SCHEVENINGS LEESGEZELSCHAP VRIENDSCHAP EN OEFENING

LEZING DECEMBER 2003

Hubert

Satellieten, en wat er mee te doen

Theorie

Onder satelliet wordt alles begrepen wat in een baan rond een planeet draait.

Als je iets omhoog gooit of schiet, komt het in een hyperbolische boog weer terug op aarde. Als het hoogste punt van de boog zó hoog ligt dat bij het terugkeren de aarde helemaal gemist wordt, kan een object terecht komen in een baan óm de aarde. Dit gebeurt als een object met een snelheid van minstens 11 kM per seconde de Aarde verlaat, onder een goede hoek. Die baan kan heel langgerekt elliptisch zijn, maar kan ook cirkelvormig gemaakt worden.

Theoretisch is ook een kanon geschikt om iets in een baan om de Aarde te brengen, maar de benodigde snelheid wordt eigenlijk alleen met een raket bereikt.

Kunstmatige satellieten, kunstmanen, hebben besturing aan boord die de vorm van de baan kunnen beïnvloeden. Vaak wordt met de vorm ook de hoogte van de baan beïnvloed: Wil men een hogere satellietbaan, dan moet men de omwentelingssnelheid verminderen.

Een lagere baan brengt een hogere snelheid met zich mee t.o.v. het aardoppervlak. Sommige kunstmanen zijn in sommige omstandigheden met het blote oog waarneembaar, meestal kort na zonsondergang, als u al in het duister staat maar de satelliet nog helder beschenen wordt door de zon. Naarmate de satelliet hoger staat, heeft hij een geringere snelheid ten opzichte van de aarde. De maan staat bijvoorbeeld zó ver van ons af dat die als het ware de andere kant opgaat.

Een satelliet kan alle denkbare banen om de aarde hebben als het maar is in een vlak dat loopt door het middelpunt der aarde.

Geosynchroon

Er is een buitengewoon belangrijk gebied waar de satelliet in een baan om de aarde staat waarbij het lijkt alsof hij stilstaat – tenminste als de baan loopt vlak door de evenaar.

De betekenis hiervan is voor het eerst onderkend tijdens de Tweede Wereldoorlog, door Arthur C. Clarcke, die toen in Engeland werkte aan het nog experimentele radarnetwerk voor de Engelse luchtverdediging. Het lukte ze op den duur reflexies te zien van aankomende vliegtuigen, maar ze hadden regelmatig valsmeldingen waar ze geen raad mee wisten. Totdat iemand naar buiten keek, zag waarheen de radarschotel gericht was en constateerde dat de maan ook in die richting te zien was. Zelfs die primitieve radar keek niet alleen naar vliegtuigen op enkele tientallen kilometers maar ook naar de maan op honderdduizenden kilometers. Dat zette Clarcke aan het denken over objecten in de ruimte. Hij bedacht de geosynchrone satellietbaan en heeft zijn hele leven betreurd dat hij er geen patent op heeft genomen! Als beginnend science-fiction auteur beschreef hij als eerste wat er met die baan gedaan kon worden. (Later is hij toch aan zijn boeken en films als 2001-een-ruimte-odyssee heel rijk geworden.)

De geosynchrone baan loopt in een vlak door het middelpunt van de aarde en de evenaar. Een satelliet die daar op een hoogte staat van 42.155 kM, dus 35.785 kM boven de zeespiegel, loopt niet voor en niet achter op de aarde: zijn snelheid is juist zó dat hij de draaiing van de aarde precies bijhoudt. Dat betekent dat hij t.o.v. een punt op aarde altijd precies in de zelfde richting staat.

En dat is voor communicatiedoeleinden fantastisch nuttig.

Men spreekt van een geosynchrone baan en van een geostationaire kunstmaan.

Ik kom nader terug op dit gebruik van de satellieten.

Dichter bij de aarde

Satellieten die dichter bij de aarde staat, kunnen dus nooit “stilstaan”. Voor observatiedoeleinden is dit meestal ideaal. Wil je heel de wereld regelmatig onder de satelliet krijgen, dan is een baan over beiden polen aangewezen. Wil je de bewoonde wereld, dan neem je een wat schuinstaande baan. De minimumhoogte voor een satelliet wordt bepaald door de atmosfeer: komt de satelliet te laag, dan verbrand hij in de hoge atmosfeer of wordt zo afgeremd dat hij neerstort. Af en toe hoor je van zoiets.

