra a medirlas en unidades más
pequeñas, como son el milioersted (mOe) y la gamma (γ ).
La magnetometría estudia las anomalías que provocan las rocas y los
yacimientos de minerales que se encuentran en las capas superiores de la
Tierra. Sobre los yacimientos de hierro se observan las anomalías de mayor
intensidad, la cual puede variar en grandes límites y alcanzar hasta γ200000 ,
como en la región del Kursk.
Las Trapas de la Siberia ocupan un área muy grande (muchos cientos de
kilómetros cuadrados) y tienen en algunos lugares una intensidad de más de
γ10000 .
Al mismo tiempo, las anomalías que provocan los yacimientos de bauxitas
o fluoritas y otros minerales pueden catalogarse de pequeñas y alcanzar de
γ10010− de intensidad y algunos metros de anchura.
Todos los cuerpos geológicos que provocan las anomalías magnéticas
crean un campo negativo y otro positivo al mismo tiempo, porque cada cuerpo,
como todo imán, tiene dos polos como la figura que se detalla a continuación.
DESARROLLO TEÓRICO
41
Las líneas de fuerza magnéticas salen del Polo norte y llegan al Polo sur, hecho
por el cual sobre los cuerpos geológicos que no tienen grandes dimensiones
existen algunas partes donde las isolíneas se dirigen hacia arriba y otras hacia
abajo. También es por ello que los objetos siempre crean las anomalías de signo
positivo y de signo negativo. La suma de las isolíneas que salen del cuerpo es
igual a la suma de las que entran; por tanto, ambos campos son iguales.
∑ ∑ = 0)−++ ()( ZZ
Figura 3.7. Isolíneas del cuerpo imantado y su curva Z .
Si la línea 0 , es decir, el fondo normal, está elegida correctamente, la
suma de todos los valores de a lo largo del perfil, dentro de un intervalo iZ X ,
dará igual a cero.
3.6. VARIACIÓN DEL CAMPO MAGNÉTICO CON EL TIEMPO
El estudio de los elementos del campo magnético terrestre y del momento
magnético de la tierra nos ha permitido establecer las regularidades
fundamentales de sus variaciones con el tiempo.
DESARROLLO TEÓRICO
42
Figura 3.8. Variaciones del momento magnético de la Tierra.
De mantenerse este ritmo o velocidad de igual forma en el futuro, dentro
de unos , aproximadamente, el campo de la Tierra se anulará. Pero
este intervalo de tiempo durante el cual se determinó dicha variación del
momento magnético es muy pequeño por lo que no permite pronosticar el
carácter de la variación en un futuro.
años2000
Existen diversos tipos de variaciones de los elementos del magnetismo
terrestre, tales como variaciones seculares y diarias (periódicas) y tormentas
magnéticas (no periódicas).
3.6.1. VARIACIONES SECULARES
Las variaciones seculares se determinan por el cambio del valor de
cualquier elemento promedio anual para muchos años (durante un siglo).
Las magnitudes se calculan por la diferencia de elementos durante un
período determinado mediante datos obtenidos en los observatorios magnéticos
o utilizando mediciones sobre puntos de apoyo en intervalos mayores de 3 a 5
años, como podemos apreciar en los siguientes gráficos, estas variaciones tienen
un carácter cíclico para período de aproximadamente cientos de años ( a
). Se observaron en Londres, París, Roma, Japón, URSS etcétera.
700
900
DESARROLLO TEÓRICO
43
La velocidad de variación se representa por medio de los mapas de
isoporas, los cuales son muy semejantes a los mapas de anomalías
continentales. En los mapas se designan o señalan algunos puntos donde la
velocidad de variación alcanza de 110 a γ130 por año (Indonesia, Irán, África,
etc.). Se observa una traslación de los epicentros en un intervalo de tiempo en
la dirección hacia Occidente.
La naturaleza de las variaciones seculares no se ha establecido
exactamente, aunque los científicos señalan que son provocadas por procesos
que tienen lugar en las capas profundas de la Tierra.
3.6.2. VARIACIONES DIARIAS
Los cambios periódicos de los elementos magnéticos de la Tierra durante
el día y la noche se denominan . Éstas se registrarán con
estaciones especiales u observatorios o utilizando estaciones móviles. El carácter
de la variación en un punto determinado puede cambiar con el tiempo.
Generalmente la magnitud de estas variaciones no es mayor de
diariasriacionesva
γ100 . Al mismo
tiempo, en diferentes puntos de la Tierra dichas variaciones pueden
diferenciarse.
Las variaciones diarias son provocadas por torbellinos o tormentas
eléctricas que se producen en la atmósfera a una altura que varía entre y
La magnitud de estas corrientes, de acuerdo con los cálculos, alcanza un
valor que oscila entre y La existencia de estas corrientes se ha
confirmado con ayuda de las observaciones por los satélites artificiales de la
Tierra.
100
.120 km
10000 .20000 amp
Aunque no se tienen en cuenta por su valor en los cálculos de
magnetometría, también se distinguen las denominadas variaciones lúnicas cuya
amplitud es de 1 o γ2 .
DESARROLLO TEÓRICO
44
Figura 3.9. Curvas de las variaciones diarias en el observatorio magnético de Pavlosk
3.6.3. TORMENTAS MAGNÉTICAS
Las variaciones irregulares del campo magnético que se producen en un
período no muy grande se denominan tormentas magnéticas de las cuales
existen varios tipos, como por ejemplo:
a) Tormentas magnéticas de gran intensidad, que ocupan toda la
superficie de la Tierra.
b) Tormentas magnéticas moderadamente intensas (bastante intensas
alrededor de algunos cientos de gammas), que se observan en las
regiones polares.
c) Variaciones en forma de bahía, que abarcan al mismo tiempo toda la
superficie de la Tierra
d) Variaciones que ocurren con período desde 10 segundos hasta algunos
minutos y horas, y tienen algunas gammas de amplitud. Estas variaciones
se estudian detalladamente en exploración eléctrica.
Las tormentas magnéticas son provocadas por la radiación solar, la que
crea corrientes eléctricas en la ionosfera. Observándose de forma frecuente en
las regiones polares.
DESARROLLO TEÓRICO
45
3.7. ESTRUCTURA DEL CAMPO MAGNÉTICO
El análisis de los mapas mundiales de los elementos magnéticos nos
demuestra que el campo magnético terrestre es heterogéneo, constituido por
varios campos de diferente naturaleza.
TvTextTaTcTeT ++++= .
donde:
T = campo magnético de la Tierra
Te = campo de una esfera homogénea imantada
Tc = campo continental (provocado por la heterogeneidad de las capas profundas
de la Tierra)
Ta = campo anómalo (provocado por la heterogeneidad de las capas superficiales
de la Tierra)
.Text = campo exterior no terrestre,
Tv = variaciones del campo magnético.
La magnetometría estudia las anomalías Ta y Tv formadas por los Tr
(campo regional) y Tl (campo local):
TlTrTa +=
Tr , se observa en grandes áreas y es provocado por enormes masas de
rocas imantadas que se encuentran a grandes profundidades o en grandes áreas,
mientras que Tl es provocado por masas que se hallan cerca de la superficie.
Dichas anomalías se observarán en pequeñas áreas. Los conceptos de anomalía
local y regional son convencionales, puesto que una misma anomalía puede ser
local o regional, lo cual depende de la finalidad de los levantamientos. Por
ejemplo, si el levantamiento se efectúa con el propósito de hallar las anomalías
sobre los masivos de gabro relacionados con yacimientos minerales (los
yacimientos minerales están incluidos dentro de los masivos); en la primera
etapa la anomalía del masivo será local si ocupa un área grande.
DESARROLLO TEÓRICO
46
Ahora bien, si en otros casos necesitamos definir en los límites de los
masivos, los campos (anomalías) que son provocados por los yacimientos
minerales, entonces la anomalía de todo el masivo es considerada como anomalía
regional.
Frecuentemente la suma de los campos Te , , . Se denomina campo
normal Tn de la Tierra.
Tc .Text
.TextTcTeT ++=
De este modo al medirse con el equipo la intensidad total del campo T y
determinarse por el mapa de los elementos magnéticos de la Tierra la magnitud
de Tn , podremos hallar Ta dado que:
TnTTa −=
Los mapas del campo magnético se editan periódicamente en diferentes
países del mundo.
Figura 3.10. Mapa de isoporas de la componente vertical Z para la época 1942 (en γ).
El conocimiento del campo normal de la Tierra se utiliza en la prospección
magnética para los objetivos siguientes:
a) Cálculo de la magnetización inductiva de los minerales y rocas en una
región dada.
b) Realización de correcciones en levantamientos magnéticos que
abarquen grandes extensiones.
DESARROLLO TEÓRICO
47
c) Fijación de un rango de mediciones en el magnetómetro que permita
utilizar al máximo la escala del equipo en la región de estudio.
d) Cálculo de los elementos de yacencia de los cuerpos magnetizados a
partir de los datos obtenidos en la prospección magnética.
El campo magnético en la superficie terrestre representa la suma de campos
de diferentes fuentes. Como campo normal de la Tierra se toma la suma de los
campos de una esfera terrestre y de las anomalías continentales. Para la confec-
ción de mapas de los elementos del campo normal se realizan mediciones
absolutas según una red de puntos poco densa y se calculan los valores medios
de estos elementos en trapecios de 1° de latitud por 2° de Longitud, con el
objetivo de eliminar la influencia de grandes cuerpos geológicos. Teniendo los
valores promediados se trazan las líneas de iguales valores con su consecuente
suavización.
Considerando que los elementos del magnetismo terrestre varían con el
tiempo, todos los mapas se refieren a un determinado momento,
condicionalmente llamado época del año dado. Los valores mostrados en estos
mapas se refieren al valor medio del correspondiente año.
Para el cálculo de la variación del campo normal de la Tierra con el tiempo
(variación secular) se utilizan mapas especiales de isoporas (figura 3.12),
confeccionados gracias al registro continuo de dichas variaciones y a la repetición
de las mediciones de los elementos del campo magnético en una serie de puntos
básicos. En los mapas de isoporas, las isolíneas muestran en qué magnitud
cambia uno u otro elemento del campo geomagnético durante un año en cada
punto geográfico.
Para determinar el valor del elemento buscado del campo geomagnético, es
necesario utilizar un mapa de dicho elemento y encontrar el punto geográfico de
estudio en el mapa según los datos que se den. La isolínea que pase por este
punto determina el valor que posteriormente será corregido por la variación
secular.
DESARROLLO TEÓRICO
48
Si por el punto en estudio no pasa ninguna isolínea, entonces el valor del
elemento se determina según una interpolación lineal.
La magnitud de la corrección por la variación secular para el punto de
estudio se encuentra con el auxilio del mapa de isoporas del elemento en
cuestión. Esta se multiplica por la diferencia de años entre el año para el cual se
determina el valor del elemento y el año del mapa de los valores normales de
o . La corrección se calcula con la misma precisión con que fue tomado el
valor del elemento del mapa del campo normal y se suma algebraicamente a este
valor.
Zo
Ho
Datos experimentales sobre la intensidad del campo magnético en distintos
puntos de la superficie terrestre han permitido establecer una dependencia
analítica entre los parámetros del campo geomagnético normal y las coordenadas
geográficas de los puntos. Esta relación se expresa aproximadamente de la
manera siguiente:
θcos23R
MZ =
θsenRMH 3=
θ23 cos31+=
RMT
Donde
M = momento magnético de la Tierra (8,3 • 10 CGS)
R = radio de la Tierra
θ = 90° - φ
ϕ = latitud del lugar
DESARROLLO TEÓRICO
49
Es posible obtener analíticamente una idea aproximada de la variación de la
intensidad del campo en la superficie terrestre a través de la derivación según la
dirección tangente:
θ∂∂R
Z ;
θ∂∂R
H ;
θ∂∂R
T
Por un procedimiento análogo se puede determinar la velocidad de variación
de los elementos del campo magnético terrestre según la dirección vertical
(gradiente vertical).
El valor de los gradientes horizontales de T, Z y H en cualquier sentido
puede determinarse por medio de los mapas de los correspondientes
componentes del campo normal terrestre, tal como se hace en la práctica. Se
mide, en el sentido que nos interesa, la distancia entre puntos cercanos al punto
de estudio y se obtiene la diferencia de las isolíneas del elemento en cuestión;
esta diferencia dividida entre la distancia medida nos da el gradiente horizontal
normal del elemento estudiado.
3.8. CAMPO MAGNÉTICO EN ÉPOCAS GEOLÓGICAS PASADAS.
PALEOMAGNETISMO
El estudio de la magnetización residual en diferentes países del mundo
(Inglaterra, Japón, URSS, etc..) permitió determinar que en épocas geológicas
pasadas ocurrieron variaciones de los elementos magnéticos. La elaboración de
los datos de las mediciones paleomagnéticas permite calcular las coordenadas
de los polos magnéticos en el momento de la formación de la roca. Las
investigaciones del vector de magnetización residual en los diversos continentes
demuestran que la posición de los polos ha variado en las diferentes épocas
geológicas. Las líneas de desplazamiento de los polos calculadas en los
diferentes continentes tienen un gran parecido entre sí, pero no coinciden [62].
DESARROLLO TEÓRICO
50
Para hacerlas coincidir habría que desplazar los continentes, por lo cual
algunos científicos suponen desplazamiento de los continentes, uno con relación
a otro. Otro grupo de investigadores mantiene la opinión del desplazamiento de
los polos y la posición constante de los continentes; la base para esta teoría es
la coincidencia de las curvas de desplazamiento de los polos magnéticos y
geográficos en épocas geológicas pasadas.
Los trabajos del paleomagnetismo en los diferentes países del mundo han
permitido descubrir las rocas imantadas con sentido contrario al del campo
magnético de la Tierra, por lo cual se ha supuesto la existencia del fenómeno de
inversión de los polos, o sea, el cambio rápido de su polaridad. Las rocas con
magnetización inversa se encontraron en distintos países como URSS, Japón,
USA, etc.
El estudio de dichas rocas permite diferenciar las rocas efusivas y nos
proporciona datos geológicos muy importantes sobre diferentes regiones.
Figura 3.11. Gráfico de diferentes estratos en épocas pasadas
DESARROLLO TEÓRICO
51
Figura 3.12. Variación de la dirección de imantación para diversas rocas en Japón.
Figura 3.13. Relaciones entre el viento solar y el campo magnético de la tierra.
La relación entre el viento solar y el campo magnético se puede simular en
el laboratorio haciendo incidir un flujo de plasma de electrones y de iones de
helio sobre una esfera que contiene un electro magneto. El chorro de plasma es
desviado en forma análoga a como sucede en la tierra cuando llega el viento
solar.
La segunda figura, está construida en base a los datos recopilados por
satélites artificiales ilustrando la relación real entre el viento solar y el campo
magnético de la Tierra. Los puntos en la figura representan el flujo de partículas
DESARROLLO TEÓRICO
52
que llega del Sol. Las líneas de fuerza del campo magnético están aplastadas del
lado opuesto. A este fenómeno se le llama magnetosfera.
Sin embargo, la magnetización remanente de todas las capas intermedias
está orientada en forma antiparalela a la actual. Se piensa que una inversión
completa del campo magnético de la Tierra toma de 1.000 a 10.000 años. No se
sabe a ciencia cierta el motivo de estas inversiones, pero sí se ha podido predecir
estos resultados mediante un modelo de las dínamos acopladas
electromagnéticamente. Se ha probado que, bajo condiciones apropiadas, un
acoplamiento entre dos sistemas de dínamos auto excitantes puede causar
inversiones repetidas del campo magnético. Sin embargo, el problema de la
inversión del campo sigue estando abierto, así como la discusión de las
implicaciones que este fenómeno posee.
Una importante utilidad del campo magnético terrestre es que nos protege
del viento solar. El viento solar es un plasma, gas de hidrógeno casi
perfectamente ionizado, que emana del Sol, habiendo sido parte de la corona
solar. La velocidad del flujo del plasma es de 300 a 400 km/seg en condiciones
normales y puede llegar a 800 km/seg en una tormenta. En la figura 3.16. se
muestra un ejemplo de una simulación de la interacción entre el viento solar y el
campo magnético. Cuando el modelo de la Tierra no tiene campo, el plasma hace
impacto directo con la superficie.
En cambio, cuando se le conecta un fuerte imán, el plasma se desvía y se
forma una cavidad alrededor del modelo de la Tierra. La enorme cavidad natural
en torno a la Tierra es conocida actualmente como la magnetosfera y su larga
cola debida al viento solar en dirección opuesta al Sol es llamada cola
geomagnética. Las partículas cargadas, principalmente electrones y protones,
quedan atrapadas en diferentes ''cinturones'' de energía llamados cinturones Van
Allen. Sus órbitas están confinadas en un plano ecuatorial alrededor de la Tierra
debido al campo magnético. Hay dos cinturones de electrones, aproximadamente
a 2.000-5.000 y 13.000-19.000 kilómetros sobre la superficie de la Tierra, y los
protones parecen estar distribuidos en capas intermedias. Las partículas en las
capas externas provienen principalmente del viento solar, pero dos de las capas
internas están formadas por rayos cósmicos.
DESARROLLO TEÓRICO
53
Así pues, el campo magnético terrestre constituye una defensa para la
Tierra de las partículas cargadas que permanecen en órbitas que oscilan de norte
a sur del ecuador magnético en los cinturones Van Allen.
Lo que sucedería durante una inversión de la dirección del campo como la
que hemos mencionado, produciría necesariamente un periodo grande de años
en que el campo magnético sería muy pequeño o nulo y las radiaciones sobre la
superficie muy intensas. Ha habido muchas especulaciones sobre esto, unidas a
la evolución de las especies. Tal vez la radiación intensa al penetrar en las
células logre alterar las moléculas de ADN de los cromosomas, modificando las
características hereditarias de los seres vivos. Haciendo desaparecer unas
especies y apareciendo otras.
Ciertamente, éste no podría ser considerado como el mecanismo único
para la evolución, pero podría colaborar a entender la súbita aparición o
extinción simultánea de algunas especies en todo el mundo, en sitios donde los
argumentos de adaptación al medio no son válidos por tratarse de medios muy
variados. La verificación de estas hipótesis está en proceso y requiere de muchas
observaciones en lugares adecuados en donde se pueda afirmar que el
magnetismo original no ha sido alterado.
DESARROLLO TEÓRICO
54
4. AGUJAS Y COMPASES MAGNÉTICOS
4.1. MENCIONES CIENTÍFICAS SOBRE EL IMÁN
Eudoxio de Gnido, discípulo de Platón, experimento con la fuerza atractiva
del imán a través de anillos de cadenas, citando el vocablo “magnético” como
derivado de Magnesia donde se encontraba el hierro.
Falconet demostró que la magnetita o hierro imantado se orientan de
modo aproximado en dirección Norte-Sur.
Lucrecio (95-53 a. C.) escribió que los imanes, atraen a una cierta
distancia y magnetizan el hierro y también lo repelen, fenómeno debido a una
intensa corriente de átomos que salieron de la piedra imán dejando un vacío
hacia donde se precipita el hierro, no ocurriéndoles lo propio a otros cuerpos por
su excesivo peso. Añadiendo que el imán transmite al hierro la propiedad
atractiva.
Plinio (26 a. C.) subiendo al monte Ida, observó como sus zapatos
provistos de clavos de hierro eran fuertemente atraídos por el suelo, al investigar
la tierra, para encontrar la causa encontró la piedra imán, denominándola
magnética en recuerdo de Magnes.
El geógrafo árabe Abu-Abdallah (1099-1164) menciona por primera vez
dentro de la literatura europea la polaridad del imán, para otros ya lo habría
hecho Plutarco.
4.2. UTILIZACIONES DE LA AGUJA MAGNÉTICA
Como cita Martínez-Hidalgo en su libro de Historia y leyenda de la aguja
magnética, cuenta que hacia el año 2600 a. C., el emperador Hoang Ti construyó
DESARROLLO TEÓRICO
55
un carro que llevaba montado los cuatro puntos cardinales representados por un
ratón y un caballo, llamada carroza magnética, para dirigir a sus tropas [51].
Consistía en una aguja flotando libremente sobre el agua que hacía mover
el brazo de una pequeña figura que señalaba al sur, por superstición, ya que del
norte venían los genios malignos y los vientos polares.
Figura 4.1. Carro magnético y disposición interior del indicador.
Fuente: Martínez-Hidalgo, 1946, p. 17
Se dice que en Japón ya conocían las agujas magnéticas debido a las
arriesgadas expediciones que realizaban y que llegaron a América antes que
nuestros antepasados.
Hay autores que creen que en China, Corea y las islas de Japón ya se
guiaron por mar, con la brújula. Siendo conocedores del error en la orientación
de la aguja, midiendo la amplitud de dicha variación.
En China, por la excesiva movilidad de sus agujas nadantes o brújulas
acuáticas, las reemplazaron en el siglo XII por agujas que se movían libremente
por el aire, aunque suspendidas de un hilo de algodón, según el procedimiento
llamado hoy suspensión a lo Coulamb, y que usó antes que nadie Gilbert en
Europa Occidental [18], [32].
DESARROLLO TEÓRICO
56
Las primeras obras escritas donde se mencionaba al compás fueron: en
occidente la de Alexander Neckham y en China la de Chu Yu ambas aparecidas
en el siglo XII.
4.3. EVOLUCIÓN EN LA ORIENTACIÓN HASTA LLEGAR A LA AGUJA
MAGNÉTICA
La observación de la estrella Polar, fue el método de orientación utilizado
con anterioridad hasta la aplicación del imán. Cuando este apareció, resultó una
forma alternativa de orientarse mediante un pedazo de piedra imán, que era
lanzada al mar montada sobre un flotador, o dentro de un recipiente lleno de
agua que se afirmaba a una tablilla de madera, empezando a dar vueltas hasta
alcanzar una posición de reposo, en cuyo momento permitía determinar el eje
longitudinal que señalaba de forma aproximada la dirección Norte-Sur.
Figura 4.2. Primeros artificios ideados por navegantes para hallar el meridiano.
Fuente: Martínez-Hidalgo, 1946, p. 31
A principios del siglo XIII se generalizó entre los navegantes genoveses,
venecianos, catalanes y mallorquines el uso de las calamitas (flecha imantada)
de diferentes tipos:
1. Calamita primitiva (a): era una aguja con la extremidad norte aguda.
2. Calamita clavada en un listón de madera (b).
3. Calamita en flor de lis (c).
DESARROLLO TEÓRICO
57
En 1269 Pedro el Peregrino describió el perfeccionamiento de la aguja,
montando sobre un pivote de metal una aguja magnética de poco peso,
encontrándose esta en condiciones de girar libremente alrededor de sí misma
[16].
Esta aguja consistía en un recipiente redondo de vidrio o cristal cuyo
centro era atravesado por un eje de latón o plata con 2 perforaciones en ángulo
recto; siendo atravesado uno de ellos por la aguja de hierro imantada, indicadora
de la línea Norte-Sur; y por el otro una de plata o cobre que señalaba la línea
Este-Oeste. Los cuatro puntos cardinales se marcaban en la tapa y a su vez los
arcos comprendidos entre ellos se señalaban también con 9 divisiones,
representando cada 10º. Sobre dicha tapa, una alidada permitía tomar ángulos
azimutales.
Figura 4.3. Aguja magnética, según Pedro de Maricourt (1269)
A finales del siglo XIII se pegó un alambre “trocado” a un compás marino
o Rosa de los Vientos de 32 puntos, llegando a ser la primicia del compás
magnético.
4.4. HISTORIA DE LA ROSA DE LOS VIENTOS
Los navegantes antiguamente navegaban por medio de las estrellas y el
sol, pero cuando las circunstancias no dejaban observarlos, se guiaban mediante
el viento [59].
DESARROLLO TEÓRICO
58
Fotografía 4.1. Torre de los vientos Atenas
Los griegos diferenciaban ocho vientos diferentes empezando desde el
norte y en sentido de las agujas del reloj: Bóreas, Kaikias, Apeliotes, Euros,
Notos, Lips, Céfiro y Skiron. Estos términos fueron acogidos en todo el
mediterráneo .
Una vez que la fuerza política fue trasladándose a Italia estos nombres
cambiaron y dieron paso a los siguientes: Tramontana, Greco, Levante, Sirocco,
Mezzodi, Libeccio, Ponente y Maestro. Estos nombres se extendieron por el
mediterráneo y cogieron gran fuerza. Con el adelanto en la navegabilidad de los
barcos, pronto estas ocho direcciones se convirtieron en dieciséis. Las ocho
principales mas otras ocho intermedias.
La primera rosa de los vientos surge en la carta Pisana. En ella podemos
encontrar dos grades círculos. Dieciséis líneas salen en forma radial de los
centros de estos. Al llegar a la circunferencia, las líneas regresan como si fueran
rayos reflejados, creando un efecto ligeramente alucinante. Con una dosis de
imaginación el círculo resultante y sus dieciséis puntas recuerdan a una flor
estilizada, con pétalos puntiagudos. Esta es la rosa de los vientos.
En el norte de Europa nunca se adoptaron los términos empleados por los
italianos para nombrar los vientos. Aquí se utilizaban términos germánicos que a
DESARROLLO TEÓRICO
59
la larga se demostraría que eran más sencillos a la hora de nombrar los rumbos
intermedios.
De los dieciséis rumbos se paso a los 32 que sería el más extendido. En la
actualidad los 32 puntos han sido reemplazados por el sistema sexagesimal de
360º de círculo
4.5. DECLINACIÓN E INCLINACIÓN
El 13 de septiembre de 1492, surgió un problema, cuando Colón en su
primer viaje descubrió que la declinación variaba de un lugar a otro.
En 1537 Pedro Núñez descubre la influencia de los hierros de abordo
desviando la aguja magnética y revela las perturbaciones en los parajes donde
abundan las sustancias ferruginosas.
Otra etapa importante en la historia del magnetismo la señala Halley, con
sus campañas marítimas realizadas los años 1698, 1699 y 1709, al objeto de
mejorar los métodos para obtención de la Longitud geográfica y estudiar la
declinación del compás náutico, levantó cartas de líneas isógonas y estableció la
diferencia entre los polos geográficos y magnéticos.
La inclinación magnética fue descubierta en Londres en el año 1576 por el
navegante e instrumentista inglés Roberto Norman, al observar que la rosa de un
compás sin imantar permanecía en equilibrio y rompía dicho estado para
inclinarse, cuando era imantada.
4.6. EVOLUCIÓN DEL COMPÁS MAGNÉTICO A LA BITÁCORA
Hacia el año de 1519 se generalizó el colocar los imanes debajo de la rosa,
formando ángulo con la línea Norte-Sur, con el propósito de corregir
permanentemente el desvío y las agujas de este tipo se decía que llevaban los
DESARROLLO TEÓRICO
60
“imanes trocados”. Aunque tal costumbre parece ser anterior al descubrimiento
de América.
Figura 4.4. Aguja con los “aceros trocados”
Las planchuelas imantadas tenían formas triangular o romboidal, si se
empleaba una sola, elíptica, adrizándose en los extremos Norte-Sur y en ángulo
recto, correspondiéndose con el vértice al Norte de la rosa, debajo de la flor de
lys, cuando los imanes eran dos. La imantación de los hierros o aceros se hacía
más intensa y duradera que antes.
En esta época Girolamo Cardano (1501-1576), científico italiano, creó la
llamada suspensión cardan, que supuso la base del moderno giroscopio. Esta
suspensión consta de unos anillos con ejes diametralmente opuestos que hacen
que el compás instalado en su interior nunca pierda su horizontalidad, por
balanceos ni cabeceos.
En el siglo XVII el compás magnético utilizado consta de una caja de
madera redonda, cerrada en su parte superior mediante un cristal, un estilo
erguido en el centro soporta la rosa; estando los imanes fijados en ella por su
parte inferior. La caja se encuentra suspendida horizontalmente dentro de un aro
de latón, de este modo ella misma se nivela con el plano del horizonte, aunque el
barco adquiera cualquier tipo de inclinación. Los imanes son dos con sus
extremidades unidas, o uno con la extremidad puntiaguda, el cual desempeña su
cometido de un modo más suave y seguro.
DESARROLLO TEÓRICO
61
En 1643, Jorge Fournier habla de la instalación de una bitácora a bordo,
una especie de armario situado al pie del palo de mesana, dividido en tres
compartimentos, uno de ellos destinado a alojar el fanal y los otros para las
agujas, colocadas en el sentido de la eslora, de tal modo que el timonel siempre
tenga una a la vista en cualquier posición que se coloque.
En el siglo XVIII empiezan a fabricarse imanes artificiales y los físicos
discuten sobre métodos, clases de aceros y forma de las planchuelas.
Figura 4.5. Bitácora de mediados del siglo XVII
Inicialmente se usaban planchuelas de forma romboidal que tras
investigaciones una gran mayoría se decantaría por las rectas.
En esta época, el médico Gowin Knight (1713-1772), invento una maquina
para crear imanes artificiales, que resultaron ser mas potentes que los creados
con métodos antiguos. La máquina incluía dos cargadores con ruedas, que
pesaban más de doscientos veinte kilos cada uno. Cada cargador incluía
doscientos cuarenta imanes de barra fuertemente amarrados. Si se acercaban
los dos cargadores entre sí, se imantaba con fuerza cualquier barra de acero o
aguja de compás que se colocara entre ambos [27].
