COSPAS-SARSAT - satelity, LUT, MCC, obieg alarmu

COSPAS-SARSAT to międzynarodowy satelitarny system poszukiwania i ratownictwa. Odbiera sygnały alarmowe z radiopław, pomaga ustalić, gdzie się znajdują, i przekazuje alarm do służb, które prowadzą akcję ratowniczą. Na egzaminie SRC pytania z tego zakresu sprawdzają kilka konkretnych rzeczy: parametry satelitów biegunowych i geostacjonarnych, metodę wyznaczania pozycji, miejsce, w którym ta pozycja jest liczona, kolejność obiegu alarmu oraz czas, po jakim alarm dociera do ośrodka koordynacji ratownictwa. Ten materiał prowadzi przez wszystkie te elementy po kolei.

Po co system

Gdy na statku uruchamia się radiopława awaryjna, ktoś na lądzie musi się o tym dowiedzieć i wiedzieć, gdzie szukać. Tym właśnie zajmuje się COSPAS-SARSAT. Jest on jednym z elementów systemu GMDSS i składa się z trzech części:

• Radiopławy - urządzenia nadające sygnał alarmowy. Na statku jest to radiopława EPIRB.
• Segment kosmiczny - satelity, które odbierają sygnał radiopławy i przesyłają go dalej na Ziemię.
• Segment naziemny - stacje odbiorcze LUT (Local User Terminal) oraz ośrodki MCC (Mission Control Centre). Ich rolę opisujemy poniżej w tym materiale.

W segmencie kosmicznym pracują satelity na różnych orbitach. Na egzamin SRC najważniejsze są dwie grupy: satelity biegunowe (LEOSAR), krążące nisko nad Ziemią, oraz satelity geostacjonarne (GEOSAR), zawieszone wysoko nad równikiem. Istnieje też segment satelitów średniej orbity (MEOSAR), ale pytania omawiane w tym materiale dotyczą wyłącznie dwóch pierwszych grup.

Satelity biegunowe

Satelity LEOSAR poruszają się po niskich orbitach przebiegających nad biegunami. Dzięki temu, że Ziemia obraca się pod orbitą, satelita przy kolejnych okrążeniach przelatuje nad coraz to innymi rejonami i z czasem obejmuje całą kulę ziemską, łącznie z obszarami okołobiegunowymi.

Trzy liczby, które trzeba znać na egzamin:

Te wartości wynikają jedna z drugiej. Satelita leci nisko i bardzo szybko, z prędkością rzędu 7 km/s, dlatego okrąża Ziemię w niecałe dwie godziny. Z wysokości 850-1000 km widzi pod sobą obszar o średnicy mniej więcej 6000 km. Radiopława pozostaje w tym polu widzenia tylko przez kilkanaście minut, a potem satelita znika za horyzontem.

Jak odrzucić błędne odpowiedzi:

• Wysokość około 3000 km jest za duża. Żaden segment COSPAS-SARSAT nie pracuje na takiej wysokości. Satelity biegunowe są znacznie niżej, a geostacjonarne znacznie wyżej.
• Wysokość około 240 km jest za mała. Na tak niskiej orbicie satelita byłby silnie hamowany przez resztki atmosfery i widziałby zbyt mały obszar.
• Okres obiegu około 12 godzin pasuje do satelitów na średnich orbitach, takich jak satelity nawigacyjne GPS, a nie do niskich satelitów biegunowych.
• Okres obiegu około 24 godzin to cecha satelity geostacjonarnego, który obraca się razem z Ziemią. Satelita biegunowy krąży dużo szybciej.
• Widoczność przez około 3 minuty to za krótko. Satelita potrzebuje znacznie więcej czasu, żeby przelecieć nad obszarem o średnicy około 6000 km.
• Widoczność przez około 30 minut to za długo. Przy prędkości około 7 km/s satelita przecina swoje pole widzenia w kilkanaście minut, a nie w pół godziny.