Er zijn erg veel kunstmanen in lage banen gebracht. Zoveel dat er wel eens zorgen worden geuit over de vuilnisbelt die langzamerhand aan het ontstaan is in de ruimte.

Verder weg

Er is eigenlijk weinig emplooi voor satellieten die erg ver weg staan van de aarde. Technisch is een stabiele baan mogelijk die een 8-vorm heeft, rondom Aarde en Maan. Ook zijn er evenwichtspunten in de ruimte waar een object eeuwig kan blijven in het zwaartekrachtsveld tussen Aarde en Maan. In een hoogontwikkelde technologische samenleving kan op zulke plaatsen een hele grote ruimtekolonie worden gebouwd, bijvoorbeeld voor industriële activiteiten onder gewichtsloze omstandigheden. Voorshands blijft dit nog speculatie en science fiction.

Ruimtelift

Erg speculatief is het volgende. We hebben gezien dat een satelliet in een geosynchrone baan gebracht kan worden. Heel strikt genomen gaat dit mathematisch op voor een punt en niet voor een object met fysieke afmetingen. Maar in de praktijk is voldoende dat het fysieke middelpunt van de kunstmaan in de geosynchrone baan moet hangen.

Stelt u zich nu een satelliet voor met een heel langwerpige vorm: als die vorm, bijvoorbeeld het Empire State Building, precies naar de aarde gericht staat, is de baan stabiel als zich evenveel massa boven als beneden de synchrone baan bevindt. En stel eens voor dat die satelliet bestaat uit een leefruimte met naar twee zijden een hele lange kabel, dan kan de leefruimte in de synchrone baan verblijven terwijl de kabels precies van en naar de aarde wijzen. Hoe lang kan die kabel zijn? In principe (afgezien van het dragende vermogen van de kabel!) zo lang als je wilt, dus bijvoorbeeld ook 35.785 kilometer de twee kanten op. De leefruimte van de satelliet is dan met het aardoppervlak verbonden en kan met een lift bereikt worden! Ook deze gedachte is uitgewerkt door Clarke, mar helaas heeft hij geen kabel kunnen ontwikkelen die het gewicht van die lengte kan dragen. Er moet nu eenmaal iets overblijven om naar te streven.

Gebruik voor observatie: militair, gps, landbouw, klimaat, landmeetkundig

De kunstmanen in de lage banen worden voor allerlei doelen gebruikt. Heel bekend zijn de militaire waarnemings- en spionagesatellieten. Ze zijn niet alleen bestemd voor visuele waarneming (beelden, explosies) maar ook voor het opvangen van elektronisch berichtenverkeer als GSM’s en radiocommunicatie tussen militaire objecten. De nauwkeurigheid en helderheid heb ik kunnen zien in de tijd dat ik bij de Kamer Defensie deed en dat mij in de VS ruimtefoto’s zijn getoond waarop ik heb kunnen zien dat mensen een bepaald uniform droegen (in een land waar dat uniform niets te zoeken had). Sindsdien zal de kwaliteit alleen maar verbeterd zijn. Overigens: het lezen van nummerborden blijft fictie omdat nummerborden verticaal plegen te hangen en van bovenaf niet te lezen zijn. Maar ik raad af ongekleed op het strand te gaan liggen als u uw privacy waardeert! Uw blindedarm-operatie is zichtbaar.

Oorspronkelijk ook militair is het Global Positioning System GPS voor verfijnde plaatsbepaling op aarde. Met een dertigtal laaghangende satellieten, waarvan er altijd 4 of 5 boven de horizon moeten zijn, kan je de plaats van een ontvanger tot op enkele centimeters nauwkeurig vaststellen. Ik heb er eentje op mij terras gehad die een plaatsverandering van één trottoirtegel registreerde en die de hoogte van mijn tafel tot de grond kon bepalen. Omdat dit een Amerikaans militair systeem is waarvan de nauwkeurigheid veranderd kan worden naar believen en omdat het civiele gebruik dat niet kan hebben, is de EU nu bezig een eigen parallelsysteem in de lucht te brengen. De samenleving is te zeer afhankelijk geworden van GPS om dat aan de VS-krijgsmacht toe te vertrouwen.