DESARROLLO TEÓRICO
62
Fotografía 4.2. Máquina magnética del doctor Gowin Knight,
para fabricación de imanes artificiales
La aguja náutica de esta época esta formada por dos cajas de madera,
una cuadrada y otra redonda, llamadas mortero, con un círculo de cartón
llamado rosa, en cuya parte superior están las líneas que se llaman vientos, y en
la parte inferior una o dos barritas de acero bajo la línea Norte- Sur, con un
chapitel de cobre en el centro u otro material que no fuese hierro, perpendicular
al mortero, dos esferas de latón o cobre con los ejes encontrados, que
mantienen al mortero dentro de la rosa paralelo al horizonte, y un vidrio que
tapa el mortero, para que el viento no perturbe la rosa y se vea su movimiento.
Para el gobierno del barco se empleaban dos agujas que iban dentro de la
misma bitácora, para prevenir la posible avería de una. Produciéndose
perturbaciones entre ellas al estar dentro de la misma bitácora, pero podía más
el miedo a quedarse sin aguja.
En el siglo XIX se empezó a utilizar el hierro en la estructura de los barcos.
Esto creo un gran problema, ya que el metal perturbaba la aguja. Por tanto había
que descubrir un método para corregir este error.
El capitán Flinder, durante una campaña entre 1801 y 1803, para el
levantamiento hidrográfico de las costas de Australia, apreció, que varias
marcaciones a puntos de tierra, diferían hasta 10º, cuando el buque navegaba
arrumbando Este-Oeste; siendo esta nula o casi nula con la proa al Norte- Sur.
Llegando a la conclusión de que el desvío del compás dependía de la dirección de
la proa del barco y era directamente proporcional a la inclinación magnética. Para
DESARROLLO TEÓRICO
63
contrarrestar el desvío provocado por la herrería del barco, sugirió que se
instalara una barra de hierro viejo, lo bastante larga como para que al depositar
un extremo en la cubierta, el otro esté a la misma altura que la rosa del compás
[24], [25], [34].
En 1824, Peter Barlow para compensar el desvío, introdujo el “platillo
corrector”, que consistía en dos placas de hierro, separadas por otra de madera,
formando las tres un disco atravesado por un eje de cobre perpendicular a una
de las caras de la bitácora, en donde se afirmaba a una pieza de madera en
libertad, subiendo o bajando por una especie de ventana. La bitácora tenía
movimiento alrededor de un eje vertical, y como el platillo corrector podía
igualmente acercarse o alejarse de la aguja, corriendo a lo largo de su eje,
obtuvo un compensador con tres movimientos, respecto a la rosa, en altura, en
distancia y a su alrededor [7].
Figura 4.6. Compensador de Barlow
William Scoresby (1789-1857) inventó agujas de acero duro laminado que
retenían más el magnetismo; propuso un compás de agujas múltiples, demostró
que el casco de los barcos se polarizaba de forma no permanente en su
construcción. Demostró que el magnetismo de los hierros del barco variaba
cuando se pasaba el ecuador, lo que supuso un avance a la hora de determinar y
estudiar lo que actualmente conocemos como rumbo de grada [69].
DESARROLLO TEÓRICO
64
Airy, tras varias experiencias hechas a bordo de dos buques de hierro,
clasificó los desvíos en tres clases; constante, semicircular y cuadrantal, esta
última la introdujo en 1839 [3].
De 1837 a 1840, mejoró la aguja, naciendo la “Aguja Magistral” tipo
almirantazgo, susceptible de ser empleada como aguja de gobierno o aguja
azimutal. Siendo las características principales de esta aguja:
1. Mortero de cobre, bastante grueso, para aminorar las oscilaciones de la rosa.
2. Rosa constituida por cuatro barritas de acero fuertemente imantadas.
3. Estilo al que se ajustaba una punta osmio-iridio debajo del chapitel y una
piedra de ágata o un rubí.
No obstante William Thomson (Lord Kelvin 1824-1907) creó un compás más
preciso y una bitácora que incorporaba esferas compensadoras de hierro dulce,
imanes internos ajustables y la barra flinder [25], [75], [76].
Fotografía 4.3. Compás de Sir William Thomson 1882
DESARROLLO TEÓRICO
65
4.7. AGUJAS MAGNÉTICAS
Los marinos fueron depositando su confianza en la aguja Thomson, a la
que fueron aportando mejoras al modelo inicial, pudiendo resumirse todas en dos
grandes grupos: Agujas secas y Agujas de líquido.
El sistema de dichas agujas, está formado por un cierto numero de pares
situados simétricamente respecto al eje de giro, o usando imanes circulares con
cuatro polos (2 Norte y 2 Sur). El conjunto de imanes esta unido a una rosa
graduada con los rumbos, generalmente de material plástico. En su centro tiene
un chapitel que se apoya en un pivote vertical con punta afilada, el estilo, para
mínimos rozamientos. Rosa, chapitel y estilo están alojados en el mortero, caja
circular con una tapa de cristal que la cierra herméticamente. El mortero se
instala dentro de un habitáculo denominado bitácora a través de un soporte,
mediante una suspensión cardan. En el interior del mortero y en los extremos de
un diámetro están grabados unos trazos, que se hacen coincidir con la línea
proa—popa, determinando la línea de fe.
El mortero esta relleno de líquido, antiguamente mezclas de agua y alcohol
(al objeto de no congelarse en navegaciones por altas latitudes). Actualmente
son líquidos anticongelantes que referencia cada fabricante, advirtiendo de no
usar alcohol debido al deterioro que pudiera sufrir la pintura de la rosa. En estas
agujas llamadas de líquido la rosa tiene en su centro un flotador que hace
disminuir el peso y contribuye a mejorar sus propiedades.
4.7.1. AGUJAS SECAS
Figura 4.7. Esquema del mortero Thomson. Fuente: Martínez-Hidalgo, 1946, p. 217
DESARROLLO TEÓRICO
66
La cualidad primordial de la aguja Thomson con respecto a las anteriores,
estriba en su mayor sensibilidad. Esta condición, la obtuvo gracias a una rosa de
muy poco peso, aproximadamente siete veces menor que las rosas de las agujas
de líquido. Quizás uno de los adelantos más notables que supuso la aguja
Thomson, es el de poder compensar en ella los desvíos en la forma imaginada
por Airy, método hasta entonces considerado impracticable por casi todos los
técnicos, que tenían prevención a colocar imanes y masas de hierro dulce en
torno de la bitácora.
Los medios empleados en la aguja Thomson para obtener dicho resultado
y que han permanecido hasta la actualidad, son: imanes, esferas de hierro dulce,
barra flinder y corrector de escora [55].
4.7.2. AGUJAS DE LÍQUIDO O DE FLOTADOR
Las elevadas velocidades de los modernos buques de guerra dan lugar a
fuertes trepidaciones que trastornan las agujas secas. También en los barcos
mercantes rápidos ocurre algo similar, sobre todo al estar propulsados por
motores, y hasta en los antiguos de vapor que aunque menos veloces, acusaban
dichas trepidaciones cuando navegan en lastre. Por tales causas fueron
imponiéndose más las llamadas AGUJAS DE LÍQUIDO, debido a que en ellas son
menores las perturbaciones por vibración.
Figura 4.8. Flotador de la aguja Magnaghi.
Fuente: Martínez-Hidalgo, 1946
Dentro de las agujas de líquido existe una gran variedad de tipos que
responden a las distintas necesidades y exigencias de los barcos. A continuación
se describen en líneas generales los más característicos
DESARROLLO TEÓRICO
67
El centro de gravedad del sistema giratorio debe de estar por debajo del
centro de suspensión del mismo para garantizar la horizontalidad al actuar la
fuerza de la gravedad en contra de la inclinación producida por el efecto de la
componente Z del magnetismo terrestre [51].
Figura 4.9. Dibujo de bitácora y detalle de su interior donde se ubican los imanes
Bitácora que va provista en su parte superior de cubichete, para
protección del mortero, que permite a su vez adaptar lantias. En proa lleva un
estuche metálico para el alojamiento de la barra flinder y lateralmente unos
soportes capaces de sostener las esferas de hierro dulce. A popa actualmente
lleva un clinómetro y en el interior los orificios para alojar los imanes
longitudinales y transversales empleados en la compensación accediéndose a los
mismos a través un registro, para ajustar el imán de escora, dispone de un
hueco cilíndrico en la misma vertical bajo el centro de la rosa, al que se accede
elevando el mortero 90º. Se llama aguja magistral a la mejor situada en un
buque, con un sistema de compensación completo, mientras que la de gobierno
se instala a proa del timonel, caso de no reflejarse la primera a través del
convencional sistema telescópico.
DESARROLLO TEÓRICO
68
4.7.2.1. AGUJA PLATH-GEOMAR
Figura 4.10. Sistema orientador de una aguja Plath-Geomar
El mortero es de latón pudiéndose apreciar el detalle de los elementos que
contiene en las siguientes figuras de la parte inferior. Como características más
destacadas se señalan las siguientes:
a. Rosa de mica.
b. Sistema magnético formado por dos imanes cilíndricos de ALNICO (aluminio, níquel, cobalto y hierro) dispuestos paralelamente al eje 00 - 180° y con sus extremos formando un ángulo de 30° con el centro de giro. c. Sistema antivibratorio que sirve de soporte al sistema orientador. d. Flotador de fondo elástico ondulado para absorber las pequeñas dilataciones del líquido sustentador. e. Mezcla de agua destilada y alcohol en partes iguales. f. Posiciones del chapitel y estilo invertidas. El chapitel va unido al sistema antivibratorio y el estilo o zafiro forma parte del flotador. g. Anillos elásticos para absorber las dilataciones de la mezcla. h. Aro del mortero de bronce, con graduación de 0º a 360°. i. Cristal del fondo deslustrado.
La bitácora es de madera de teca con cubichete de latón, dotada de
iluminación eléctrica regulable en su interior. Provista de soportes y alojamientos
para imanes correctores y clinómetro.
DESARROLLO TEÓRICO
69
4.7.2.2. AGUJA DE REFLEXIÓN Y DE PROYECCIÓN
Diseñadas especialmente para puentes de gobierno donde la instalación
de una bitácora no sea posible por razón de espacio o difícil compensación.
Las primeras tienen más aceptación por dar una imagen más nítida y precisa, las
segundas no se pueden utilizar para tomar marcaciones en razón del sistema de
iluminación que llevan sobre la rosa.
Se instalan normalmente en el puente alto y sus indicaciones son de
mucha garantía, al afectarle menos los materiales magnéticos del barco. Existen
otros sistemas que combinan las dos soluciones, reflexión y proyección.
4.7.2.3. AGUJA DE SOBRECUBIERTA
Utilizada en aquellos casos en los que no sea posible instalar una bitácora,
adecuadas para embarcaciones pequeñas.
Figura 4.11. Esquema de una aguja sobrecubierta
semi-hansa de Plath-Geomar
DESARROLLO TEÓRICO
70
4.7.2.4. AGUJAS CON AUTOTIMONEL
Concebidas para barcos que no instalan equipos giroscópicos. En esencia
constan de tres unidades principales: aguja con detector, cuadro amplificador y
de maniobra, y unidad de alimentación eléctrica. Suspendido debajo del mortero
se encuentra el detector del flujo magnético sensible a la posición de los imanes
de la rosa, proporciona una salida eléctrica de amplitud variable, relacionada con
el ángulo que forma el campo magnético y el detector. El detector envía una
señal al amplificador y como resultado funciona el autotimonel.
Entre otros modelos de este tipo de aguja se cita el MK.2 de la casa
SPERRY, que obtiene el rumbo ajustando un anillo graduado a 360º.
4.7.2.5. AGUJAS CON TRANSMISIÓN A DISTANCIA
Los datos de la aguja magistral o de gobierno son transmitidos a
repetidores mediante sistema eléctrico concebido este para que no afecte de
forma alguna a sus indicaciones. El sistema es análogo a las agujas con
autotimonel. Están indicadas para los casos en que se necesita el rumbo
simultáneamente en varios sitios y también cuando, por razones de instalación o
la aguja no está montada en el puente.
4.7.2.6. AGUJAS PARA EMBARCACIONES RÁPIDAS
Este tipo de barcos con sus grandes aceleraciones, necesita agujas
especiales capaces de contrarrestar sus efectos. Son varias las casas
constructoras que tienen modelos en el mercado, la firma PLATH dispone del
modelo T12, útil en embarcaciones que desarrollan velocidades hasta 50 nudos.
DESARROLLO TEÓRICO
71
4.7.3. EMPLAZAMIENTO DE LOS COMPASES MAGNÉTICOS
Aún cuando normalmente los barcos tienen fijado de proyecto, el lugar de
emplazamiento y se entregan con la instalación realizada, es muy conveniente
saber las normas que se deben seguir en la elección y características de la
instalación del primero y la forma práctica de realizar la segunda.
Se tendrá en cuenta lo siguiente:
1. Estará situada en el plano longitudinal y empernada a una plataforma
sólida que no multiplique las trepidaciones del barco. 2. Que no esté rodeada de planchas de hierro o acero que la apantallen.
3. Los circuitos de c/c de un solo cable deben estar formados por conductores
de ida y vuelta, lo más cerca posible uno del otro y ambos a la misma distancia de la aguja en toda su longitud.
4. Los cables que vayan a la bitácora serán lo más cortos y directos posibles.
5. La intensidad de corriente en las lámparas que iluminan la rosa no
excederá de 0,6 amperios. Tales lámparas estarán situadas de forma que ninguna parte con tensión esté a una distancia inferior a 180 mm de cualquier elemento del sistema magnético de la aguja.
6. Buenas comunicaciones con la caseta de derrota, en las de gobierno y
respeto.
7. Tabla de distancias mínimas de aparatos a las agujas.
El barco estará debidamente adrizado, en el lugar se trazará con tiza una
línea que coincida con la línea Pr-Pp, sirviendo de referencia para ello las
costuras de cubierta y las distancias a los costados.
La base quedará promediada por la línea y sobre el mortero se coloca una
regla grande de forma que uno de sus cantos enrase con las dos marcas de la
línea de fe. Por los extremos se dejan caer dos plomadas que deben coincidir con
la línea de la tiza, haciéndola girar caso de que esto no sucediese.
DESARROLLO TEÓRICO
72
4.8. DIFERENTES MÉTODOS DE COMPENSACIÓN
Como introducción podemos decir que existen varios tipos de correctores
empleados en la compensación:
A. Imanes Horizontales Longitudinales y transversales.
B. Imanes Verticales.
C. Hierro dulce: Esferas y Barra flinder.
A. Los imanes horizontales sirven para compensar parte del desvío
semicircular, concretamente los desvíos producidos por los hierros duros P y Q ,
que forman parte de los coeficientes B y C ; se fabrican de acero con cobalto o
tungsteno y van pintados de rojo y azul indicando el polo norte y sur del imán.
Los imanes longitudinales suelen ir colocados en pareja en casillas dobles,
mientras que los transversales van en casillas simples; en ambos tipos de
imanes intentaremos mantenerlos alejados de la rosa.
El número de grados que compensa un imán en la hipotética casilla nº 1,
en un lugar para cualquier valor de H se llama potencia relativa y si el lugar
tuviera un 1=H , potencia absoluta.
B. Los imanes verticales van alojados en un estuche que se puede acercar
o alejar de la rosa, llamado corrector de escora, pues sirve para compensar el
desvío producido por la escora. En este estuche se pueden alojar uno o varios
imanes, aunque algunas bitácoras llevan un solo imán de tamaño considerable
colgado de una cadenita.
C. Las esferas sirven para compensar el desvío cuadrantal concretamente
el coeficiente D y E que dependen de las varillas “a” y “e” puesto que las varillas
“d” y “b” suelen ser despreciables. Se colocan sobre unos soportes en el plano
transversal del compás y se suele tener la costumbre de pintarlas, de verde
estribor y rojo babor. Las esferas imantan en función de la componente
horizontal H , aunque tienen un pequeño influjo de la componente vertical Z .
DESARROLLO TEÓRICO
73
La compensación consiste más que en anular los desvíos o reducirlos al
máximo. Puede ser preliminar o provisional y definitiva, pero existe un método
más práctico y menos laborioso que es la compensación reducida, que puede
utilizarse cuando no existen hierros dulces asimétricos [29], [30], [55].
Puede haber dos formas generales de compensación:
1. Igualando las fuerzas directrices, que se realiza con el desviador y que veremos mas adelante, utilizándolo sobre todo para rectificación de la compensación.
2. Anulando las fuerzas perturbadoras provisional o definitivamente.
4.8.1. COMPENSACIÓN PRELIMINAR
Consiste en colocar los imanes horizontales y las esferas en un único
lugar, aunque también se puede practicar la compensación del desvío de escora.
Uno de los métodos consistirá en ir arrumbando sucesivamente a los rumbos
cardinales y a uno cuadrantal, anulando los desvíos por orden sucesivo o la parte
correspondiente a medida que van apareciendo.
Tenemos que:
RERsenCRCRsenBA 2cos2cos ++++=∆
Poniendo proa al mN tenemos que:
ECAn ++=∆
Como A y E dependen de los hierros dulces disimétricos que
despreciamos, atribuiremos el desvío al norte al coeficiente C que depende de Q
y lo anularemos con un imán transversal. Un desvío debe ser anulado por un
hierro de la misma especie que el que lo produce. Entonces colocaremos en la
casilla correspondiente la siguiente regla de polaridad:
Si el +=∆ n 1 Imán transversal con el rojo a estribor.
Si el −=∆ n 1 Imán transversal con el rojo a babor.
DESARROLLO TEÓRICO
74
Anulando el desvío hemos alterado el valor del coeficiente C al que
llamamos 1C .
01 =++=∆ ECAn
EAC +=−
A continuación ponemos la proa al sur, por ejemplo, porque tiene estrecha
relación con el norte.
ECAs +−=∆ 1
EAC +=− 1
Pero
( )EAEEAAs +=+++=∆ 2
EAs+=
∆2
Vemos que la mitad del desvío depende de A y E, luego la otra mitad
dependerá de C. Es decir, con proa al sur anularemos la mitad del desvío
rectificando la posición del imán transversal, bajándolo o subiéndolo a otra
casilla.
Si =∆ s signo que n∆ , bajar el .. TI
Si ≠∆ s signo que n∆ , subir el .. TI
Nos queda un desvío residual EAs+=
∆2
y ponemos proa al Este.
EBAe −+=∆
Haciendo el mismo razonamiento que al principio, atribuiremos todo el
desvío al coeficiente B que depende principalmente del imán P , luego lo
anularemos con los imanes longitudinales:
Si +=∆ e con los rojos a proa.
Si −=∆ e con los rojos a popa.
DESARROLLO TEÓRICO
75
Los desvíos al E y W suelen ser mayores que los de N y S debido a la
forma de los buques. Por esta razón se colocan parejas de Imanes Longitudinales
( ..LI ). Anulando el desvío hemos alterado el valor del coeficiente B que le
llamaremos.
01 =−+=∆ EBAe
EAB −=− 1
Ponemos proa al oeste:
EBAw −−=∆ 1 ( )EAEEAAw −=−−+=∆ 2
EAw−=
∆2
Si la mitad del desvío depende de A y E la otra mitad será debido a 1B ,
que anularemos rectificando la posición de los imanes longitudinales.
Si =∆w signo que e∆ , bajar los dos .. LI
Si ≠∆w signo que ∆e, subir los dos .. LI
Nos queda un desvío residual
EAw−=
∆2
Tenemos:
EAw−=
∆2
y EAs+=
∆2
Con lo que:
222 ⎥
⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆+⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆
=
ws
A 2
22 ⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡⎟⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆−⎟
⎠⎞
⎜⎝⎛ ∆
=
ws
E
Si ponemos finalmente proa al EN , por ejemplo, una vez anulados los
coeficientes B y C , la fórmula del desvío nos quedará:
DAen +=∆
DESARROLLO TEÓRICO
76
Con proa a otros rumbos cuadrantales quedaría:
DAws +=∆
DAes −=∆
DAwn −=∆
Vemos que los desvíos dependen principalmente del coeficiente D , que es
producido por las varillas horizontales simétricas ""a y ""e que anularemos con
las esferas de hierro dulce colocadas simétricamente con respecto al compás
magnético. Despreciaremos E y existen unas tablas náuticas en las que se entra
con el diámetro de las esferas y el desvío y obtenemos la distancia a colocarse
desde el centro de la rosa hasta el extremo interno de las mismas.
4.8.2. COMPENSACIÓN DEFINITIVA
Para ello se precisa de dos lugares mediante cambio de posición
geográfica. En primer lugar se realiza una compensación preliminar como se
indica anteriormente, colocando imanes horizontales y esferas, anulando el
desvío cuadrantal y parte del desvío semicircular.
En un segundo lugar se hallan los coeficientes 2B y 2C por medio de los
desvíos correspondientes. Con la barra flinder se anulan los desvíos producidos
por las varillas ""c y "" f y en general como el valor de "" f es muy pequeño y
la ""c es negativa se suele colocar a proa.
Lo más práctico es subir o bajar los imanes, aproados al mE y mN , hasta
anular los desvíos (al mN porque se anula el desvío producido por B sen 0º = 0
y solo queda C en la ecuación del desvío y al mE solo queda B por la misma
razón cos 90º =0, anulándose C)
DESARROLLO TEÓRICO
77
4.8.2.1. RUMBO DE GRADA
En la orientación de la grada o dique del astillero en el que se arme el
buque, la resultante de las fuerzas producidas por el magnetismo permanente
( P y Q ) tiene la dirección del meridiano magnético, reservando el nombre de
rumbo de grada cuando esa componente tiene dirección sur magnético [29],
[63].
P
Q
BC
tg =ω
Una vez obtenido el ángulo ω , y tratarse de un valor trigonométrico,
aplicaremos la siguiente fórmula.
ω−= º180gR
Figura 4.12. Detalle explicativo de Rumbo de grada
Apuntes de Compensación profesor Peña, J. pág. 193 y 194
También podría definirse como aquél al cual fue construido el buque, en donde el
magnetismo permanente no tiene efecto de desvío sobre el compás.
DESARROLLO TEÓRICO
78
Es útil para la colocación de la barra flinder. Porque permite calcular las
dos partes del coeficiente B ( pB y cB ) y las dos partes del coeficiente C (Cq y
Cf ).
Despreciando la varilla "" f se cumple la expresión:
gRgCBcB cot+=
cBpBB +=
Fotografía 4.4. Buque “SOROLLA” en la grada nº 1 del astillero Hijos de José Barreras de Vigo con orientación al 167º
4.8.3. COMPENSACIÓN REDUCIDA
Habitualmente en las agujas náuticas es usual emplear únicamente el
método de compensación preliminar ya explicado, no colocando, por lo tanto, la
barra flinder. Es frecuente encontrar vacío el estuche donde se aloja la barra en
la bitácora de muchos buques, máxime desde la utilización, cada vez mayor, de
los buenos girocompases [30].
DESARROLLO TEÓRICO
79
Para instalar la barra disponiendo de un único lugar se necesita, de
entrada, conocer el rumbo de grada al cual fue construido el buque, circunstancia
antes desconocida en casi todos los casos por despreocupación o no información
del astillero, además de no querer dar la importancia que debiera requerir, a la
buena compensación de la aguja.
Actualmente, los buques se construyen por secciones, adoptando cada una
de ellas una diferente dirección con respecto al meridiano magnético, y después
de unirlas se forma el imán∞barco. Por lo que el concepto de rumbo de grada ha
dejado de tener su relevancia dentro de la compensación.
Por otro lado en la compensación definitiva hemos visto que se hace
necesario cambiar la posición geográfica para rectificar la preliminar, cosa que en
la realidad no suele llegar a la práctica, por eso aparece la compensación
reducida que es más práctica y eficaz. Este tipo de compensación consiste en
anular los coeficientes en un solo lugar (excepto la varilla ""c ), empleando para
ello únicamente tres rumbos, dos cardinales y uno cuadrantal. Esta
compensación es adecuada para un área geográfica donde los valores de la
componente vertical Z del magnetismo terrestre, no experimenten un cambio de
valor sensible. En el supuesto de sufrir un cambio notable se emplearán técnicas
accesorias.
La diferencia entre la compensación reducida y la preliminar, consiste en
que la segunda necesita el empleo de cinco rumbos, con un giro total de º315 ,
mientras que la primera necesita tres , con un giro en arco de horizonte de º90 .
Esta diferencia justifica las diferencias en los campos de las varillas asimétricas
""d y ""b .
La compensación preliminar no anula el efecto de estas varillas, sino que,
simplemente reparte el efecto de ellas como valor residual de desvío.
Por otro lado las bitácoras clásicas no contemplan la posibilidad de
compensar los efectos de las varillas ""d y ""b ya que las esferas van ancladas
de babor a estribor sin posibilidad de girarlas, que sería el método teórico.
DESARROLLO TEÓRICO
80
En la compensación reducida se desprecia el efecto de las varillas ""d y
""b , así como el efecto de la varilla "" f , todas ellas asimétricas y que, por lo
tanto, en un buque de construcción simétrica, con su aguja instalada en la línea
proa–popa, no tienen razón de existencia.
Resumen de la compensación reducida:
1º Colocar las esferas a la mitad del recorrido.
2º Colocar la mitad de la barra flinder.
3º Colocar el corrector de escora.
4º A continuación empieza la compensación reducida.
Por ejemplo:
NRumbo = → anulamos el desvío con imanes transversales.
ERumbo = → anulamos con imanes longitudinales.
NERumbo = → anulamos con esferas. La razón de colocar antes los imanes que las esferas es que con ellos ya
anulamos prácticamente los coeficientes B y C .
Posteriormente:
- Si aparece desvío (a rumbos E u W ) al aumentar la latitud, se elimina
modificando la longitud de la barra flinder.
- Si aparece desvío (a rumbos E u W ) al disminuir la latitud, se elimina
modificando la posición de los imanes longitudinales. .. LI
Esto es debido a que si vamos hacia los polos aumenta el valor de Z por lo
que aumenta el valor de cB que estaba sin corregir (por defecto o por exceso)
con la barra flinder. En cambio, si vamos hacia el ecuador disminuirá Z y por lo
tanto cB , y el desvío que aparece es debido a la parte de imán permanente que
estaba anulado por exceso o por defecto.
DESARROLLO TEÓRICO
81
5. COMPASES GIROSCÓPICOS
5.1. INTRODUCCIÓN
El giróscopo es una masa tórica, homogénea, pesada y perfectamente
equilibrada que está diseñada para que pueda girar a gran velocidad alrededor
de un eje. Cuando el giróscopo gira a gran velocidad presenta dos propiedades
características: la rigidez y la precesión [79].
Rigidez giroscópica
También llamada inercia giroscópica, es la propiedad que tiene el
giróscopo, una vez que esté girando, de mantener una dirección fija en el
espacio cualquiera que sea la posición o movimiento de su soporte, siempre que
sobre él no actué fuerza alguna para modificar la dirección del eje de giro.
Precesión giroscópica
Fenómeno que se manifiesta únicamente en los cuerpos que giran [2]. Si
sobre uno de los extremos del eje aplicamos una fuerza con objeto de producir
un movimiento giratorio nos encontraremos con una gran resistencia al cambiar
su plano de giro debido a la rigidez giroscópica; el eje del toro no se moverá en
la dirección de la fuerza aplicada, sino que lo hará en ángulo recto a la fuerza
aplicada y al eje de giro, en la dirección que determinará el sentido de rotación
del toro.
A lo largo de los años han ido introduciéndose variaciones al objeto de
obtener una mayor precisión y seguridad de funcionamiento; en aplicación a los
buques, las más frecuentes han sido como pilotos automáticos. También
constituye una parte muy importante en los sistemas de navegación automática
utilizados en aviones, satélites artificiales, misiles, etc.
5.2. ANTECEDENTES HISTÓRICOS
El origen del giróscopo es el trompo. En su giro, el eje describe un cono y
su extremo superior, un círculo alrededor de una vertical que pasa por el punto
de apoyo del trompo [33], [79].
DESARROLLO TEÓRICO
82
Figura 5.1 Peonza en movimiento
El giróscopo, basado en la idea del trompo, fue ideado y construido por
Jean-León Foucault en 1852 para un experimento relacionado con el movimiento
de rotación de la Tierra. Este aparato consiste en un giroscopio simétrico y
centrado, con tres grados de libertad, al estar montado sobre una suspensión
tipo cardán.
Figura 5.2. Giróscopo
5.3. DEFINICIÓN
Como se ha mencionado anteriormente, el giróscopo es un artilugio
constituido por una masa tórica, homogénea, pesada y perfectamente
equilibrada que está diseñada para que pueda girar a gran velocidad alrededor
de un eje; el centro de gravedad del conjunto se encuentra exactamente en la
intersección de sus tres ejes AA’, BB’ y CC’.
DESARROLLO TEÓRICO
83
El giróscopo, presenta dos propiedades fundamentales: la inercia
giroscópica o rigidez en el espacio y la precesión, que es la inclinación del eje en
ángulo recto ante cualquier fuerza que tienda a cambiar el plano de rotación.
Propiedades inherentes a todos los cuerpos en rotación, incluida la Tierra. El
término giróscopo se aplica generalmente a objetos esféricos o en forma de disco
montados sobre un soporte cardánico, de forma que puedan girar libremente en
cualquier dirección.
En navegación, es la rigidez la que se aprovecha para que indique
permanentemente el Norte Verdadero; así, podremos obviar los problemas
relacionados con el magnetismo terrestre. De esta manera nace el compás
giroscópico.
