Radiocommunicatie: Troposcanner en TacSatCom (1950 · 1975)

Troposcatter en TacSatCom

VHF/UHF radiocommunicatie via de troposfeer (1950 – 1967)

Begin 1950 begon de radiogroep van het Physisch Laboratorium TNO met voortplantingsonderzoek van VHF-UHF golven over grote afstanden voorbij de horizon. Dat wil zeggen, afstanden in de orde van 30 tot 50 maal de radiohorizonafstand gezien vanuit de betreffende zend- of ontvangantenne. Dit onderzoek werd opgezet omdat dit van groot belang zou zijn voor de toekomstige militaire radiocommunicatie. Inherent aan dit onderzoek was de ontwikkeling van zeer ruisarme ontvangers voor het VHF- en UHF-gebied. De horizon bevond zich op een afstand van 12.8 km [Gratama] gezien vanuit de 10 tot 20 meter hoge zend-ontvangstgantennes van het laboratorium. 

In het begin zouden veldsterktemetingen aan 3-meter zenders vericht worden op 100 tot 200 kilometer afstand. In die tijd waren er geen officiële 100 MHz zenders in Nederland. Sporadisch zonden enkele zendamateurs uit in de 144-146 MHz frequentieband. Daarom is een eigen VHF-zender, de PE1PH,  gebouwd op 144,00 MHz met een ERP (Effective Radio Power) van circa 4 kW.

Vanaf december 1950 werd een antenne gebruikt met 8 stralers en 8 reflectoren. De elementen waren 92 cm lang (halve golflengte) en hadden een diameter van 8 mm. De reflectors hadden een afstand (vrije lucht) van 1/4 golflengte. De voeding was via een 72 Ohms coaxkabel met een Symas transformator. De staandegolfverhouding bij juiste aanpassingen was minder dan 1.1.

Beam PE1PL – antenne 1950 – 1954

Vanaf juli 1954 werd een draaibare, eenzijdig stralende horizontaal gepolariseerde Koomans beam-antenne gebruikt:  vijf in fase gevoede hele dipolen boven elkaar op halve labda afstand voor een reflecterend scherm van horizontale draden. De versterking in de voorwaartse richting was 15 dB (32-voudig); de achtergrondstralingsonderdrukking bedroeg circa 28 dB. Met deze zender werden proeven gehouden in nauwe samenwerking met de zendamateurs die actief waren in deze frequentieband.   

Gepolariseerde Koomans beam-antenne op dak Meetgebouw (1954)
Draaibare, gepolariseerde Koomans beam-antenne op dak Meetgebouw (1954)

De toenmalige PTT raakte geïnteresseerd in het gedrag van de VHF-UHF golven in verband met de ontwikkeling van FM voor omroep en TV. Drie 146 MHz meetzenders met een ERP van 400 W werden geplaatst te Hoogezand, Hengelo en Hulsberg. Ten opzichte van Waalsdorp op afstanden van 204, 172 en 172 km. 
Nu is Nederland klein. Proeven met verbindingen over grotere afstanden dan 200 km vereisten medewerking in het buitenland. Via officiële kanalen lukte het niet om geïnteresseerden te vinden. Hulp werd ingeroepen van buitenlandse radiozendamateurs waarbij over afstanden van 250 tot 500 kilometers gecommuniceerd werd.

Daarnaast werd een experimentele 70 cm (432 MHz) UHF-zender gebouwd om in de amateurband te kunnen werken. Deze werd gekoppeld aan de 8.5 meter diameter Würzburg-Riese antenne van het laboratorium.  Paraboolodiameter ~8.5 m, gain ~28 dB (700*), en een ERP van ~100 kW.
Hard werd gewerkt aan het maken van ruisarme ontvangers (feitelijk complexe buisvoltmeters) gegeven het zeer zwakke ontvangstsignaal. Meer informatie over de 145 MHz (2 meter)- en 435 MHz (70 cm)-ontvangers is te vinden in het artikel van S. Gratama.