Najważniejsza konsekwencja praktyczna: satelita biegunowy nie wisi nad radiopławą cały czas. Alarm zostanie odebrany dopiero wtedy, gdy któryś z satelitów przeleci nad miejscem wypadku. Szczegóły LEOSAR są omówione w sekcjach poniżej.

Satelity geostacjonarne

Satelity GEOSAR znajdują się na orbicie geostacjonarnej, około 36 000 km nad równikiem. Okrążają Ziemię raz na dobę, w tym samym tempie, w jakim Ziemia obraca się wokół własnej osi. Z punktu widzenia obserwatora na Ziemi stoją więc cały czas w tym samym miejscu na niebie.

W kluczu egzaminacyjnym segment geostacjonarny COSPAS-SARSAT liczy od 4 do 6 satelitów. Odpowiedzi „3 satelity” i „12-15 satelitów” są błędne. Trzy satelity to za mało, a kilkanaście satelitów w ogóle nie opisuje segmentu geostacjonarnego.

Satelita geostacjonarny ma dwie cechy, które warto zapamiętać razem:

• Zaleta: jeśli radiopława znajduje się w jego zasięgu, sygnał zostaje odebrany praktycznie od razu. Nie trzeba czekać, aż jakiś satelita nadleci.
• Ograniczenie: satelita geostacjonarny nie porusza się względem radiopławy, więc nie da się wykorzystać ruchu satelity do wyznaczenia pozycji (o tej metodzie mówi następna sekcja). Pozycję radiopławy można wtedy poznać tylko pod warunkiem, że radiopława sama przekazuje w swoim sygnale współrzędne z odbiornika nawigacyjnego. Poza tym satelity geostacjonarne nie obejmują rejonów okołobiegunowych, które pokrywają satelity biegunowe.

Szczegóły GEOSAR są omówione w sekcjach poniżej.

Efekt Dopplera

Pozycję radiopławy w segmencie satelitów biegunowych wyznacza się dzięki zjawisku Dopplera. Znamy je z codziennego życia: słychać je, gdy obok nas przejeżdża karetka na sygnale: gdy się zbliża, dźwięk wydaje się wyższy, a gdy się oddala, niższy.

W COSPAS-SARSAT działa to tak:

1. Radiopława nadaje sygnał na stałej częstotliwości 406 MHz.
2. Satelita biegunowy przelatuje nad nią z dużą prędkością. Gdy się zbliża, odbiera sygnał o nieco wyższej częstotliwości. Gdy się oddala, odbiera sygnał o nieco niższej częstotliwości.
3. W chwili największego zbliżenia przesunięcie częstotliwości spada do zera.
4. Z tego, jak częstotliwość zmienia się w trakcie całego przelotu, można obliczyć, gdzie leży nadajnik.

Właśnie dlatego tak ważna jest szybkość satelity biegunowego. Duża prędkość względem radiopławy daje wyraźne przesunięcie częstotliwości, które da się zmierzyć i przeliczyć na pozycję.

Na egzaminie jako błędne odpowiedzi pojawiają się dwa warianty pomiaru czasu przelotu sygnału: na odcinku radiopława-satelita oraz na całej trasie radiopława-satelita-LUT. Żaden z nich nie jest metodą lokalizacji w COSPAS-SARSAT. To, że sygnał rzeczywiście biegnie od radiopławy przez satelitę do stacji LUT, nie oznacza, że mierzy się czas tej drogi. System analizuje zmianę częstotliwości, a nie czas.

Rola LUT

LUT (Local User Terminal) to naziemna stacja odbiorcza COSPAS-SARSAT. Aby zrozumieć jej rolę, trzeba najpierw zobaczyć, co robi sam satelita.

Satelita biegunowy jest przekaźnikiem. Po odebraniu sygnału radiopławy 406 MHz retransmituje go w dół, do stacji LUT. Nie wylicza pozycji na pokładzie i nie przesyła gotowego wyniku. Nie przekazuje też sygnału do satelity geostacjonarnego, bo satelity biegunowe i geostacjonarne działają obok siebie jako niezależne segmenty i nie łączą się ze sobą bezpośrednio.

