Ett navigationssystem som fungerar lika bra över land som hav och som kommunicerar oberoende av basstationer och som dessutom kan användas av all världens flygplan och fartyg samtidigt - det låter för bra för att vara sant.


Det var exakt vad alla tyckte för nästan tjugo år sedan när Håkan Lans först presenterade sin uppfinning. Många var de som försökte bevisa att det inte kunde fungera.

Idag är navigationssystemet accepterat som överlägset och det är bara en tidsfråga innan det också blir en världsstandard.

Skepsisen i början berodde på att ingen förstod teorin. Men när Lans väl förklarade principerna framstod det hela som självklart.

Navigationssystemet består av fyra dimensioner. Positionering i höjd, longitud och latitud samt tid, det vill säga data från GPS-satelliter. Det räcker väl för individuell navigering men om man vill veta var andra flygplan eller fartyg befinner sig måste de kommunicera med varandra.

Kommunikationen kan ske med etablerad TDMA-teknik, samma som i GSM-systemet. Men då krävs basstationer på marken vilket gör det omöjligt att använda till havs.

Lösningen är i stället ett system där alla transpondrar har samma prioritet. Då blir kommunikationsordningen självstyrande och sker automatiskt.

Kapaciteten i kommunikationslänken måste också vara vara mycket hög - i det närmaste obegränsad - om alla farkoster ska kunna logga in på ett världsomspännande navigationssystem samtidigt.



Tre hörnstenar


Principen för lösningen kallas STDMA och bygger på tre hörnstenar. För det första används ett TDMA-gränssnitt i VHF som synkroniseras med atomklockan från GPS-satellitsystemet, UTC (Universal Time Corrected).

Den andra principen är en självstyrande omorganisering av tidsluckor med hjälp av slumpgeneratorer. Resultatet av den planerade omallokeringen skickas på länken, så att hänsyn kan tas till både intentioner och nuet.

Den tredje och sista hörnstenen - den som ingen räknade med när idéerna introducerades - är återanvändning av tidsluckor från användare som befinner sig på ett långt avstånd. När belastningen på länken ökar krymper celldiametern och då kan också det totala antalet användare öka.

Eftersom de svagaste signalerna är längst bort är det därför lätt att bestämma vilka tidsluckor som kan återanvändas. Det åstadkoms genom en diskretion av FM- signalen från alla transponders.

Eftersom det inte fanns ett kommunikationsgränsnitt med dessa kriterier var Håkan Lans tvungen att skapa en helt ny teori - STDMA, Self organizing Time Division Multiple Access. Han byggde en simulator som tog två år att programmera och utifrån simuleringar optimerades systemet.

Eftersom en del av systemet bygger på matematiska kaosteorier är det svårt att vetenskapligt analysera STDMA-teorin.

Det pågår för tillfället fyra doktorsavhandlingar i världen som berör delar av ämnet. Ingen forskare vågar ge sig på att bevisa hela teoremet. Det är alldeles för komplext. Däremot är det lätt att med hjälp av simuleringar konstatera att det fungerar.



Slumpgenerator


Utgångsläget för STDMA är en VHF-signal som delas upp i minutlånga intervall. Varje minut delas i sin tur upp i 2 250 tidsluckor. Varje tidslucka är 256 bitar lång och överföringshastigheten är 9 600 bit/s. Varje tidslucka representerar en användare eller transponder.

I varje tidslucka finns all data som krävs: identifiering, positionsinformation, användardatabas och algoritmen för allokering av tidsluckor.

Algoritmen bygger på slumpgeneratorprincipen. En transponder lyssnar under en minut för att få information av andra transpondrar. Informationen lagras i en användardatabas - en slags telefonbok - som alla transpondrar har tillgång till. Med ett tidsintervall på tre-tio sekunder skickar varje transponder iväg information om sin egen position, tillsammans med intentioner om att eventuellt byta tidslucka för framtida sändningar. Systemet håller på så sätt reda på var lediga tidsluckor finns eller kommer att finnas.

Var sjätte till åttonde minut byter alla transpondrar tidsluckor oberoende av position. För att undvika konflikter vid tidslucketilldelningen om slumpgeneratorn skulle råka välja samma tidslucka för två användare har varje transponder dessutom länkkoordineringsbitar.

Dessa används på så sätt att varje transponder har en slumpgenerator som drar en ledig tidslucka. När valet är gjort sänder transpondern iväg informationen fyra minuter innan bytet sker. Meddelandet som sedan sänds varje minut består av 2 bitar som markerar tid och 8 bitar som talar om hur tidsluckan förväntas flyttas.

Transpondern skickar till exempel ut meddelandet "om tre minuter flyttar jag informationen i denna tidslucka 56 tidsluckor framåt". Upp till 127 tidsluckor framåt och bakåt kan informationen flyttas. På det sättet elimineras möjligheten att flera användare kan bli tilldelade samma tidslucka genom att flera nya dragningar hinner göras innan det sker en tilldelning.



Luckorna återanvänds


För att klara kapacitetsproblematiken återanvänds tidsluckor från användare som befinner sig långt bort. Det åstadkoms genom att varje transponder kan mäta signalstyrkan från andra transpondrar genom FM-diskretion.

Celldiametern för kommunikationssystemet varierar beroende på trafiken. Ett flygplan med en STDM-transponder har en normal räckvidd på 500 km, ett fartyg klarar 100 km.

Under nästan tio års tid fick Håkan Lans höra av världens experter att systemet inte kunde fungera. Han väntade då med att registrera patenten, eftersom han först ville övertyga alla om att hans system var bäst, och han förstod att motståndet från etablerade flygövervakningsföretag skulle bli kraftigt.

Han antog att det skulle ta tio till femton år att övertyga folk, och eftersom ett patent slutar gälla efter tio år var risken stor att någon annan kunde tjäna pengar på hans arbete. Dokumenten låg därför inlåsta i bankfacket och Lans chansade att ingen skulle komma på hur hans STDMA-datalänk fungerade. Systemet sades ju vara teoretiskt omöjligt tills Håkan Lans själv avslöjade hemligheterna i Montreal 1991. Strax innan hade han naturligtvis registrerat patentet.

Numera har Håkan Lans släppt utvecklingen av systemet till företaget GP&C Sweden, som ägs av Saab och Celsius. Själv ägnar han sig åt helt andra projekt.

Thomas Hedlund

www.gpc.se

Se även intervjun med Håkan Lans på sista sidan i denna tidning.

Förkortningar

TDMA Time Division Multiple Access STDMA Self organizing Time Division Multiple Access UTC Universal Time Corrected (Atomklockan i GPS) GPS Global Positioning System (Satelliter för global positionsnavigering, amerikanskt) Transponder Radio sändar-mottagarenhet VHF Very High Frequency (Frekvens för radio trafik) Line-of-sight Horisontell räckvidd (gäller VHF) Kaosteori Matematisk modell för slumpmässiga skeenden VDL Mode 4 VHF digital link (standard för flyg) Universal AIS Automatic Identification System (maritim standard)