de la
Navegación Astronómica
Introducción
Incluso antes que mi afición a la vela nació mi afición a la navegación astronómica. En mi mente asociaba el aspecto práctico de la ciencia con el romance y aventura asociados con la navegación a vela de siglos pasados. Aprendí navegación astronómica como un fin en sí mismo y no como algo práctico. En estos días de GPS ya no es necesario el conocimiento de la navegación astronómica como algo práctico pero no deja de ser una ciencia y un arte muy interesantes en sí mismos. No entiendo que el GPS haga desaparecer la navegación astronómica igual que el motor no hizo desaparecer la navegación a vela, ni la fotografía la pintura.
El propósito de esta página es resumir el desarrollo de la navegación astronómica a lo largo de los siglos y remarcar los puntos principales en el desarrollo de este campo.
A lo largo de la historia se han propuesto cientos de inventos y de métodos igual que hay cientos de maneras de desollar un conejo. Pero hay algunos inventos que sobresalen y que se difundieron porque eran ingeniosos y porque resolvían una necesidad de forma más sencilla y elegante. Estos inventos se convirtieron en punteros en su tiempo y en clásicos con el paso del tiempo. No me refiero solo de inventos mecánicos como el cronómetro o el sextante sino también de métodos nuevos de cálculo.
No intento aquí enseñar cómo se practica la navegación astronómica. Si el lector ya sabe navegación astronómica espero que pueda apreciar esta breve historia y si no es así espero que quizá pueda servir como incentivo.
Historia
Durante siglos los europeos y los árabes habían navegado alrededor de sus costas utilizando como referencia los puntos visibles de las costas y su conocimiento de las profundidades (sondas) en distintos lugares. Cuando a finales del siglo 15 los portugueses y castellanos comienzan sus viajes de exploración y descubrimiento sus instrumentos de navegación eran:
- Corredera y ampolleta para determinar la velocidad del buque
(para navegación de estima). - Sonda para determinar la profundidad y naturaleza del fondo
- Brújulas muy rústicas
- Astrolabio para medir la altura de un astro sobre el horizonte
La invención del astrolabio, que es un instrumento bastante sencillo, se atribuye a los árabes. Para tomar una observación requería de tres hombres y daba una precisión bastante baja, del orden de un grado de arco. Se utilizaba para determinar la latitud mediante la observación de la estrella polar o la observación del paso meridiano del sol.
La ballestilla de cruceta también es una invención medieval y tenía la ventaja de que podía ser usado por un solo hombre pero era muy poco práctico porque necesitaba visualizar y alinear simultáneamente un extremo de la cruceta con el horizonte y el otro extremo con el astro. Esto es muy difícil de hacer.
Otro instrumento árabe medieval es el kamal que está basado en el mismo principio que la ballestilla de cruceta. En el kamal la cruceta se ve reducida a una tablilla con un cordel con nudos. El observador sujetaba un nudo determinado entre los dientes, lo cual fijaba la distancia de la tablilla a sus ojos y, por lo tanto, el ángulo formado por el ojo y los bordes de la tablilla. Los nudos se hacían de forma que correspondiesen con la latitud de diversos puertos o lugares y la observación permitía saber si la latitud del observador era mayor o menor.
En 1590 Davis inventó el cuadrante inverso de cruceta llamado octante o cuadrante de Davis. Este permitía a una sola persona tomar la altura del sol con algo más de precisión que un astrolabio. El observador, con su espalda al sol, alinea la sombra del sol sobre el visor con el horizonte lo que se hace con una sola línea recta de visión y evita el problema principal de la ballestilla de cruceta donde el observador necesita visualizar dos líneas simultáneamente.
Así que, hasta mediados del siglo 18, la latitud se determinaba mediante la observación de la altura de la estrella polar o de la observación meridiana del sol utilizando el astrolabio y más tarde el cuadrante de Davis. Los marinos tenían tablas cuadrienales que daban la declinación del sol para cada día del año y con esta información y la observación de la altura del sol en su paso meridiano es extremadamente sencillo determinar la latitud. Debido a la sencillez de este método, que no requiere cronómetro, ha permanecido como tradición prácticamente has nuestros días a pesar de la existencia de métodos mucho más versátiles.