Obliczenia wykonuje dopiero LUT. To w tej stacji analizuje się zmiany częstotliwości odebranego sygnału i wyznacza pozycję radiopławy metodą dopplerowską. Następnie LUT przekazuje dane dalej, do ośrodka MCC.

Stąd prosta odpowiedź na pytanie, gdzie następuje określenie pozycji radiopławy: w LUT. Pozostałe odpowiedzi są błędne:

• Na pokładzie satelity biegunowego - satelita tylko przekazuje sygnał, niczego nie oblicza.
• W RCC - ośrodek koordynacji ratownictwa dostaje pozycję już wyliczoną. Jego zadaniem jest zorganizowanie akcji ratowniczej, a nie przetwarzanie sygnału z satelity.

Na egzaminie wszystkie odpowiedzi, w których satelita „określa pozycję i przekazuje ją” dalej (do LUT albo do RCC), odrzucasz z tego samego powodu: satelita pozycji nie określa.

Obieg alarmu

Po drodze od radiopławy do ratowników alarm przechodzi przez stałą sekwencję ogniw. W schemacie, o który pyta egzamin, wygląda ona tak:

radiopława -> satelita biegunowy -> LUT -> MCC -> RCC -> jednostki SAR

Każde ogniwo ma swoje zadanie:

• Radiopława nadaje sygnał alarmowy 406 MHz.
• Satelita biegunowy odbiera sygnał i retransmituje go do stacji naziemnej.
• LUT odbiera sygnał z satelity, dekoduje go i wyznacza pozycję radiopławy.
• MCC (Mission Control Centre) zbiera dane z LUT, sprawdza je i kieruje alarm do tego RCC, który odpowiada za rejon, w którym jest radiopława.
• RCC (Rescue Coordination Centre) koordynuje akcję ratowniczą. Kim są RCC i pozostałe ośrodki, wyjaśnia materiał RCC, RSC, OSC, CRS.
• Jednostki SAR wyruszają na miejsce. Przebieg samej akcji opisuje Akcja SAR.

Dlaczego MCC jest konieczne? Stacji LUT jest na świecie wiele, podobnie jak ośrodków RCC. Radiopława może się uruchomić w rejonie, za który odpowiada zupełnie inne państwo niż to, w którym stoi LUT. MCC pełni rolę węzła rozdzielczego: porządkuje napływające alarmy i przesyła je do właściwego terytorialnie RCC.

Dwie błędne wersje schematu, które pojawiają się na egzaminie:

• Schemat bez MCC (LUT przekazuje alarm prosto do RCC) - brakuje w nim obowiązkowego ogniwa. LUT nie wysyła alarmu bezpośrednio do RCC.
• Schemat z satelitą geostacjonarnym w miejscu satelity biegunowego - wygląda podobnie, ale nie jest schematem, który podaje klucz. Klasyczny opis obiegu alarmu dla SRC prowadzi przez satelitę biegunowego, bo to z jego przelotu LUT wylicza pozycję metodą Dopplera.

Najprościej zapamiętać tę kolejność tak: najpierw kosmos (satelita biegunowy), potem technika na lądzie (LUT liczy, MCC rozsyła), a na końcu ratownictwo (RCC koordynuje, jednostki SAR działają).

406 i 121,5

Radiopławy mogą pracować na dwóch częstotliwościach, ale w COSPAS-SARSAT mają one zupełnie inne role.

• 406 MHz to częstotliwość alarmowania satelitarnego. Tylko ten sygnał odbierają satelity systemu i tylko on wędruje dalej łańcuchem LUT -> MCC -> RCC.
• 121,5 MHz służy do naprowadzania końcowego (tzw. homing). Jednostki SAR wyposażone w radionamierniki wykorzystują ten sygnał, gdy są już w pobliżu miejsca wypadku i szukają samej radiopławy albo tratwy.