Figura 5.3. Giróscopo de tres grados de libertad
5.4. DESCRIPCIÓN
El giróscopo de tres grados de libertad está montado de manera que su eje
de giro AA’ pueda indicar cualquier punto del espacio, tiene libertad de giro,
además de alrededor de su eje AA’, en inclinación alrededor del eje BB’ en
ángulo recto con AA’ y en azimut alrededor de CC’ en ángulo recto con BB’. El
sistema está equilibrado de tal forma que el centro de gravedad se encuentra en
la intersección de los tres ejes. El equilibrio exacto del sistema evita la aparición
de fuerzas y rozamientos que pudieran dar lugar a efectos de precesión.
DESARROLLO TEÓRICO
84
5.4.1. PROPIEDADES
5.4.1.1. RIGIDEZ GIROSCÓPICA
La rigidez en el espacio de un giróscopo es consecuencia de la primera ley
del movimiento de Newton, que afirma que un cuerpo tiende a continuar en su
estado de reposo o movimiento uniforme si no está sometido a fuerzas externas.
La rigidez se manifiesta por el hecho de que, una vez comunicada al rotor una
rápida rotación, su eje conservará siempre la dirección primitiva, cualquiera que
sea el movimiento que se le dé a su pedestal o soporte. Esto también es cierto
con el rotor parado, pero sólo en el caso teórico de que no existan rozamientos.
La rigidez giroscópica es directamente proporcional a la velocidad de giro del
rotor [77].
a) En reposo b) En movimiento
Figura 5.4. Inercia del giróscopo
Propiedad que permite a los compases giroscópicos mantener la dirección
constante, si esta es el Norte Verdadero, habremos obtenido un aparato que,
ajeno al magnetismo terrestre, señale invariablemente dicha dirección.
DESARROLLO TEÓRICO
85
5.4.1.2. PRECESIÓN
La precesión giroscópica aparece cuando aplicamos un par perturbador (F)
sobre uno de los extremos del eje; encontrándonos con una gran resistencia al
cambiar su plano de giro. El eje del toro se moverá en ángulo recto a la fuerza
aplicada y al eje de giro y en una dirección que queda definida por el sentido de
rotación del toro [77].
Figura 5.5. Rotación del toro
La regla de la precesión es: si la fuerza aplicada F se desplaza 90º en el
mismo sentido que el giro (L) del toro, la nueva dirección de la fuerza F’ nos
señala la dirección en que girará el toro (ND).El valor de la precesión es
directamente proporcional al valor del par perturbador e inversamente
proporcional a la velocidad de giro del rotor.
En la figura 5.6., se observa una fuerza F aplicada sobre el eje X, el
giróscopo reaccionará girando sobre el eje Y en sentido que indica P.
Figura 5.6. Precesión sobre eje vertical y horizontal
DESARROLLO TEÓRICO
86
Pudiendo observar que si la fuerza F que aplicamos es sobre el eje Y, el
giróscopo tiende a reaccionar haciendo girar el rotor sobre el eje Z.
5.4.2. CARACTERÍSTICAS
5.4.2.1. MOVIMIENTO GIROSCÓPICO
Consideremos el ejemplo de un giróscopo, cuyo eje de rotación varía de
dirección. La figura siguiente muestra una rueda de bicicleta que está libre para
girar sobre un eje que pivota en un punto situado a una distancia D del centro de
la rueda pero que es libre para girar en cualquier dirección [77].
Cuando se mantiene el eje horizontal y se deja libre, si la rueda no está
girando, cae simplemente. El momento respecto al punto O es M.g.D en la direc-
ción y sentido indicados en el diagrama de la figura. Al caer la rueda, su
momento cinético debido al movimiento del centro de masas está dirigido hacia
el papel. Como el centro de masas acelera hacia abajo, la fuerza hacia arriba F
ejercida por el soporte en O es evidentemente inferior a Mg .
Figura 5.7. Movimiento angular del toro
Cuando la rueda está girando, el momento cinético respecto al punto O es
el momento cinético respecto al centro de masas, en este caso el momento de
spin, más el momento cinético debido al movimiento del centro de masas.
DESARROLLO TEÓRICO
87
A partir de la figura anterior vemos que el momento es perpendicular al
momento cinético. Con objeto de que el momento cinético varíe en la dirección y
sentido del momento, el eje debe moverse en el plano horizontal, según está
indicado. En el tiempo dt , la variación del momento cinético tiene el valor
dtDMgdtdL == θ .
El ángulo a través del cual se mueve el eje es
LdtDMg
LLdd ==θ
La velocidad angular de precesión es:
Como el centro de masas no cae, el punto soporte evidentemente ejerce
una fuerza hacia arriba igual a Mg .
Sin embargo, si se mantiene horizontal el eje y se deja libre desde el
reposo, el movimiento del eje no queda exactamente en el plano horizontal, si no
que, al principio desciende un poco para, a continuación, ascender verticalmente.
Este movimiento recibe el nombre de nutación.
El movimiento de precesión del centro de masas da como resultado un
pequeño componente del momento cinético PDM θ2 en dirección vertical. Sin
embargo, no existe ningún momento de fuerzas exteriores en esta dirección. Con
objeto de que el eje pueda seguir el movimiento de precesión en el plano
horizontal sin nutación, debe dársele un impulso angular PDM θ2 cuando se le
deja suelto. Si esto no se hace, la componente vertical del momento cinético
total debe permanecer siendo cero. Entonces cuando el eje empieza a realizar el
movimiento de precesión, debe descender un poco de modo que exista una
componente hacia abajo del momento cinético de spin para contrarrestar el
momento cinético vertical debido al movimiento del centro de masas. Podemos
analizar el movimiento cualitativamente desde el momento en que se deja libre
el giróscopo.
LMgD
dtd
p ==φω
DESARROLLO TEÓRICO
88
En el momento de liberación del eje, la fuerza del soporte en O es M.g/2
y la de la mano que lo soporta es M.g/2. Por lo tanto, en el momento de
soltarlo, el centro de masas debe acelerar hacia abajo. Desde este momento la
velocidad angular de precesión aumenta desde cero. Cuando el centro de masas
cae y el eje empieza a tener su movimiento de precesión, aumenta la fuerza en
O. Cuando la fuerza es igual a M.g, la aceleración de centro de masas es cero
pero está moviéndose hacia abajo. Sobrepasando su posición de equilibrio, la
fuerza en O resulta ser mayor que M.g, deteniéndose el centro de masas en su
movimiento hacia abajo y empieza a moverse hacia arriba de nuevo hasta que
llega a estar horizontal de nuevo.
5.4.2.2 EFECTO DE LA ROTACIÓN DE LA TIERRA EN UN
GIRÓSCOPO LIBRE
La Tierra es un gran giróscopo que gira en sentido antihorario si la
observamos desde el Polo Norte; en la figura representamos el vector velocidad
mediante V, que es su módulo y sentido de giro (una rotación cada 24 horas o
15º cada hora).
Figura 5.8. Influencia de la rotación de la tierra en el movimiento del giróscopo
DESARROLLO TEÓRICO
89
Si trasladamos este vector V a un punto de latitud norte y lo
descomponemos según la vertical y la horizontal en dirección del meridiano,
obtendremos:
A = V . cos l y B = V . sen l
De la misma manera, para un punto situado en latitud sur:
A’’ = V .cos l’’ y B = V . sen l’’
Es oportuno hacer resaltar que en O la componente vertical B se dirige
hacia el nadir Z’, mientras que en O’’ la componente vertical B’’ se dirige hacia
el zenit Z’’.
Figura 5.9. Vectores sobre campo
El vector A, en el mismo sentido en ambos hemisferios, representa un giro
del horizonte alrededor de la meridiana deprimiéndose por el Este y elevándose
por el Oeste (Ver figura a).
El vector vertical B, figura b, dirigido hacia el centro de la Tierra,
representa un giro del horizonte alrededor de la vertical en sentido ENWS, es
decir, en sentido contrario a las agujas del reloj.
En ambos casos se puede aplicar la regla del sacacorchos: El sentido
opuesto del vector A representa un giro dextrógiro del sacacorchos (Elevación del
W y depresión del E, en la figura a) y, de la misma manera, el sentido opuesto
DESARROLLO TEÓRICO
90
del vector B, representa un giro levógiro del sacacorchos (Giro del plano del
horizonte en sentido ENWS, en la figura b).
Este movimiento de rotación se manifiesta, para distintos observadores
situados en la Tierra, de la siguiente forma:
a) Para un observador situado en el Polo Norte, la línea norte-sur de su
horizonte girará alrededor de la vertical a una velocidad de 15º por hora, de tal
forma que en un día habrá dado un giro completo de 360º. El sentido de este
giro, para el observador que mira al plano de su horizonte, es contrario al de las
agujas del reloj, es decir, gira hacia el oeste.
b) Un observador situado en el polo sur verá a su horizonte girar a la
misma velocidad que en el caso a), pero hacia el este.
c) Para un observador situado en el ecuador, el plano de su horizonte se
trasladará hacia el este a una velocidad de 900 millas por hora, acompañando a
la Tierra en su movimiento de rotación. La línea norte-sur de su horizonte no
tendrá movimiento alguno de giro, pero alrededor de ella se inclinará el plano del
horizonte, deprimiéndose el extremo este y elevándose el oeste (movimiento
oeste-cenit-este) a una velocidad de 15º por hora, de tal forma que al transcurrir
un día, el observador situado sobre él habrá dado una vuelta de campana
completa.
Figura 5.10. Giróscopo sobre el ecuador
DESARROLLO TEÓRICO
91
d) Para un observador situado en un punto de latitud norte, existirán los
movimientos de giro de la línea norte-sur y de inclinación del plano del horizonte
alrededor de dicha línea. Llamando ρ a la velocidad de rotación de la Tierra y ϕ a
la latitud, se tiene que el valor de la velocidad de giro de la línea norte-sur viene
dado por ρ senϕ, siendo el sentido de este giro el contrario al de las agujas de un
reloj, esto es, norte-oeste-sur-este; y que el valor de la velocidad de inclinación
del horizonte es ρ cosϕ, siendo el sentido en que se realiza este movimiento el ya
indicado oeste-cenit-este.
e) Un observador situado en un punto de latitud sur experimenta los
mismos movimientos que el del punto d), siendo el valor de las velocidades de
giro e inclinación el mismo. Sólo varía el sentido del giro de la línea norte-sur,
que en este caso es norte-este-sur-oeste.
5.4.3. GIRÓSCOPO DE DOS GRADOS DE LIBERTAD
5.4.3.1. GIRÓSCOPO PENDULAR
El giróscopo de dos grados de libertad se consigue restringiendo el
movimiento de inclinación de su eje de giro. Para ello se introduce una fuerza en
el plano vertical que le obligue a precesionar en azimut de modo que tienda a
"buscar" el norte. En el caso del giróscopo pendular se consigue de esta manera:
Se incorpora un peso (figura 5.11) perfectamente centrado en la parte
inferior de la caja del toro, de modo que actué sobre el eje de giro como si
estuviera suspendido de sus extremos. De esta forma el centro de gravedad del
conjunto queda por debajo del centro del giróscopo. Este peso se comporta como
un péndulo, de ahí que se le conozca como peso pendular. Por acción de la
gravedad el peso buscará siempre la vertical que pasa por el centro del giróscopo
tratando de mantener el eje de giro horizontal [65].
Mientras el eje del giróscopo esté horizontal se comportará como el de tres
grados de libertad, pero cuando por la rigidez el eje se incline, arrastrará consigo
al peso sacándolo de la vertical, dando lugar a una precesión en azimut.
DESARROLLO TEÓRICO
92
Si el toro gira hacia la derecha visto desde el extremo S, el extremo N
precesionará hacia el oeste cuando esté por encima de la horizontal, y hacia el
este cuando esté por debajo de ella.
Figura 5.11. Movimiento pendular del giróscopo
5.4.3.2. GIRÓSCOPO BALÍSTICO DE MERCURIO
Consiste en dos depósitos metálicos parcialmente llenos de mercurio,
colocados delante de las caras N y S del giróscopo, y unidos por un tubo de
pequeño diámetro que los convierte en vasos comunicantes. Estos depósitos
están unidos a la caja del toro por medio de un pivote que se introduce en un
alojamiento o guía que ésta tiene practicada en su parte inferior [54].
Al contrario de lo que sucede en el de efecto pendular, en este sistema el
centro de gravedad del conjunto queda, por encima del centro del giróscopo.
Figura 5.12. Giróscopo balístico de mercurio
DESARROLLO TEÓRICO
93
Si el giróscopo permanece horizontal los depósitos tendrán la misma
cantidad de mercurio y todo permanecerá en equilibrio; pero cuando, en virtud
del movimiento de depresión del plano del horizonte, se incline, el balístico se
inclinará con él y se producirá un desplazamiento del mercurio del depósito más
alto al más bajo. Esto producirá una fuerza que tenderá a aumentar su
inclinación. Cosa que no consigue a causa de la rigidez, pero se producirá una
precesión en azimut.
Figura 5.13. Esquema del funcionamiento del giróscopo balístico de mercurio
Puesto que el balístico de mercurio tiende a aumentar la inclinación y el
peso pendular actúa en contra de ella, para conseguir en ambos casos los
mismos efectos de precesión, se hace que el giróscopo con balístico de mercurio
gire según las manecillas del reloj visto desde la cara N. Por consiguiente,
cuando el extremo que hemos dado en llamar N se eleve por encima, de la
horizontal precesionará hacia la izquierda visto desde encima, y hacia la derecha
cuando se deprima por debajo de la horizontal. Dicho de otra forma, el norte del
giróscopo precesionará hacia el oeste cuando esté elevado, y hacia el este
cuando esté depreso.
DESARROLLO TEÓRICO
94
Figura 5.14. Precesión de un giróscopo balístico de mercurio
5.5. APLICACIONES
Las propiedades del giróscopo hacen que tenga diversas aplicaciones,
todas ellas relacionadas con el adecuado direccionamiento de un objeto (marino,
espacial, etc …) o el control permanente de su posición (acelerómetros, etc.).
Los giróscopos constituyen una parte importante de los sistemas de
navegación automática o guiado inercial en aviones, naves espaciales, misiles
teledirigidos, cohetes, barcos y submarinos. Los instrumentos de guiado inercial
de esos sistemas incluyen giróscopos y acelerómetros que calculan de forma
continua la velocidad y dirección exactas del vehículo en movimiento. Estas
señales son suministradas a un ordenador, que registra las desviaciones de la
trayectoria y las compensa. Los vehículos de investigación y misiles más
avanzados también se guían mediante los llamados giróscopos láser, que no son
realmente dispositivos inerciales, sino que emplean haces de luz láser que giran
en sentido opuesto y experimentan modificaciones cuando el vehículo cambia de
dirección. Otro sistema avanzado, denominado giróscopo de suspensión eléctrica,
emplea una esfera hueca de berilio suspendida en un soporte magnético.
Los principales inconvenientes del giróscopo son que requiere alimentación
eléctrica, un cierto mantenimiento y que si falla el suministro de energía, se
precisa de un tiempo considerable para su nueva orientación.
DESARROLLO TEÓRICO
95
5.5.1. GIROCOMPASES
5.5.1.1. AGUJA GIROSCÓPICA DE SPERRY
De esta aguja giroscópica existen diversos modelos, de los cuales se
describe el más típico.
La aguja magistral se puede descomponer en las siguientes partes
fundamentales:
- Elemento sensible
- Elemento fantasma
- Balístico de mercurio
- Soporte araña
- Bitácora
El rotor, instalado en el elemento sensible, pesa unos 24 kgs. y gira a
6.000 r.p.m., siendo accionado por un motor trifásico. Su sentido de giro es el
contrario a las manecillas del reloj, visto desde la cara Sur.
La caja del rotor tiene en su parte inferior un cojinete, ligeramente
descentrado hacia el E., que la conecta al balístico de mercurio. Cada par de
depósitos de éste contiene 226,8 gramos de mercurio.
Cuando el elemento sensible se inclina por efecto de la rotación de la
Tierra, lo hace también el balístico, originándose la correspondiente precesión
orientadora y la de amortiguamiento.
El elemento fantasma sigue todos los movimientos del elemento sensible,
manteniéndose alineado con él por medio del sistema seguidor.
El soporte araña está fijo a la bitácora y lleva, además del anillo de fe,
motor azimutal y correctores, el transmisor, que es el dispositivo que hace
funcionar el sistema de repetidores. El piñón de transmisiones engrana con una
rueda dentada del elemento fantasma situado debajo de la rosa que, a su vez, es
DESARROLLO TEÓRICO
96
movida por el motor azimutal. Por el hecho de encontrarse directamente sujeto
al anillo de fe, todo movimiento que se le dé a éste por efecto de una corrección,
pasa automáticamente a los repetidores. Los transmisores de dos pisos sirven
para la instalación de repetidores adicionales [23].
El rumbo, velocidad y latitud, que son los tres elementos que intervienen
en los desvíos de movimiento y amortiguamiento, se introducen por medio de un
corrector que los combina; el primero por medio de la conexión con la leva
coseno y los otros, directamente, con los tambores correspondientes [72].
5.5.1.2. AGUJA GIROSCÓPICA DE BROWN
El rotor tiene 10 cms. de diámetro y unos 2 kgs. de peso, girando a
14.000 r.p.m. es accionado por C.A. de 70 v. y el sentido de rotación, observado
desde la cara Sur, es el de las agujas del reloj.
Caracterizan principalmente a esta giroscópica la suspensión del aro
vertical que contiene el rotor, y los sistemas de precesión y amortiguamiento. Lo
primero se logra por medio de una bomba de aceite que impulsa hacia arriba, a
razón de 180 veces por minuto, a la espiga que el aro vertical (soporte del rotor)
tiene en su parte inferior. De esta forma siempre hay una fina película de aceite
entre éste y el punto de apoyo, garantizando una reducción al mínimo de los
rozamientos cuando gira el elemento sensible.
Fijos a la caja del rotor van dos pares de depósitos, medio llenos de aceite,
que reciben el nombre de Botellas de Gobierno. Todas ellas tienen una ventanilla
de cristal para apreciar el nivel del aceite.
La gran velocidad a que gira el rotor dentro de su caja da lugar a una
considerable acción centrífuga del aire contenido en ella, lo que se traduce en
una presión efectiva del mismo equivalente a una elevación hidrostática de 76
mm.
El aire entra por los orificios practicados detrás de las aletas de
refrigeración de la caja del rotor y sale por otros orificios que hay debajo de los
DESARROLLO TEÓRICO
97
soportes, a ambos lados de la caja. Cuando el giróscopo está nivelado, la cámara
reparte igual la presión del aire entre los dos juegos de tubos que salen de ella y
van a las botellas de gobierno. Si se eleva un extremo del eje del giróscopo, pasa
más aire por los tubos del punto más elevado de la caja, originándose los
fenómenos de precesión orientadora y amortiguamiento correspondientes, a
causa de los desniveles de aceite ocasionados por la desigual presión del aire.
Cuando el eje del giróscopo vuelve a la horizontal, se restablece el equilibrio de
presiones y no hay precesión.
El sistema de conducción de la corriente alterna que acciona el rotor se
hace a través de tres aros de acero, aislados, situados en la parte superior del
marco fijo de la giroscópica que hacen contacto con otros tres anillos huecos
rellenos de mercurio, que tiene el eje del aro vertical en donde está montada la
caja del rotor.
El sistema seguidor bajo el aro de la línea de fe, pudiendo ser de balancín
aerodinámico o de inducción. El giro del elemento sensible produce, a través de
dicho sistema, el de la rosa de la magistral y la activación del sistema
amplificador para accionar los repetidores.
5.5.1.3. AGUJA GIROSCÓPICA DE ANSCHÜTZ
El elemento sensible consiste en una esfera en cuyo interior hay dos
giróscopos que giran a 20.000 r.p.m. Se encuentra alojado dentro de otra esfera,
en la cual flota bañada en el líquido sustentador. Para evitar que haya roces
entre ambas se emplea una bobina de repulsión situada en la parte inferior del
elemento sensible, que induce en la esfera envolvente una fuerza de repulsión
que la mantiene flotante y centrada a la interior.
El reparto de pesos dentro del elemento sensible es tal que su centro de
gravedad queda muy bajo, lográndose así un efecto pendular fuera de la
horizontal, que se traduce en una precesión orientadora. El amortiguamiento se
consigue gracias a un depósito anular parcialmente lleno de aceite.
DESARROLLO TEÓRICO
98
Figura 5.15. Modelo Anschütz, año 1912, con tres giróscopos
Este depósito se encuentra dividido en compartimientos que se comunican
de forma que el paso del líquido se verifica con retardo respecto al desnivel y de
tal manera, que los efectos de precesión que se originan tienden siempre a
reducir la oscilación alrededor de su posición de reposo.
Para garantizar un funcionamiento uniforme, la conexión de un termostato
mantiene constante la temperatura por medio de un sistema de calefacción y
refrigeración del aire. A través de los anillos colectores del cuello de la esfera
envolvente y de las denominadas patas de araña, la corriente es conducida a los
casquetes y bandas conductoras, de superficie grafitada, de la esfera envolvente.
Enfrente de estas superficies se encuentran igualmente en el elemento sensible,
casquetes y bandas conductoras. La unión eléctrica entre la esfera envolvente y
el elemento sensible se hace a través del líquido acidulado sustentador.
Un motor de inversión produce el movimiento seguidor de la esfera
envolvente de modo que su posición respecto al elemento sensible se conserve
siempre la misma. De esta manera se consigue que el líquido que separa ambas
esferas se mantenga en reposo y no se ocasione ningún error de arrastre.
Directamente ligada a la esfera envolvente se halla la rosa, dividida en grados, y
por medio de un engranaje se actúa sobre la rosa dividida en décimas de grado.
El líquido sustentador está compuesto de agua destilada (13,5 litros),
glicerina (1,35 litros) y ácido benzóico (28 gramos).
DESARROLLO TEÓRICO
99
5.5.2. GIROPILOTOS
El giropiloto es un aparato que, maniobrando el timón o timones de un
buque se utiliza para mantenerlos automáticamente, sin necesidad de timonel o
de piloto, sobre un rumbo prefijado. Su uso, a bordo de los buques, se remonta
al año 1922, que por primera vez, fue instalado un piloto automático marca
"Sperry" a bordo del buque tanque J.A. Moffat. La evolución de estos, tanto en
su aspecto general como en detalles, ha dado resultado a unidades
perfectamente capaces de reaccionar cuando el buque se aparta 1/6 de grado del
rumbo previsto, además de ser capaces de mantener el rumbo con errores por
debajo de 0,4 grados con buen tiempo. Una de las grandes ventajas del uso del
giropiloto, desde el punto de vista económico resulta más eficaz, al hacer que el
buque siga la derrota de manera más exacta con menos uso de timón,
suponiendo un ahorro del 2 al 2,5% de combustible por lo general, dada la
disminución de velocidad que ocasionan las guiñadas, o un aumento de velocidad
del 1 al 1,4%.
Un giropiloto consta de dos elementos:
1. Un elemento de gobierno situado en el puente, el giróscopo.
2. Un elemento llamado unidad de fuerza situado en el local del servo
del timón y formado por un motor eléctrico que gobierna al
telemotor o a cualquier otro sistema de trabajo del timón.
Todos los fabricantes de agujas giroscópicas han lanzado al mercado sus
propios equipos de piloto automático, diseñados para funcionar en combinación
con sus agujas giroscópicas, que, aunque diferentes en detalles y realización,
tienen el mismo principio de funcionamiento [77].
DESARROLLO TEÓRICO
100
Figura 5.16. Dibujo del funcionamiento de un giropiloto
El principio de funcionamiento es el siguiente:
En (a) el barco está a rumbo y el timón a la vía, es decir, el ángulo del
timón es cero. El brazo móvil accionado por el motor está en el punto neutro,
entre los semianillos de contacto.
En (b), el barco ha dado una guiñada a estribor y el brazo móvil,
accionado por el motor eléctrico, sigue a la proa haciendo contacto con el
semianillo de estribor, cerrando un circuito eléctrico que hace funcionar al servo
hacia la banda de babor metiendo el mismo ángulo de la guiñada inicial.
En (c), los dos semianillos, buscan al brazo móvil y cuando se alinean
cesa la acción del servo sobre el timón.
En (d), el brazo se ha orientado hacia la proa entrando en contacto con el
semianillo de babor haciendo que el servo actúe de nuevo sobre el timón
llevándolo a la vía.
En (e) se restablece nuevamente el equilibrio inicial.
DESARROLLO TEÓRICO
101
5.5.3. SATÉLITES ARTIFICIALES
5.5.3.1. GIRÓSCOPOS UTILIZADOS COMO SENSORES
El giróscopo láser se basa en dos rayos girando en direcciones opuestas en
un lazo cerrado. Cuando los láseres se combinan, la velocidad de rotación y su
dirección puede ser calculada mediante un análisis de los frentes de
interferencias.
Figura 5.17. Giroláser
5.5.3.2. GIROSCOPOS UTILIZADOS COMO ACTUADORES
Para llevar a cabo todas las aplicaciones espaciales, es necesario que los
satélites puedan desplazarse y orientarse de manera controlada, lo que obliga a
que estén dotados de medios que permitan realizar estas operaciones de
“actitud” (capacidad de cambiar de orientación o posicionamiento) de un modo
controlado: origen del denominado “Sistema de control de actitud”, que poseen
todos los ingenios espaciales.
El Control Moment conocido como CMG, se utiliza para controlar la
orientación de la nave espacial. Un CMG consiste en una rueda que hace girar
una o más cunas motorizadas, inclinando de este modo, el momento angular del
rotor. Cuando la rueda se inclina, el cambio del momento angular causa un par
giroscópico que orienta a la nave espacial.
DESARROLLO TEÓRICO
102
Las ruedas de reacción son las que se hacen girar fijas, y aplican el par
simplemente cambiando la velocidad de spin de la rueda. Sin embargo, el CMG
tiene la ventaja de que es muchísimo más eficiente energéticamente. Mediante
algunos cientos vatios, y alrededor de 100 kilogramos de masa, CMGs grandes
han producido millares de Newtons metros de par. En cambio, una rueda de
reacción de capacidad similar requeriría megavatios de energía.
Fotografía 5.1. Satélite y giróscopo actuador
5.5.4. MISILES
Utilizan haces de luz que experimentan modificaciones cuando el misil
cambia de dirección. El giro láser tiene la ventaja de no tener partes móviles, no
le afecta las aceleraciones y presentar alta resolución y gran estabilidad.
Consiste en una base triangular rodeada por tres espejos sobre los que
convergen dos rayos láser que dan a conocer con gran exactitud cualquier
cambio de rumbo del misil. Esta información es tratada por un ordenador que
envía las órdenes oportunas a un servo para que modifique, si es preciso, el
rumbo del misil.
DESARROLLO TEÓRICO
103
6. SISTEMAS GLOBALES DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE
(GNSS) Global Navigation Satellite Systems
6.1. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA GPS.
La navegación por satélite se remonta al sistema TRANSIT que nació en la
década de los sesenta con el objetivo militar de los EEUU de dotar a sus
submarinos de un sistema de posicionamiento para conocer desde dónde se
disparaban sus mísiles. Dicho sistema fue cedido, con ciertas limitaciones, a los
operadores civiles [55], [67].
Posteriormente, la marina de los EEUU sustituyó este sistema por otro
más exacto llamado GPS, llevando operativo desde 1994. La URSS también
implantó su propio sistema llamado GLONASS quedando operativo a finales de
1995. Ambos fueron implantados originalmente con fines militares y, por tanto,
con limitaciones para el uso civil [44].
Cabe reseñar que la técnica empleada por el TRANSIT difiere totalmente
de la del GPS y el GLONASS, ya que el primero utilizaba el efecto doppler para
determinar unos hiperboloides de posición cuya intersección nos proporcionaba la
situación. En cambio, el GPS y GLONASS calculan la diferencia de tiempos entre
el satélite y el usuario para determinar unas esferas de posición, cuya
intersección nos proporciona la situación [9], [85].
A continuación vamos a estudiar el sistema de navegación GPS que es el
más extendido actualmente. Asimismo, cabe mencionar que la Agencia Espacial
Europea, junto con otros inversores privados, aunque con solo 2 satélites
lanzados como son el GIOVE-A y GIOVE-B siguen desarrollando el sistema
GALILEO, que tendrá fines comerciales y, será de uso civil [8], [86], [87].
DESARROLLO TEÓRICO
104
6.2. FUNDAMENTOS DEL SISTEMA DE NAVEGACIÓN GPS (Global
Positioning System)
El sistema GPS proporciona un posicionamiento en latitud, Longitud y
altitud, es decir, un posicionamiento tridimensional, mediante la medición del
retraso en la recepción de las señales enviadas por varios satélites respecto a la
copia de la señal generada por el receptor. Las señales viajan sobre microondas
(ondas electromagnéticas) que viajan a la velocidad de la luz (c = 299.792,458
Km/s). Por tanto, si conocemos el retraso en la llegada de la señal conoceremos
la distancia que ha recorrido la señal, es decir, la distancia entre receptor y
satélite. Esta distancia nos proporciona el radio de una esfera de posición en
cuya superficie se encuentra el receptor. Con dos satélites observados
simultáneamente obtendremos dos esferas de posición, cuya intersección nos
proporciona una circunferencia de posición [15].
Si fuesen tres satélites tendríamos dos puntos de corte entre la esfera y la
circunferencia de posición, de los cuales uno de ellos se puede despreciar por
encontrarse en un punto del espacio a mayor altitud incluso que los propios
satélites (Fig. 6.1). Siendo el otro punto el que nos determine la posición GPS
[60].