De voor het dagelijks gebruik meest bekende toepassing is KARIN o.i.d., de elektronische sprekende routekaart in de auto. Via een landelijke of zelfs Europese wegenkaart wordt met GPS bepaald waar uw auto is op die kaart en hoe u verder moet rijden. Tot en met mededelingen als “u moet nu links voorsorteren” of “u bent verkeerd gereden en moet omkeren zodra dat kan” en “bestemming bereikt”.

Er zijn voorts gespecialiseerde waarnemingssatellieten voor agrarische en visserij-doeleinden, voor landmeetkundige doelen, voor bijvoorbeeld klimaatonderzoek etc. Kennelijk zijn de hoge kosten geen belemmering.

Energievoorziening van kunstmanen

Wat ze ook doen, kunstmanen hebben altijd energie nodig. Hoe energiezuinig ook, kunstmanen draaien op elektriciteit. Die kan opgewekt worden met kleine atoomcentrales: radioactieve stoffen geven bij het uiteenvallen warmte af en die warmte kan omgezet worden in elektrische stroom. Voor afscherming hoeft in de ruimte niet gezorgd te worden. Alleen als ze neerstorten zijn deze centrales gevaarlijk. Tot op heden zijn er geen ongelukken me gebeurd, doordat ze verbrand en verstrooid zijn in de hoge atmosfeer bij terugkeer op aarde of doordat ze toch nog zo gestuurd konden worden dat het neerstorten gebeurde boven de oceanen. In principe is dit toch een heel vieze manier van energievoorziening, die vooral voorkomt bij militair spul.

Véruit de meeste kunstmanen zijn voorzien van soms enorme zonnepanelen. Deze vorm van energieopwekking is in beginsel duurzaam en oneindig, zolang de panelen niet degenereren.

De tweede vorm van energie die de meeste kunstmanen aan boord hebben is wat raketbrandstof, niet voor de voortstuwingsraketten, maar voor kleine correcties: zonnepanelen gericht houden op de zon en goed op hoogte blijven in de geostationaire baan omdat anders de plaats gaat verlopen. De brandstof is op een gegeven moment op, en dat is dan het einde van de effectieve bruikbaarheid (tenzij je kunt bijtanken met de Spaceshuttle).

Militaire satellieten zijn soms heel bestuurbaar en kunnen in tijd van nood heel laag gezet worden om nauwkeuriger te observeren of van baan veranderd worden om bepaalde gebieden extra in de gaten te houden. Dat vreet uiteraard energie/brandstof.

Gebruik voor communicatie, low orbit telephony, geostationair

Heel lage banen brengen de satelliet binnen bereik van niet eens zo krachtige zenders als bijvoorbeeld een draagbare telefoon. Je hebt er dan wel een hoop van nodig als je een wereldomspannend netwerk van telefoonverbindingen wilt garanderen. Zulke systemen bestaan al en zijn een uitkomst in gebieden als woestijnen, oerwouden, op open zee en in door gevechten en opstanden geteisterde gebieden. Voor reizigers, journalisten en opstandelingenleiders, terroristen, vissers, zeezeilers en mensen met geld teveel een hele uitkomst.

Verre afstandscommunicatie kan via radio, maar is storingsgevoelig en kan beter via kabelverbindingen. Maar in toenemende mate geschiedt het via communicatiesatellieten in een geostationaire baan. Het enige onhandige voor telefonie is dan de meetbare vertraging door de af te leggen afstand. We zien allemaal op de TV wel eens zo’n interview waarbij het lang duurt voor het antwoord komt. En we hebben allemaal wel eens zo getelefoneerd. Voor computerverbindingen die vaak langdurig eenrichtingverkeer hebben, doet dit er niet toe.

Internet/computergebruik

Voor het gewone computergebruik is een satellietkanaal-verbinding meestal dodelijk: als ik vanuit een ver land inlog op mijn Nederlandse provider of als ik verbinding leg met het Kamernetwerk, dat zal ik merken dat de vertraging groter is dan de time-out van de computercommunicatie. De computer verbreekt dan de verbinding. Dat kan beter via lokaal internet, dat gelukkig de meeste hotel tegenwoordig wel verzorgen.