En aquella época, a finales del siglo 15, no había forma práctica de determinar la longitud geográfica de modo que el procedimiento seguido era el navegar a un punto de la misma latitud que el destino para luego ir navegando manteniendo la latitud hasta dar con el destino. Podríamos pensar que esto era muy ineficiente pero es lo mejor que podían hacer y no es tan ineficiente como puede parecer a primera vista. De hecho, para las naves castellanas que iban al Caribe esto era muy práctico debido a la configuración de las corrientes y de los vientos alisios en el océano Atlántico. Desde la península iban sur a las islas Canarias y, desde ahí cruzaban el Atlántico. En el viaje de retorno subían junto a la Florida y luego cruzaban el Atlántico hacia España. Teniendo en cuenta las corrientes y los vientos esto es lo más eficiente y, por suerte, lo que le conviene al piloto. Desafortunadamente para ellos (y para suerte de los buscadores de tesoros de hoy) la flota española retornaba del Caribe en el momento de mayor actividad de huracanes y muchos buques se fueron a pique cercanos a las costas de Florida.
Alrededor de 1750 se inventó el sextante que permitía una observación mucho más precisa de la altura de los astros. Con algunas mejoras y perfeccionamientos menores ha permanecido fundamentalmente igual hasta nuestros días. de todas formas, los pilotos tardaron tiempo en desechar sus cuadrantes de Davis y pasarse a los sextantes que eran más complicados y caros.
El sextante permitía más precisión en la observación de la altura lo cual redundaba en una determinación de la latitud más precisa pero los marinos seguían sin tener un medio de determinar su longitud geográfica mediante observaciones astronómicas.
La invención del telescopio y los avances de la astronomía permitieron que a finales del siglo 18 se pudiera predecir la posición de los astros con bastante exactitud y a finales del siglo 18 el Real Observatorio Británico empezó a publicar el Almanaque Náutico, que sigue siendo una de las herramientas básicas de la navegación astronómica hasta nuestros días.
Durante el siglo 18 se había hecho todo el estudio teórico necesario que permitiría la determinación de la longitud geográfica condicionado a que el observador supiera con cierta precisión la hora en el meridiano de referencia en el momento de la observación o, lo que es lo mismo, la diferencia horaria entre el punto de la observación y el meridiano de referencia (comúnmente Greenwich). Hasta ese momento el tiempo a bordo se medía mediante ampolletas de arena que los grumetes invertían cada media hora. Este sistema era, evidentemente, poco preciso y totalmente inadecuado para navegación astronómica que requiere mucha más precisión. El problema de la determinación de la longitud geográfica era, por tanto, un problema de poder saber con precisión la hora en el meridiano de referencia.
Se desarrollaron sistemas de navegación que permitían determinar la hora mediante observaciones astronómicas pero eran muy complejos e inexactos. Entre ellos estaba el método de las distancias lunares basado en la observación del movimiento relativamente rápido de la luna y el método de la observación de los satélites de Júpiter. Hoy, sabiendo la hora, el almanaque nos da el ángulo horario de la luna. El método de las distancias lunares se basaba en el proceso inverso: observando la posición de la luna respecto a las estrellas, el observador deducía la hora. El método de la observación de los satélites de Júpiter requería del uso de un telescopio.
A pesar de que estos métodos eran una mejora sobre los métodos existentes hasta ese momento, eran muy engorrosos de calcular y muy sujetos a inexactitudes y errores por lo que no ganaron mucha difusión. Claramente se sentía la necesidad de una máquina que permitiera saber la hora a bordo del buque.
España y otros países habían ofrecido recompensas a quien inventara y construyera un cronómetro pero ni siquiera esto produjo la deseada invención. A mediados del siglo 18 Inglaterra ofreció una gran recompensa a quien 'descubriera la longitud geográfica en el mar con una precisión de 60 millas tras un viaje de seis semanas en el mar'. Esta precisión nos puede parecer muy poco hoy en día pero, en efecto, supone el saber la hora con una precisión de cuatro minutos de tiempo tras el paso de seis semanas. En aquella época era lo más que se podía pedir.
Al contrario que otras invenciones de la edad moderna que hicieron uso de tecnología existente dándole nuevos usos, la invención del cronómetro fue producto de la necesidad y la tecnología necesaria tuvo que ser inventada y desarrollada.
Desde que Galileo descubrió el ritmo constante del péndulo de gravedad lo inventores habían tratado de inventar un reloj basado en este principio pero los resultados eran imperfectos en tierra firme y esos cronómetros no podían funcionar en un buque en movimiento. Todo el siglo 18 fue dedicado a la invención del cronómetro pero los pilotos de este siglo tuvieron que manejarse sin él.