Figura 6.1. Detalle de distancia e intersección de señales
DESARROLLO TEÓRICO
105
Como se trata de mediciones de tiempo, los satélites y las estaciones de
control GPS en tierra utilizan relojes de Cesio y Rubidio muy precisos y de alto
coste (por encima de los USD 50.000). Sin embargo, los receptores utilizados por
los usuarios tienen relojes de cuarzo (menos precisos), ya que no pueden asumir
costes tan elevados. Por tanto, esta falta de precisión de los relojes de cuarzo,
incorpora una nueva variable Et (desfase en tiempo del reloj del usuario y del
satélite). En el caso nº 3 que veremos a continuación, consideraremos que los
relojes de todos los satélites están sincronizados, por tanto, este desfase Et es
similar para todos los satélites observados por el receptor y el sesgo en distancia
será S (= Et x c) [31].
Debido a este error en tiempo, la distancia calculada por el satélite se
llama pseudodistancia (Di), si se tiene en cuenta que el retraso de la llegada de
la señal se representa por ∆ti, podemos calcular las pseudodistancias del
siguiente modo:
Figura 6.2. Pulsos de las señales de los diferentes satélites
D1 = c . ∆t1
D2 = c . ∆t2
D3 = c . ∆t3
D4 = c . ∆t4
; donde ‘c’ es la velocidad de la luz
DESARROLLO TEÓRICO
106
Para calcular las coordenadas del receptor, conocemos las del satélite y la
distancia entre este y receptor (Di+S), será necesario observar simultáneamente
cuatro satélites para obtener las coordenadas del receptor con precisión. Se
tendrá en cuenta que el sistema de referencia es el WGS-84 (World Geodetic
Survey) [9], [10], [37], [45].
Figura 6.3. Gráfico de posición por intersección de dos circunferencias
Caso nº 1: Dos satélites. Coordenadas del satélite (Xi,Yi). Coordenadas del receptor
(Xp,Yp). Sistema bidimensional
D12 = (X1 – Xp)
2 + (Y1 – Yp)2
D22 = (X2 – Xp)
2 + (Y2 – Yp)2
Sistema de dos ecuaciones con dos incógnitas (Xp,Yp)
Figura 6.4. Gráfico de posición por intersección de tres circunferencias
Caso nº 2: Tres satélites. Coordenadas del satélite (Xi,Yi). Coordenadas del receptor
(Xp,Yp). Sistema bidimensional. Incorporación del error S.
(D1 + S)2 = (X1 – Xp)2 + (Y1 – Yp)
2
(D2+ S)2 = (X2 – Xp)2 + (Y2 – Yp)
2
(D3 + S)2 = (X3 – Xp)2 + (Y3 – Yp)
2
Sistema de tres ecuaciones con tres incógnitas (Xp,Yp,S)
DESARROLLO TEÓRICO
107
Caso nº 3: Cuatro satélites. Coordenadas del satélite (Xi,Yi,Zi). Coordenadas del
receptor (Xp,Yp,Zp). Sistema bidimensional. Incorporación del error S.
Figura 6.5. Sistema de Coordenadas WGS-84 (X,Y,Z) i= 1,2,3,...,n
(D1 + S)2 = (X1 – Xp)2 + (Y1 – Yp)2 + (Z1 – Zp)2
(D2+ S)2 = (X2 – Xp)2 + (Y2 – Yp)2 + (Z1 – Zp)2
(D3 + S)2 = (X3 – Xp)2 + (Y3 – Yp)2 + (Z1 – Zp)2
(D4 + S)2 = (X4 – Xp)2 + (Y4 – Yp)2 + (Z4 – Zp)2
Sistema de cuatro ecuaciones con cuatro incógnitas (Xp,Yp,Zp,S).
6.3. SISTEMA DE NAVEGACIÓN GPS-NAVSTAR
El sistema NAVSTAR nos permite la posición del buque mediante el uso del
sistema de posicionamiento GPS. Las coordenadas WGS-84 del receptor
(Xp,Yp,Zp), coincidirán con las del buque. Por lo que se traducirán estas
coordenadas en una situación de latitud y Longitud.
Obteniendo de la figura 6.5 lo siguiente:
DESARROLLO TEÓRICO
108
22pp YXq +=
22*
2ppp ZYXr +=
222
22
cosppp
pp
ZYX
YXrql
+
+
+==
p
p
XYL =tan
; siendo: r = radio terrestre
l = latitud del buque
L = longitud del buque
6.4. SEGMENTOS DEL SISTEMA GPS
El sistema GPS consta de tres segmentos diferenciados que son:
Figura 6.6. Dibujo del segmento espacial
Segmento espacial: Se compone de una constelación de 24 satélites (21
operativos y 3 en reserva) que giran alrededor de la tierra en órbitas
cuasicirculares no polares a una altitud de 20.169 Km. y a una velocidad de 4
km/s. El periodo de revolución es de 12 horas, es decir, que dan dos vueltas a
la tierra en un día. Los satélites se encuentran en seis planos orbitales
inclinados 55º con respecto al plano del ecuador terrestre y separados 60º en
ascensión recta. Cada plano puede contiene un mínimo de 4 satélites
separados 90º. El resultado de este enrejado permite la visualización de al
DESARROLLO TEÓRICO
109
menos 4 satélites sean visibles en todo momento por un observador en la
superficie terrestre. Los satélites cenitales están más de cinco horas por
encima del horizonte. Están dotados de 4 relojes atómicos de rubidio y de
cesio que miden el tiempo con gran precisión. Los relojes de cesio tienen una
estabilidad mejor de un segundo en 30.000 años. Los satélites que se han
lanzado al espacio difieren entre ellos, así por ejemplo, los pertenecientes al
bloque 2 tienen una vida útil de 7,5 años y un peso de lanzamiento de 1.830
kg. y de 930 kg. en órbita. Asimismo, están dotados de generadores propios
de energía mediantes placas solares y de baterías para los momentos en que
se encuentran en zonas oscuras (eclipses,...). También disponen de cohetes
propulsores para corregir su órbita. Esta constelación de 24 satélites se ha
extendido hoy en día a unos 28 aproximadamente con el fin de lograr una
mayor precisión [31].
Figura 6.7. Segmento de control
Segmento de control: Está compuesto por estaciones en tierra que
controlan los satélites mediante sistemas de radares y radiocomunicaciones.
Las anomalías de los satélites son captadas por las estaciones que inyectan
datos a los satélites GPS, para que sean transmitidos a los receptores de los
usuarios. Si un satélite se ha desviado de su órbita, las estaciones inyectan la
información de las coordenadas de la nueva órbita al propio satélite, que se
encarga de radiodifundirlas a los receptores. Son de tres tipos:
DESARROLLO TEÓRICO
110
o Una estación maestra situada en la base aérea de Falcon (Colorado
Spring) tiene la función de:
Computar modelos del campo gravitatorio terrestre.
Controlar los relojes atómicos de los satélites y los de las
estaciones en la Tierra.
Computar modelos de las pequeñas variaciones de las órbitas de
los satélites con respecto a la órbita a seguir (órbita nominal de
Kepler).
o Tres estaciones UP/link (enlace ascendente) situadas en Diego García,
Isla de Ascensión y Kwajalein; que reciben y transmiten datos y cuya
función es recibir la información de los satélites para retransmitirla a la
estación maestra para su procesamiento. Asimismo, pueden enviar a
los satélites la información de navegación que previamente les ha
transmitido la estación maestra y que los satélites retransmiten
posteriormente a los usuarios.
o Cinco estaciones monitor situadas en Diego García, Isla de Ascensión,
Kwajalein, Hawai y Colorado; que solamente reciben información de los
satélites, la cual es retransmitida a la estación maestra para su
procesamiento. Por tanto, no pueden inyectar o suministrar datos a los
satélites.
Segmento de los usuarios: Se trata del sistema receptor de a bordo. Antes
de su estudio, conviene señalar que para la obtención de una situación GPS
(latitud, Longitud y altitud) es necesaria la observación de al menos cuatro
satélites simultáneamente. Por tanto necesitaremos que el receptor pueda
obtener las señales de los cuatro satélites en el mismo instante.
Existen tres tipos de receptores:
Receptor de cuatro canales: Utiliza un canal por satélite, pudiendo
hacer el seguimiento continuo de los cuatro satélites. El mejor de todos
los receptores y se utiliza por usuarios móviles de alta dinámica como
las aeronaves. Suele tener un quinto canal para la recepción de la señal
L2 que corrige el error ionosférico.
DESARROLLO TEÓRICO
111
Receptor secuencial: Puede utilizar solamente un canal que cambia
secuencialmente (normalmente cada segundo) de satélite para adquirir
o readquirir la señal de cada uno de ellos y extraer la medida de
tiempo de acuerdo con dicha secuencia. Puede tener otro canal para
corregir el error ionosférico al igual que los receptores multicanal.
Receptor multiplex: Es una mezcla de la arquitectura de los receptores
anteriores. Puede utilizar un único canal (hardware), como el receptor
secuencial, pero con la particularidad de que el tiempo de adquisición
de la señal y medida del tiempo (normalmente un segundo) es
compartido por cuatro o más satélites por medio de cuatro o más
bucles de software. La velocidad en compartir este canal puede llegar a
50 ó 100 Hz y, por tanto, es mucho más alta que la del receptor
secuencial (normalmente un segundo).
6.5. SISTEMAS DE REFERENCIA DE COORDENADAS TERRESTRES
La órbita del satélite es teóricamente circular alrededor del geocentro
(centro de la Tierra), pero se ve alterada por efectos gravitacionales, resistencias
y presiones de radiaciones solares que desvían el satélite de esa órbita
aproximada. Estas variaciones de órbita no son drásticas sino lentas en el
tiempo. Para determinar las coordenadas del satélite se considera que el satélite
gira alrededor de la Tierra describiendo una órbita kepleriana (elíptica), en vez
de circular, con la Tierra en uno de sus focos y toda su masa concentrada en el
geocentro, libre de la acción gravitacional de la luna, el Sol y los planetas. Se
elige la órbita kepleriana en vez de la circular para calcular esas alteraciones por
efectos gravitacionales y de radiación.
DESARROLLO TEÓRICO
112
Figura 6.8. Parámetros orbitales (o keplerianos) en los sistemas de coordenadas
egocéntrico ecuatorial celeste y del plano orbital
Los parámetros orbitales son los siguientes:
to: referencia temporal del paso del satélite por el perigeo P (época de las
efemérides)
a: semieje mayor de la elipse que define el tamaño de la órbita
e: excentricidad (distancia del centro al foco de la elipse) que define la forma
de la órbita
Ω: ángulo de ascensión recta entre Aries y nodo ascendente de la órbita (N)
ω: argumento del perigeo o ángulo determinado entre el eje que pasa por el
nodo ascendente (N) partiendo del geocentro y el eje que pasa por el perigeo
(P) partiendo del geocentro. El argumento del perigeo nos define la
orientación del eje mayor de la elipse
i: inclinación del plano orbital con respecto al plano ecuatorial celeste (de 0º a
180º).
Pudiendo calcular con estos parámetros la ‘órbita precisa’ del satélite.
Para obtener la posición del satélite en el sistema de coordenadas WGS-84
requiere de una conversión de las coordenadas del plano orbital al sistema
geocéntrico instantáneo y, posteriormente, al sistema geocéntrico WGS-84.
DESARROLLO TEÓRICO
113
Figura 6.9. Conversiones de los sistemas de coordenadas hasta llegar al WGS-84
SISTEMA PLANO ORBITAL
-Origen: Geocentro
-Plano pral.: Plano orbital del satélite (órbita kepleriana)
-Eje Z: perpendicular al plano pral.
-Eje X: paralelo al plano pral. que pasa por Aries
-Eje Y: Forma sistema dextrógiro
Fig.6.9
SISTEMA GEOCÉNTRICO INSTANTÁNEO
-Origen: Geocentro
-Plano pral.: perpendicular al eje de rotación terrestre verdadero o instantáneo
-Eje Z: eje de rotación terrestre verdadero o instantáneo
-Eje X: definido por la intersección del plano principal con el plano que contiene el meridiano de Greenwich
-Eje Y: Forma sistema dextrógiro
Fig.6.9
SISTEMA WGS-84
-Origen: Geocentro
-Plano pral.: perpendicular a la dirección del Origen Internacional Convencional (CIO)
-Eje Z: pasa por el polo medio en 1903 (Polo CIO)
-Eje X: definido por la intersección del plano principal con el plano que contiene el meridiano de Greenwich
-Eje Y: Forma sistema dextrógiro
Fig.6.9
Parámetros orbitales
SISTEMA GEOCÉNTRICO ECUATORIAL CELESTE -Origen: Geocentro -Plano Pral.: Ecuador celeste -Eje Z: Plano pral. -Eje X: Plano pral. que pasa por Aries -Eje Y: Forma sistema dextrógiro
DESARROLLO TEÓRICO
114
Figura 6.10. Representación del movimiento del
Polo verdadero desde 1952 hasta 1957
Cabe citar que el polo geográfico se mueve lentamente sobre la superficie
terrestre en un área de poco menos de un segundo de arco. Por lo que se
establece un polo que sirva de referencia para un sistema. Determinando el Polo
CIO (Conventional International Origin) que coincide con el polo geográfico
medio en 1903. Por otro lado, al polo geográfico en el momento de la
observación se le llama polo instantáneo [37].
6.5.1. DATUM
El Datum geodésico, corresponde al modelo matemático diseñado como el
mejor ajuste para una parte o todo el geoide. Se define mediante un elipsoide y
las relaciones entre él y un punto de la superficie topográfica terrestre
considerado origen del datum. Estas relaciones pueden definirse por la latitud,
Longitud, altura elipsódica, desviación de la vertical y el azimut entre este punto
y otro cualquiera [5], [10].
Para el ejemplo, se tomaron como referencia dos cartas de navegación: la
número 3941 con el título “PUERTO DE BILBAO” y la número 1174 “APPROACHES
TO BILBAO”.
DESARROLLO TEÓRICO
115
Figura 6.11. Modelo de esferoide de la Tierra
Figura 6.12. Carta número 3941 con el título “PUERTO DE BILBAO”
DESARROLLO TEÓRICO
116
Esta carta está editada por el Instituto Hidrográfico de la Marina con base
en Cádiz, es una publicación de 1975 con unas medidas de (1060.8 x 725.3
mm.) con escala 1: 10.000 para la latitud (43º 21´) en 2ª impresión con fecha
abril de 1996 de la 3ª edición de noviembre de 1990. Las sondas y altitudes se
representan en metros, toda la publicación esta referenciada con el datum
europeo (Postdam) advirtiendo en la misma que las situaciones obtenidas
mediante sistemas de navegación por satélite referidas al Sistema Geodésico
Mundial (WGS 84), deberán ser desplazadas 0,06 minutos al Norte y 0,08
minutos al Este para estar correctamente representadas.
Figura 6.13. Carta número 1174 “APPROACHES TO BILBAO”
Esta otra publicación está editada por el United Kingdom Nacional Hydrographer
publicada en Taunton en el año 2003, con unas medidas de (1061.2 x 725.9
mm.) las sondas también vienen representadas en metros y su escala 1: 25.000
en latitud (43º 24´) hace también advertencia a su posicionamiento referido al
datum World Geodetic System de 1984.
DESARROLLO TEÓRICO
117
Figura 6.14. Carta 3941, detalle en mts. de la diferencia entre datums
Figura 6.15. Carta 1174, detalle en mts. de la diferencia entre datums
DESARROLLO TEÓRICO
118
6.6. PRECISIÓN Y FUENTES DE ERROR EN EL GPS
6.6.1. GEOMETRÍA DE LOS SATÉLITES Y DEL USUARIO
Si aplicamos un error global en latitud y Longitud en las líneas de posición
o rectas de altura de dos astros (ε1 y ε2), se genera un área definida por un
paralelogramo abcd, denominada ‘superficie de posición’, en donde se encuentra
el observador. En la figura 6.16 se muestra que el mayor error posible (εm) en la
posición dependerá del ángulo de corte de ambas líneas de posición, es decir, de
la geometría de los astros. Si su azimut difiere 90º, este error máximo será el
menor posible e irá aumentando según aumente o diminuya el ángulo de corte,
observando que la precisión en latitud y Longitud (dos dimensiones) dependerá
de la geometría en el corte de las rectas de altura [38].
Figura 6.16. Representación del máximo error cuando el corte de los azimuts difiera de 90º
En el caso de los satélites GPS, la situación calculada es tridimensional,
pudiendo generar errores en latitud, Longitud y altitud; que afectarán a las
variables de la situación (XR,YR,ZR). Además, ya hemos visto anteriormente que
existía una variable adicional relacionada con el desfase en el tiempo del reloj del
receptor, que se denominaba ‘S’, que también se verá afectada por errores.
Errores que se generan no sólo en las tres dimensiones espaciales, sino también
en el tiempo [42].
DESARROLLO TEÓRICO
119
Así pues, los errores en GPS afectarán a varias variables (latitud, Longitud,
altitud y tiempo), geometría ideal para evitar la dilución de la precisión es mucho
más complicada de calcular que en el caso anterior de las rectas de altura.
En la obtención de la situación, el receptor puede encontrarse con varios
satélites observables (hasta ocho o más) y deberá elegir los cuatro cuya
geometría nos proporcione la mayor precisión en la situación. Por ello, se
introduce una nueva medida llamada dilución geométrica de la precisión (GDOP –
Geometric Dilution Of Precision) que nos proporcionará la imprecisión en la
situación causada por la geometría de los cuatro satélites observados. El receptor
calcula y selecciona la combinación cuyo GDOP sea mínimo. La posición ideal
sería que los cuatro satélites se encontrasen situados en los vértices de un cubo
y el usuario justo en su centro geométrico. Sin embargo, esto no es posible para
un usuario situado en la superficie terrestre, ya que alguno de los satélites no
sería visible por encontrarse por debajo del horizonte. Por tanto, la constelación
ideal se acercaría a tres satélites a baja altura sobre el horizonte, separados
120º en azimut, y un cuarto satélite cercano al zenit [52].
El GDOP puede entenderse de forma aproximada como un factor
inversamente proporcional al volumen del poliedro formado por el receptor y los
puntos de intersección de una esfera centrada en el receptor con las líneas rectas
que lo unen con cada satélite. En la figura 6.17 se cumplen que las distancias
S1R, S2R, S3R y S4R son iguales; y que el volumen V del poliedro RS1S2S3S4 es
mayor en el primer caso, que en los otros dos.
Figura 6.17. En el primer dibujo, se aprecia la buena geometría, no siendo así en los otros dos dibujos de la derecha
DESARROLLO TEÓRICO
120
6.6.2. ERRORES ATMOSFÉRICOS POR LA PRESENCIA DE LA
IONOSFERA Y TROPOSFERA
La señal se verá afectada por la Ionosfera (entre 60 y 500 km de la
superficie) y por la Troposfera (hasta los 25 Km de la superficie) como se aprecia
en la figura 6.18.
Error ionosférico: La señales son afectadas al atravesar la ionosfera, ya que
contiene partículas ionizadas que desvían la señal. La magnitud del la
desviación es directamente proporcional al número de partículas ionizadas,
que dependerá de la hora del día, la distancia al ecuador magnético, la
estación del año y el ciclo solar de once años. de la emisión simultánea de la
señal a través de dos portadores de frecuencia diferente (L1 y L2).
Se ha comprobado que la relación entre la distancia real y la distancia
errática, afectada por este efecto ionosférico, pueden relacionarse mediante
la siguiente fórmula:
2fADD m −=
; donde: D es la distancia real o corregida
Dm es la distancia errática
A es parámetro dependiente de las condiciones particulares
f es la frecuencia
Por tanto, si utilizamos dos frecuencias portadoras (f1 y f2) podemos calcular
la distancia real (D):
21
1fADD m −= 2
22
fADD m −=
22
21
222
211 ..
fffDfDD mm
−
−=
DESARROLLO TEÓRICO
121
Esto significa que podemos corregir el error atmosférico mediante la
utilización de dos frecuencias portadoras L1 y L2.
Figura 6.18. Detalle de las capas Ionosfera y troposfera entre la Tierra y el satélite
Error troposférico: La troposfera produce un retraso en la llegada de la señal,
al ser un medio rico en vapor de agua que frena la velocidad de llegada de la
señal. Este error no puede corregirse con la utilización de dos frecuencias, por
lo que se calcula por ‘modelación’, es decir, por medio del error tipo de un día
promedio. Error que no es real, al no ajustarse siempre las condiciones
atmosféricas en un momento determinado a ese día promedio previsto.
El efecto de estos dos errores es mayor cuanto menor sea la elevación del
satélite sobre el horizonte, ya que a través de la ionosfera, la señal de un satélite
cercano al horizonte es mayor que la de un satélite situado en el zenit,
recorriendo dicha la señal mayores distancias a través de estas capas
atmosféricas. Un error en la medición de distancia al satélite por el efecto de la
troposfera puede oscilar de 2-2,5 metros, si el satélite está en el zenit, a 20-28
metros si está elevado 5º sobre el horizonte.
6.6.3. EFECTOS RELATIVISTAS Y GRAVITACIONALES
La consecuencia de la teoría de la relatividad de Einstein se conoce como
la paradoja de los dos gemelos. Dos hermanos que viven en la Tierra y un día
DESARROLLO TEÓRICO
122
determinado uno de ellos emprende un viaje espacial a una estrella cercana a la
velocidad de 260.000 km/s. Antes de salir, ambos sincronizan sus relojes y
calendario. Transcurridos 10 años en su nave espacial, el hermano viajero
regresa a la tierra y se encuentra con que habrán transcurrido 20 años para el
hermano que se queda en la Tierra.
Es decir, los relojes en un móvil a gran velocidad, tal como son los relojes
atómicos del satélite GPS, sufrirán un atraso debido al efecto relativista. Este
atraso es de 7,2 microsegundos por día para los relojes de los satélites GPS.
Por otro lado, las fuerzas gravitacionales terrestres también afectan a los
relojes del satélite GPS con un adelanto de 45,79 microsegundos.
El desfase de los relojes atómicos del satélite por ambos efectos será de
un adelanto de 38,59 microsegundos, que se corresponde con un error en la
distancia medida de 11 Km. Este adelanto se anula corrigiendo la frecuencia
fundamental de los relojes del satélite a 10,22999999545 MHz en vez de 10,23
MHz.
Error de las efemérides
Los satélites giran alrededor de la Tierra siguiendo una ‘órbita aproximada’
al verse afectada por fuerzas gravitacionales de Sol y Luna, como por la presión
de radiaciones solares sobre el satélite.
Estas variaciones en las efemérides del satélite se calculan de forma
continua con precisión entre 20 y 40 metros por el segmento de control,
inyectando estos datos a los satélites GPS para que sean radiodifundidos a los
usuarios por medio del mensaje de navegación. La precisión de la órbita de
satélite, como los intervalos de transmisión de 30 segundos del mensaje de
navegación, pueden generar pequeños errores por parte del receptor en el
cálculo de las coordenadas del satélite. También puede producirse pequeñas
variaciones en la información radiodifundida en el mensaje de navegación cada
30 segundos del tiempo GPS.
DESARROLLO TEÓRICO
123
Multitrayecto
La señal puede llegar al receptor directamente del satélite o bien reflejada
en obstrucciones locales terrestres que pueda encontrar en su camino. Por
supuesto, ocurrirá con menor frecuencia cuando el receptor se encuentre en la
mar, ya que no existirán tantos obstáculos como en Tierra (montañas,
edificios,...). Este error puede ser de unos 2,4 metros, los aparatos receptores
suelen incorporar sofisticados equipos para rechazar este tipo de señales.
Ruido interno
La señal es radiodifundida en unos niveles de ruido que puede confundirse
con el propio ruido del aparato receptor. Por tanto, cualquier ruido generado en
el receptor o en el satélite puede producir pequeños errores de
aproximadamente 3 mts [43].
Errores dinámicos
En aquellos receptores que se muevan a altas velocidades, como aviones,
los relojes del receptor también sufrirán efectos relativistas. Para corregirlos se
suelen incorporar filtros Kalman.
6.7. GPS DIFERENCIAL (DGPS)
El GPS diferencial es un sistema de aumentación del GPS que reduce los
errores dentro de una determinada área de la superficie terrestre. El sistema se
basa en varias estaciones terrestres que reciben señales GPS, que conociendo la
situación exacta de las mismas, calculan los errores cometidos en la situación
GPS y las correcciones a realizar son radiodifundidas en un área local. Siendo
estos errores variables en el tiempo, la estación trabaja las 24 horas del día,
para en un determinado momento, transmitir correcciones a los receptores que
se encuentren dentro de su área de acción. Dichas estaciones se sitúan en
puntos separados ligeramente para abarcar la mayor zona de aplicación del
DGPS.
DESARROLLO TEÓRICO
124
El receptor preparará para recibir las señales DGPS incorporando a su
equipo una antena adicional para recibir las señales transmitidas por las
estaciones de tierra, y un programa especial para descifrar el mensaje con las
correcciones y aplicarlo a la situación que se proporciona al usuario. No todos los
receptores pueden recibir las señales DGPS.
La pionera fue la US Coast Guard poniendo en funcionamiento en 1996 el
sistema de aumentación NDGPS (Nationwide Differencial GPS) para uso en
navegación marítima, proporcionando un 99,999% de precisión de 1 a 5 metros
y una integridad menor de 5 seg.
6.8. OTROS SISTEMAS DE NAVEGACIÓN POR SATÉLITE
Además del TRANSIT que supuso el primer sistema de cálculo de la
situación vía satélite, no operativo en la actualidad; existen conjuntamente otros
sistemas de navegación satélite, como son GLONASS ruso, GALILEO europeo y
los sistemas de aumentación EGNOS, WAAS Y MSAS.
Un resumen breve de los sistemas de navegación satélite adicionales es el
siguiente:
GLONASS: Este sistema, que nace casi paralelamente al GPS por iniciativa
militar rusa, no difiere mucho en cuanto a su estructura y funcionamiento del
GPS. Está actualmente operativo, pero es un desconocido para muchos de los
usuarios de sistemas de navegación. A diferencia con GPS, GLONASS tiene
sólo tres planos orbitales, su inclinación es mayor para dar mayor cobertura a
las zonas árticas, su referencia temporal y espacial es diferente y las
frecuencias portadoras son diferentes para cada satélite, además de el
sistema de coordenadas (datum) [85].
GALILEO: Sistema de navegación independiente de GPS y GLONASS que
viene desarrollando la Unión Europea, a través de su agencia espacial e
inversores privados. Este sistema no está operativo actualmente , únicamente
DESARROLLO TEÓRICO
125
se han lanzado al espacio, dos de los treinta satélites, pero se espera que
esté en funcionamiento en los próximos años. Además de económico y
técnico, el objetivo es lograr una independencia respecto a los sistemas
controlados por fuerzas militares como en caso de GPS y GLONASS, que
podrían degradar voluntariamente la precisión en caso de que EEUU o Rusia
entrasen en un conflicto armado. Aunque la estructura y funcionamiento será
similar al GPS y GLONASS, el principal objetivo será el garantizar la
integridad de que no se dispone actualmente. Debido exclusivamente a los
vínculos contractuales que se generen. Teniendo la certeza de que la situación
obtenida es la concreta, lo que conllevará a la precisión requerida.
Sistemas de aumentación WAAS, EGNOS y MSAS: En el DGPS la aumentación
está limitada, reduciéndose a un área cercana a la estación terrestre. En 1997
los EEUU introdujeron el sistema de aumentación WAAS (Wide Area
Augmentation System) que proporcionaba precisión de 100 a 15 metros, e
integridad de 6 seg. siendo necesario abarcar una zona muy amplia, a
diferencia de los DGPS, a fin de que su uso se extienda en la navegación
aérea. Posteriormente, surgió el proyecto y sistemas similares, como el
EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Satelite) en Europa y el
MAAS en Japón, que trabajan conjuntamente con el WAAS a fin de
proporcionar la máxima precisión e integridad en los sistemas de
navegación por satélite, y que abarca casi todo el mundo. Obtenido el mapa
corrector, se transmite a varios satélites geoestacionarios que radiodifunden
dichas correcciones mediante un mensaje a los receptores GPS visibles. Los
receptores corrigen por medio de este mensaje, las situaciones obtenidas de
los satélites GPS logrando una precisión horizontal por debajo de 2 metros y
vertical por debajo de 4 metros [86].
GNSS (Global Navigation Satellite System): Se trata de conseguir una
aumentación mediante la utilización conjunta de varias constelaciones de
satélites, como GPS, GLONASS y GALILEO cuando esté plenamente operativo.
EUROFIX: Sistema de aumentación europeo que combina DGPS y LORAN C,
para lograr una mayor precisión e integridad, emitiendo la señal LORAN C
modulada con el mensaje de las correcciones diferenciales de GPS. Debiendo
ser dichos receptores compatibles con este sistema.
III
MATERIAL Y MÉTODOS
MATERIAL Y MÉTODOS
126
1. DISPOSITIVO EXPERIMENTAL
1.1. INSTRUMENTOS UTILIZADOS.
Los instrumentos utilizados en el dispositivo experimental son los
siguientes: Compás magnético, magnetómetro y compás satelitario.
1.1.1. COMPÁS MAGNÉTICO. GEOMAR. Ø165mm
Fotografía 1.1. Fotografía del compás magnético
Para complementar la descripción que se está realizando y con
objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del conjunto, se
acompaña a la presente memoria descriptiva, como parte integrante de la
misma, de un juego de planos, en los que con carácter ilustrativo y no limitativo
se ha representado lo siguiente:
MATERIAL Y MÉTODOS
127
Figura 1.1. Planta del compás magnético
La rosa es de policarbonato inyectado, el nombre comercial que
utiliza la empresa Bayer para este producto es el de MAKROLON.