Würzburg-Riese antenne op 70 cm/435 MHz
Würzburg-Riese antenne op 70 cm/435 MHz

Enkele hoogtepunten uit het onderzoek betroffen:

  • Langdurige meetseries.
    Gedurende perioden van drie jaar en soms langer is een groot aantal waarnemingen gedaan over afstanden van 20 tot 500 km. Dagelijks werd een- of meermaals twee-wegcommunicatie onderhouden met een aantal zenderstations in Nederland, België, Engeland, Duitsland en Frankrijk. De verste stations waren Parijs (405 km), Würzburg (472 km),  Preston en Oswestry in het VK (510 km). Af en toe werd over nog grotere afstanden gecommuniceerd met stations in Zwiserland.
    Op basis van de resultaten van vele metingen kon een (formule voor een) transmissiedempingskromnme worden opgesteld.
  • Experimentele VHF verbinding met Noorwegen.
    Met Noorse hulp werd in 1956 een zendstation gebouwd op het eiland Tromöy, bij de stad Arendal. De antenne had 120 dipolen in fase met de reflectormat (28 dB) er achter (zie de oude foto hieronder). De drie masten stonden op 8 meter van elkaar en waren ieder 25 meter hoog. De frequentie bedroeg 150,00 MHz. De output van de FM-zender was 3.5 kW. De draaggolf werd in frequentie gemoduleerd volgens “Frequency Shift Keying” (FSK) met maar twee standen die 85 Hz van elkaar verschilden. De datasnelheid bedroeg slechts 75 tekens/s (75 Baud). Het ontvangen en gedemoduleerde signaal ging direct naar een Teleprinter die op deze snelheid liep. Men gebruikte destijds de afkorting FM RTTY (Frequentie Modulatie Radio Teletype).Een 30 meter lange NKF coaxiale voedingskabel (34 mm aluminium/16 mm koper) werd gebruikt De overbrugde afstand was circa 800 km. De grote, op Nederland gerichte antenne leverde een effectief uitgestraald vermogen (ERP) van circa 2,3 MW. De ontvangst vond plaats op het Physisch Laboratorium te Waalsdorp. De verbinding kwam in 1956 tot stand en is midden 1959 opgeheven.

    Troposcatterzender, Arendal
    Troposcatterzender, Arendal

     

    Yagi-antenne voor metingen van de 150 MHz verbinding met de 3.5 kW zender op Tremoy, Noorwegen (medio 1959)
    Yagi-antenne voor metingen van de 150 MHz verbinding met de 3.5 kW zender op Tromöy, Noorwegen (medio 1959)

     

  • Troposcatter-installatie voor de krijgsmacht
    In 1959 werden twee complete posten voor troposcatter-communicatie ingericht voor gebruik door de krijgsmacht. Er werd van frequency-diversity gebruik gemaakt, waarbij er tegelijk op twee frequenties werd gezonden en aan de ‘overkant’ weer werd ontvangen. De zogenaamde “fading” van de troposfeer is verschillend bij verschillende frequenties. Iedere post had daartoe twee zenders en twee ontvangers, alles werkend op één enkele, draaibare richtantenne.
     

    In het frequentiegebied van 80 MHz tot ver boven 10 GHz blijken er zich meer paden in de troposfeer te bevinden, ten gevolge van spreiding (mede door turbulentie) van de diëlectrische constante van de vochtige lucht, een eigenschap die de voortplantingssnelheid vertraagt ten opzichte van de lichtsnelheid. Door het verschil in vertraging van twee van zulke paden kan uitdoving plaatsvinden op één frequentie en tegelijk optelling op een andere. Interessant in Gratema’s verhaal (zie referentie hieronder) is de figuur op blz 147. Een scherpe richtantenne helpt niet omdat de golven door die paden met een grotere openingshoek op de antenne afkomen.

    Door nu elk van de twee ontvangers op een eigen luidspreker(of koptelefoonschelp) aan te sluiten, is de kans groter dat één ervan het gewenste geluid voortbrengt. Een technische opgave was nog het bouwen van de “wisselfilters” om twee zenders respectievelijk ontvangers op één antenne aan te sluiten.