Internet over de satelliet werkt voor particulieren met twee verbindingen: je belt in bij het verzorgende bedrijf en dat verwerkt je signaal en stuurt het terugkerende via een grote schotel naar een kunstmaan die het vervolgens weer naar de aarde stuurt. Met een schotel kan je het dan weer opvangen en op je scherm krijgen. Het voordeel: meestal is het “verzoek” klein van omvang en de snelheid doet er niet toe; het terugkerende signaal is vaak zéér omvangrijk en het opvangen kost veel tijd en bandbreedte. Per satelliet gaat dit veel sneller en dus goedkoper. Voor particulieren is dit meestal toch te kostbaar.

Omroepsatellieten

Ik kom nu tot de hoofdmoot van deze lezing. Het meest praktische nut dat wij als gewone burger kunnen merken van het hele satellietgebeuren van de laatste twintig jaren, is op omroepgebied (naast de verkeersgeleiding in het autoverkeer). De omroepen brengen u de beelden van de hele wereld dank zij de omroepsatellieten. Nog herinner ik mij de wondere wereld van de eerste Telstar: een grote ballon in een baan om de Aarde, waar men TV-signalen tegen liet afketsen vanuit de VS, die dan konden worden opgevangen in Europa, gedurende het kwartier dat de kunstmaan zowel in de VS als in Europa boven de horizon stond. Tegenwoordig komt het meeste wereldnieuws voor u onmerkbaar over satellietverbindingen dagelijks tot u. Zelfs is het al zo dat bij een beetje debat in de Kamer het Binnenhof volstaat met vrachtautootjes met een uplink op het dak, voor de verbinding met Hilversum, Aalsmeer of waar dan ook.

Iedereen kan met simpele middelen de TV en radio-uitzendingen uit bijna de hele wereld in huis halen. Daar heeft men bepaald niet meer de kabel of de sprietantenne voor nodig!

Schotel, doorsnee, beweegbaar, belemmeringen

Footprints

Omroepsatellieten ontvangen het door te geven signaal vanaf de aarde via een zgn. uplink. Dat gaat met nauwkeurig gerichte parabolische schotelantennes die een vrij krachtig signaal precies naar de satelliet richten. Dat kan met een parabolische antenne op een auto en een zender op een krachtige accu, of met een parabolische antenne ergens in het veld (op een slagveld of bij een VN-hoofdkwartier dan wel het Yoegoslavië-tribunaal of een voetbalwedstrijd dan wel de Olympische Spelen) maar beter met de enorme omroepinstallaties die in Nederland in de Flevopolder of in Zoutkamp staan, met schotels tot 35 meter doorsnee.

De satelliet straalt dan via een transponder[1] het ontvangen signaal weer naar de aarde. En dat moet de burger dan vanaf 35.000 kM weer opvangen! Dat is een wel heel zwak geworden signaal! Essentieel daarom is dat de schotelantenne min of meer exact gericht staat op de satelliet. Dat is ook het belang van de vaste plaats in de geostationaire baan boven de evenaar.

Voor de zwakste satellietsignalen is een grote schotel nodig. Maar voor de normale ontvangst volstaat een schotel van minder dan een meter doorsnee. De parabolische schotel zorgt dat het invallende signaal wordt geconcentreerd op de boven de schotel gemonteerde kop (de zgn. LNB), waar het hoogfrequente signaal wordt teruggebracht naar een frequentie waar uw TV iets aan heeft. Ik laat dan details als polarisatie maar even weg. Waar het op neerkomt is dat een schotel van 60 á 80 cm voldoende is om de meeste omroepsignalen op te vangen.

De schotel moet worden uitgericht op de satelliet die u wilt ontvangen. De nauwkeurigheid van het uitrichten is geringer dan voor de uplink. Alle omroepsatellieten hangen dus in een baan om de aarde precies boven de evenaar, en zover weg dat het lijkt alsof ze oneindig ver weg staan. De richting van de schotel wordt dus bepaald door wáár boven de evenaar de satelliet hangt. De meestgebruikte Europese omroepsatelliet is de Astra, die op ruim 19 graden Oosterlengte hangt, dus boven Congo. Dat is niet pal naar het zuiden maar bij ons vandaan een 14 graden naar het Oosten. Als je in Griekenland bent wél pal naar het zuiden. De hoogte boven de horizon moet zijn 37 graden (maar in Griekenland 50 graad) en als je op de evenaar zit, pal omhoog. Die Astra bestaat overigens uit 8 satellieten in een box van 80x80x80 kM.