En la figura 1.2. se muestra una vista esquemática en sección del
compás magnético objeto del proyecto, en la que se aprecian las principales
partes y elementos de que consta, así como configuración y disposición de los
mismos.
Figura 1.2. Esquema del compás magnético
Todo el sistema es antimagnético excepto el propio imán.
MATERIAL Y MÉTODOS
128
El imán es sinterizado, de AlNiCo 500, cuya remanencia y coercitividad son
propiedades reales, cumpliendo las directrices 96/98 de la CE, pudiéndose variar
el momento magnético a razón del campo Br.
El contrapeso es de chapa de latón entallado, relleno de plomo.
El nombre comercial del estilo es el de “nivapoint” siendo el zafiro de doble
huella haciendo que dicho diseño se traduzca en precisión, el líquido es un
derivado del petróleo, teniendo idéntico fin que las anteriores mezclas de agua y
alcohol.
Todas las piezas circulares son de bronce centrifugado.
En color amarillo, se aprecia la columna porta zafiro roscada, cuyo
principal objetivo es el cumplir las normas ISO 449 e ISO 2269, en las que se
exige que los ejes cardan, línea de fe, rosa y estilo deberán encontrarse en el
mismo plano.
En la misma figura 1.2. se puede apreciar a la derecha del rojo del imán, el
casquillo roscado de relleno.
La pieza excéntrica para la posible lectura de la rosa a través del
(periscopio) es de aluminio inyectado, formando con la parte baja del mismo la
cámara de expansión. La excentricidad derivada de dicho diseño es compensada
ahuecando la parte opuesta a la altura de la línea de fe, la medida precisa lo que
origina cierto aligeramiento contrarrestando el sobrepeso en dicha forma de aro.
El conjunto se sella de forma hermética, cerrado además por ocho tornillos
con sus correspondientes turcas de acero inoxidable AISI 316. (fueron probados
con anterioridad unos AISI 304, pero se sustituyeron al apreciar que producían
cierta derivación magnética, así como su oxidación).
La parte superior del mortero, es de vidrio normal cuyo grosor es de 6
mm. y la parte inferior del mismo es de plancha de policarbonato también con un
grosor de 6 mm. de medida.
MATERIAL Y MÉTODOS
129
En el diagrama se aprecian las juntas para la estanqueidad requerida y en
la parte inferior derecha, a la altura del imán, el denominado tapón de llenado.
También se pueden observar unos casquillos deslizantes, piezas diseñadas
para la no fricción del cardan.
El sellado se efectúa con cianoacrilato, componente de la marca LOCTITE
entre otras.
Antes de la última norma aprobada, el periodo de semioscilación, dependía
de los diferentes tamaños de la rosa, en el caso de los compases de clase A1
cuyas medidas de las rosas son exclusivamente: 125mm., 165mm. y 180mm.
dicho periodo deberá ser como mínimo 10,6 segundos por lo que deberán
superar esta cifra para estas latitudes; midiéndose dicho periodo, al tomar la
señal entre los dos pasos del un rumbo seleccionado, por la línea de fe al ser
separado este 40º de dicha línea.
La flotabilidad negativa deberá estar comprendida entre 4 y 10 gramos,
siendo la misma en este compás de aproximadamente 5,54 gramos.
1.1.2. MAGNETÓMETRO. FLUXGATE WORLD A4020
Fotografía 1.2. Magnetómetro
MATERIAL Y MÉTODOS
130
El magnetómetro acoplado al compás magnético en la parte inferior del
mortero, fue de la marca FLUXGATE WORLD subsystems, modelo A4020 OEM
FLUXGATE COMPASS, en la versión de noviembre de 2006, con revisión de
software 0.1.3 (manual 01-01-doc); rectificando sus 9600 bauds de recepción a
4800 bauds, para poder sincronizarlo con GPS.
Figura 1.3. Detalle de la placa del magnetómetro
Dicho magnetómetro NMEA Autonnic puede actuar de forma autónoma
como compás fluxgate con posible aplicación para sistemas de posicionamiento
satelitario, solar, radar (proa arriba) o piloto automático.
Tiene posibilidad de alimentación de diferentes formas. Su núcleo admite
la instalación entre los 35º o 45º, pudiendo ser adaptado hacia arriba o hacia
abajo, mostrando las principales series de datos en dos tipos de formatos
industrialmente estandarizados, además de disponer de salidas análogas.
El A4020 consta de unas bobinas envueltas en circuitos de alta precisión,
las cuales tanto en sentido horario o antihorario permiten a un microprocesador
adquirir en valor binario, el campo magnético del imán del compás utilizado,
pudiendo captar, mediante dos sensores ortogonales de sensibilidad extrema, el
campo magnético terrestre cuando se utilice como fluxgate independiente. El
procesador calcula el radio de estos datos, empleando una tabla de calibración
corrigiendo el campo local de interferencias y errores, garantizando al mismo
tiempo el óptimo resultado de los valores y datos solicitados.
MATERIAL Y MÉTODOS
131
Las secuencias de calibración de frecuencia, grados de filtración y garantía
de datos, se obtienen de forma ordenada.
El funcionamiento resulta energéticamente bajo.
La fuente de alimentación del magnetómetro es compatible con cualquier
alimentación de corriente continua entre 8 y 15 V. El consumo de corriente
habitual es aproximadamente de 25mA. Está protegido frente posibles
inversiones de polaridad. Los fabricantes del magnetómetro recomiendan no
colocar el magnetómetro próximo a la fuente de alimentación, ya que podría
afectar a los principales transformadores o al propio campo magnético al ser
conectado éste al suministro de corriente. Advierten además que al no ser
posible evitar y describir todos los escenarios y situaciones posibles, dejan a
juicio del usuario el determinar la conveniencia así como la posible colocación del
magnetómetro.
Cuando encendemos la unidad, tarda unos 10 segundos en estar
totalmente operativa, de manera que la auto-calibración y el comienzo de la
operación no se realizan durante el mencionado tiempo.
Al objeto de evitar alimentarlo con baterías, debido al tiempo de conexión,
preferimos sobredimensionar la misma, adaptando un transformador Power King
MW7H50GS(1A) 70x70x172mm. de 5000 mA y 60 watios, con las características
que a continuación se detallan.
Voltaje de entrada: 100-240V AC, 50/60 Hz.
Voltaje de salida: 6/7.5/9/12/13.5/15V DC
Corriente de salida: 6/7.5/9/12V-5000mA;
13.5/15V-3800mA.
Lleva un protector de temperatura que evitará cualquier cortocircuito.
MATERIAL Y MÉTODOS
132
Es de peso y dimensiones tan reducidas que equivale a una quinta parte de lo
que actualmente se encuentra en el mercado.
Las conexiones disponibles para las diferentes salidas, se recogen en las
dos regletas J1 y J2 que componen el circuito impreso del magnetómetro, para
su aplicación en nuestro proyecto, se han conectado las siguientes entradas:
Figura 1.4. Dibujo de las regletas J1 y J2
J1 Auto-calibración
Pin In / Out
1 P GND Suministro y toma a tierra
2 I /AC No comenzar la calibración automática
3 I /SZ No establecer a cero
4 I /BRC No cambiar la tasa de bits
5 I /SD No apagar
6 O /CE Estado de la salida de calibración
7 I ANI Entrada analógica
8 O SO Salida serie
9 I SI Entrada serie
10 O NMEAO RS422 / NMEA-0183 O/P (+)
11 I NMEAI- RS422 / NMEA-0183 I/P (-)
12 I NMEAI+ RS422 / NMEA-0183 I/P (+)
MATERIAL Y MÉTODOS
133
J2 Auto-calibración
Pin In / Out
1 O ANO4 Salida analógica 4
2 O ANO1 Salida analógica 1
3 O ANO2 Salida analógica 2
4 O ANO3 Salida analógica 3
5
6 O SPICK SPI (Interface de periféricos serie)/ Reloj Furuno
7 O SPID SPI (Interface de periféricos serie)/ Datos Furuno
8 I /RTS No solicitar SPI/Furuno
9 P +7 a +15v Suministro + (o 5v con vínculo)
10 P GND Suministro y toma a tierra
Conexión para su aplicación con protocolo NMEA-0183.
Este hardware se comunica usando el standard NMEA-0183, basado en el
protocolo serie balanceado llamado RS422. En el cual se precisan dos líneas
como salida para enviar datos y otras dos como entrada para la recepción de los
mismos.
Figura 1.5. Esquema interno para aplicación NMEA0183
La alimentación del magnetómetro A4020 deberá ser de 5Vcd.
MATERIAL Y MÉTODOS
134
Nota: GND se usa para la corriente de retorno (tierra) y es compartida con el
cable NMEA en algunas instalaciones.
Las posibilidades de adaptación del magnetómetro resulta tan versátil que
permite mediante diferentes puertos serie de PC, seleccionar cualquiera de las
conexiones NMEA o conectar directamente al micro-controlador, tal como
muestra la figura 1.6.
Figura 1.6. Esquema para aplicación a PC
En algunas ocasiones, requiere transformar un RS422 en RS232 pero en la
mayoría de los casos se pueden unir directamente dichos terminales.
Figura 1.7. Esquema de conexión DB9
El formato de salida NMEA-0183 una vez modificados los Baudios de
recepción en serie por los fabricantes, es: 4800 Baudios, 8 bits, 1 bit de stop, sin
paridad.
MATERIAL Y MÉTODOS
135
El magnetómetro envía la información a través del estandar NMEA-0183
mediante la sentencia ‘HDG’ para definir la orientación magnética. Los mismos
fabricantes advierten que tanto el desvío como la variación o declinación, no se
contemplan. Recibiéndose dichos campos vacíos, por sucesivas comas.
Aunque para nuestro propósito necesitamos la lectura de las sentencias
mediante el protocolo NMEA0183, el equipo permite la obtención de datos de
forma analógica fijando las cuatro salidas como SIN, COS, REF y LINEAR,
señalando el valor de salida, en voltios.
La lectura del magnetómetro según el protocolo NMEA 0183 V 2.0 (5-12
v.) quedaría de la siguiente forma:
$HCHDG,hhh.h, , , ,ssss<CR><LF> o
$HCHDG,hhh.h, , , , ss<CR><LF>
donde hhh.h representa la orientación magnética con una precisión de décima;
p.e. de 000.0 a 359.9 grados. Y donde ssss representa la suma de 4 números de
serie.
Siendo el valor devuelto como ss la suma de dos resistencia digitales. El
defecto es la suma de 4 resistencias digitales.
Figura 1.8. Esquema de pulsos para hora
Para la calibración y configuración del sistema cuando se instala cualquier
clase de magnetómetro, las características magnéticas de este, se ven alteradas
por el magnetismo terrestre que a su vez detecta el propio magnetómetro
afectando a toda la instalación. Cada instalación individual será diferente, el
modelo A4020 está equipado con una rutina de autocalibración la cual corrige las
MATERIAL Y MÉTODOS
136
discrepancias en las diferentes instalaciones. El proceso de calibración se inicia
de dos maneras diferentes, mediante sentencia NMEA que puede emitirse al
iniciar el proceso, o conectando en la clavija/AC una toma a tierra de una
resistencia no superior 10K.
El proceso consiste en suministrar una rotación completa al conjunto
instalado, al objeto de reconocer el campo magnético terrestre, de manera que
tanto el magnetismo inducido como el permanente sean ajustados. El método
más común es el efectuar una vuelta completa de forma constante, una vez
ajustado el compás magnético, haciéndolo coincidir con la alineación del muelle,
que corresponderá al Rumbo verdadero, o considerando el Rumbo del giróscopo
como tal. Corrigiéndose los posibles desajustes, el equipo vuelve a una velocidad
angular constante, corrigiendo las medidas o valores principales cuando estos se
desfasan con el tiempo.
1.1.3. COMPÁS SATELITARIO
El compás satelitario utilizado en el experimento, ha sido un JLR 10 de la
marca Japan Radio Corporation.
Fotografía 1.3. Elementos que conforman el compás satelitario
MATERIAL Y MÉTODOS
137
A diferencia de los receptores satelitarios convencionales, que únicamente nos
proporcionan datos característicos de posicionamiento (que resultan escasos), en
su aplicación a la navegación marítima, como:
- Coordenadas (latitud, Longitud),
- Hora UTC,
- C.O.G. (Course Over Ground o Rumbo de fondo),
- S.O.G. (Speed Over Ground o Velocidad de fondo)
- Waypoints o puntos de recalada.
Los compases satelitarios ofrecen, además de los datos anteriormente
citados, una señal de Rumbo verdadero muy aceptable para ser aplicada en un
futuro a cualquier piloto automático, por resultar idéntica a la de un compás
giroscópico.
Figura 1.9. Diagrama explicativo de los aparatos que conforman el compás
satelitario y sus conexiones
MATERIAL Y MÉTODOS
138
Figura 1.10. Diagrama de bloques del compás satelitario
Cuando se enciende la unidad de presentación después de encender el
procesador, aparecen las siguientes pantallas en el siguiente orden: Una vez
adquirida la posición, aparece la pantalla “RUMBO” (heading).
Figura 1.11. Pantalla de inicio y estado de los satélites
El cálculo de la posición la primera vez que se utiliza la unidad o después
de restablecer los valores del archivo maestro, tarda aproximadamente 5
minutos. Después, el posicionamiento tardará unos 3 minutos.
Tres de los modos de presentación principales que vamos a utilizar son los
siguientes:
MATERIAL Y MÉTODOS
139
Presentación de RUMBO
Este modo de presentación muestra el rumbo verdadero del buque y otros
datos de navegación. En el modo de presentación “RUMBO” aparecen los
siguientes elementos.
Figura 1.12. Modo de presentación de Rumbo
Nombre del modo de presentación: Indica que el modo “RUMBO” (heading) está
activo.
Hora (hora: min): Muestra la hora recibida de los satélites. La letra “L” (valor
predeterminado) indica la hora local y la letra “U” indica la hora universal (GMT).
También permite el “Ajuste de la escala CDI y del formato de hora”.
Presentación de POSICIÓN
Este modo de presentación muestra la posición actual y otros datos de
navegación. En el modo de presentación “POSICIÓN” aparecen los siguientes
datos, pudiéndose cambiar desde el menú de funciones.
Figura 1.13. Modo de presentación de posición latitud, Longitud.
MATERIAL Y MÉTODOS
140
Pantalla de posición actual [Latitud/Longitud] en la que aparecen las
coordenadas de la posición actual.
Presentación de ESTADO
El modo de presentación “ESTADO” muestra todos los datos más
importantes de los satélites.
Figura 1.14. Pantalla de presentación de estado de los satélites
Número de satélite: Muestra los números de los satélites cuyas señales se están
recibiendo (12 de 01 a 32)
Receptor seleccionado: Muestra si la información corresponde al receptor GPS
situado en la proa (BOW) o en la popa (STERN) del buque. Pulsaremos el dial
para seleccionar uno u otro. (Cuando el procesador está conectado a un receptor
diferencial, también se puede ver la información (DGPS) de este receptor).
Acimut:Muestra el acimut: N, NE, E, SE, S, SW, W, NW
Ángulo de elevación: Muestra el ángulo de elevación de cada satélite.
Nivel de recepción: Muestra el nivel de recepción de cada satélite. Cuanto mayor
sea el número, mayor será el nivel.
Alarma de antena: Muestra el estado de la antena.
• Ninguna indicación: Normal
• O (open): Abierto (Ninguna antena conectada)
• S (short): Insuficiente (fallo en la antena)
MATERIAL Y MÉTODOS
141
Valor de HDOP: Indica el valor de dilución horizontal de la posición (HDOP).
Cuanto menor sea el valor HDOP, mayor será la precisión de la posición. Cuando
el valor HDOP es superior a 4, el indicador HDOP parpadea para advertir que la
precisión no es buena. Una norma para conseguir precisión en el
posicionamiento. El HDOP se basa en la forma que configuran las posiciones de
los satélites y del receptor, una forma adecuada produce un bajo nivel de HDOP
y un valor de posicionamiento preciso. Una forma inadecuada produce un alto
nivel de HDOP y un valor de posicionamiento impreciso.
Figura 1.15. Pantalla indicadora de posición de los satélites según su altura
Elevación de la antena: Muestra la elevación de la antena obtenida del
posicionamiento en modo 3D.
Cuando la inicialización se realiza en modo 2D, aparece el valor inicial.
Podremos consultar el apartado “Inicialización del GPS” para ampliar
información. Los valores iniciales o la elevación obtenida en mediciones 3D
previas aparecen de modo automático.
Estado del radiofaro: Muestra la frecuencia, velocidad en baudios y RSSI
(Indicador de intensidad de señal de entrada) de la señal de recepción del
radiofaro DGPS.
Fecha: Muestra la fecha derivada de los satélites del GPS. (Mes/día/año)
Alarma de rumbo: Muestra el estado del cálculo del rumbo o el estado de fallo
del sensor auxiliar.
MATERIAL Y MÉTODOS
142
• Ninguna indicación: Normal
1: Los satélites de recepción de las dos antenas (PROA, POPA) son
cuatro
2: Cálculo del rumbo deshabilitado (caso de recibir señales de cinco o más
satélites)
3: Cálculo del rumbo sin finalizar
4: Los satélites de recepción de las dos antenas (PROA, POPA) son tres o menos
5: Cálculo del rumbo deshabilitado (caso de recibir señales de cuatro satélites)
6: Fallo en el sensor auxiliar (dirección de la proa)
7: Fallo en el sensor auxiliar (dirección de balanceo)
8: Fallo en el sensor auxiliar (dirección de cabeceo)
Figura 1.16. Variaciones de Rumbo entre origen y punto de recalada
El equipo permite en su inicialización de una forma automática la obtención de
posición diferencial, mediante un ajuste de radiofaros DGPS.
Para el ajuste de Radiofaros, se puede configurar la frecuencia y la
velocidad de baudios de la estación de radiofaro recibida en el receptor
diferencial (opcional) o receptor de radiofaro DGPS. Si se conecta la unidad de
presentación a un ordenador personal (PC), el nivel de salida debe fijarse en la
opción TTL para introducir datos desde el PC porque, si se selecciona RS-422, el
PC o la unidad de presentación podrían sufrir daños.
MATERIAL Y MÉTODOS
143
Para transmitir/recibir datos de equipos externos se pueden utilizar las
líneas de E/S de datos del cable de datos de la unidad de presentación
(opcional).
El nivel de salida se puede seleccionar mediante TTL o RS-422 para el
intercambio de datos con equipos externos (salida de datos NMEA0183, E/S de
datos de memoria), configurándose antes de intercambiar datos con equipos
externos.
El JLR-10 puede transferir los waypoints y rutas de su memoria interna a
un equipo externo (PC) y recibir datos de otros equipos según señala el apartado
de “Entrada/Salida de rutas y waypoints”.
Los waypoints y rutas de la memoria del equipo se pueden transferir por
separado a un equipo externo
(Por ejemplo, un PC). Estos datos se pueden guardar y modificar en equipos
externos.
Durante la transmisión de datos aparece el mensaje [UPLOADING].
El tiempo necesario para realizar la transmisión dependerá de la cantidad de
datos que se transmitan. Siendo la tasa media de transmisión de una memoria
por segundo, aproximadamente.
1.2. DESCRIPCIÓN Y EXPLICACIÓN DEL DISPOSITIVO
El dispositivo experimental empleado en el presente trabajo, viene
representado en el siguiente diagrama de bloques de la figura 1.17.
Este diagrama muestra esquemáticamente la configuración del sistema de
conmutación que comprende dicho conjunto, apreciándose en él las partes de
que consta y su relación con otros elementos.
MATERIAL Y MÉTODOS
144
Figura 1.17. Esquema del dispositivo experimental
En el esquema mostrado, se puede observar un ejemplo de realización del
compás magnético integral para obtención de desvíos en tiempo real, el cual
comprende las partes y elementos que se indican y describen en detalle a
continuación.
Consiste, por una parte, en un compás magnético constituido por un
cilindro transparente de cristal, en cuyo interior flota en un hidrocarburo que
evita su congelación. La rosa se suspende por medio del chapitel en el zafiro que
contiene el estilo fijado al fondo del mortero, en cuyo interior contiene el imán
que posibilita su funcionamiento.
Por otra parte, tal como se aprecia en el diagrama, comprende asociado a
dicho compás, un sistema compuesto por un software integrado en un PC portátil
o miniordenador con posibilidad de integración en un dispositivo o chip, cuyo
circuito cuenta con dos entradas: una entrada correspondiente a la señal
obtenida del propio compás magnético mediante el magnetómetro o,
alternativamente, se puede sustituir por un lector óptico asociado él; y otra
entrada correspondiente a la señal del compás satelitario o del compás
giroscópico (por tratarse del mismo dato); pudiendo contar dicho circuito con
una salida a un segundo display además de la correspondiente al PC para la
MATERIAL Y MÉTODOS
145
visualización y almacenamiento de los datos de desvíos correspondientes,
obteniendo la tablilla de desvíos de la aguja magnética en tiempo real, pudiendo
dicha señal ser asimismo aplicable al piloto automático.
Cabe señalar que la antedicha entrada a la señal obtenida del compás
magnético en la realización de estas pruebas, opcionalmente, puede o no estar
integrada en el propio compás.
Figura 1.18. Diagrama de bloques del Compás Magnético Integral
El dispositivo utilizado consigue un sistema integral constituido por: un
compás al que se ha acoplado un magnetómetro y un software capaz de ejecutar
el programa al contrastar la señal digital obtenida con la recibida del compás
satelitario, consiguiendo que ofrezca, la tabla y curva de desvíos en tiempo real,
del cual se presenta y desarrolla en el siguiente capítulo. Pudiéndose obtener el
Rumbo verdadero con la realimentación de los datos obtenidos.
MATERIAL Y MÉTODOS
146
2. PROCEDIMIENTOS
2.1. ELECCIÓN DEL SOFTWARE Y FORMULACIÓN
El principal fundamento de este proyecto está basado en la intención de
elaborar a partir de una hoja de cálculo de Excel, un programa informático capaz
de calcular mediante algoritmos los cinco coeficientes para representar los datos
que nos permitiese obtener la curva y tabla de desvíos, que en una primera toma
de contacto nos sirvió para ir ordenando parte del programa, además de
permitirnos poner en servicio de una forma básica el funcionamiento de dicha
hoja comprobando la variación gráfica de la curva de desvíos a medida que se
modificaban los diferentes valores de los desvíos y por consiguiente también los
coeficientes.
Para la obtención de desvíos, Mureu Curbera [54], hace mención en el
capítulo XXXIX de ese tomo, de los diferentes métodos para la comprobación de
los desvíos y el cálculo de la corrección total, advirtiendo de la importancia que
durante la navegación se debe comprobar frecuentemente los desvíos.
Normalmente lo que se obtiene directamente es la Corrección Total y a partir de
esta se calcula el desvío, aplicándole la declinación magnética con el signo
correspondiente:
dmCt −=∆
Dentro de los procedimientos más usuales de obtención como pudieran ser:
1.- con el compás giroscópico.
2.- mediante enfilaciones.
3.- a través de azimut de los astros.
4.- con el azimut al orto y al ocaso (Amplitud).
5.- tomando el azimut de la polar.
MATERIAL Y MÉTODOS
147
Me gustaría destacar que utilizaremos el primero como único de los
métodos, por su sencillez y por tratarse del procedimiento que actualmente más
se utiliza, debido que los alerones de babor y estribor de los buques disponen de
repetidores del compás giroscópico.
En excepcionales ocasiones se comprueba mediante enfilaciones cerca de la
costa, a no ser que la línea realizada por el buque permita tomar las
consiguientes demoras. Un nuevo método que hasta ahora no existía y en un
futuro muy próximo veremos implantado en buques de todo tipo y condición es
el compás satelitario, que nos ha servido de base para esta tesis.
Con el compás giroscópico se comprobará previamente si tiene algún
desvío constante, así como la sincronización del compás magnético y el piloto
automático utilizado como repetidor del compás giroscópico.
A los diferentes Rumbos de aguja quedarán también registradas las
sentencias NMEA0183 correspondientes a los Rumbos satelitarios, sin necesidad
de dar ninguna señal de “TOP” que requeriríamos si la efectuásemos de forma
manual, ni de cantar rumbos para ir anotándolos para calcular posteriormente
los coeficientes.
Así pues utilizaremos el Rumbo del compás giroscópico para comprobar las
alineaciones del buque con respecto al muelle en el que se encuentre atracado.
RaRgRaRvCt −=−=
Si el compás giroscópico se encontrase afectado por un desvío constante,
deberíamos aplicar el mismo para su corrección,
gRgRv ∆+=
gRaRgCt ∆+−=
En cada caso indicaremos las declinaciones magnéticas que se utilizaron en
los diferentes experimentos y que casualmente para una de las pruebas como
fue la salida del puerto de Palma de Mallorca, durante el año 2007 tuvo un valor
MATERIAL Y MÉTODOS
muy próximo a 0º debido a que el ecuador magnético se situaba en la bahía de
Palma de Mallorca, al sur de la Isla.
Es decir, como ejemplo diremos que para una dm próxima a 0º si aproando a
un Rumbo S de aguja, le corresponde un Rg 195º con el que determinaremos
dicho desvío.
º15º180º195 +=−=Ct
º15º0º15 +=−+=Δ
Otro ejemplo, para una dm próxima a 10º NW (-)
Tendríamos:
Para un valor de º7º225º218 −=− RaRg
Valor qué correspondería a la Corrección total
Así pues:
º3)º10(º7 +=−=−−=Δ dm
Otros ejemplos que considero óptimos para ofrecer una idea clara de estos
valores son los siguientes:
Para una si tuviese una Corrección de giro de (aunque en
el libro aparece como desvío, corresponde a una corrección por latitud y
velocidad)
º4+=dm º5,1−
º3º093º090 +=− RgRa
º5,1−=girodeC on
º5,2)4(º5,1)º5,1(º3 −=+−+=−+=Δ
148
MATERIAL Y MÉTODOS
149
Con el ejemplo que detallo a continuación quiero señalar la importancia de
la toma de referencia del Rumbo de aguja como Rumbo patrón, esto se debe
aplicando la lógica por tratarse el compás del instrumento más autónomo, será al
que se le apliquen los diferentes valores de los desvíos, referidos a todos los
cardinales, cuadrantales, o sencillamente cada º15 como exige la administración.
De otra forma, si tomásemos como patrón el Rumbo verdadero obtenido
de la giro o del satélite, nos costaría mucho interpretar las lecturas a la inversa.
Veámos con un solo ejemplo diferenciando para un mismo desvío que nos
resultaría mas complejo.
Para º5,065º060 RgRa − ; una º5,0+=dm
º5,5+=Ct
º5)º5,0(º5,5 +=+−+=∆
Suponiendo
Para º060º5,054 RgRa − ; una º5,0+=dm
También sería º5,5+=Ct y un º5)º5,0(º5,5 +=+−+=∆ , en realidad el cálculo
no nos variaría en absoluto, pero en el momento de la lectura, caso de avería en
la giro, tendríamos que andar buscando en el compás ese 54,5º en vez de 60º,
al ser el compás magnético el que observase el timonel.
De los métodos a emplear en los programas, nos vamos a centrar en el
cálculo de la curva y tabla, utilizando los cinco coeficientes del desvío, por lo que
tendremos que:
MATERIAL Y MÉTODOS
150
Coeficiente E
4/)()()º135(º5 WESNRumboal ∆+∆−∆+∆=∆
Coeficiente A
4/)( WESNNorteal ∆+∆+∆+∆=∆
Coeficiente B
2/)( WEEsteal ∆−∆=∆
Coeficiente C
2/)( SNSural ∆−∆=∆
Coeficiente D: En función del desvío al 5º Rumbo (135º)
4/)()( º135 WENOesteal ∆+∆−∆−∆=∆
2.1.1. IDENTIFICADORES Y FORMATOS DE LAS SENTENCIAS
SOBRE EL PROTOCOLO NMEA 0183.
Rumbo Satelitario
GP - Global Positioning System (GPS)
HDT Heading – True
1 2 3
| | |
$--HDT,x.x,T*hh
1) Heading Degrees, true 2) T = True 3) Checksum
MATERIAL Y MÉTODOS
151
Rumbo Aguja
HC - Heading – Magnetic Compass
HDG Heading – Deviation & Variation
1 2 3 4 5 6
| | | | | |
$--HDG,x.x,x.x,a,x.x,a*hh
1) Magnetic Sensor heading in degrees 2) Magnetic Deviation, degrees 3) Magnetic Deviation direction, E = Easterly, W = Westerly 4) Magnetic Variation degrees 5) Magnetic Variation direction, E = Easterly, W = Westerly 6) Checksum
Para la elección de la programación se barajaron dos posibilidades, a partir
de la sencilla hoja de cálculo que también utilizaríamos para representar al
contrastar datos de las diferentes pruebas.
2.2. DESCRIPCIÓN LABVIEW
LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) de
National Instrument, debido tanto a sus posibilidades como por disponer en la
Escuela de Náutica de la correspondiente licencia, proporciona un potente
entorno de desarrollo gráfico, altamente productivo, para la construcción de
sistemas de adquisición y presentación de datos, análisis de medidas,
instrumentación y control. LabVIEW nos da la capacidad de crear rápidamente
una interfaz de usuario que nos proporciona la interactividad con el sistema,
ofreciendo una gran flexibilidad gracias a un lenguaje de programación sin la
complejidad de las herramientas de desarrollo tradicionales.
