"Godhet utan vishet och utan
gränser är bara en annan
form av ondska."
(John Paterson)

"Det är synd att 99% av
journalisterna skall fördärva
förtroendet för en hel yrkeskår"
(Okänd)

"Ormar äro älskliga varelser,
om man råkar tillhöra samma
giftgrupp"
(Artur Lundkvist)

"När försiktigheten finns överallt,
finns modet ingenstans."
(den belgiske kardinalen Mercier)

"Den som gifter sig med
tidsandan blir snabbt änka."
(Goethe)

"Civiliserade är de kulturer
och individer som respekterar
andra."
(Hört på Axesskanalen)

"Det tragiska med vanligt
sunt förnuft är att det
inte är så vanligt."
(Albert Einstein)

"Halv kristendom tolereras
men föraktas.
Hel kristendom respekteras
men förföljs."
(Okänd)

Senast ändrad: 2024 04 23 13:30

Så fungerar INMARSAT-systemet (den långa versionen)

(Note: at the top of the page you can choose translation of this article to other languages, but don't expect the translation to be perfect — "Välj språk" means "Choose language")

Geostationära satelliter kallas så, eftersom de står still (är stationära) relativt jordytan. Detta åstadkoms genom att de rör sig i cirkulära banor över ekvatorn med samma rotationshastighet som jordytan (de följer helt enkelt med jorden i dess rotation), dvs ett varv på 23 h 56 min 4,098903691 s (för att förenkla använder vi fortsättningvis 23 h 56 min). Detta kallas för stjärndygn, eftersom det anger hur lång tid det tar för jorden att rotera ett varv relativt stjärnorna/stjärnhimlen. Att soldygnet är 24 timmar (dvs ca 4 minuter längre) beror på att samtidigt som jorden roterar kring sin egen axel (ett varv på 23 h 56 min) så förflyttar sig jorden i sin bana runt solen (ett varv på ett år, dvs 365,25 dygn). När jorden roterat ett varv runt sin axel (relativt stjärnhimlen) befinner sig inte solen i samma läge relativt jorden som ett varv innan (eftersom jorden förflyttat sig under tiden). Jorden måste därför rotera lite till för att få solen i samma läge som varvet innan, vilket tar ca 4 minuter. Således blir soldygnet (jordens rotation relativt solen) 24 h (exakt 24 h, på grund av att 1 timme definieras som 1/24 soldygn).

Vilken fart en satellit måste ha för att att vara geostationär, dvs följa jordytan, beror på höjden. Ju högre satelliten ligger, desto högre måste farten vara, eftersom banans omkrets ökar med höjden (satelliten måste ju röra sig ett varv runt jorden på 23 h 56 min oberoende av hur stor banans omkrets är). Samtidigt måste en satellit ha en viss fart för att "balansera tyngdkraften", dvs för att inte ramla ner (om farten är för låg) eller försvinna ut i rymden (om farten är för hög). Denna fart beror också på höjden. Eftersom gravitationskraften minskar när avståndet till jorden ökar, följer att ju högre satelliten ligger, desto lägre måste dess fart vara för att den skall vara stabil i sin bana. Dessa två motstridiga krav (den nödvändiga farten för att röra sig synkront med jordytan ökar med höjden respektive den nödvändiga farten för att ligga stabilt i sin bana minskar med höjden) leder till att det bara finns en enda möjlig höjd för geostationära satelliter (den höjd där dessa två farter möts) — ca 35 786 km. Och banan måste vara cirkulär och ligga exakt över ekvatorn. Alla geostationära satelliter ligger således uppradade som ett pärlband över ekvatorn på exakt denna höjd.

INMARSAT-systemet fungerar så att alla som använder systemet har en parabolantenn riktad mot satelliten. Inriktningen måste vara mycket exakt för att få maximal signalstyrka. Ett liknande system används för satellit-TV (som har sina egna geostationära satelliter). När det gäller TV har man en fast parabol (t ex på hustaket), eftersom både användare och satellit är stillastående relativt jorden (satelliten flyttar sig således inte relativt parabolen).