En er moet een onbelemmerd zicht zijn op de satelliet, dus, ruim genomen, naar het zuiden. De schotel kan dus niet aan de noordgevel zitten, en ook een boom verhindert de ontvangst. (Regen geeft een duidelijk minder ontvangst.) Hoogte boven de grond is niet van belang. Mijn schotel staat thuis op mijn achterterras en bij mijn caravan op een statiefje op de grond.

Bij mijn caravan heb ik een satellietschotel en twee decoders. Het uitrichten is zo kinderlijk eenvoudig dat ik er meestal geen vijf minuten over doe. Vaak mik ik in 1 keer raak. Het verzetten naar een andere satelliet doe ik met de hand. Ik overweeg de aanschaf van een bijzonder gevormde schotel, die twee of drie satellieten tegelijk kan ontvangen. Hoef ik niks meer te draaien!

Met een vaste schotelopstelling kan je dus één satelliet ontvangen. Nu is dat niet erg hinderlijk, want de gewone Astra geeft je honderden kanalen waaronder alle Nederlandse, de meeste Duitse, CNN etc. Met een beweegbare schotelopstelling (met elektromotor) kan je echter richten op andere satellieten, zoals Eutelsat/Hotbird op 13 Oost en de nieuwste Astra 1d op 29 Oost. Maar ook op de PanAmsat op 43 graden West waarmee Noord- en Midden-Amerikaanse zender zijn binnen te halen. De as waaromheen de schotel draait, moet zorgvuldig parallel aan de aardas opgesteld worden. Nieuwste ontwikkeling is dus een niet parabolische maar veel gecompliceerdere vorm van schotel die de beide Astra’s + de Hotbird in één keer ontvangt, mist je decoder dat aankan.

Via uitgekiende zendantennes op de satelliet is te bepalen waar de zender te ontvangen is. Een transponder is geen rondomzender maar werkt als een nauw zoeklicht. Dat scheelt aan zendenergie, van groot belang voor de industrie. De “footprint” van een transponder kan vooraf worden bepaald. De Astra is dus te ontvangen in West-Europa, van ongeveer midden Ierland tot Noord-Griekenland, maar niet goed daarbuiten, zoals Scandinavië en Noord-Afrika. De meeste Astra-transponders hebben en “Moskou-lob” en een “Canarische Eilanden-lob”. Wie met vakantie is in oostelijk of zuidelijk Griekenland of aan de Atlantische kust van Ierland, of in Scandinavië, Marokko of Turkije, is dus aangewezen op de Hotbird. En er zijn footprints voor bijvoorbeeld uitsluitend de landen direct rond de Middellandse zee, of het Midden-Oosten. De PanAmsat boven Brazilië bedient Noord- en Midden –Amerika, maar heeft gelukkig ook één transponder met West-Europa als footprint.

Voor een schotel + kop(LNB) tel je niet meer dan pakweg € 100 neer. Een beweegbare installatie vergt het dubbele.

Van hieruit zijn een stuk of tien omroepsatellieten te ontvangen. Naast de twee Astra´s en de Eutelsat/Hotbird voegen de anderen vrij weinig toe. De PanAmSat noemde ik reeds, en de rest is vooral van belang voor Skandinavië of voor zgn. Feeds, de incidenteel gebruikte doorgiftekanalen voor de omroepen onderling. Voor bepaalde bevolkingsgroepen zijn de Turksat en de Arabsat natuurlijk van bijzondere betekenis. Arabsat vereist echter minimaal een schotel van 4 meter doorsnede en een bijzonder decoder.

Analoog

De simpelste manier van ontvangst is met een analoge decoder. Die koop je voor rond de € 100. Richten is geen echte kunst: een klein kompasje helpt je met de oosterlengte. En de hoogte is daarna gemakkelijk te vinden: je richt ´m min of meer schuin omhoog en doet-ie-het, dan is het goed. Ik gebruik bij mijn caravan een analoge decoder voor het uitrichten van de schotelantenne. Nadat de schotel goed is gericht, schakel ik over naar de digitale decoder.