    In eerste instantie was de apparatuur bedoeld voor de Koninklijke Marine, die hiervoor belangstelling bleek te hebben. In 1963 bleek dat de Marine wegens allerlei tactische bezwaren een troposcattersysteem toch niet wilde gaan toepassen. De genoemde trapo-installatie is toen ter beschikking van de Koninklijke Landmacht gesteld. Gedurende de jaren 1964 tot 1967 is de trapo-installatie uitvoerig beproefd over verschillende trajecten. Het laatst was zij in gebruik over het traject Seedorf bij het 1e Legerkorps (1LK), West-Duitsland en het Physisch Laboratorium (afstand 360 km). Behalve voor telefonie werd de verbinding ook voor telex gebruikt. Gedurende meer dan 90% van de tijd was een telefoonverbinding van hoge kwaliteit mogelijk.

    Troposcatterontwerp (1964)
    Troposcatter zendontvangerontwerp (augustus 1964)
  • Medio 1967 is de proefverbinding buiten bedrijf gesteld en werd de installatie omgebouwd voor gebruik in het project voor taktische satellietcommunicatie.

    Troposcatterantenne 1959-1962; van 1963-1966 bij 1LK
    Troposcatterantenne 1959-1962. Van 1963 tot 1966 bij 1LK in Duitsland

Taktische SatellietCommunicatie (TacSatCom)

Op 4 januari 1967 besloot de Defensieraad dat Nederland zou deelnemen aan het project tactische satellietcommunicatie (TacSatCom) zoals dit door de Verenigde Staten in november 1966 in de NAVO was gepresenteerd. Nederland ondertekende het “Memorandum of Understanding” met de Verenigde Staten op 10 november 1967. Het project was een “Research and Development” project dat ten doel had te onderzoeken in hoeverre satellietcommunicatie kon worden toegepast voor radioverbindingen met en tussen kleinere tactische eenheden zoals bijv. voertuigen, onderzeeboten, vliegtuigen en bovenwaterschepen. Deelnemers zijn: VS, Canada, Duitsland, Enegland, Italië, België en Nederland. Later sloten Noorwegen nhe het Shape Technical Center aan.
Het wetenschappelijk programma omvatte:

  • Propagatie-effecten zoals absorptie, scintillatie, “Faraday”-rotatie etc.
  • Signaalvorming
  • Problemen op het gebied van de meervoudige toegankelijkheid (“multiple acces”) tot de satelliet
  • Elektronische tegenmaatregelen (ECM). Hieronder valt ook het vanuit militair oogpunt zo belangrijke punt van de opzettelijke storing van een satelliet.

De lancering van de betreffende geostationaire communicatiesatelliet, de LES-5 (Lincoln Experimental Satellite) vond plaats op 1 juli 1967. Op 3 juli was het vaste grondstation (PAG-27) in staat gesprekken via de satelliet tussen een aantal Amerikaanse stations te ontvangen. 
De werkfrequentie, evenals die van de latere satelliet (de LES-6) lag in de 240 MHz band. Reeds op 3 juli werden op het Laboratorium het bakensignaal alsmede de werksignalen van enkele Amerikaanse stations ontvangen. Op 27 juli 1967 kon het Physisch Laboratorium zenden met een vermogen van 3 Watt; hiermee werd via de LES-5 een goede telegrafieverbinding gemaakt met het Britse station G4P van het Royal Aircraft Establishment te Farnborough. Kort daarop werd ook verbinding met de Verenigde Staten verkregen. Op 4 augustus stond het volle vermogen van 600 Watt voor de PAG-27 ter beschikking. Op 14 december 1967 kwam het semi-mobiele station (PAU-21) in bedrijf. 

Er werden sindsdien vele verbindingen gemaakt en talloze experimenten uitgevoerd, vaak in samenwerking met andere landen zoals de Verenigde Staten, Canada, het Verenigd Koninkrijk, de Bondsrepubliek, België en Italië.
 