En av INMATSAT-systemets markstationer.

Satelliterna i INMARSAT-systemet fungerar som relästationer. Förbindelsen sker från fartygets parabol till satelliten och sedan skickar satelliten ned signalerna till stora parabolantenner på marken (bilden ovan), från vilka signalerna går vidare ut på det allmänna telefonnätet etc. Och vice versa. För att systemet skall fungera, måste det vara "fri sikt" mellan fartygets parabolantenn och satelliten. Vid högre latituder än 70° (dvs norr om 70° nord och söder om 70° syd) blir systemet allt mer degraderat, eftersom satelliterna då står nära horisonten. Detta ger svag signalstyrka och försämrad kvalitet i kommunikationen. Ju lägre satelliten man kommunicerar med står (dvs ju längre norr- eller söderut man befinner sig), desto större är dessutom risken att terränghinder (berg, kullar, hus etc) skymmer satelliten, vilket ytterligare försämrar eller omöjliggör kommunikationen. På öppet hav finns givetvis inte detta problem. INMARSAT-systemet upphör att fungera vid latituder större än 82°, eftersom satelliterna då ligger under horisonten. Systemet fungerar således inte i polarregionerna. Motsvarande begränsningar gäller givetvis också satellit-TV. Generellt gäller att ju längre från ekvatorn man befinner sig, desto större måste parabolens area vara för att man skall få tillräcklig signalstyrka åt båda hållen (dvs både för sändning och mottagning) och därmed en högkvalitativ förbindelse.

En parabol koncentrerar den utsända signalen i en viss riktning, dvs man får en radiostråle (ungefär som ljusstrålen från en ficklampa, där den paraboliska spegelreflektorn koncentrerar ljuset). Radiostrålen från en parabol har inte helt parallella strålar och strålen blir därför bredare och bredare när avståndet till sändaren ökar. Signalstyrka mäts i watt per kvadratmeter (W/m2) och avtar således med avståndet till sändaren (eftersom sändareffekten sprids ut över en allt större area). Signalstyrkan på ett visst avstånd från sändaren är helt enkelt sändarens uteffekt dividerad med tvärsnittsarean av strålen på detta avstånd. Ju större area en mottagande parabol har desto mer effekt tar den emot från den inkommande signalen (ineffekten blir helt enkelt signalstyrkan multiplicerad med parabolens area). Dvs det är lätt att förstå varför man behöver en större antenn när avståndet till satelliten ökar. Signalen blir då svagare men en större antennarea kompenserar för den lägre signalstyrkan (hur mycket beror på parabolens area). Enkelt uttryckt kan man säga att en parabol samlar in all energi som kommer in mot den och skickar den vidare till radiomottagarenheten. En större parabol samlar helt enkelt in mer energi än en mindre parabol. Ungefär som att en simbassäng samlar in mer regn (uttryckt i liter) när det regnar än vad en hink som står intill bassängen gör.
Men varför är en större antennarea en fördel vid sändning över stora avstånd? Jo, det beror på att ju större parabolens area är, desto mer koncentrerad blir strålen, dvs desto mindre sprider den sig. En större antenn ger därför högre signalstyrka på ett visst avstånd, eftersom strålen är mer koncentrerad (radiostrålens tvärsnittsarea är mindre på detta avstånd än om sändarparabolen haft mindre area). Nackdelen med en mer koncentrerad radiostråle är givetvis att mottagarparabolens inriktning mot sändarparabolen är mer kritisk. Det är därför som det är nödvändigt med Inmarsatsystemets komplicerade antennsystem.