Como respuesta de la oferta inglesa, John Harrison acopló el péndulo con un movimiento de escape de su invención y produjo los primeros cronómetros útiles durante el siglo 18. El primero pesaba 30 kilos. Años de trabajo y mejoras produjeron, finalmente, cronómetros prácticos y que podían ser producidos en masa.
Solamente a partir de principios del siglo 19 se empezaron a fabricar cronómetros útiles y eran muy caros por lo que durante la primera mitad del siglo muchos buques todavía navegaban sin cronómetro.
Una vez que el cronómetro estaba disponible a principios del 19 el piloto tenía a su disposición para la navegación astronómica las mismas herramientas que utiliza hoy en día dos siglos después: sextante, cronómetro y almanaque náutico. Desde entonces los avances en la navegación astronómica han sido, no en los instrumentos mecánicos, sino en la teoría de métodos y cálculos usados en la reducción de las observaciones.
Con la llegada del cronómetro se podía determinar la longitud geográfica. Esto se hacía de la generalmente de la siguiente forma: el piloto determinaba su latitud por el procedimiento que siempre había usado: por la observación meridiana del sol. Esta observación se llamaba "observación meridiana" y no requería del uso del cronómetro. Luego realizaba una observación de un astro que tuviera un azimut muy próximo a 90º o 270º, es decir E o W. Esta observación se llamaba "observación cronometrada" porque se anotaba la hora de la observación. En ese momento estimaba su latitud avanzando su latitud meridiana mediante cálculos de estima. Utilizando la nueva latitud en sus cálculos y los datos de la observación cronometrada obtenía su longitud geográfica.
La observación cronometrada complementaba a la observación meridiana y era su paso siguiente más lógico. Fue más fácilmente aceptado por los pilotos que hubiera sido un sistema radicalmente nuevo y distinto y se convirtió en el método usual de aquella época.
Ligeramente aparte del tópico central que nos ocupa que es la navegación astronómica en el mar, es interesante notar que los fabricantes de mapas y los topógrafos terrestres de la época se enfrentaban al mismo problema de determinar su posición mediante observaciones astronómicas pero llegaron a soluciones muy distintas. El piloto marino tiene una visión clara del horizonte a su alrededor y puede determinar la altura H del astro sobre el horizonte pero esto no sucede en tierra firme. Por otra parte el piloto no tiene medios de determinar el azimut de un astro con precisión ni el momento preciso de su tránsito meridiano. Por el contrario un observatorio astronómico terrestre tiene medios para determinar estas magnitudes con facilidad y precisión. Por estos motivos los sistemas utilizados por navegantes marinos y por topógrafos terrestres eran fundamentalmente distintos.
En 1837 el capitán Sumner se acercaba a la costa inglesa y estaba preocupado por su posición tras varios días de niebla sin observaciones. Una abertura momentánea en las nubes le permitió tomar una observación cronometrada pero no estaba seguro de su latitud por lo que decidió resolver la longitud utilizando varias suposiciones de latitud. Al hacerlo descubrió que las distintas posiciones obtenidas estaban alineadas y que la prolongación de la línea pasaba por un faro determinado. A pesar de que no estaba seguro de su latitud sabía que su posición estaba a lo largo de esta línea por lo que puso el rumbo para seguir por la misma línea hasta que, efectivamente, avistó el faro. Al capitán Sumner se atribuye la invención del concepto de 'Línea de Posición" (LP). Hoy sabemos, por supuesto, que la LP es un segmento de un círculo menor llamado círculo de igual altura. Cualquier observador situado en cualquier punto de este círculo observará el astro con la misma altura.
El método del capitán Sumner de resolver la longitud para dos latitudes distintas y, de esta forma, determinar una LP estaba en línea con lo que se había hecho hasta ese momento y fue adoptada por los pilotos sin resistencia pero todavía el proceso de determinación de la posición era el de avanzar por estima la latitud obtenida de la observación meridiana y cruzarla con LPs obtenidas por observaciones cronometradas.
La reducción de la observación cronometrada era compleja y debía ser resuelta por duplicado, para dos latitudes distintas. Además el astro observado en la observación cronometrada debía tener un azimut muy próximo a E o W. Si el azimut del cuerpo observado se separaba mucho de lo deseado crecía el error y, además, los puntos obtenidos caerían fuera de la carta.
A finales del siglo 19 el capitán Marq St. Hilaire inventó el método que lleva su nombre. En este método el piloto asume una posición cualquiera, que puede ser su posición estimada pero esto no es necesario y basta con que la posición asumida esté razonablemente cerca de la posición real. El resultado de la reducción es una LP que siempre será la misma, con independencia de la posición asumida para el cálculo.