TacSatCom bij de 3-tonner
TacSatCom PAU-21 bij de 3-tonner (1967)

 

Zend-ontvangopstelling voor proefnemingen
Zend-ontvangopstelling en meetapparatuur voor proefnemingen

Aanvankelijk werd gewerkt met het vaste waarnemingsstation PAG-27 uitgerust met onze Würzburg Riese antenne als parabolische reflector. Dit station had een groot effectief uitgestraald vermogen (120 kW) en kreeg grote internationale bekendheid. Reeds aan het begin van 1967 kwam het station PAU-21 gereed, ondergebracht in een 3-tons vrachtauto. In 1970 werd een militaire jeep toegevoegd, die uitgerust was met een kleine, geheel getransistoriseerde uitgeruste zendontvanger. Deze zendontvanger met uitzonderingvan de eindversterker (Acrodyne Model A245-1) was door het Laboratorium ontwikkeld en gebouwd, net zoals een demonteerbare schroeflijnantenne. Dit derde station kreeg de roepletters PAP22. De afmetingen van de zendontvanger bedroegen 42 x 40 x 10 cm, het gewicht bedroeg 12 kg, het zendvermogen 80 Watt. Capaciteit: één telefoniekanaal van zeer goede kwaliteit; één of meer telexkanalen. In de periode 1968 · 1973 werden met de drie zendontvangstations talloze demonstraties gegeven in nationaal en internationaal verband.

Schroefantenne TACSATCOM
Schroeflijntype antenne TacSatCom met rotator

 

Schroefantenne TACSATCOM op stabilisatieplatform
Schroeflijntype antenne TacSatCom met rotator aan boord van de Hr.MS. Evertsen

In 1971 werd de PAP22 geplaatst aan boord van Hr.Ms. Evertsen (F815). De bijbehorende schroeflijntype antenne werd door middel van een rotator op de satelliet gericht gehouden ongeacht de koers van het schip. Het grondstation werd in Noordwijk gestationeerd. De verbinding vanaf het schip met Noordwijk en andere stations beviel zo goed, dat ze tot 1975, het jaar waarin de satelliet LES-6 buiten bedrijf werd gesteld, bij de Koninklijke Marine achtereenvolgens op verschillende schepen in gebruik bleef.

Het Nationaal Lucht· en Ruimtevaartlaboratorium (NLR) maakte in 1971 in het kader van het TacSatCom project een elektronisch richtbare vliegtuigantenne die op een Fokker F27 ‘troopship’ beproefd werd. Daarbij verleende het Laboratorium medewerking. Het project werd officieel in 1975 beëindigd na een uitvoerige rapportage van de verkregen resultaten aan de NAVO. Ondanks de aantrekkelijke mogelijkheden die een satelliet in de UHF band voor kleine stations bleek te bieden, was SatCom in 1977 hier en elders (nog) niet tot operationele toepassingen gekomen. Een van de redenen is het geringe aantal kanalen dat in de UHF band ter beschikking staat.

Fokker F27 Troopship met TacSatCom
Fokker F27 Troopship uitgerust met experimentele TacSatCom

 

TacSatCom apparatuur in de F27
TacSatCom apparatuur in de F27

 

 

Referenties en literatuur
  • S. Gratama (1957), Troposferische voortplanting van VHF- en UHF-radiogolven ver voorbij de horizon en enkele praktische toepassingen, NRG, mei 1958, no 3, p117-185. <pdf>
  • Physisch Laboratorium 1927 – 1977 <pdf>
  • Leang Yeh, “New concepts in the statistical study of tropospheric scatter propagation data,” WESCON/58 Conference Record, 1958, pp. 104-122, doi: 10.1109/WESCON.1958.1150196
  • Leang Yeh, “Simple Methods for Designing Troposcatter Circuits,” in IRE Transactions on Communications Systems, vol. 8, no. 3, pp. 193-198, September 1960, doi: 10.1109/TCOM.1960.1097619.
  • H. Carl, Ergebnisse und Bewertung von Messungen der troposphärischen Überhorizotausbreitung auf mehreren verschiedenartigen Strecken in Mittel- und Südosteneuropa, NTZ, 1960, 566-570.
  • H. H. Davids, “Thin route tropo: A new approach to long range communications,” in IRE Transactions on Vehicular Communications, vol. VC-10, no. 2, pp. 28-35, Aug. 1961, doi: 10.1109/IRETVC1.1961.207466.
  • H. Dougherty, “A Nomograph for Predicting the Performance of Tropospheric Scatter Communication Circuits,” in IEEE Transactions on Communications Systems, vol. 11, no. 1, pp. 138-142, March 1963, doi: 10.1109/TCOM.1963.1088720.