LabVIEW es un entorno de programación destinado al desarrollo de
aplicaciones, similar a los sistemas de desarrollo comerciales que utilizan el
MATERIAL Y MÉTODOS
152
lenguaje C o BASIC. Sin embargo, LabVIEW se diferencia de dichos programas
en un importante aspecto: los citados lenguajes de programación se basan en
líneas de texto para crear el código fuente del programa, mientras que LabVIEW
emplea la programación gráfica o lenguaje G para crear programas basados en
diagramas de bloques. La programación G (Gráfica) es el corazón de LabVIEW.
Para el empleo de LabVIEW no se requiere gran experiencia en
programación, ya que se emplean iconos, términos e ideas familiares a científicos
e ingenieros, y se apoya sobre símbolos gráficos en lugar de lenguaje escrito
para construir las aplicaciones. Por ello resulta mucho más intuitivo que el resto
de lenguajes de programación convencionales.
LabVIEW posee la flexibilidad de un lenguaje de programación, combinado
con herramientas adicionales diseñadas específicamente para test, medida y
control, pudiendo crear aplicaciones que van desde la simple monitorización de
temperatura hasta la simulación y diseño de sistemas de control.
Las características principales de LabVIEW son:
• Intuitivo lenguaje de programación gráfico para ingenieros y científicos
• Herramientas de desarrollo y librerías de alto nivel específicas para
aplicaciones
• Cientos de funciones para E/S, control, análisis y presentación de datos
• Despliegue en ordenadores personales, móviles, industriales y sistemas de
computación empotrados
• Se reduce el tiempo de desarrollo de las aplicaciones al menos de 4 a 10
veces, ya que es muy intuitivo y fácil de aprender.
• Dota de gran flexibilidad al sistema, permitiendo cambios y actualizaciones
tanto del hardware como del software.
• Da la posibilidad a los usuarios de crear soluciones completas y complejas.
• Con un único sistema de desarrollo se integran las funciones de
adquisición, análisis y presentación de datos.
• El sistema está dotado de un compilador gráfico para lograr la máxima
velocidad de ejecución posible.
• Tiene la posibilidad de incorporar aplicaciones escritas en otros lenguajes.
MATERIAL Y MÉTODOS
153
LabVIEW es utilizado en diferentes ámbitos, siendo los más destacados:
• Análisis automatizado y plataformas de medida:
o Test de fabricación
o Test de validación/medioambiental
o Test mecánico/estructural
o Test de fiabilidad en tiempo real
o Adquisición de datos
o Test de campo portátil
o Test de RF y comunicaciones
o Test en bancos de prueba
o Adquisición de imagen
• Medidas industriales y plataformas de control:
o Test y control integrado
o Automatización de máquinas
o Visión artificial
o Monitorización de condiciones de máquina
o Monitorización distribuida y control
o Monitorización de potencia
• Diseño embebido y plataformas de prototipaje
o Diseño y análisis de sistemas empotrados
o Diseño de control
o Diseño de filtros digitales
o Diseño de circuitos electrónicos
o Diseño mecánico
o Diseño de algoritmos
• Docencia: LabVIEW es ideal tanto para profesores como para
investigadores y estudiantes. Las licencias departamentales y de campus
son ideales para implantar la herramienta en los planes de estudio de las
universidades.
MATERIAL Y MÉTODOS
154
Figura 2.1. Pantalla de diferentes programas de Lab VIEW
Dicho programa, mediante un proceso de discriminación, se podría
integrar, bien con el magnetómetro del compás magnético o en el propio
receptor satelitario.
Figura 2.2. Cálculo de Desvíos a partir de coeficientes
MATERIAL Y MÉTODOS
155
Figura 2.3. Cálculo de los coeficientes a partir de los registros NMEA
Figura 2.4. Adquisición de datos por puerto serie
2.3. DESCRIPCIÓN REALBASIC
REALbasic es un entorno de desarrollo visual de aplicaciones o RAD (Rapid
Application Development) que utiliza el lenguaje BASIC, un lenguaje sencillo y
directo. RAD es un proceso de desarrollo de software cuyo método comprende el
desarrollo interactivo, la construcción de prototipos y el uso de utilidades CASE
(Computer Aided Software Engineering, Ingeniería de Software Asistida por
Ordenador). Tradicionalmente, el desarrollo rápido de aplicaciones tiende a
englobar también la usabilidad, utilidad y la rapidez de ejecución.
MATERIAL Y MÉTODOS
156
Las herramientas CASE son diversas aplicaciones informáticas destinadas a
aumentar la productividad en el desarrollo de software reduciendo el coste de las
mismas en términos de tiempo y de dinero. Herramientas que pueden ayudar al
desarrollo del software en tareas como el proceso de realizar un diseño del
proyecto, calculo de costes, implementación de parte del código
automáticamente con el diseño dado, compilación automática, documentación o
detección de errores entre otras.
REALbasic, desarrollado por la compañía Real Software, es una
implementación moderna y orientada a objetos del lenguaje de programación
BASIC. REALbasic se diseñó para facilitar el uso y la productividad de los
desarrolladores de software tomando prestado muchos conceptos de otros
lenguajes, incluyendo Visual Basic y Java.
El lenguaje BASIC (Beginners All-purpose Symbolic Instruction Code - código
de instrucciones simbólicas de propósito general para principiantes) es un
lenguaje de programación que originalmente fue desarrollado como una
herramienta de enseñanza; se diseminó entre los microcomputadores hogareños
a partir de la década de 1980, y sigue siendo muy popular hoy en día.
Los principios de diseño de BASIC fueron:
1. Ser fácil de usar para los principiantes.
2. Ser un lenguaje de propósito general (no orientado).
3. Permitir a los expertos añadir características avanzadas, conservando
siempre un lenguaje simple para los principiantes.
4. Ser interactivo.
5. Proveer mensajes de errores claros y amigables.
6. Respuesta y desarrollo rápido de programas.
7. No requerir un conocimiento del hardware del ordenador.
REALbasic, en su versión profesional, permite compilar aplicaciones en Mac
OS Classic, Mac OS X, Windows y Linux utilizando el mismo código fuente, sin
tener que migrar el código a otro lenguaje, lo cual se aprovecha para hacer
aplicaciones multiplataforma
MATERIAL Y MÉTODOS
157
REALbasic para
Windows
REALbasic para Mac
REALbasic para Linux
Compila para
Windows
Compila para
Mac OS X
Compila para
Linux
Tabla 2.1. Aplicaciones a partir del compilador de REALbasic
Nota: la compilación de plataforma múltiple no esta soportada por la Edición
Personal de REALbasic. Compila aplicaciones que son fáciles de desplegar en los
distintos sistemas operativos:
Windows: A diferencia de otras herramientas de desarrollo de Windows,
REALbasic genera ejecutables independientes que no dependen de librerías
externas o armazones preinstalados, generando un único archivo con extensión
exe. (archivo ejecutable, autónomo y totalmente independiente). Al eliminar
dependencias externas, REALbasic elimina los errores causados por archivos
externos a la propia aplicación.
Mac: REALbasic compila aplicaciones nativas de Mach-O en el formato universal
binario de Apple.
Linux: REALbasic compila aplicaciones nativas de Linux que se ejecutan en la
mayoría de las distribuciones modernas de Linux.
REAL Software realiza actualizaciones de REALbasic cada 90 días.
Actualizando como ninguna otra compañía de herramientas de software. Siendo
estas gratuitas durante un periodo de 6 meses, al adquirir una nueva licencia.
Necesitando para los distintos sistemas operativos los siguientes requisitos:
MATERIAL Y MÉTODOS
158
REALbasic para Windows
Mínimo:
Windows 2000 o más reciente (XP/Vista)
1 GB de RAM
Procesador de 1.0 GHz
Recomendado:
Windows 2000, XP o Vista
2 GB de RAM
Procesador de 2.0 GHz
REALbasic para Macintosh
Mínimo:
Mac OS X 10.3 o más reciente
1 GB de RAM
1.0 GHz G4
Recomendado:
Mac OS X 10.4 o más reciente
2 GB de RAM disponible
Cualquier Procesador de Intel
REALbasic para Linux
Mínimo:
Distribuciones de Linux basadas en x86 con
GTK+ 2.8 (o superior)
glibc-2.3 (o superior)
CUPS (Sistema Común de Imprimir de UNIX)
libstdc++.so.6
1 GB de RAM
Procesador de 1.0 GHz
Recomendado:
Distribuciones de Linux basadas en x86 con
GTK+ 2.8 (o superior)
glibc-2.3 (o superior)
CUPS (Sistema Común de Imprimir de UNIX)
libstdc++.so.6
2 GB de RAM
Procesador de 2.0 GHz
Las distribuciones de Linux soportadas oficialmente son: Ubuntu 6.06 o
más reciente, SUSE Linux Enterprise Desktop 10 y Red Hat Enterprise
Linux 5.
PROCEDIMIENTOS
159
2.3.1. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA CAPTURA DE
SEÑAL DE RUMBO MAGNÉTICO
Function Rumbo Magnético(strRumbo as string) As string
dim strA as string
dim d as Date
dim intf as double
d=new date
frmVisor.lblNMEA.text="NMEA : " +strRumbo
LogNMEA="MAG->"+ LogNMEA + strRumbo + ";"
+d.ShortDate+";"+d.ShortTime
strA=ParsearDatosSerie(strRumbo) app.DoEvents
if len(strRumbo)>20 then
Return ""
end if
if mid(strRumbo,1,7)="$HCHDG," then
stra=NthField(strRumbo,",",2) gintCapMag=gintCapMag +1
LogNMEA=LogNMEA +";"+ cstr(gintCapMag) + chr(13)
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
return cstr(intf)
else
return ""
end if
else
LogNMEA=LogNMEA + chr(13) return ""
end if
End Function
PROCEDIMIENTOS
160
2.3.2. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA CAPTURA DE
SEÑAL DE RUMBO SATELITARIO
Function Rumbo Satelitario(strRumbo as string) As string
dim strA as string
dim intA as double
dim d as Date
d=new date
frmVisor.lblNMEA.text="NMEA : " +strRumbo
strA=ParsearDatosSerie(strRumbo)
if stra<>"" then
return ReplaceAll(stra,".",",")
end if
if len(strRumbo)>20 then
Return ""
end if
strRumbo=mid(strRumbo,1,15)
if mid(strRumbo,1,8)="$GPHDT,0"
or mid(strRumbo,1,8)="$GPHDT,1"
or mid(strRumbo,1,8)="$GPHDT,2"
or mid(strRumbo,1,8)="$GPHDT,3"
or mid(strRumbo, 1,8)="$GPHDT,4"
or mid(strRumbo,1,8)="$GPHDT,5"
or mid(strRumbo, 1,8)="$GPHDT,6"
or mid(strRumbo,1,8)="$GPHDT,7"
or mid(strRumbo, 1,8)="$GPHDT,8"
or mid(strRumbo,1,8)="$GPHDT,9" then
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1 LogNMEA=LogNMEA +";" + cstr(gintCapSat)
+ chr(13)
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)//ReplaceAll(stra,".",",")
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
else LogNMEA=LogNMEA +chr(13)
return ""
end if
End Function
PROCEDIMIENTOS
161
2.3.3. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA CALCULAR LA
DIFERENCIA DE RUMBOS Function Diferencia Rumbos(intRumboA as double,IntRumboB as
double) As double
dim intA as double
return intRumboA - IntRumboB
End Function
2.3.4. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA REGISTRO DE
DESVÍO
Sub Registrar Desvío(intRumboM as double,intDesvío as double,
intRumboS as double)
dim inta as double
inta=intRumboM*10
select case intRumboM
case 0
if intRumboS>300 then
Desvio(inta)=360-intRumboS
intDesvio=360-intRumboS
end if
else Desvio(inta)=intDesvio
end select
DesviosS(inta)=intRumbos
if intRumboM>-1 and intRumboM<1 then
ca=intDesvio-Declinacion
end if
if intRumboM>89 and intRumboM<91 then
cb=intDesvio-Declinacion
end if
if intRumboM>134 and intRumboM<136 then
cc=intDesvio-Declinacion
end if
if intRumboM>179 and intRumboM<181 then
cd=intDesvio-Declinacion
end if
if intRumboM>269 and intRumboM<271 then
ce=intDesvio-Declinacion end if
End Sub
PROCEDIMIENTOS
162
2.3.5. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA OBTENCIÓN DE
DESVÍO
Function Obtener Desvío(intRumboM as double) As double
dim inta as integer
inta=intRumboM*10
return Desvio(inta)
End Function
2.3.6. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA CÁLCULO DE
COEFICIENTES
Sub Calcular Coeficientes()
dim Radianes as double
radianes=(135*ipi)/180
cda=(ca+cd+cb+ce)/4
cdb=(cb-ce)/2
cdc=(ca-cd)/2
cde=((ca+cd)-(cb+ce))/4
cdd=(cc-cda-(cdb*sin(radianes))-(cdc*cos(radianes))-
(cde*cos(2*radianes)))/(sin(2*radianes))
End Sub
2.3.7. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA CÁLCULO DE
DESVÍO POR COEFICIENTES
Function Desvío Por Coeficientes(intRumbo as double) As double
dim intD as double
intd=cda+cdb*sin(intRumbo*(iPI/180))
+cdc*cos(intRumbo*(iPI/180))
+cdd*sin(2*(intRumbo*(iPI/180)))
+cde*cos(2*(intRumbo*(iPI/180)))
return intd
End Function
PROCEDIMIENTOS
163
2.3.8. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA OBTENCIÓN DE
DATOS EN SERIE
Function ParsearDatosSerie(strData as string) As string
dim strOrden as string
dim strAA as string
strOrden=NthField(strData,",",1)
select case strorden
case "$GPGGA"
if NthField(strData,",",15)<>"" then
GPS_POS_LON=cdbl(NthField(strData,",",3))
GPS_POS_LAT=cdbl(NthField(strData,",",5))
frmGPS.lblGPSLat.text=NthField(strData,",",5) + " " +
NthField(strData,",",4)
frmGPS.lblGPSLon.text=NthField(strData,",",3) + " " +
NthField(strData,",",6) frmgps.Visible=true
end if
case "$GPRMA"
straa=NthField(strData,",",9)
return straa
case "$GPRMC"
straa=NthField(strData,",",8)
return straa
end select
return ""
End Function
2.3.9. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA GUARDAR EL
REGISTRO DE DATOS NMEA
Sub addToLog(strData as string) dim d as Date
d=new date
LogNMEA=LogNMEA + "<" +
cstr(d.Day)+cstr(d.Month)+cstr(d.Year)+cstr(d.Hour) +
cstr(d.Minute) + cstr(d.Second) + ">" + strData + chr(13)
End Sub
PROCEDIMIENTOS
164
2.3.10. FUNCIÓN DEL CÓDIGO FUENTE PARA PARSEAR EL
RUMBO NMEA
Function ParsearRumboNMEA(strNmeaData as string) As String
dim strA as string
dim intA as double
dim intf as double
dim dblA as double
dim strRumbo as string
dim strOrden as string
dim strData as string
dim straa as string
strRumbo=strNmeaData
addToLog strRumbo
select case mid(strNmeaData,1,8)
case "$GPHDT,0"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,1"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,2"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
PROCEDIMIENTOS
165
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,3"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,4"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,5"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,6"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,7"
PROCEDIMIENTOS
166
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,8"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
case "$GPHDT,9"
inta=cdbl(ReplaceAll(NthField(strRumbo,",",2),".",","))
gintCapSat=gintCapSat +1
if val(ReplaceAll(cstr(inta),".",",")) >0 then
return cstr(inta)
else
return ""
end if
return ReplaceAll(stra,".",",")
end select
select case mid(strNmeaData,1,8)
case "$HCHDG,0"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,1"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
PROCEDIMIENTOS
167
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else return "" end if
case "$HCHDG,2"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,3"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,4"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,5"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,6"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
PROCEDIMIENTOS
168
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,7"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,8"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
case "$HCHDG,9"
stra=NthField(strRumbo,",",2)
gintCapMag=gintCapMag +1
if val(ReplaceAll(stra,".",",")) >0 then
intf=cdbl(ReplaceAll(stra,".",","))
intf=round(intf)
else
return ""
end if
end select
End Function
IV
RESULTADOS EXPERIMENTALES
RESULTADOS EXPERIMENTALES
169
1. PRIMERA FASE: PROGRAMA Labview
1.1. CONEXIÓN Y PREPARACIÓN DE EQUIPOS EN LA ETS DE
NÁUTICA.
Para el estudio de los diferentes equipos, la secuencia que se siguió fue la
que a continuación detallaremos:
En primer lugar se instaló en el laboratorio de Física de la Escuela Técnica
Superior de Náutica y Máquinas Navales de Portugalete, ubicado en la segunda
planta del edificio la unidad correspondiente al procesador del compás satelitario
JRC- JLR 10-T, así como el monitor del mismo equipo donde vienen
representados los diferentes datos.
En la terraza del edificio a la que se accede a través del puente bajo, se
colocó una barra de acero con precintos al muro de la fachada, para instalar la
biantena del compás satelitario, permitiéndonos girar la antena hasta la
orientación deseada.
Depués de la conexión de equipos de prueba a procesador, se fueron
acoplando al PC para que fuesen desarrollándose las lecturas desde los
hiperterminales correspondientes; concretamente uno del compás satelitario y
otro del compás magnético integral (prototipo con magnetómetro).
Dificultades que se nos presentaron, a la hora de conexión de equipos, fue
la colocación invertida del magnetómetro adosada en la parte inferior del compás
magnético, modificando la carcasa donde iba ubicado a la que se añadieron dos
fijaciones de PVC para una mayor sujeción.
Para que la alineación o ajuste de la señal del magnetómetro, sea
coincidente a la del compás, de forma visual, una vez cantadas las lecturas a
modo de rumbo, se fijaban las sujeciones de la carcasa cuando la lectura visual
del compás con la señal del fluxgate en el programa eran idénticas.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
170
Figura 1.1. Pantalla de las sentencias recibidas por el compás magnético
Una vez subsanado esto, recibía correctamente las señales de los dos
equipos, por lo que dimos por concluidas las pruebas en tierra firme en lo que a
conexiones y recepción de las señales se refiere.
1.2. EMBARCACIÓN “LAU A”. INSTALACIÓN Y PRUEBA DE
EQUIPOS EN NAVEGACIÓN
Una vez embarcados con los equipos, a bordo de EMBARCACIÓN “LAU A”
se instalan la antena del compás satelitario JRC- JLR 10-T, procediendo a su
conexión a la unidad de procesador NMEA 0183, después, conectamos a red el
compás magnético integral (prototipo con magnetómetro) y ambos equipos con
salida DB9 al ordenador portátil, mediante dos adaptadores a USB. Vamos
navegando desde el puerto de Elantxobe con rumbos Nordestes, recibiendo las
sentencias NMEA de ambos equipos de forma correcta, hasta llegar al puerto de
Lekeitio, dentro del puerto, vamos realizando ciabogas, para efectuar una vuelta
completa, para confeccionar curva y tabla de desvíos, observando que:
RESULTADOS EXPERIMENTALES
171
1. El programa no discrimina entre los valores próximos a 360º con
respecto al 000º, haciendo que se obtengan unos valores muy
exagerados de Desvío una vez insertada de forma manual el
valor de la declinación magnética de 4º NW para la fecha.
2. Para cualquier movimiento brusco de escora en la embarcación, a
pesar de la suspensión cardan, el magnetómetro difiere mucho
de la captación real del imán del compás magnético de las
pruebas, hasta incluso dejar de emitir señal, afectando al
programa de LabVIEW, como consecuencia de no captar una de
las señales, volviéndose loco el consiguiente esquema entrando
en un bucle.
Como conclusión de dichas observaciones, optamos por confeccionar otro
programa más versátil, aunque carezca de la representación gráfica tan exquisita
de LabVIEW, seleccionando el REALbasic por su sencillez en la programación, por
su portabilidad, para Mac y Windows y otro factor importante por su gratuidad
para Linux.
2. SEGUNDA FASE: BUQUE “SOROLLA”. PROGRAMA Real Basic
Llegamos al puerto de Barcelona coincidiendo con la maniobra de atraque
del buque a las 20:00 horas, aprovechando para realizar los trámites y recogida
de los pasajes mientras se efectuaban las operaciones de descarga del buque. Al
estar en comunicación directa con el buque, nos avisaron cuando pudimos
embarcar con el material para su instalación.
En días previos a las pruebas, solicitamos vía telefónica directa con el
capitán y primer oficial, útiles que necesitaríamos para la instalación de los
equipos, entre compás magnético integral (prototipo con magnetómetro),
compás satelitario JRC- JLR 10-T contrastando esta última señal de forma visual
con el compás giroscópico “Digital giro Anschütz” de que dispone el buque
“SOROLLA” de Cía. Trasmediterránea.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
172
Fuimos instalando en el alerón de estribor, el palo donde fijamos la
biantena, pasamos cableado protegiéndolo de posibles roturas o cortes, en la
derrota se fueron colocando los ordenadores para captación de datos y se
conectó el equipo correspondiente al compás satelitario, para su sincronización
con el compás giroscópico, una vez alineado con este y comprobada la alineación
verdadera del muelle en el que nos encontrábamos atracados según carta
náutica del Instituto Hidrográfico nº. 107, se instaló a popa de la biantena sobre
el enjaretado del alerón, el compás magnético con el magnetómetro adaptado en
su parte inferior, respetando la norma de instalación de compás magnético a
bordo de un buque, en la que dice que deberá estar a un metro sobre la
cubierta; esto lo solucionamos gracias a un tubo de PVC al que le fue colocado en
su parte superior un cubo de plástico al que se le suprimió la base, permitiendo
bascular el sistema cardan del compás magnético a instalar.
Efectuadas las conexiones, se comprobó que también de este se recibía
señal de forma correcta.
Realizamos pruebas de captación de datos que cada 3 minutos almacenase
los mismos en el registro NMEA. Comprobado que capturaba y registraba los
mismos de forma adecuada, variamos la frecuencia de captación a 6 minutos,
para no saturar el ordenador que lo almacenaba, para prevenir un posible
bloqueo.
2.1. ANÁLISIS DE DATOS EN MANIOBRA DE SALIDA DEL
PUERTO DE BARCELONA, 15 DE JUNIO DE 2007
Y se inició la maniobra a la orden del capitán de: ATENCIÓN A LA
MÁQUINA, comenzamos a grabar datos a las 23:07:02 aunque de forma
intermitente para pruebas, sin haber largado cabos. Parando la grabación a las
23:48:33, una vez dada la voz de LISTOS DE MÁQUINA y LISTOS DE MANIOBRA,
arrumbando al puerto de Palma de Mallorca una vez recalada la boya Sierra.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
173
Fotografía 2.1. Buque “SOROLLA” en maniobra de salida puerto de Barcelona
De los registros obtenidos durante los 41 minutos 31 segundos de
adquisición de datos, se obtuvieron en 1.198 páginas, 316.876 palabras, que
correspondieron a 43.500 registros NMEA.
Destacamos la no regularidad en la curva, debido a no capturar dato al
Rumbo 270º alcanzando el 195º como máximo Rumbo en dicha maniobra.
Día: 15 de junio de 2007
Puerto de Barcelona.
Maniobra de salida destino Palma de Mallorca
Hora: 23:00
Embarcación: SOROLLA (Compañía Trasmediterránea)
Declinación: 0,6 NW
RESULTADOS EXPERIMENTALES
174
Coeficientes: A = 15,13 B = 30,25 C =-29,30 D =-11,77 E = 0,18
Corrección total (declinación magnética+Desvío)
Figura 2.1. Pantalla inicial cuando comienza a recibir señal el GPS
Fotografía 2.2. Derrota Buque “SOROLLA” ajuste entre giro Anschütz y compás satelitario JRC- JLR 10
RESULTADOS EXPERIMENTALES
175
Comienzo de grabación NMEA, conexión y prueba con equipos (alineación del
muelle): Hora: 23:07:02
Figura 2.2. Pantalla con los primeros registros
Detalle de las sentencias capturadas, según aparecen en la figura 2.2.
$GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;1 $HCHDG,21.4,,,,;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;1 $HCHDG,21.4,,,,;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;2 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;3 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;4 ;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 ;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;5 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;6 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;7 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:03 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:03;8 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:03 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:03;9
RESULTADOS EXPERIMENTALES
176
$GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;1 $HCHDG,21.4,,,,;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;1 $HCHDG,21.4,,,,;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02 $GPHDT,005.9,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;2 $HCHDG,21.4,,,,;viernes 15 de junio de 2007;23:07:02;2 Comienzo de maniobra, Hora: 23:17:01 Extracto de las sentencias: BCN 15.06.2007
1º.
HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) NORTE $GPHDT,345.4,T*39;viernes 15 de junio de 2007;23:27:53 $HCHDG,0.0,,,,; viernes 15 de junio de 2007;23:27:53
2º.
HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) ESTE
$GPHDT,135.0,T*32; viernes 15 de junio de 2007; 23:32:11;5983 $HCHDG,90.4,,,,; viernes 15 de junio de 2007;23:32:11;723
5º. HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) SUDESTE
$GPHDT,203.4,T*37; viernes 15 de junio de 2007;23:39:12;7382 $HCHDG,135.0,,,,; viernes 15 de junio de 2007; 23:39:12;1087
3º. HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) SUR
$GPHDT,224.0,T*36; viernes 15 de junio de 2007;23:45:01 $HCHDG,180.0,,,,; viernes 15 de junio de 2007;23:45:01 Final de maniobra. Puestos a Rumbo habiendo rebasado la boya Sierra.
Manteniendo la grabación de datos en el registro NMEA hasta las 23:48:35.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
177
Figura 2.3. Pantalla con los registros finales
$HCHDG,107.6,,,,;viernes 15 de junio de 2007;23:48:35 $GPHDT,176.2,T*37;viernes 15 de junio de 2007;23:48:35
Figura 2.4. Hoja de cálculo buque: SOROLLA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
178
Figura 2.5. Tabla y curva de desvíos buque SOROLLA
Figura 2.6. Desvíos y coeficientes buque SOROLLA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
179
Figura 2.7. Desvíos y coeficientes buque SOROLLA en REALbasic
COMENTARIO: Se aprecia claramente que al no adquirir el dato del Rv a Ra
oeste, (por no tocar el mismo en la maniobra) la distorsión en la curva es
evidente, respecto a las obtenidas a la salida del Puerto de Palma y la efectuada
en la curva de evolución completa anterior a la entrada en el puerto de
Barcelona.
ANÁLISIS: Se comprueba que el valor aleatorio interpolado por el programa para
sustituir el desvío al oeste, resulta nulo, al no corresponderse ni aproximarse
con el real, debido a la variación que encadena en los coeficientes.
2.2. ANÁLISIS DE DATOS EN MANIOBRA DE SALIDA DEL
PUERTO DE PALMA DE MALLORCA, 16 DE JUNIO DE 2007
Atracados en el puerto de Palma de Mallorca, por estribor al muelle de
Poniente sur, cuya alineación del mismo es de 90º verdadero; estando
programada la salida una vez finalizadas las operaciones de carga y embarque de
pasajeros, a las 13:00, se inicia la maniobra poniendo ATENCIÓN A LA MÁQUINA,
RESULTADOS EXPERIMENTALES
180
a las 13:06 comenzamos a registrar datos mientras largan cabos. Se da el
LISTOS DE MANIOBRA a las 13:16 mientras hacemos un Rumbo verdadero de
180º, manteniéndolo unos nueve minutos, que nos permita registrar el Rumbo
oeste, ya que desde la Luz Roja del espigón del puerto de Palma, para pasar a 2
millas de Cala Figuera, tenemos que poner un Rumbo verdadero 210º, por lo que
no hubiésemos conseguido el dato que necesitamos. Haciendo a las 13:23 el
270º para buscar de nuevo el 210º. Parando la grabación de registros a las
13:23. Comienzo de maniobra, Hora: 13:06
Día: 16 de junio de 2007
Puerto de Palma de Mallorca.
Maniobra de salida destino Barcelona
Hora: 13:00
Embarcación: SOROLLA (Compañía Trasmediterránea)
Declinación: 0,2 NE Coeficientes: A = 11,75 B = 46,50 C =-23,50 D =-7,15 E = 9,75
RESULTADOS EXPERIMENTALES
181
Comienzo de maniobra, Hora: 13:06:00
Extracto de las sentencias: PMI 16.06.2007
1º.
HDT (Rumbo verdadero)
HDG (Rumbo de aguja) ESTE
$GPHDT,139.0,T*39; sábado 16 de junio de 2007; 13:08:18;
$HCHDG,90.3,,,,; sábado 16 de junio de 2007;13:08:18;
5º.
HDT (Rumbo verdadero)
HDG (Rumbo de aguja) SUDESTE
$GPHDT,203.6,T*35; sábado 16 de junio de 2007; 13:11:51;
$HCHDG,135.0,,,,; sábado 16 de junio de 2007; 13:11:51;
2º.
HDT (Rumbo verdadero)
HDG (Rumbo de aguja) SUR
$GPHDT,225.2,T*34; sábado 16 de junio de 2007;13:16:33
$HCHDG,180.0,,,,; sábado 16 de junio de 2007;13:16:33
3º.
HDT (Rumbo verdadero)
HDG (Rumbo de aguja) OESTE
$GPHDT,225.7,T*39; sábado 16 de junio de 2007;13:22:14
$HCHDG,270.0,,,,; sábado 16 de junio de 2007;13:22:14
RESULTADOS EXPERIMENTALES
182
Figura 2.8. Hoja de cálculo buque: SOROLLA
Figura 2.9. Tabla y curva de desvíos buque SOROLLA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
183
Figura 2.10. Desvíos y coeficientes buque SOROLLA
Figura 2.11. Desvíos y coeficientes buque SOROLLA en REALbasic
COMENTARIO: A pesar que en esta maniobra no adquiriere el dato del Rv a Ra
Norte, la distorsión en la curva es muchísimo menor, respecto a la curva de
evolución completa real, obtenida anterior a la entrada del puerto de Barcelona.