El procedimiento es como sigue: El piloto realiza una observación astronómica y anota la hora exacta y la altura Ho observada. A continuación hace un cálculo donde asume la altura calculada Hc con la que observaría el astro si su posición de observador fuera la posición asumida para el cálculo. La diferencia entra Ho y Hc es la distancia entre la posición real y la posición asumida para el cálculo (los cálculos anteriores son matemáticos y lo que sigue es proceso gráfico en la carta de navegación) por lo que el piloto traza una recta desde el punto de la posición asumida con la dirección del azimut del astro observado y desde la posición asumida mide la distancia Ho-Hc hacia el astro. Si Ho es mayor entonces la distancia se mide en sentido inverso. En ese punto traza una perpendicular a la línea de azimut y esa nueva línea es su LP. En el momento de la observación el observador estaba situado en algún punto de esa LP. Cruzando varias LPs obtenidas por este nuevo procedimiento se obtiene la posición real.
Como hemos visto, tanto el método de Sumner como el de St. Hilaire nos obligan a sumir una magnitud desconocida para obtener un resultado que depende de la certeza de la magnitud asumida. Esto es debido a que una sola observación nos da una LP y no un punto. La gran ventaja del método de St. Hilaire es que nos quita la constricción de que la observación debe ser de un cuerpo con azimut E-W y funciona igualmente bien con cualquier observación independientemente del azimut del cuerpo observado. Un piloto puede tomar varias observaciones simultáneas de varios astros o del mismo astro en observaciones separadas por varias horas, y reducir todas estas observaciones por el mismo método de forma que cada observación produce una LP y las varias LPs se cortan en el punto de posición.
Este método, a pesar de sus innegables ventajas, tardó en ser aceptado debido a que era tan diferente de del método de Sumner al que reemplazaba. La naturaleza humana tiende a mantener lo conocido y a desconfiar de lo desconocido. El método de St. Hilaire ha permanecido como el método estándar hasta nuestros días a pesar de que algunos pilotos gustan de utilizar la observación meridiana por pura tradición.
Con el método de St. Hilaire, como con el método de Sumner, los cálculos son complejos y sujetos a errores debido a la necesidad de resolver un triángulo esférico. A pesar del uso de herramientas como logaritmos y tablas trigonométricas se tardaba un rato en hacer los cálculos de reducción de cada observación y, a menudo, había que repetirlos si aparentemente se había colado un error.
Hacia 1930 Ageton, por entonces estudiante en la academia naval de Annapolis, inventó el método de reducción que lleva su nombre. Este método utiliza una pequeña tabla de logaritmos de las funciones trigonométricas y un proceso que simplifica los cálculos grandemente. Es útil todavía hoy por ejemplo porque permite llevar el librillo con las tablas dentro de la caja del sextante. A pesar de ello los cálculos de reducción llevan un rato y son propensos a errores, sobre todo para el piloto falto de práctica. Luego se han desarrollado otros métodos similares como el método de Davies que se incluye con el Almanaque Náutico publicado por Estados Unidos pero ninguno de esos métodos se aproxima a la belleza y simplicidad del método de Ageton.
El método de Ageton era válido para pilotos marinos pero demasiado lento para pilotos aéreos que necesitaban resolver su posición con mucha más velocidad. En la década de 1940 empezaron a publicarse tablas de triángulos esféricos precalculados de forma que el piloto entraba en las tablas con los tres argumentos de latitud asumida, declinación del astro y diferencia horaria entre el astro y longitud geográfica asumida y obtenía como resultado la altura computada Hc y el azimut computado Z.
El piloto se veía obligado a asumir una posición de latitud igual a un grado entero, sin parte fraccionaria, y a asumir una longitud que hiciera la diferencia horaria igual a un grado entero también. Esta restricción no es especialmente incómoda y se ganaba mucho en velocidad por lo que estos métodos se desarrollaron mucho a partir de la segunda guerra mundial y culminaron con la publicación por el gobierno americano de las tablas HO249 para aviadores y, más tarde, las tablas HO229 para pilotos marinos. Ambas son esencialmente lo mismo pero las HO229 dan algo más de precisión y son de uso algo más lento. En ambos casos el piloto necesita una voluminosa biblioteca de tablas por lo que otros métodos como el de Ageton pueden ser más adecuadas para situaciones como botes salvavidas o donde no se puede cargar con las voluminosas tablas de los métodos como HO249.