En satellits (och andra himlakroppars, som sol, planeter etc) position på himmelsfären, relativt en "observatör" (t ex en parabolantenn) på jordytan, anges med två koordinater; höjd och azimut. Höjden innebär den vertikala vinkeln mellan siktlinjen till satelliten och horisonten. Står satelliten i zenit (dvs rakt ovanför observatören) är höjden 90°. Står den i horisonten är höjden 0°. Azimut innebär helt enkelt kompassriktningen till satelliten (kallas också bäring), dvs den horisontella vinkeln mellan nordriktningen och riktningen till satelliten, mätt medurs. Befinner sig satelliten rakt söder om observatören är azimut 180°. Står satelliten rakt österut är azimut 90°. När det gäller fartyg är man ibland mer intresserad av riktningen till ett objekt (t ex en satellit) relativt fartyget än relativt kompassen. Denna riktning kallas styrbordsvinkel (relative bearing på engelska) och är helt enkelt riktningen till satelliten relativt fartygets stävriktning och räknat medurs 0°-360°. Ett föremål som befinner sig rakt akterut har då styrbordsvinkel 180° och befinner sig föremålet babord tvärs (tvärskepps åt babord/vänster) är vinkeln 270°. Rakt förut är styrbordsvinkeln både 0° och 360°. Eftersom parabolantennenheten är monterad på fartyget är styrbordsvinkeln en relevant parameter. När fartyget t ex girar förändras satellitens styrbordsvinkel och därmed riktningen relativt parabolantennenheten (medan azimut inte förändras — azimut beror endast på fartygets position och inte på fartygets rörelser).

Bilden visar hur höjd och azimut definieras för en satellit (och andra himlakroppar). Azimut är således vinkeln till satellitens bäringslinje (den horisontella riktningen till satelliten) räknat från nord (N i figuren) och medurs (0°-360°). Rakt norrut blir då 0° (och även 360°) och rakt österut 90°, etc. I bilden är azimut till satelliten ca 160°-170°, dvs satelliten står nästan i söder.
Skillnaden mellan azimut och styrbordsvinkel är att i fallet azimut så är referensriktningen (från vilken den horisontella vinkeln till satelliten mäts medurs) nordriktningen, medan referensriktningen i fallet styrbordsvinkel är fartygets stävriktning (dvs rakt förut). Om fartyget går på nordlig kurs (dvs stäven är riktad exakt mot norr), är azimut och styrbordsvinkel lika stora.
Höjden är den vertikala vinkeln mellan siktlinjen från antennen till satelliten och horisonten. Står satelliten i horisonten är höjden 0° och står den i zenit (rakt över observatören) är den 90°.

Azimut är relevant om vi enbart ser till fartygets position. Ett fartygs girar och rullningar och krängningar påverkar inte azimut till satelliten. Endast fartygets förflyttning förändrar långsamt azimut. Fartygets girar och pendlingar orsakade av sjögång påverkar däremot styrbordsvinkeln till satelliten.

Problemet med INMARSAT på faryg är att ett fartyg dels förflyttar sig och dels svänger (girar) och dels rullar och kränger etc på grund av sjöhävning. Dvs parabolantennen måste hela tiden kompensera för detta. Det sker genom flera olika funktioner. Den första är att antennen söker efter den starkaste signalen från satelliten genom att röra sig i ett spiralmönster. Detta klarar att hålla antennen låst på satelliten när fartyget förflyttar sig (förändrar sin position), eftersom förändringen av satellitens höjd och azimut då är långsam (i detta fall är azimut relevant, eftersom fartygets position är oberoende av om fartyget girar och kränger). Men när fartyget girar (svänger), handlar det om snabba förändringar av styrbordsvinkeln och spiralsökningssystemet hänger inte med utan tappar helt enkelt satelliten. Vi måste således ha en ytterligare funktion i antennsystemet, som klarar att kompensera bort snabba förändringar av styrbordsvinkeln. Därför är parabolantennen kopplad till gyrokompassen, så att när fartyget girar ett visst antal grader åt styrbord eller babord, så vrider sig parabolen exakt lika många grader åt motsatta hållet (dvs behåller sin riktning till satelliten). Fartygets rullningar och andra rörelser på grund av sjögång kräver en tredje funktion för att kompenseras bort. Här påverkas både satellitens höjd (inte relativt horistonten utan relativt parabolantennen) och styrbordsvinkel. Den senare förändringen kompenseras genom den nyssnämnda kopplingen till gyrokompassen. De snabba vertikala vinkelförändringarna relativt parabolantennen i samband med rullningar etc kompenseras genom att parabolen hela tiden hålls exakt horisontell. Detta åstadkoms av att parabolen är monterad på en gyrostabiliserad plattform som alltid är horisontell, hur mycket fartyget än rullar och kränger. Genom detta komplicerade och mycket dyra system håller sig parabolantennerna i INMARSAT-systemet låsta på satelliterna. För att skyddas mot väder och vind placeras de i en plastdom (kupol), vilket framgår av bilden nedan och av bild 6 i huvudtexten. På flygplan placeras INMARSAT-antennen inuti en strömlinjeformad kåpa på flygkroppens ovansida.

