Radiokommunikation fungerer godt gennem atmosfæren, men under havoverfladen ændrer forholdene sig dramatisk. Saltvand dæmper elektromagnetiske bølger kraftigt, og de radiosystemer, vi normalt bruger på land, kan derfor ikke uden videre kommunikere med en ubåd langt under overfladen.

Det har gjort kommunikation med neddykkede ubåde til en af radioteknikkens særlige udfordringer.

Løsningen er blandt andet at anvende meget lave radiofrekvenser, særlige antennesystemer og forskellige kommunikationsmetoder afhængigt af ubådens dybde og situation.

Hvorfor er radiokommunikation vanskelig under vand?

Havvand er ikke bare vand. Det indeholder opløste salte og fungerer derfor som en elektrisk ledende væske.

Når elektromagnetiske bølger bevæger sig gennem et ledende materiale, bliver en del af energien absorberet. Radiosignalet bliver dermed svagere, jo længere det bevæger sig gennem vandet.

Dæmpningen afhænger blandt andet af signalets frekvens. De frekvensområder, vi normalt forbinder med kommunikationsradio, bliver dæmpet så kraftigt i havvand, at de ikke er praktiske til almindelig kommunikation med en dybt neddykket ubåd.

Hvorfor virker en almindelig VHF-radio ikke?

VHF og UHF er fremragende til mange former for kommunikation gennem atmosfæren. Vi bruger blandt andet VHF til marinekommunikation og flyradio samt VHF og UHF til forskellige landmobile radiosystemer.

Men under vand er forholdene helt anderledes.

Et VHF- eller UHF-signal trænger kun meget begrænset gennem saltvand. En almindelig kommunikationsradio om bord kan derfor ikke blot anvendes på samme måde under vandet, som hvis antennen befandt sig over havoverfladen.

Løsningen ligger blandt andet i meget lave frekvenser

Når radiofrekvensen bliver meget lav, kan elektromagnetiske signaler trænge længere gennem havvand end signaler på eksempelvis VHF og UHF.

Derfor har VLF – Very Low Frequency – fået en særlig rolle i kommunikation med neddykkede ubåde.

VLF ligger i området omkring 3–30 kHz og har ekstremt lange bølgelængder sammenlignet med de radiosystemer, vi normalt møder i kommunikationsradio.

Lav frekvens giver mulighed for at nå ned i vandet

Fordelen ved VLF er, at signalet kan trænge et stykke ned i havvandet og dermed modtages under forhold, hvor højere radiofrekvenser ikke kan anvendes.

Det betyder dog ikke, at en ubåd på vilkårlig dybde kan føre en almindelig radiosamtale via VLF.

Hvor dybt et signal kan anvendes, afhænger blandt andet af frekvens, havvandets elektriske egenskaber, signalstyrke og modtageforhold.

De enorme bølgelængder giver enorme antenneudfordringer

En almindelig håndradio kan have en antenne på få centimeter eller nogle få decimeter. Ved VLF er bølgelængderne derimod mange kilometer.

Det gør det vanskeligt at bygge effektive antennesystemer i normal størrelse.

VLF-sendere på land kan derfor anvende meget store antenneanlæg med lange ledningssystemer og kraftige sendere.

Det er en af grundene til, at denne form for kommunikation ikke bare kan udføres med en lille radio og en almindelig antenne.

Hvorfor kan ubåden ikke bare sende tilbage på VLF?

Det er betydeligt vanskeligere at etablere en effektiv VLF-sender på en ubåd end at bygge en stor landbaseret senderstation.

En af udfordringerne er netop antennen. Et fartøj har ikke mulighed for at bære et antenneanlæg i samme størrelsesorden som en landstation.

Derfor har meget lavfrekvent ubådskommunikation traditionelt været særligt velegnet til at sende information til en neddykket ubåd.

Når ubåden skal sende større datamængder eller etablere andre former for tovejskommunikation, kan andre kommunikationsmetoder være nødvendige.

Lav frekvens betyder lav datakapacitet

En anden vigtig begrænsning ved meget lave frekvenser er den beskedne båndbredde.

Det betyder, at VLF ikke egner sig til de store datamængder, vi forbinder med moderne bredbåndskommunikation.

Kommunikationen er derfor bedre egnet til relativt begrænsede informationsmængder end til eksempelvis almindelig internettrafik eller højkvalitets tale.

ELF – endnu lavere frekvenser

Historisk har der også været eksperimenteret med og anvendt endnu lavere frekvenser til ubådskommunikation.

ELF – Extremely Low Frequency – ligger under VLF og kan have endnu større gennemtrængning i havvand.

Men jo lavere frekvensen bliver, desto større bliver udfordringerne med antenner og den meget begrænsede informationshastighed.

ELF illustrerer derfor radioteknikkens kompromis meget tydeligt: Man kan opnå egenskaber, der er nyttige under vand, men betaler for dem med ekstremt store tekniske installationer og meget lav datakapacitet.

