Hvordan kommunikerer ubåde under vandet?

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.

Kort fortalt Jo højere radiofrekvensen er, desto vanskeligere har signalet generelt ved at trænge gennem ledende havvand. Derfor anvendes meget lave frekvenser til visse former for kommunikation med neddykkede ubåde, mens andre radiosystemer kræver, at ubåden kommer tættere på overfladen.

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.

Vand ændrer spillereglerne En VHF-radio kan kommunikere over betydelige afstande gennem fri luft, især når antennen sidder højt. Men under havoverfladen bliver det samme radiosignal meget hurtigt dæmpet. Derfor kræver kommunikation med neddykkede ubåde helt andre frekvenser og teknikker.

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.

Marine VHF betyder ikke undervandsradio Marine VHF er beregnet til radiokommunikation på og omkring havet – ikke gennem havvandet. Skibe kommunikerer med VHF via antenner over vandoverfladen.

Læs også Marine VHF – radiokommunikation med antennen 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.

En helt anden størrelsesorden Ved 20 kHz er bølgelængden i fri luft cirka 15 kilometer. Til sammenligning er bølgelængden ved 150 MHz cirka 2 meter. Det illustrerer, hvor forskellige VLF og VHF er som radiosystemer.

Læs mere i Radiobølger – sådan bevæger radiosignaler sig.

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. Skeln mellem ubådens dybde og modtageantennens dybde: En antenne, der holdes nærmere overfladen, kan have andre modtagebetingelser end en antenne på det dybtliggende fartøj.

Der findes ingen magisk undervandsfrekvens Lavere frekvens kan forbedre gennemtrængningen i havvand, men den medfører samtidig andre tekniske begrænsninger. Ubådskommunikation er derfor altid et kompromis mellem blandt andet dybde, antenner, datamængde og radiosystem.

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.

Bølgelængden fortæller meget Når frekvensen sænkes fra hundredvis af megahertz til nogle få kilohertz, vokser bølgelængden fra meter til kilometer. Det ændrer hele den praktiske konstruktion af radiosystemet.

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.

Kommunikationen kan være asymmetrisk Det er ikke nødvendigvis lige let at sende i begge retninger. En meget stor landbaseret sender kan nå en neddykket modtager under forhold, hvor ubåden ikke kan etablere en tilsvarende radioforbindelse tilbage.

Læs også Simplex, semiduplex og duplex – envejs- og tovejskommunikation.

Hvorfor er datakapaciteten begrænset?

De anvendte meget lavfrekvente ubådssystemer har typisk beskeden datakapacitet. Lav bærefrekvens alene fastlægger dog ikke datahastigheden: Den afhænger af den anvendelige båndbredde, antennesystemet, signal/støj-forholdet og modulationen.

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.

Tænk besked – ikke videosamtale VLF-kommunikation med en neddykket ubåd skal ikke sammenlignes med mobiltelefoni eller Wi-Fi. Systemets styrke er muligheden for at overføre begrænset information under meget vanskelige radioforhold.

ELF – endnu lavere frekvenser

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

Historiske ubådssystemer omtales ofte som ELF – Extremely Low Frequency. De anvendte frekvenser langt under VLF og kunne give større gennemtrængning i havvand. Betegnelsen bruges i denne sammenhæng bredt og bør ikke forveksles med en præcis angivelse af et bestemt frekvensbånd.

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

Sådanne systemer var især egnede til meget korte beskeder eller varslinger om at etablere en anden forbindelse. De illustrerer kompromiset mellem gennemtrængning, store installationer og meget lav datahastighed. ELF bør ikke forstås som en almindelig nutidig løsning på alle ubåde.

Læs også Radiokommunikation under Den Kolde Krig – når atomkrigen kunne komme.

Ubåden kan komme tættere på overfladen

For radiosystemer, der kræver en signalvej gennem atmosfæren, er løsningen normalt at bringe en egnet antenne over havoverfladen. Lavfrekvent modtagelse med en antenne under overfladen er en anden situation.

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.

Det er vandet, der er problemet Når en egnet antenne er over havoverfladen og har en passende signalvej, kan den anvende radiosystemer beregnet til udbredelse gennem atmosfæren.