Analoog is aan het verdwijnen. Voornamelijk Duitse zenders en een paar zenders die de oude klanten nog willen bedienen, zoals CNN, + landen die zo primitief zijn dat ze de overstap naar digitale uitzending niet kunnen maken (vergelijk de landen die geen FM-uitzendingen kennen!).

Digitaal

Een redelijke digitale decoder koop je voor een paar honderd Euro. Een echt goede met veel mogelijkheden en een paar decodeerkaarten kost misschien Euro 400.

Het voordeel van digitale uitzendingen is dat via één satelliet-transponder minstens 8 digitale kanalen kunnen worden doorgegeven + een heel stel radio-uitzendingen. Analoog kan er maar één kanaal per transponder. Nadeel is dat snelle bewegingen (bv. voetbalwedstrijden) soms wat streperig overkomen en dat het uitrichten van de schotel veel nauwkeuriger moet geschieden. Voordeel is dat je in plaats van honderden kanalen er ineens duizenden kan krijgen.

De meeste kanalen zenden ook Teletekst mee. Nogal wat van de meer exotische landen hebben tot mijn genoegen niet alleen alles in de eigen taal , maar ook een internationale sectie.

Digitale TV geeft een veel mooier beeld dan wat je thuis via de kabel kan krijgen. Digitale radio-ontvangst is van CD-kwaliteit, dus beter dan de FM-ontvangst die je gewend bent.

Wat kan je hier krijgen?

Op de (digitale) satelliet zijn op Astra alle Nederlandse zenders, publiek + commercieel, verkrijgbaar en ook BVN, het samenwerkingskanaal met België dat ongecodeerd het nieuws doorgeeft.

Op Hotbird is wat Nederlandstalige uitzendingen alleen BVN te zien, op onmogelijke uren als tussen 2 en 4 uur ’s-nachts, naast een heel interessant boeket aan exotische zenders.

Thuis heb ik dankzij een beweegbare schotelantenne van 1 m. doorsnee en een gekraakte decoderingskaart letterlijk duizenden kanalen tot mijn beschikking. Ik denk dat er geen land is in Oost- en West-Europa (op Vlaanderen na!) waar ik niet minstens één station kan ontvangen. Van Engeland bijvoorbeeld kan ik niet alleen naar BBC 1 en 2 kijken, maar ook 3 en 4. Ook van alle landen rond de Middellandse zee, m.u.v. Israël, kan ik de uitzendingen volgen. Veel van die uitzendingen vinden natuurlijk plaats in talen die wij niet beheersen. Maar er worden ook veel films en nieuws ondertiteld uitgezonden in de originele taal, dus vaak in het Engels of Duits. En dan kan ik het begrijpen. Ook die Engelstalige Teletekst is heel leerzaam. Natuurlijk is het alleen curieus om te weten welke apotheek in Dubai weekenddienst heeft, maar het geeft je een heel verfrissende blik op de wereld om te lezen hoe bepaalde gebeurtenissen over komen in Dubai: opvallend vaak bepaald afwijkend van de berichtgeving in ons Westen.

Er zijn ook speciale uitzendingen vanuit Japan, China, Thailand, Pakistan en India maar ook Vietnam, gericht op Europa en de daar wonende landgenoten en belangstellenden, met vaak Engelse ondertiteling, of zelfs in het Engels. Zo heb ik naar de Japanse uitzending zitten kijken bij de bevrijding door het Chileense leger van de Japanse Ambassade in Chili destijds. Ik combineerde dat met de uitzending van CNN over die gebeurtenis.

Voor mijn vak is van belang dat veel Parlementen een eigen satellietkanaal hebben met uitgebreide uitleg op teletekst en met herhalingen (o.a. UK, Frankrijk, Duitsland, Luxemburg, Griekenland, Spanje en Italië).

Tenslotte de Amerikaanse zenders. Heel nuttig om het onverdunde patriottisme mee te maken dat in de VS gemeengoed is geworden. En interessant om uitzendingen te volgen uit Mexico of Nicaragua.

Tot zover de wondere wereld boven ons hoofd.

[1] TRANSmitter/resPONDER