Ubåden kan komme tættere på overfladen

Hvis en ubåd skal anvende kommunikationssystemer, der ikke kan trænge gennem havvandet, kan løsningen være at bringe en antenne tættere på eller over overfladen.

Afhængigt af systemet kan en ubåd anvende forskellige former for antenner og kommunikationsudstyr, når forholdene tillader det.

Når antennen ikke længere skal modtage signalet gennem en stor mængde havvand, bliver langt flere radiofrekvenser anvendelige.

Satellitkommunikation kræver adgang til himlen

Satellitter kan give kommunikationsmuligheder over meget store geografiske områder, men radiosignalet mellem satellit og ubåd skal stadig passere gennem omgivelserne.

De højere frekvenser, der anvendes til satellitkommunikation, kan ikke forventes at trænge gennem betydelige mængder havvand.

Ubåden må derfor anvende en passende antenneløsning tæt ved eller over overfladen, hvis den skal etablere den pågældende satellitforbindelse.

HF kan bruges, når antennen kan arbejde over vandet

HF-radio kan anvendes til langdistancekommunikation og har historisk haft stor betydning for maritime radiosystemer.

Men HF løser heller ikke problemet med en antenne langt under havoverfladen.

Hvis en egnet antenne kan bringes op, så den kan arbejde gennem atmosfæren, bliver HF derimod relevant til andre former for kommunikation over store afstande.

Radio og lyd er to forskellige løsninger

Elektromagnetiske radiobølger har vanskelige forhold i saltvand, men lyd bevæger sig ganske godt gennem vand.

Derfor anvendes akustiske systemer også under vand.

Her overføres informationen ikke som almindelige radiobølger, men som trykbølger – lyd – gennem vandet.

Hvorfor bruges sonar?

Sonar anvender lyd i vand til blandt andet at registrere objekter, måle afstande og undersøge omgivelserne.

Princippet kan i sin enkleste form sammenlignes med et ekko: Et lydsignal udsendes, reflekteres fra et objekt og modtages igen.

Tiden mellem udsendelse og modtagelse kan bruges til at beregne afstanden.

Sonar er altså ikke det samme som radiokommunikation, men teknologien viser, hvorfor lyd spiller så stor en rolle under vand.

Kan man kommunikere med lyd under vand?

Ja. Akustiske signaler kan også anvendes til at overføre information gennem vand.

Det kan være relevant mellem undervandsenheder eller i situationer, hvor radiobølger ikke er praktiske.

Akustisk kommunikation har imidlertid sine egne begrænsninger. Lydens udbredelse påvirkes blandt andet af vanddybde, temperatur, saltholdighed, støj og refleksioner.

Der findes derfor heller ikke her én universel løsning, der fungerer optimalt under alle forhold.

Frekvensen ændrer mulighederne

Ubådskommunikation er et godt eksempel på, hvorfor frekvensvalg er så grundlæggende i radioteknik.

Hvorfor kan man ikke bare bruge mere sendeeffekt?

Det er fristende at forestille sig, at en kraftigere sender kan løse problemet.

Men når et materiale dæmper et radiosignal meget kraftigt, er højere sendeeffekt ikke nødvendigvis en praktisk løsning.

Frekvensen og mediets elektriske egenskaber er grundlæggende faktorer. Derfor kan det være langt mere effektivt at vælge en helt anden kommunikationsmetode end blot at øge effekten.

Ubådskommunikation er et system af flere teknologier

Der findes derfor ikke én enkelt “ubådsradio”, der løser alle kommunikationsbehov.

Forskellige situationer kan kræve forskellige løsninger:

• Meget lavfrekvent radio til modtagelse under vand
• Andre radiofrekvenser, når en antenne kan arbejde nær eller over overfladen
• Satellitkommunikation under passende forhold
• Akustiske systemer til særlige former for undervandskommunikation

Hvilken metode der er relevant afhænger blandt andet af dybde, afstand, databehov og den konkrete operation.

Fra håndradio til ubåd – de samme fysiske love gælder

En håndradio på land og et kommunikationssystem til en ubåd kan virke som to helt forskellige verdener.

Men de er underlagt de samme grundlæggende fysiske principper.

Frekvensen påvirker bølgelængden. Omgivelserne påvirker signalets udbredelse. Antennen skal fungere på det valgte frekvensområde, og der er altid kompromiser mellem forskellige egenskaber.

Når havet bliver en del af radiosystemet

På land tænker vi ofte på bakker, bygninger, antennehøjde og afstand, når vi vurderer en radioforbindelse.

For en neddykket ubåd bliver selve havvandet en af de vigtigste faktorer.

Højere radiofrekvenser dæmpes så kraftigt, at andre teknikker bliver nødvendige. Meget lave frekvenser kan nå længere gennem vandet, men medfører til gengæld enorme antenneudfordringer og meget begrænset datakapacitet.

Ubådskommunikation viser derfor radioteknikkens grundlæggende kompromis meget tydeligt: Der findes ikke én frekvens eller én radio, der er bedst til alt. Det rigtige kommunikationssystem afhænger af de fysiske omgivelser og den opgave, der skal løses.