ANÁLISIS: En este caso el valor aleatorio interpolado por el programa para
sustituir el desvío al norte, no resulta tan alejado del real, por aproximarse tanto
en valor como en signo a los parámetros reales.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
184
2.3. ANÁLISIS DE DATOS EN MANIOBRA DE HOMBRE AL AGUA
O CURVA DE EVOLUCIÓN ANTERIOR A ENTRADA EN EL
PUERTO DE BARCELONA 16 DE JUNIO DE 2007
Comenzamos a registrar datos, a las 18:30:06, con un Rumbo verdadero
(HDT) 24.9º y un Rumbo de aguja (HCHDG) 28.0
El capitán D. Santiago Alonso Goya, da orden al timonel de poner el timón
en manual aguantando con 10º del mismo a estribor hasta efectuar la curva de
evolución completa:
De 18:31:16 en situación latitud = 41º 11,078´ N y Longitud = 002º
13,097´ E.
Hasta 18:43:02 en situación latitud = 41º 11,049´ N y Longitud = 002º
12,843´E; dando por concluida la maniobra, obteniendo un registro de 561
páginas, con un total de 16.998 palabras. Poniéndonos de nuevo a rumbo a las
18:44.
Declinación:
0,6 NW
Coeficientes:
A = 9,05
B = 46,65
C =-30,35
D =-5,50
E = 6,40
RESULTADOS EXPERIMENTALES
185
Comienzo de maniobra, Hora: 18:31:16 Extracto de las sentencias: BCN 16.06.2007 $GPHDT,024.9,T*39;sábado 16 de junio de 2007;18:30:06 $HCHDG,28.0,,,,;sábado 16 de junio de 2007;18:30:06 $GPHDT,090.4,T*37;sábado 16 de junio de 2007;18:32:16;1 $HCHDG,63.7,,,,;sábado 16 de junio de 2007;18:32:16;1
1º.
HDT (Rumbo verdadero)
HDG (Rumbo de aguja) ESTE
$GPHDT,139.0,T*38; sábado 16 de junio de 2007; 18:33:27; $HCHDG,90.3,,,,; sábado 16 de junio de 2007;18:33:27;
5º. HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) SUDESTE
$GPHDT,203.6,T*35; sábado 16 de junio de 2007; 18:35:16; $HCHDG,135.0,,,,; sábado 16 de junio de 2007; 18:35:16;
2º. HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) SUR
$GPHDT,225.2,T*34; sábado 16 de junio de 2007;18:36:51 $HCHDG,180.0,,,,; sábado 16 de junio de 2007;18:36:51 3º.
HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) OESTE $GPHDT,225.4,T*39; sábado 16 de junio de 2007;18:39:04 $HCHDG,270.0,,,,; sábado 16 de junio de 2007;18:39:04 4º.
HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) NORTE $GPHDT,344.5,T*36; sábado 16 de junio de 2007;18:42:13 $HCHDG,0.0,,,,; sábado 16 de junio de 2007;18:42:13
Final de maniobra. Puestos a Rumbo proa a la boya Sierra.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
186
$GPHDT,025.1,T*36;sábado 16 de junio de 2007;18:44:14 $HCHDG,28.0,,,,;sábado 16 de junio de 2007;18:44:14 Paramos la grabación de datos en el registro NMEA al ser las 18:44:14.
Figura 2.12. Hoja de cálculo buque: SOROLLA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
187
Figura 2.13. Tabla y curva de desvíos buque SOROLLA
Figura 2.14. Desvíos y coeficientes buque SOROLLA
RESULTADOS EXPERIMENTALES
188
Figura 2.15. Desvíos y coeficientes buque SOROLLA en REALbasic
Figura 2.16. Tabla y curva de desvíos buque SOROLLA en REALbasic
COMENTARIO: Esta prueba concluye de forma satisfactoria al registrarse de forma
completa todos los Rumbos, conformando tanto la curva de desvíos como la tabla de los
mismos cada 15º.
ANÁLISIS: Aunque supera algún desvío de forma puntual por no tener relevancia alguna
en el experimento la compensación, se aprecian mínimas diferencias entre los valores
adquiridos en esta segunda fase.
RESULTADOS EXPERIMENTALES
189
3. TERCERA FASE: EMBARCACIÓN “LAUA”. PROGRAMA Real Basic
Resultados tercera fase entre compás magnético integral (prototipo con
magnetómetro) y compás satelitario JRC- JLC 10-T, a bordo del barco “LAUA” en
el puerto de Elantxobe.
Fotografía 3.1. Embarcación “LAUA” instalando la antena del compás satelitario JRC- JLR 10
RESULTADOS EXPERIMENTALES
190
3.1. MANIOBRA CURVA DE EVOLUCIÓN EN ELANTXOBE. 9 DE
OCTUBRE DE 2007
Relación de las sentencias NMEA0183, registradas en el programa “Cálculo
Desvíos” a bordo del “LAUA”. Para una declinación magnética de 4º NW a fecha
de las pruebas.
Fotografía 3.2. Alineación respecto al muelle de la antena del compás JRC una vez instalada a bordo del “LAUA”
Tomando como referencia el espigón del puerto con una orientación
próxima al norte, comenzamos a efectuar de forma lenta la maniobra de curva
de evolución a las 18:25 en situación latitud 43º 24´32” N y Longitud 002º
38´47” W; para una mejor captura de datos; registrándose los siguientes:
RESULTADOS EXPERIMENTALES
191
Declinación:
4,0 NW
Coeficientes: A = -5,75 B = 9,50 C = 6,00 D = 4,72 E = 0,75
Extracto de las sentencias a bordo del “LAUA”.
1º.
HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) NORTE $GPHDT,357.0,T*39;martes 09 de octubre de 2007;18:25:11;1 $HCHDG,0.0,,,,;martes 09 de octubre de 2007;18:25:11;1
2º.
HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) ESTE
$GPHDT,89.0,T*39;martes 09 de octubre de 2007;18:26:07; $HCHDG,90.0,,,,;martes 09 de octubre de 2007;18:26:07;
5º. HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) SUDESTE
$GPHDT,139.0,T*39;martes 09 de octubre de 2007;18:26:50; $HCHDG,135.0,,,,;martes 09 de octubre de 2007;18:26:50;
3º. HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) SUR
$GPHDT,165.0,T*39;martes 09 de octubre de 2007;18:28:21; $HCHDG,180.0,,,,;martes 09 de octubre de 2007;18:28:21;
4º. HDT (Rumbo verdadero) HDG (Rumbo de aguja) OESTE
$GPHDT,250.0,T*39;martes 09 de octubre de 2007;18:29:49; $HCHDG,270.0,,,,;martes 09 de octubre de 2007;18:29:49;
RESULTADOS EXPERIMENTALES
192
Figura 3.1. Hoja de cálculo, embarcación: LAU-A
Figura 3.2. Tabla y curva de desvíos embarcación LAU-A
RESULTADOS EXPERIMENTALES
193
Figura 3.3. Desvíos y coeficientes LAU-A
Figura 3.4. Desvíos y coeficientes embarcación LAUA en REALbasic
Figura 3.5 Tabla y curva de desvíos embarcación LAUA en REALbasic
RESULTADOS EXPERIMENTALES
194
COMENTARIO: Con la última versión del programa totalmente mejorado en su
última versión 1.2.a; se observa la curva de desvíos de la embarcación.
ANÁLISIS: Aunque se trata de una embarcación menor de fibra (no metálica)
podemos observar que el valor máximo de desvío es de 20 negativo
correspondiente al Rumbo Oeste. A pesar de que la misma dispone de todos los
equipos electrónicos con la consiguiente incidencia al compás magnético a
efectos de afectar a los cálculos correspondientes, como se muestra en la
siguiente fotografía 3.3.
Fotografía 3.3. Antena del compás JRC, próxima a antenas de otros equipos electrónicos de la embarcación
V
DISCUSIÓN Y POSIBLES EXTENSIONES
DISCUSIÓN Y POSIBLES EXTENSIONES
195
DISCUSIÓN Y POSIBLES EXTENSIONES
El objetivo de este trabajo consistía, por un lado desarrollar un programa
que fuese capaz de confeccionar la tabla y curva de desvíos de un compás
magnético de forma automática, puesto que durante veinte años de ejercicio de
profesión a bordo de diferentes buques, no había visto nada que se asemejase a
lo que aquí se pretende.
Utilizando como herramientas algunos de los programas informáticos que
actualmente se encuentran en el mercado, desde Excel, labView y RealBasic,
eligiendo finalmente este último por su gratuidad en Linux, por su portabilidad y
por su sencillez en la programación, así como la rapidez a la hora de su
ejecución.
A medida que se avanzaba en la programación, fueron surgiendo nuevas
posibilidades para el programa, todas ellas orientadas a las necesidades y
posibles aplicaciones a otro tipo de embarcación, como aquéllas construidas en
fibra o que no llevasen ningún tipo de motor a bordo. Además, la imposibilidad
de instalación de girocompás en las mismas debido a sus características,
proporcionaría a sus pilotos automáticos la señal de Rumbo verdadero desde el
compás reglamentario en vez de hacerlo desde el fluxgate actual.
También a parte de obtener dicha tabla de desvíos de una forma
automática, gracias a la lectura del compás reglamentario, conseguimos crear un
programa de ejecución continua, resultando más veraces los datos obtenidos al
ser capturados en tiempo real.
Dentro de los elementos físicos que componen el dispositivo experimental,
es el magnetómetro el primero que se pretende sustituir debido a la comodidad
que ofrecería un lector óptico, puesto que permitiría seguir siendo el compás el
instrumento de navegación más autónomo e independiente, haciendo posible la
lectura mediante láser o similar desde diferentes ángulos de forma sencilla de los
compases montados en las bitácoras actualmente en servicio. Siempre que nos
proporcionase los mismos cumpliendo con los protocolos establecidos.
DISCUSIÓN Y POSIBLES EXTENSIONES
196
Actualmente, la señal de los pilotos automáticos de los buques proviene
del compás giroscópico o girocompás [65], [72], y hasta la implantación de los
compases satelitarios, el programa se podría alimentar con cualquiera de los dos
datos o de ambos de manera conjunta, pudiendo contrastar ambas señales para
su estudio. En caso de cualquier fallo o eventualidad en el sistema de
posicionamiento global utilizado, el programa enviaría señales óptimas al piloto
automático.
Las pruebas realizadas, presentan como ventajas sobre lo existente la
confección de la tabla de desvíos, haciendo que no constituya ninguna dificultad,
como viene siendo en la actualidad. Por otro lado, vemos indispensable que el
compás en los buques grandes debería seguir estando compensado, al
proporcionar esta más estabilidad a la aguja puesto que se obtuvieron valores de
desvíos que sobrepasaban los parámetros que la administración permite. Por lo
que se podría aplicar el programa de manera eficaz, para el levantamiento de la
tabla de desvíos, siempre que dichos valores no superen los máximos permitidos,
además de poder proporcionar al piloto automático el valor del rumbo verdadero.
En un buque grande los desvíos de la aguja sin compensar pueden llegar
hasta los 50 ó 60 grados, mientras que en las embarcaciones menores serían de
16 ó 20 grados [30].
El modelo desarrollado, una vez implementado el sistema Galileo [85],
[86], y en servicio, nos podrá ofrecer mediante vínculo contractual, la garantía
en cuanto a precisión e integridad se requirieran para mejora de los elementos
del circuito.
En su aplicación al Sistema Automático de Identificación (AIS), las
diferentes administraciones podrían tener conocimiento en tiempo real, tanto de
un valor concreto exigido de desfase, como la tabla de desvíos completa,
traduciéndose esto en un ahorro considerable de tiempo y dinero para el
armador/fletador al disponer de la misma vía satélite.
DISCUSIÓN Y POSIBLES EXTENSIONES
197
Se podría rediseñar la programación, simplificando a 3 lecturas como son
las que corresponden a la compensación reducida [29], [63], para desarrollar un
método capaz de obtener valores próximos a los capturados por 5 coeficientes
(mediante la comparación de lecturas lineales cada 10º o 15º). Evitándose
compensaciones preliminares y definitivas.
Existe la posibilidad de desarrollar un compás de estructura simplificada
respecto a los compases convencionales, para su adaptación en la bitácora, a la
que se intentaría eliminar estilo y chapitel bajo la rosa [25], [75].
Componiéndose de una esfera o cilindro transparente de policarbonato inyectado
o derivado, que incorporaría un disco de poliéster, silicona o gelatina en cuyo
interior contenga rosa e imán exclusivamente, flotando en una solución de
hidrocarburo o cualquier otra solución líquida (derivada del petróleo) que evite su
congelación. Manteniendo su horizontalidad gracias a la diferencia de densidades,
lo que posibilitaría su funcionamiento.
VI
CONCLUSIONES
CONCLUSIONES
198
CONCLUSIONES
Tras la realización del trabajo presentado, se resumen algunas de las
conclusiones más importantes de este prototipo de compás magnético integral
desarrollado.
1. Con el modelo desarrollado, una vez obtenida la lectura del compás
magnético, es posible determinar mediante un algoritmo computerizado la
elaboración de la tabla y curva de desvíos de la aguja magnética en tiempo
real, resultando de gran utilidad para los buques de gran porte.
2. El programa permite el estudio comparativo entre diferentes modelos de
equipos que den la señal según el protocolo NMEA0183, en particular, se
contrastaron de forma visual la señal del compás giroscópico de a bordo con
la señal del compás satelitario resultando ser coincidentes y esta última
respecto a la señal del magnético, mediante el propio programa, dando
como resultado la consiguiente tabla y curva de desvíos.
3. Los parámetros exigidos por la Organización Marítima Internacional relativos
a la representación de los datos de la curva de desvíos, son coincidentes con
los desarrollados en el programa.
4. Una de las opciones que ofrece el presente trabajo, es que gracias a la base
de datos creada con los parámetros obtenidos, permite la reproducción de
una curva o tabla concreta para una fecha determinada que se desee
consultar.
5. Una de las mayores ventajas que ofrece, es la posibilidad de prescindir de la
confección anual de la tablilla de desvíos exigida por las administraciones,
evitando cualquier descompensación por pérdidas de fuerza en algunos de
los imanes de la bitácora actual.
6. Se ha conseguido un sistema integral compacto, que instalado en un
terminal informático portable, ofrece una garantía en lo que a
mantenimiento se refiere, además de sencillez a la hora de su sustitución
por otro equipo.
CONCLUSIONES
199
7. La posible adaptación de otros sistemas que funcionen en abierto, aunque
actualmente sea únicamente GPS, garantizaría la actualización vía satélite
de dicho programa. Haciendo fácilmente aplicable la instalación de nuevas
versiones, mejorando los elementos del circuito.
8. La utilización del equipo permite una mayor precisión a la hora de
determinar los valores del desvío, que normalmente se ven alterados en
gran medida por las diferentes cargas que pueda transportar el buque. Se
obtiene un valor más veraz que los valores que aparecen en el documento
de la tablilla de desvíos que posee el propio buque, y de esta manera
podemos ajustar al máximo los mismos.
9. El sistema de control en lazo cerrado permite su uso en diferentes
aplicaciones del buque (ECDIS, ARPA, etc.).
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Vol.19, Número 6. “Galileo´s GIOVE-B Broadcasting New MBOC Signal”.
pag 13. Editorial, Santa Ana CA, USA.
ANEXOS
ANEXOS
208
A.1. NORMA ESPAÑOLA PARA FABRICACIÓN DE COMPASES CLASE “A”. UNE-EN ISO 449
UNE-EN ISO 449
Abril 2000 TÍTULO
Barcos y tecnología marina
Compases magnéticos, bitácoras y alidadas
Clase A
(ISO 449:1997)
Ships and marine technology. Magnetic compasses, binnacles and
azimuth reading devices. Class A (ISO 449:1997).
Navires et technologie maritime. Compas magnétiques, habitacles et
alidades. Classe A (ISO 449:1997).
CORRESPONDENCIA
Esta norma es la versión oficial, en español, de la Norma Europea
EN ISO 449 de julio 1999, que a su vez adopta íntegramente la
Norma Internacional ISO 449:1997.
ANEXOS
209
NORMA EUROPEA EUROPEAN STANDARD NORME EUROPÉENNE EUROPÄISCHE NORM ICS 47.020.70
Barcos y tecnología marina
Compases magnéticos, bitácoras y alidadas Clase A
(ISO 449:1997)
Esta norma europea ha sido aprobada por CEN el 20 de mayo de 1999. Los miembros de CEN están sometidos al Reglamento Interior de CEN/CENELEC que define las condiciones dentro de las cuales debe adoptarse, sin modificación, la norma europea como norma nacional.
Las correspondientes listas actualizadas y las referencias bibliográficas relativas a estas normas nacionales, pueden obtenerse en la Secretaría Central de CEN, o a través de sus miembros.
Esta norma europea existe en tres versiones oficiales (alemán,
francés e inglés). Una versión en otra lengua realizada bajo la responsabilidad de un miembro de CEN en su idioma nacional, y notificada a la Secretaría Central, tiene el mismo rango que aquéllas.
Los miembros de CEN son los organismos nacionales de
normalización de los países siguientes: Alemania, Austria, Bélgica, Dinamarca, España, Finlandia, Francia, Grecia, Irlanda, Islandia, Italia, Luxemburgo, Noruega, Países Bajos, Portugal, Reino Unido, República Checa, Suecia y Suiza.
CEN COMITÉ EUROPEO DE NORMALIZACIÓN European Committee for Standardization
Comité Européen de Normalisation Europaisches Komitee für Normung
SECRETARÍA CENTRAL: Rue de Stassart, 36 B-1050 Bruxelles
ANEXOS
210
ANTECEDENTES
El texto de la norma internacional del Comité Técnico ISO/TC 8 “Barcos y tecnología marítima”, de la Organización Internacional de Normalización (ISO), ha sido adoptado como norma europea por el Comité Técnico CEN/TC 300 “Navíos de altamar y tecnología marítima”, cuya Secretaría desempeña DIN. DECLARACIÓN
El texto de la Norma Internacional ISO 449:1997 fue aprobado por CEN como norma europea sin ninguna modificación. 1. OBJETO Y CAMPO DE APLICACIÓN
Esta norma internacional proporciona los requisitos generales sobre la construcción y el rendimiento de los compases magnéticos, bitácoras y alidadas, de clase A. Se especifican dos tipos de bitácoras, en función del diseño del barco.
Esta norma internacional se aplica a compases magnéticos rellenos de líquido: — destinados a la navegación marítima según la normativa en vigor; — que dispongan de un sistema de lectura directa; — que puedan ser de tipo reflector, proyector o transmisor.
En el contexto de esta norma internacional, un compás magnético es un
instrumento que consiste en un sistema de orientación sustentado por un único eje de rotación dentro de un mortero completamente relleno de líquido y que se mantiene sobre balancines situados bien dentro o bien fuera del mortero. Los compases sin balancines también se contemplan en esta norma internacional. Los requisitos relativos a balancines no son de aplicación en dichos compases.
Esta norma internacional no se aplica a:
a) compases de rosa seca; b) tipos de compás diseñados según principios diferentes de los establecidos anteriormente o que no se ajusten a las descripciones proporcionadas.
2. NORMAS PARA CONSULTA
Las normas que a continuación se relacionan contienen disposiciones válidas para
esta norma internacional. En el momento de la publicación las ediciones indicadas estaban en vigor. Toda norma está sujeta a revisión por lo que las partes que basen sus acuerdos en esta norma internacional deben estudiar la posibilidad de aplicar la edición más reciente de las normas indicadas a continuación. Los miembros de CEI y de ISO poseen el registro de las normas internacionales en vigor en cada momento.
ISO 613:1982 — Construcción naval. Compases Magnéticos, bitácoras y alidadas. Clase B. ISO/R 694:1968 — Posicionamiento de los compases magnéticos en los barcos. ISO 1069:1973 — Compases magnéticos y bitácoras para la navegación marítima. Vocabulario.
ANEXOS
211
ISO 2269:1992 — Construcción naval. Compases magnéticos, alidadas y bitácoras de clase A. Ensayos y certificación. ISO 10316:1990 — Construcción naval. Compases magnéticos de clase B. Ensayos y certificación.
CEI 945:1994 —Sistemas y equipos de radiocomunicación y navegación marítima. Requisitos generales. Métodos de ensayo y resultados requeridos.
3. DEFINICIONES
Para los fines de esta norma internacional se aplican las definiciones proporcionadas en la Norma ISO 1069.
4. MARCADO
Deben marcarse los siguientes componentes con la información proporcionada en la tabla 1.
Tabla 1. Requisitos de marcado
5. COMPASES MAGNÉTICOS 5.1. Construcción y materiales 5.1.1. Los imanes utilizados en los sistemas de orientación de los compases magnéticos deben ser de un material magnético adecuado y tener una alta remanencia y coercitividad, de 18 kA/m como mínimo. El resto de materiales utilizados en los compases magnéticos, aparte de los compases transmisores, debe ser de material no magnético.
Componente
Posición del nombre del fabricante u otro medio o tipo de identificación
Posición del número de serie del componente
Compás magnético
a) rosa b) aro del mortero
a) rosa b) aro del mortero c) aro o aros de balancín
Bitácora
Cualquier posición adecuada
No es obligatorio
Alidada
Sobre la parte superior de la base de la alidada
Sobre la parte superior de la base de la alidada
NOTA — El tipo de líquido utilizado, si no es alcohol, debe indicarse sobre el mortero, cerca del tapón de relleno.
ANEXOS
212
5.1.2. La distancia entre la línea de fe y el borde exterior de la rosa debe ser de entre 1,5 mm y 3,0 mm para los tipos de lectura directa y de reflexión, y de entre 0,5 mm y 1,5 mm para los compases de proyección. La anchura de la línea de fe no debe ser mayor de 0,5° de la graduación de la rosa. La línea de fe debe estar diseñada de tal forma que permita la lectura del compás desde la posición de gobierno con una inclinación del mortero de 10° en el caso de compases de balancín o de 30° en el resto de los casos. 5.1.3. Cuando el aro del mortero y la base de la alidada sean ambos horizontales, el borde graduado de la rosa, la línea de fe, el punto de giro y el eje del balancín exterior deben estar a menos de 1 mm del plano horizontal que pasa a través del eje del balancín unido al mortero.
5.1.4. Los ejes del balancín deben ser perpendiculares entre sí con una tolerancia de 1°. El eje del balancín exterior debe estar en la dirección proa-popa del barco. 5.1.5. El espesor de la tapa de cristal superior y del cristal del fondo del compás no debe ser inferior a 4,5 mm, si no es reforzado, y si es reforzado no debe ser inferior a 3 mm. Estos valores se aplican también al grosor del cristal superior en los compases hemisféricos. Si se utiliza un material distinto al cristal, éste debe ser de una resistencia equivalente. 5.1.6. Dentro del rango de temperaturas comprendidas entre -30° C y +60° C a) el compás debe funcionar satisfactoriamente; b) el líquido en el interior del mortero del compás debe mantenerse transparente y sin burbujas y no emulsionarse ni congelarse; c) no debe haber entrada de aire ni salida de líquido. En un compás no debe formarse ninguna burbuja a no ser que esté especialmente previsto para compensar la dilatación.
NOTA — Una burbuja prevista en un compás para compensar la dilatación no debe dificultar el funcionamiento ni la lectura del compás.
d) la pintura interna no debe avejigarse, agrietarse ni decolorarse en forma apreciable; e) la fuerza sustentadora debe ser de tal naturaleza que el sistema orientador permanezca siempre en contacto con su eje de rotación; f) el material de la rosa del compás no debe deformarse. 5.1.7. El mortero del compás debe estar equilibrado de tal manera que su aro del mortero o su tapa de cristal superior permanezca dentro de los 2° del plano horizontal cuando el aro del balancín se fije en la posición horizontal; esto debe ser así tanto si la alidada o el cristal de aumento están en su sitio como si no. 5.2. Montaje 5.2.1. El mortero del compás debe montarse de tal manera que el aro del mortero permanezca horizontal cuando la bitácora se incline 40º en cualquier dirección y de tal forma que el compás no pueda ser desalojado de su posición cualesquiera que sean las condiciones de mar o de tiempo.
Los puntos de apoyo de los balancines exterior e interior deben ser del mismo tipo.
ANEXOS
213
5.2.2. En los compases no provistos de balancín de apoyo los grados de libertad de la rosa deben ser 30° en todas las direcciones. 5.3. Sistema de orientación 5.3.1. Momento de inercia. El momento de inercia del sistema de orientación debe ser aproximadamente el mismo para todos los ejes horizontales que pasen por el punto de suspensión sobre la piedra del estilo. 5.3.2. Suspensión. El sistema de orientación debe mantenerse en posición por los medios adecuados y debe girar libremente cuando el mortero esté inclinado 10° en cualquier dirección. 5.3.3. Momento magnético. El momento magnético de los imanes del sistema de orientación no debe ser inferior al del valor proporcionado en la figura 1. 5.3.4. Tiempo de equilibrio. Después de un desvío de la rosa de 90° a partir del meridiano magnético, el tiempo necesario para volver definitivamente a menos de 1º del
meridiano magnético no debe ser superior a H/60057 a una temperatura de 20º C ±
3º C, en donde H es la componente horizontal de la densidad del campo magnético en microtestas ( )Tµ en el lugar del ensayo. 5.3.5. Inclinación del sistema de orientación respecto al campo vertical. El sistema de orientación debe estar construido de tal forma, o equilibrado de tal manera, que no se incline más de 0,5° respecto al plano horizontal cuando la densidad del campo vertical es cero. La inclinación no debe cambiar en más de 3° cuando la densidad del campo vertical cambie 100 Tµ . 5.3.6. Fuerza de sustentación. La fuerza ejercida sobre el chapitel por el sistema de orientación, dentro del líquido utilizado, debe ser de entre 0,04 N y 0,1 N cuando el diámetro de la rosa del compás sea de 165 mm como máximo, y debe ser de entre 0,04 N y 0,14 N cuando el diámetro sea mayor que 165 mm .
Figura 1. Momentos magnéticos de compases rellenos de líquido
(requisitos mínimos)
ANEXOS
214
5.4. Graduación 5.4.1. Rosa del compás. La rosa del compás debe graduarse en 360º separados, comenzando por el Norte en el sentido de las agujas del reloj según se mira desde arriba. Cada diez grados debería marcarse el número con los tres dígitos correspondientes. El Norte también debería indicarse con la notación 000º. Los puntos cardinales deben indicarse con las letras capitales N, S, E y W; los puntos intermedios también pueden marcarse. Alternativamente, el punto Norte puede indicarse mediante un símbolo adecuado. 5.4.2. Diámetro de las rosas. Los diámetros de la rosa del compás para las bitácoras de los tipos siguientes son:
— tipo A1, 165 mm , o más; — tipo A2, 125 mm , o más.
5.4.3. Capacidad de lectura por el timonel. Si el timonel dispone de un compás de gobierno, debe ser posible que una persona con visión normal lea a una distancia de 1,4 m, tanto a la luz del día como con luz artificial, las graduaciones sobre la rosa comprendidas dentro de un sector cuya anchura no sea inferior a 15º a cada lado de la línea de fe. Se permite el uso de una lente de aumento.
Para compases de reflexión o proyección, la línea de fe debe ser visible y el sector de 30º debe ser fácilmente legible por una persona con visión normal a una distancia de 1 m del tubo del periscopio.
5.4.4. Compás magistral. Si el compás magistral está provisto de una escala dividida en grados para la medición de las demoras relativas, la escala debe estar graduada en 360° en el sentido de las agujas del reloj. El cero, según se ve a través de la alidada, indica la dirección de la proa del barco. 5.5. Precisión 5.5.1. Errores de construcción 5.5.1.1. El error direccional no debe sobrepasar 0,5° a ningún rumbo. 5.5.1.2. El error fijo de la línea de fe no debe sobrepasar 0,5°. 5.5.2. Error debido a la fricción. Con el compás a una temperatura de 20° C ± 3° C, cuando se le induce un desvío inicial de 2° a la rosa, primero a un lado del meridiano magnético y luego al otro, ésta debe volver a su posición original con un margen de ( )º/3 H , siendo H la magnitud definida en el apartado 5.3.4. 5.5.3. Error de oscilación. Con el compás a una temperatura de 20° C ± 3° C y rotando a una velocidad uniforme de 1,5° por segundo, la desviación de la rosa, medida después de que el mortero se haya girado 360° y el movimiento de la rosa se haya detenido, no debe sobrepasar los siguientes valores: a) ( )º/54 H para compases con rosas de 200 mm de diámetro o más; b) ( )º/36 H para compases con rosas de menos de 200 mm . Siendo H la magnitud definida en el apartado 5.3.4.