Con la llegada en las últimas dos décadas de las calculadoras programables y computadores la reducción de observaciones se puede hacer de forma instantánea y sin necesidad de tablas de modo que los métodos manuales pasaron a ser métodos de emergencia para el caso de fallos en los aparatos electrónicos. También se desarrollaron programas de ordenador que calculaban las coordenadas astronómicas que hasta ese momento se habían sacado del almanaque. Esto hizo innecesario el único otro libro utilizado por el piloto para la reducción: el almanaque náutico.
Esta es, muy resumida, una historia de la evolución de la navegación astronómica hasta nuestros días. No he entrado en el desarrollo de la astronomía que es, claro está, crucial. Tampoco he entrado en otros aspectos importantes pero no esenciales como son las correcciones que hay que hacer a las observaciones para corregir la refracción atmosférica, paralaje y otros fenómenos que introducen errores en la observación.
Teniendo en cuenta el desarrollo del sistema GPS, disponible en todo el mundo, y con receptores que pueden costar la décima parte o menos del precio de un sextante, podemos decir casi con seguridad que el arte y ciencia de la navegación astronómica han llegado al fin de su camino y que no es previsible que haya ulteriores desarrollos. El arte de la navegación astronómica se está perdiendo rápidamente y solo sobrevivirá como interés de aficionados entusiastas entre los cuales me cuento pero hay que reconocer las cosas como lo que son. La academia naval de Estados Unidos ya no enseña navegación astronómica a sus cadetes porque saben que ya no tiene objeto y es ridículo que en España se exija, no solo a los cadetes sino a los aspirantes a algunas titulaciones deportivas. Es decir, que no es necesario para pilotar un portaaviones nuclear americano pero si para patronear un barquito de recreo español.
Epílogo
Finalmente, al que quiera aprender el sistema de St Hilaire le diré esto: en esencia el problema es siempre el mismo. Llegamos a un punto en el que tenemos tres magnitudes (latitud, declinación y ángulo horario) y necesitamos calcular Hc (altura computada) y Zn (azimut). (Esquema de cálculos del método St. Hilaire.) Para resolver este cálculo tenemos varios métodos a nuestra disposición.
Como primer método yo sugeriría una calculadora programable porque es el más rápido y permite practicar con más facilidad. Si es posible yo compraría una con alimentación solar porque evita el quedarse sin pilas en medio del océano. Es importante que la programes tú mismo para entender todos los pasos. Con una calculadora programable se pueden reducir observaciones con mucha rapidez y obtener mucha práctica. También se pueden reducir observaciones con cualquier calculadora científica aunque es un poco más laborioso y hay que anotar los resultados intermedios. Una hoja de cálculo como Excel también nos permite reducir observaciones de forma muy fácil.
Una vez obtenida cierta práctica con un sistema electrónico, puedes aprender el método de Ageton que es el polo opuesto: lento, trabajoso y propenso a cometer errores pero solo requiere el librillo de tablas que no necesita pilas. Es un buen ejercicio mental, especialmente si interpolas mentalmente.
En tercer lugar puedes aprender HO229 o HO249 (personalmente prefiero HO229). Son más rápidos que Ageton pero requieren el llevar cierto peso (y capital invertido) en forma de libros de tablas. Es el método que primero se enseñaba a los estudiantes cuando todavía no habían aparecido las calculadoras electrónicas. Eran los métodos más rápidos y se enseñaban a todos los pilotos de las fuerzas armadas. Incluso años después de tener calculadoras electrónica se seguían enseñando. Igual que el piloto del siglo se aferraba a su ballestilla cuando ya se había inventado el sextante, los pilotos de finales del siglo 20 se aferraban a sus tablas cuando ya había calculadoras electrónicas.
En resumen: si quieres velocidad, facilidad y seguridad, utiliza una calculadora programable. Si quieres un método alternativo, útil, flexible, elegante y tradicional entonces utiliza Ageton. Si quieres un sistema manual más rápido que Ageton entonces usa HO229 o HO249. Pero, como digo, hay docenas de otros métodos de reducción. Puedes probar el método haversine que publica Reed's Nautical Almanac o el método de Davies que publica el almanaque náutico del gobierno americano. Personalmente no me gustan mucho pero eso no quiere decir que no te puedan gustar a ti.
El original en inglés lo escribí hace ya bastantes años
Esta traducción fue hecha en diciembre de 2006