Antennsystem för INMARSAT och antenndom (avsett för fartyg). Kostnad; en halv miljon kronor och uppåt. Ju större area parabolen har, desto mer effektiv blir den, både när det gäller sändning och mottagning.

Minutkostnaden för ett samtal till en INMARSAT-telefon är f n 3,80 USD (när jag arbetade på Polaris på 1980-talet låg minutkostnaden på ca 10 USD). Den typ av INMARSAT som diskuterats ovan kallas INMARSAT B. Detta system kan användas för telefoni, datatrafik och fax. Hastigheten vid dataöverföring är 9,6 kbit/s. För en tilläggskostnad kan man få högre hastigheter; 56, 64 och 128 kbit/s. Det finns också en billigare och enklare variant kallad INMARSAT C. Där används en omnidirektionell antenn (dvs en antenn som inte behöver riktas mot satellten) och endast datatrafik i låg hastighet (ca 600 bit/s) är möjlig. INMARSAT C kan t ex användas för kommunikation med, och fjärrstyrning av, avlägsna, obemannande mätstationer.

De flesta satelliter ligger på en höjd mellan 160 och 2000 km. GPS-satelliterna ligger på 20 000 km höjd, dvs betydligt högre. De geostationära satelliterna (TV och INMARSAT) ligger, som vi sett ovan, på ca 36 000 km höjd (ca en tiondel av avståndet till Månen). Det blir således stora avstånd fartyg-satellit och satellit-markstation, vilket leder till en tidsfördröjning av signalen på ca 0,2-0,3 sekunder. Denna fördröjning är klart märkbar vid telefonsamtal och kan upplevas som irriterande.

Som kuriosa kan jag nämna att det nya rymdteleskopet (James Webb-teleskopet) befinner sig på ett avstånd av 1,5 miljoner km från Jorden, vilket är 5 gånger avståndet till månen! Teleskopets bana är inte runt Jorden, utan runt Solen på ett sådant sätt att teleskopet alltid ligger "bakom" Jorden i förhållande till solen, dvs teleskopet är nästan stilla relativt Jorden (inte relativt jordytan utan relativt Jordens medelpunkt). James Webb-teleskopet följer således Jorden i dess banan runt Solen och ligger i "skuggan" från Jorden. På så sätt skyddas teleskopets mätutrustning från ljus och värme från Solen och Jorden och Månen. Nu är det lite mer komplicerat än så och den intresserade läsaren rekommenderas att klicka här för mer detaljer (bl a hittar man här en välgjord video som väldigt pedagogiskt visar och förklarar teleskopets bana).

INMARSAT är namnet på ett företag. Tidigare var dessa ensamrådande på marknaden men har idag många konkurrenter. Såvitt jag vet är INMARSAT de största operatörerna när det gäller mobil kommunaktion via geostationära satelliter. Det finns också andra satellitkommunikationssystem, vilka använder lågbanesatelliter, t ex Iridium. Där behövs inga komplicerade parabolantenner utan de enheter som används ser ut som jättestora mobiltelefoner med en yttre antenn. Detta system fungerar över hela världen, inklusive i polarregionerna. En iridiumtelefon kan man få för 15 000 kr och uppåt. En svaghet med detta system är att man ofta får avbrott i kommunikationen, när den satellit man kommunicerar med försvinner under horisonten. Varje satellit befinner sig över horisonten (sett från en viss position) i ca 15 minuter.

 

Tillbaka till huvudartikeln om haveritillbudet med Polaris
© Krister Renard