ANEXOS
215
5.5.4. Error de inducción. Para evitar el error de inducción causado por una disposición inadecuada de los elementos magnéticos del sistema de orientación y propiciado por la inducción magnética en los correctores (esferas de hierro o correctores convencionales similares) del coeficiente D debida a los elementos magnéticos en el sistema de orientación, se debe cumplir uno de los siguientes requisitos: a) El valor de la proporción entre el coeficiente H y el coeficiente D no debe ser superior a 0,08. b) El coeficiente F de la desviación sextantal producida por un imán pequeño, de menos de 50 mm de longitud, colocado en el mismo plano horizontal que los elementos magnéticos a una distancia tangencial de unos 40 cm del centro del sistema de orientación, es menor que el 0,01 del coeficiente B del desvío semicircular. 5.5.5. Error de montaje de la alidada. Cuando la alidada está montada sobre el mortero del compás, el eje vertical debe estar a menos de 0,5 mm del punto de rotación del estilo. 5.5.6. Error debido a la excentricidad del aro del mortero. Si el aro del mortero está graduado, la perpendicular al plano de este aro a través del centro de la graduación debe estar a menos de 0,5 mm del punto de rotación. 5.6. Resistencia a la vibración
Si el compás estuviera destinado a funcionar en condiciones de vibración extrema, debe tener un rendimiento satisfactorio según el ensayo descrito en el apartado 5.6.1
En ese caso, debe emitirse un certificado aparte. 5.6.1. Método para el desarrollo de los ensayos. El compás se debe someter a los ensayos dentro de su bitácora. El mortero del compás debe estar prácticamente horizontal al comienzo del ensayo. Ensayo 1: Se aplican vibraciones en los sentidos proa - popa, babor - estribor y vertical del compás sucesivamente, con las siguientes frecuencias y amplitudes:
— para las frecuencias entre 7 Hz y 11,2 Hz , el valor de la amplitud debe ser de ± 1 mm ;
— para las frecuencias entre 11,2 Hz y 40 Hz , los valores de la amplitud, A, en
milímetros, se determinan a partir de:
2
124f
A ±=
Donde f es la frecuencia en hercios correspondiente a una amplitud constante de aceleración de ± 0,5 g . La velocidad de cambio de la frecuencia debe ser lo bastante lenta como para discriminar positivamente cualquier desvío de la rosa o cualquier resonancia del compás. Ensayo 2: Se somete el compás a la frecuencia resonante (o a 40 Hz si no se observa una resonancia considerable) durante un periodo de 2 h .
ANEXOS
216
5.6.2. Resultados del ensayo. Durante el ensayo 1, la rosa no debe desviarse más de ± ( )º/90 H , correspondiendo H a la magnitud definida en el apartado 5.3.4. Durante el ensayo 1 y el ensayo 2, la rosa no debe saltar del estilo bajo el influjo de las vibraciones del ensayo Después del ensayo, deben cumplirse los requisitos de los apartados 5.5.1.1 (error direccional) y 5.5.3 (error de oscilación).
5.7. Otros requisitos
Los compases magnéticos deben satisfacer los requisitos de los siguientes ensayos especificados en la Norma CEI 945:
— ensayo de ciclo de calor húmedo, clase B (según la Norma CEI 945:1991,
apartado 4.4.3);
— ensayo de lluvia (según la Norma CEI 945:1994, apartado 4.4.8).
6. BITÁCORAS
Se pueden utilizar uno de los dos tipos de bitácora: tipo A1 o tipo A2, dependiendo del tipo de barco sobre el que debe ir instalada. Las características de los dos tipos se indican en los apartados 6.1 y 6.2.
6.1. Bitácora tipo A1
La bitácora tipo A1 debe ser de una altura tal que los imanes del sistema de orientación del compás estén por lo menos 1,0 m sobre la superficie inferior de los anclajes de la bitácora a la cubierta y debe cumplir también los siguientes requisitos.
6.1.1. Construcción y materiales 6.1.1.1. Para la construcción de bitácoras, pedestales y pernos de sujeción únicamente deben utilizarse materiales no magnéticos de suficiente resistencia. 6.1.1.2. Debe prevenirse la corrección de cualquier desalineamiento de la bitácora respecto a la línea proa - popa del barco, en un ángulo de no menos de 4° y no más de 6°. 6.1.2. Prevención para la corrección del desvío 6.1.2.1. Material. Cuando se utilicen imanes correctores, éstos deben ser de un material magnético adecuado, de alta remanencia y de coercitividad no inferior a
mA /20011 . El material a utilizar para corregir los campos inducidos debe tener una alta permeabilidad, una baja coercitividad y una remanencia despreciable. 6.1.2.2. Compensación del magnetismo permanente horizontal. Las bitácoras deben tener un dispositivo para corregir el desvío debido a los componentes horizontales del magnetismo permanente del barco. Este dispositivo debe ser capaz de corregir un coeficiente B de hasta ( )º/720 H como mínimo y un coeficiente C de hasta ( )º/720 H ,
siendo H la magnitud definida en el apartado 5.3.4.
Debe evitarse que, en las bitácoras, los imanes del sistema corrector estén tan cerca del sistema de orientación como para distorsionar el campo y producir un desvío de
ANEXOS
217
más de ( )º/20 H a cualquier rumbo incluso cuando se puedan producir escoras o cabezadas de 15°.
6.1.2.3. Corrección del desvío de escora. Las bitácoras deben tener un dispositivo para corregir el desvío de escora. Este dispositivo debe ser ajustable y capaz de proporcionar un campo magnético vertical a los imanes del sistema de orientación en un rango de Tµ75+ a Tµ75− .
Debe evitarse que, en las bitácoras, los imanes del sistema corrector estén tan cerca del sistema de orientación como para distorsionar el campo y producir un desvío de más de ( )º/20 H sobrepasando los desvíos de escora previstos a cualquier rumbo,
incluso cuando se puedan producir escoras o cabezadas de 15°, siendo H la magnitud definida en el apartado 5.3.4.
6.1.2.4. Compensación de los campos horizontales inducidos debidos a la componente horizontal del campo magnético terrestre sobre el hierro dulce de un barco. Las bitácoras deben estar provistas de un dispositivo para la compensación de los campos magnéticos horizontales debidos a la inducción producida por la componente horizontal del campo magnético terrestre sobre el hierro dulce de un barco. Este dispositivo debe ser capaz de corregir un coeficiente D de hasta 10°.
Cuando las bitácoras sean verticales y la compensación se consiga mediante esferas, el centro del dispositivo no debe estar a más de 10 mm del plano horizontal que pasa a través del elemento magnético del sistema de orientación, 6.1.2.5. Compensación de los campos horizontales inducidos debidos al componente vertical del campo magnético terrestre sobre el hierro dulce de un barco. Las bitácoras deben estar provistas de un dispositivo para la compensación de los campos magnéticos horizontales debidos a la inducción producida por la componente vertical del campo magnético terrestre sobre el hierro dulce de un barco. Cuando se use una barra flinder, ésta puede ser hueca, siempre que el diámetro del hueco no exceda el 40% del diámetro de la barra. Cuando las bitácoras son verticales, el polo magnético del dispositivo de compensación debe estar en el mismo plano horizontal que los centros de los imanes del sistema de orientación. Cuando se utilice una barra Flinder, su polo magnético debe tomarse a 1/12 de su longitud desde su extremo. 6.1.2.6. Posiciones y accesorios de los dispositivos de corrección. Las bitácoras deben estar provistas de un registro de posiciones de los dispositivos de corrección aludidos en los apartados 6.1.2.2, 6.1.2.3 y 6.1.2.4. Todos los dispositivos de corrección deben quedar asegurados satisfactoriamente una vez realizada la compensación. 6.1.2.7. Bobinas correctoras. Habrá que tener en cuenta la instalación de bobinas correctoras para proporcionar compensación, si el barco está equipado con cables desmagnetizadores. 6.1.3. Precisión de las marcas de proa-popa. Donde las bitácoras estén provistas de marcas proa-popa, éstas deben situarse, con un margen de 0,5°, en el mismo plano vertical que el eje de los puntos de apoyo de los balancines proa - popa. 6.1.4. Iluminación. La bitácora debe disponer de medios adecuados para la iluminación de la rosa mediante el suministro de energía eléctrica del barco y por una fuente de luz de emergencia. Ambas deben proporcionar una imagen clara en el puesto del timonel.
ANEXOS
218
Debe disponerse de un dispositivo regulador de la luz eléctrica conectado a la línea del barco.
Las bombillas eléctricas, los accesorios y el cableado no deben afectar al sistema de orientación. 6.2. Bitácoras de tipo A2
Está bitácora se utiliza en la navegación marina cuando el diseño del barco no permite la instalación de una bitácora completa.
En lo que se refiere a la altura, no se establecen descripciones, siempre que las
bitácoras cumplan las siguientes requisitos. 6.2.1 Construcción y materiales. Sólo debe utilizarse material no magnético de alta calidad y de suficiente resistencia. 6.2.2. Prevención para la corrección del desvío 6.2.2.1. Material. Cuando se utilicen imanes correctores, éstos deben ser de un material magnético adecuado, de alta remanencia y de coercitividad no inferior a
mA /20011 . El material a utilizar para corregir los campos inducidos debe tener una alta permeabilidad, baja coercitividad y baja remanencia. 6.2.2.2. Compensación del magnetismo permanente horizontal. Las bitácoras deben tener un dispositivo para corregir el desvío debido a los componentes horizontales del magnetismo permanente del barco. Este dispositivo debe ser capaz de corregir un coeficiente B de hasta ( )º/720 H como mínimo y un coeficiente C de hasta ( )º/720 H ,
siendo H la magnitud definida en el apartado 5.3.4. Debe evitarse que, en las bitácoras, los imanes del sistema corrector estén tan cerca del sistema de orientación como para distorsionar el campo y producir un desvío de más de ( )º/40 H a cualquier rumbo incluso cuando se puedan producir escoras o cabezadas de 15°. 6.2.2.3. Compensación del desvío de escora. Las bitácoras deben tener un dispositivo para corregir el desvío de escora. Este dispositivo debe ser ajustable y capaz de proporcionar un campo magnético vertical en la posición del sistema de orientación en un rango de Tµ75+ a Tµ75− . Debe evitarse que, en las bitácoras, los imanes del sistema corrector estén tan cerca del sistema de orientación como para distorsionar el campo y producir un desvío de más de ( )º/80 H sobrepasando los desvíos de escora previstos a cualquier rumbo, incluso cuando se puedan producir escoras o cabezadas de 15º, siendo H la magnitud definida en el apartado 5.3.4. NOTA — Los campos magnéticos producidos por los dispositivos aludidos en los apartados 6.2.2.2 y 6.2.2.3 deben ser tan uniformes como sea posible en el espacio barrido por el sistema de orientación y en ningún caso deberían introducir un error sextantal significativo.
6.2.2.4. Compensación de los campos horizontales inducidos debidos a la componente horizontal del campo magnético terrestre sobre el hierro dulce de un barco. Las bitácoras pueden estar provistas de un dispositivo para la compensación de los campos magnéticos horizontales debidos a la inducción producida por la componente vertical del campo magnético terrestre sobre el hierro dulce de un barco.
ANEXOS
219
Cuando se use una barra Flinder, ésta puede ser hueca, siempre que el diámetro del hueco no exceda el 40% del diámetro de la barra.
Cuando las bitácoras son verticales, el polo magnético del dispositivo de
compensación debe estar en el mismo plano horizontal que los centros de los imanes del sistema de orientación. Cuando se utilice una barra Flinders, su polo magnético debe tomarse a 1/12 de su longitud desde el extremo. La distancia entre el eje vertical de una barra Flinders y el centro de la rosa debe ser de al menos 3,5 veces la longitud de las agujas magnéticas. 6.2.2.5. Fijación de los dispositivos correctores. Todos los dispositivos de corrección deben quedar asegurados satisfactoriamente una vez realizada la compensación. 6.2.3. Precisión de las marcas de proa-popa. Para que el montaje pueda llevarse a cabo con precisión se deben proporcionar marcas de proa-popa y éstas deben estar a menos de 0,5° del eje proa - popa de los puntos de apoyo del balancín. 6.2.4. Iluminación. La bitácora debe disponer de medios adecuados para la iluminación de la rosa mediante el suministro de energía eléctrica del barco y por una fuente de luz de emergencia. Ambas deben proporcionar una imagen clara en el puesto del timonel. Debe disponerse de un dispositivo regulador de la luz eléctrica conectado a la línea del barco.
Las bombillas eléctricas, los accesorios y el cableado no deben afectar al sistema
de orientación.
6.2.5. Otros requisitos. Las bitácoras deben cumplir con los siguientes ensayos especificados en la Norma CEI 945:
— ensayo de ciclo de calor húmedo, clase X (Norma CEI 945:1994, apartado 4.4.3);
— ensayo de corrosión, clase X (Norma CEI 945:1994, apartado 4.4.11).
7. ALIDADAS
El compás magistral debe tener una alidada apropiada. Puede suministrarse una bitácora A2 con un taxímetro de marcar adecuado que puede estar montado lejos de la bitácora. 7.1. Toma de azimuts
El campo de visión debe ser de al menos 50 a cada lado de la línea ocular y debe ser posible tomar azimuts de cuerpos celestes y demoras de objetos distantes cuyas alturas estén entre 5° por debajo y hasta 60º por encima de la horizontal.
La precisión prescrita del azimut debe ser cumplida en el rango de alturas que va
de 5° hasta 50° por encima. 7.2. Alidadas con pínulas
Debe ser posible tomar demoras de objetos distantes cuyas altitudes estén entre 5º por debajo y hasta 30° por encima de la horizontal.
ANEXOS
220
8. DESIGNACIÓN
Los compases magnéticos certificados de acuerdo con esta norma internacional deben designarse por medio de las siguientes indicaciones, en el orden establecido:
— tipo de compás (reflector, proyector, de transmisión);
— número de esta norma internacional;
— tipo de bitácora;
— diámetro de la rosa, en milímetros;
EJEMPLO Un compás magnético reflector, de clase A con bitácora tipo A2 y rosa de 180 mm de diámetro, se designa
Compás magnético reflector ISO 449 — A2 — 180
9. MARCADO
Los compases magnéticos deben estar provistos de una indicación del fabricante,
del tipo y del número de serie.
ANEXO NACIONAL Las normas que se relacionan a continuación, citadas en esta norma europea, han sido incorporadas al cuerpo normativo UNE con los siguientes códigos:
Norma Internacional
Norma UNE
CEI 945:1994
UNE-EN 60945:1999
ANEXOS
221
A.2. LISTA DE DATUMS Un navegador profesional soporta más de 100 Datums. La Tabla A-1 ofrece los nombres y abreviaciones de estos Datums.
Tabla A-1. Nombres de Datums y Abreviaciones
WGS-84 WGS-84 + OFFSET WGS-72 EUROPEAN 1950 NAO 27 (CONIJS) NORTH AMERICAN 1983 ADINOAN AFGOOYE AIN EL ABD 1970 ANNA 1 ASTRO 1965 ARC 1950 ARC 1960 ASCENSION ISL. 1958 ASTRO BEACON E ASTRO B4 SOROL ATL ASTRO DOS 71/4 ASTRONOMIC ST. 1952 AUSTRALIAN 1966 AUSTRALIAN 1984 BANGLADESH BELLEVUE (IGN) BERMUDA 1957 BOGOTA OES ERVATORY CAMPO INCHAUSPE CANTON ASPRO 1966 CAPE CAPE CANAVERAL CARTHAGE CHATEAN 1971 CHUA ASTRO CORREGO ALEGRE OJAKARTA (BATAVIA) OMAN O.S.G.B 1936 PICO DE LAS NIEVES PITCAIRN ASTRO 1967 PROV. 5. CHILEAN 63 PROV. 5. AHER. 1956 PUERTO RICO QATAR NATIONAL QORNOQ REUNION ROME 1940
W84 wpo W72 EUR NAS NAR DI AFG AIN AMO ARF ARS ASC ATF as t SMB ASQ AOA AUG ban ¡BE BER 800 CAl CAO CAP CAC CGE CHI CHU COA BAT FAN 0GB PLN PIT HIT PRP PUR QAT QOO REO MCD
RT 90 SWEOISH SANTO (DOS) EUROPEAN 1979 FINNISM - EKJ GANOAJIKA BASE GEODETIC DATUM 1949 GUAM 1963 GUX 1 ASTRO HJORSEY 1955 HONG KONG 1963 INDIAN (VIETNAM) INOIAN (INOIA) ¡RELAMO 1965 ISTS 073 ASTRO 1969 JOHNSTON IS. 1961 KANOAWALA KERGUELEN ISLAND NAO 27 (CANADA) NAO 27 (CANAL ZONE) NAO 27 (CARIBBEAN) NAO 27 (CENT. AMER) NAO 27 (CUBA) NAO 27 (GREENLAND) NAO 27 (MEXICO) OBERVATORIO 1966 OLO EGYPTIA.N OLO HAWAIIAN SAO ERAS SAPPER HILL 1943 SCHWARZECK SOUTH AMERICAN 1969 SOUTH ASIA SOUTHEAST BASE SOUTHWEST BASE SWISS-GRANIT TIMBADAI 1948 TOKYO TOKYO LJMSA - 94 TRISTAN ASTRO 1968 VITI L9IU 1916 WAKE-ENIWETOK 1960 ZANORIJ
swe SAE EUS fin gan GEO GUA DOB HJO HKD ivi iin IRL IST JOH KAN KEG ncd ncz ncr nca ncu ngl nmx nob OEG OHA SOA SAP SCK SAN SOA seb swb swg TIL toy TOY TDC MVS ENW ZAN
Un cambio completo de Datum tiene 9 términos: Cambio Elipsoide, Aplanamiento, Factor de Escala, Delta X/Y/Z, Rotación X/Y/Z.
ANEXOS
222
Las siguientes tablas describen estos términos:
Tabla A-2. Elipsoides
Tabla A-3. 1/f Aplanamiento Inverso
298.2572236 298.26 297 294.9786982 293.465 300.8017 300.8017 299,1528128 298.25 299.3249646 299.3249646 297 298.25 298.2572221 298.3 298.3 298.3
W5564 W0S72 INTERNATIONAL Oledw 1666 Olerke 1660 Everest Modhtied Everest Bessel AustisIlel’ Natlonel Airy ModdIod AIiy ttough South Amedcsfl 1969 (SRS 60 tIelrnert 1906 KressovskY Moditled Flscher
6378137 6378135 6378388
6378206.4 6378249.145 6377276.345 6377304.063 6377397.155
6378160 6377583.398 6377340.189
8378270 6378160 6378137 6378200 6378245 6378155
WGS84 WGS72
INTERNATIONAL Glarke 1866 Clarke 1880
Everest Modifield Everest
Bessel Australian National
Airy Modifield Airy
Hough SouthAmerican 1969
GRS 80 Helmert 1906 Krassovsky
Modifield Fischer
ANEXOS
223
Tabla A-4. Excepciones
1) WGS-72 0.999999774 = factor de
escala 0.0f 0.0f - 4.5 = ∆ X, ∆ Y, ∆ Z 0.0f 0.0f (flota)(-0.554f∗SEC_TO_RAD) = rotación X,
rotación Y, rotación Z
2) ROT-90 1
424.3f - 80.5f 613.1f (flota)(-4.3965f∗SEC_TO_RAD) (flota)( 1.9866f∗SEC_TO_RAD) (flota)(-5.1846f∗SEC_TO_RAD)
Rx (secs) Ry (secs) Rz (secs) Factor Escala 3) Finnish KKJ: 4.021 0.410 - 0.409 - 0.804 x 10 6− 4) International - 0.805165 - 0.577593 - 0.952314 - 5.661427 E 6−
La Tabla A-5 muestra todos los DATUMS predefinidos y su ajuste correspondiente respecto a WGS-84.
Nota: El elemento “nombre_corto” está sacado principalmente
de:
International Hydrographic Organization
Special Publication No. 60 Appendix E.1
Para los Datums no listados aquí, se han hecho abreviaciones no oficiales. Estas se pueden reconocer porque el primer carácter está en minúscula, (de la “a” a la “z”) a diferencia de las abreviaciones oficiales de la IHO, que empiezan con una letra mayúscula (de la A a la Z).
ANEXOS
224
Tabla A-5. Ajustes de Datums
Nombre Elipsoide Abrev. ∆X ∆Y ∆Z WGS-84 WGS_84 W84 0 0 0
WGS-84 + OFFSET WGS_84 wpo 0 0 0 * WGS-72 WGS_72 W72 0 0 5
EUROPEAN 1950 INTERNATIONAL EUR -87 -98 -121 NAD27 (CONUS) CLARKE_1866 NAS -8 160 176
NORTH AMERICAN 1983
GRS_80 NAR 0 0 0
ADINDAN CLARKE_1880 ADI -162 -12 206 AFGOOYE KRASSOVSKY AFG -43 -163 45
AIN EL ABD 1970 INTERNATIONAL AIN -150 -251 -2 ANNA1 ASTRO 1965 AUS_NATIONAL ANO -491 -22 435
ARC 1950 CLARKE_1880 ARF -143 -90 -294 ARC 1960 CLARKE_1880 ARS -160 -8 -300
ASCENSION ISL. 1958 INTERNATIONAL ARC -207 107 52 ASTRO BEACON E INTERNATIONAL ATF 145 75 -272
ASTRO B4 SOROL ATL INTERNATIONAL ast 114 -116 -333 ASTRO DOS 71/4 INTERNATIONAL SHB -320 550 -494
ASTRONOMIC ST. 1952 INTERNATIONAL ASQ 124 -234 -25 AUSTRALIAN 1966 AUS_NATIONAL AUA -133 -48 148 AUSTRALIAN 1984 AUS_NATIONAL AUG -134 -48 149
BANGLADESH EVEREST ban 289 734 257 BELLEVUE (IGN) INTERNATIONAL IBE -127 -769 472 BERMUDA 1957 CLARKE_1866 BER -73 213 296
BOGOTA OBSERVATORY
INTERNATIONAL BOO 307 304 -318
CAMPO INCHAUSPE INTERNATIONAL CAI -148 136 90 CANTON ASTRO 1966 INTERNATIONAL CAO 298 -304 -375
CAPE CLARKE_1880 CAP -136 -108 -292 CAPE CANAVERAL CLARKE_1866 CAC -2 150 181
CARTHAGE CLARKE_1880 CGE -263 6 431 CHATHAM 1971 INTERNATIONAL CHI 175 -38 113 CHUA ASTRO INTERNATIONAL CHU -134 229 -29
CORREGO ALEGRE INTERNATIONAL COA -206 172 -6 DJAKARTA (BATAVIA) BESSEL BAT -277 681 -50
DOS 1968 INTERNATIONAL GIZ 230 -199 -752 EASTER ISLAND1967 INTERNATIONAL EAS 211 147 111 EURO 1950 (Western) INTERNATIONAL ewe -87 -96 -120 EURO 1950 (Cyprus) INTERNATIONAL ecy -104 -101 -140 EURO 1950 (Egypt) INTERNATIONAL eeg -130 -117 -151 EURO 1950 (Iran) INTERNATIONAL eir -117 -132 -164
EURO 1950 (SiciIy) INTERNATIONAL esi -97 -88 -135 EUROPEAN 1979 INTERNATIONAL EUS -86 -98 -119 * FINNISH- KKJ INTERNATIONAL fin -86.202 -
113.394 -
104.238 GANDAJIKA BASE INTERNATIONAL gan -133 -321 50 GEODETIC DATUM
1949 INTERNATIONAL GEO 84 -22 209
GUAM 1963 CLARKE_1866 GUA -100 -248 259 GUX 1 ASTRO INTERNATIONAL DOB 252 -209 -751 HJORSEY 1955 INTERNATIONAL HJO -73 46 -86
HONG KONG 1963 INTERNATIONAL HKD -156 -271 -189 INDIAN (VIETNAM) EVEREST ivi 214 836 303
INDIAN (INDIA) EVEREST iin 289 734 257 IRELAND 1965 MOD_AIRY IRL 506 -122 611
ISTS 073 ASTRO 1969 INTERNATIONAL IST 208 -435 -229 JOHNSTON IS.1961 INTERNATIONAL JOH 191 -77 -204
KANDAWALA EVEREST KAN -97 787 86
ANEXOS
225
KERGUELEN ISLAND INTERNATIONAL KEG 145 -187 103 KERTAU 1948 MOD_EVEREST KEA -11 851 5 LC. 5 ASTRO CLARKE_1866 LCF 42 124 147 LIBERIA 1964 CLARKE_1880 LIB -90 40 88
LUZON CLARKE_1866 LUZ -133 -77 -51 LUZON (MINDANAO) CLARKE_1866 Izm -133 -79 -72
MAHE1971 CLARKE_1880 MIK 41 -220 -134 MARCO ASTRO INTERNATIONAL maa -289 -124 60
MASSAWA BESSEL MAS 639 405 60 MERCHICH CLARKE_1880 MER 31 146 47
MIDWAY ASTRO 1961 INTERNATIONAL MID 912 -58 1227 MINNA CLARKE_1880 MIN -92 -93 122
NAHRWAN (MASIRAH) CLARKE_1880 nma -247 -148 369 NAHRWAN (UAE) CLARKE_1880 nua -249 -156 381
NAHFIWAN (SAUDI) CLARKE_1880 nsa -231 -196 482 NAPARIMA, BWI INTERNATIONAL NAP -2 374 172
NAO 27 (ALASKA) CLARKE_1866 nal -5 135 176 NAD27(BAHAMAS) CLARKE_1866 nba -4 154 178
NAO 278. SALVADOR) CLARKE_1866 nss 1 140 165 NAD 27 (CANADA) CLARKE_1866 ncd -10 158 187
NAD27(CANAL ZONE) CLARKE_1866 ncz 0 125 201 NAO 27(CARIBBEAN) CLARKE_1866 ncr -7 152 178 NAD27(CENT.AMER) CLARKE_1866 nca 0 125 194
NAD 27 (CUBA) CLARKE_1866 ncu -9 152 178 NAD27(GREENLAND) CLARKE_1866 ngl 11 114 195
NAD27(MEXICO) CLARKE_1866 nmx -12 130 190 OBERVATORIO 1968 INTERNATIONAL Nob -425 -169 81
OLD EGYPTIAN HELMERT OEG -130 110 -13 OLDHAWAIIAN CLARKE_1866 OHA 61 -285 -181
OMAN CLARKE_1880 FAH -346 -1 224 O.S.G.B. 1936 AIRY OGB 375 -111 431
PICO DE LAS NIEVES INTERNATIONAL PLN -307 -92 127 PITCAIRNASTROI967 INTERNATIONAL PIT 185 165 42 PROV.S. CHILEAN 63 INTERNATIONAL HIT 16 196 93 PROV. S. AMER. 1958 INTERNATIONAL PRP -288 175 -376
PUERTO RICO CLARKE_1866 PUR 11 75 -101 QATAR NATIONAL INTERNATIONAL QAT -128 -283 21
QORNOQ INTERNATIONAL QOU 164 138 -189 REUNION INTERNATIONAL REU 94 -948 -1262
ROME 1940 INTERNATIONAL MOD -225 -65 9 *RT 90 SWEDISH BESSEL swe 424 -80 613
SANTO (DOS) INTERNATIONAL SAE 170 42 84 SAO BRAZ INTERNATIONAL SOA -203 141 53
SAPPER HILL 1943 INTERNATIONAL SAP -355 16 74 SCHWARZECK BESSEL SCK 616 97 -251
SOUTHAMERICANI969 S_AMERICA_1969 SAN -57 1 -41 SOUTH ASIA MOD_FISCHER SOA 7 -10 -26
SOUTHEAS1 BASE INTERNATIONAL seb -499 -249 314 SOUTHWEST BASE INTERNATIONAL swb -104 167 -38
SWISS GRANIT - swg 660.071 13.552 369.338 TIMBALAI 1948 EVEREST TIL -689 691 -46
TOKYO BESSEL toy -128 481 664 TOKYO JMSA 1994 - TOY -146 508 682
TRISTAN ASTRO 1958 INTERNATIONAL TDC -632 438 -609 VITI LEVU 1916 CLARKE_1880 MVS 51 391 -36
WAKE-ENIWETOK 1960 HOUGH ENW 101 52 -39 ZANDRIJ INTERNATIONAL ZAN -265 120 -358
• Indica excepciones listadas en Tabla A-4.
ANEXOS
226
A.3. TRABAJOS DERIVADOS DE LA TESIS DOCTORAL
Artículos publicados:
[1] MARTINEZ LOZARES, A. (2008) Ikertu Investiga, Boletín Científico-
Tecnológico de la Universidad del Pais Vasco, número 8, página 10.
[2] MARTINEZ LOZARES, A.; IGLESIAS, A.; MARTINEZ, M.; CASTELLS, M.
(2008) De la magnetita al Compás Magnético Integral. Sociedad Española
de Historia de las Ciencias y de las Técnicas. Actas del X Congreso de la
SEHCYT, Encuentro Internacional Europeo-Americano. (pendiente de
publicación). Badajoz (España)
[3] MARTINEZ LOZARES, A.; VILA, J.A.; PINIELLA, F.; MARTINEZ. M. (2008)
Experimental Analysis for Applying in Navigation Aided Systems. Journal of
Maritime Research. ISSN: 1697-4840; ISSN: 1697-9133 (internet).
Spanish Society of Maritime Research (SEECMAR). University of Cantabria.
Volume 5, Number 2. Santander (Spain)
[4] MARTINEZ LOZARES, A.; VILA, J.A.; LARRABE, J.L.; IGLESIAS, A. (2008)
Integral Magnetic Compass for obtaining real time deviations from a global
navigational satellite system (GNSS). Proceedings of the 5th. International
Congress on Maritime Technological Innovations and Research. Editors: F.
Xavier Martínez de Osés, Ricardo Rodríguez-Martos Dauer ISBN: 978-84-
7653-073-3. Pages, 543 a 550. Barcelona (España)
Patente:
Título: ”Compás Magnético Integral”
Solicitantes: U.P.V./E.H.U. y Aitor Martínez Lozares
Número de solicitud P200702252(4), en fecha 09 de agosto de 2007; en
extensión acogida al Convenio PCT/ES2008/000557, con fecha 8 de
agosto de 2008.