Od 1 lutego 2009 roku satelity COSPAS-SARSAT, zarówno biegunowe, jak i geostacjonarne, nie odbierają sygnału 121,5 MHz. Dlatego na pytanie, co robi satelita biegunowy po odebraniu sygnału 121,5 MHz, poprawna odpowiedź brzmi: satelita biegunowy tego sygnału w ogóle nie odbiera. Odpowiedzi, w których satelita określa pozycję na podstawie 121,5 MHz i przekazuje ją do LUT lub do RCC, są błędne podwójnie: satelita nie odbiera tej częstotliwości i nie liczy pozycji.

Warto zestawić to pytanie z pytaniem o sygnał 406 MHz, bo wyglądają bardzo podobnie:

Co dokładnie zawiera sygnał 406 MHz, jak identyfikuje radiopławę i z jaką dokładnością pozwala ją zlokalizować, omawia osobny materiał o sygnałach radiopław. Tutaj wystarczy zapamiętać, która częstotliwość idzie przez satelitę, a która służy ratownikom na miejscu.

Czas do RCC

Czas od uruchomienia radiopławy do powiadomienia RCC zależy od tego, który satelita odbierze sygnał.

• Jeśli radiopława znajduje się w zasięgu satelitów geostacjonarnych, alarm dociera do RCC w około 5 minut. Satelita geostacjonarny stale widzi ten obszar, więc nie ma czekania na przelot.
• Jeśli sygnał odbierze dopiero satelita biegunowy, opóźnienie może być znacznie dłuższe, nawet do około 45 minut. Trzeba bowiem poczekać, aż któryś z satelitów przeleci nad radiopławą.

Na egzaminie pojawiają się odpowiedzi uzależniające ten czas od pory doby, na przykład „około 15 minut w dzień” i „około 25 minut w nocy”. Obie są błędne. Satelity pracują tak samo w dzień i w nocy, a o czasie powiadomienia decyduje rodzaj satelity i jego położenie względem radiopławy, a nie to, czy jest jasno, czy ciemno. Poprawna odpowiedź to około 5 minut, jeżeli radiopława jest w zasięgu satelitów geostacjonarnych.

Obsługę samej radiopławy EPIRB na statku, jej uruchamianie i czas pracy na zasilaniu bateryjnym omawiają kolejne materiały z tej części kursu.

Co zapamiętać

• COSPAS-SARSAT odbiera alarmy z radiopław, pomaga je zlokalizować i przekazuje alarm do służb SAR. Segment naziemny to LUT i MCC.
• Satelity biegunowe (LEOSAR): wysokość 850-1000 km, okrążenie Ziemi w około 105 minut, radiopława jest w ich zasięgu przez około 12-16 minut jednego przelotu.
• Satelitów geostacjonarnych (GEOSAR) w kluczu egzaminacyjnym jest 4-6 - nie 3 i nie 12-15.
• Pozycję radiopławy wyznacza się dzięki zjawisku Dopplera - ze zmian częstotliwości sygnału podczas przelotu satelity, a nie z pomiaru czasu przelotu sygnału.
• Satelita biegunowy po odebraniu sygnału 406 MHz retransmituje go do LUT. Nie liczy pozycji i nie przesyła sygnału do satelity geostacjonarnego.
• Pozycja radiopławy jest określana w LUT - nie na satelicie i nie w RCC.
• Obieg alarmu: radiopława -> satelita biegunowy -> LUT -> MCC -> RCC -> jednostki SAR. MCC jest ogniwem obowiązkowym, bo kieruje alarm do właściwego RCC.
• Satelity nie odbierają 121,5 MHz. Ta częstotliwość służy jednostkom SAR do naprowadzania na miejscu. Alarmowanie satelitarne odbywa się na 406 MHz.
• W zasięgu satelitów geostacjonarnych RCC dostaje alarm po około 5 minutach. Pora dnia nie ma na to wpływu.