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 normalt bringe en egnet antenne over havoverfladen med passende udsyn mod satellitten. Det kan eksempelvis ske med en antennemast eller en særlig antenneløsning; fartøjets og antennens placering er ikke nødvendigvis den samme.

Satellitten løser afstandsproblemet – ikke vandproblemet En kommunikationssatellit kan befinde sig langt væk, men signalet skal stadig kunne nå antennen. Havvandets dæmpning forsvinder ikke, fordi den anden station befinder sig i rummet.

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.

Radio gennem luft – lyd gennem vand Radio og undervandsakustik bygger på to helt forskellige fysiske fænomener. Radiobølger er elektromagnetiske bølger, mens lyd er mekaniske trykbølger i et materiale som vand.

Hvorfor bruges sonar?

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

Aktiv sonar udsender et lydsignal og undersøger ekkoet fra et objekt. Passiv sonar lytter derimod efter lyd fra omgivelserne uden selv at udsende en lydpuls.

Ved aktiv sonar kan tiden mellem udsendelse og modtagelse bruges til at beregne afstanden: Lydens hastighed gange ekkoets rejsetid divideret med to, fordi lyden bevæger sig både ud og tilbage. En enkelt passiv lytning giver ikke tilsvarende en direkte ekkoafstand.

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.

Lyd bevæger sig omtrent 1.500 m/s i havvand, afhængigt af temperatur, saltholdighed og tryk. Over en signalvej på 10 km giver det omkring 6,7 sekunders transporttid én vej, før behandling og eventuel gensending medregnes. Forsinkelse, begrænset båndbredde og refleksioner påvirker derfor også kommunikationen.

Der findes 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.

System	Typisk egenskab	Under vand
VHF/UHF	Effektiv tale- og datakommunikation gennem atmosfæren	Meget kraftig dæmpning i havvand
HF	Kan anvendes til langdistancekommunikation gennem atmosfæren	Ikke egnet gennem større mængder havvand
VLF	Meget lange bølgelængder; de anvendte systemer har typisk begrænset båndbredde og datakapacitet	Kan modtages med en antenne et stykke under overfladen; forholdene bestemmer dybden
Historiske systemer omtalt som ELF	Ekstremt lave frekvenser og meget lav informationshastighed	Kan have større gennemtrængning
Akustisk kommunikation	Anvender lyd i stedet for radiobølger	Kan overføre information under vand, men påvirkes af forsinkelse, støj og refleksioner

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.

Flere watt ændrer ikke fysikkens grundregler Sendeeffekt er kun én del af et radiosystem. Hvis signalet anvender en frekvens, der absorberes kraftigt af havvand, kan mere effekt ikke gøre systemet tilsvarende egnet til dyb undervandskommunikation.

Læs mere i Sendeeffekt forklaret – hvorfor 10 W ikke giver dobbelt rækkevidde af 5 W.

Kan en ubåd bruge almindelig VHF?

VHF kan bruges med en egnet antenne over havoverfladen, men er ikke en praktisk forbindelse gennem saltvand til en dybt neddykket antenne. Marine VHF og undervandskommunikation løser derfor forskellige opgaver.

Hvorfor kan ubåden ikke bare svare på VLF?

En effektiv VLF-sender kræver et antenne- og effektsystem, som er vanskeligt at realisere på et neddykket fartøj. Derfor anvendes VLF især som udsendelse fra store stationer til ubåde. Et svar kan kræve en anden frekvens eller kommunikationsmetode.

Er sonar det samme som undervandsradio?

Nej. Sonar bruger lyd, mens radio bruger elektromagnetiske bølger. Aktiv sonar analyserer ekkoer, og passiv sonar lytter. Akustisk kommunikation kan bruge lyd til at overføre beskeder, men er ikke det samme som sonarens opgave med at registrere og undersøge objekter.

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 egnet antenne er 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.

Det vigtigste at tage med Radiobølger opfører sig ikke ens ved alle frekvenser og i alle omgivelser. Ubådskommunikation er et ekstremt eksempel på, hvor afgørende både frekvens og udbredelsesmedium er for, hvilket radiosystem der overhovedet kan fungere.

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.