Связь с подводными лодками: технологии и вызовы

Введение

Подводные коммуникации

Связь с подводными лодками – это область военных коммуникаций, представляющая собой сложную техническую задачу и требующая специализированных технологий. Поскольку радиоволны плохо распространяются в хороших проводниках электричества, таких как соленая вода, погруженные подводные лодки оказываются вне зоны радиосвязи со своими командованием на обычных радиочастотах. Подводные лодки могут всплывать и поднимать антенну над уровнем моря или выпускать на поверхность буй с антенной, а затем использовать обычные радиопередачи; однако это делает их уязвимыми для обнаружения силами противолодочной обороны. Ранние подводные лодки во время Второй мировой войны в основном передвигались по поверхности из-за ограниченной подводной скорости и дальности плавания, погружаясь лишь для уклонения от непосредственной угрозы или для скрытного сближения с целью. Однако в период холодной войны были разработаны атомные подводные лодки, способные оставаться под водой в течение нескольких месяцев. В случае ядерной войны подводным лодкам с баллистическими ракетами необходимо оперативно получить приказ о запуске ракет. Передача сообщений этим подводным лодкам является активной областью исследований. Радиоволны очень низкой частоты (VLF) могут проникать в морскую воду на глубину чуть более тридцати метров (100 футов), и многие военно-морские флоты используют мощные береговые передатчики VLF для связи с подводными лодками. Несколько стран построили передатчики, использующие радиоволны сверхнизкой частоты (ELF), которые способны проникать в морскую воду и достигать подводных лодок на глубине их функционирования, однако для этого требуются огромные антенны. К другим применяемым методам относятся гидроакустика и синие лазеры. Система, работающая на частоте 76 герц, и советская/российская система (под названием ZEVS) – на 82 герц. Последняя соответствует длине волны в 3656,0 километров, что превышает четверть диаметра Земли. Очевидно, что обычную полуволновую дипольную антенну построить не представляется возможным, поскольку для этого потребовалась бы чрезвычайно длинная антенна. Вместо этого, тому, кто планирует строительство подобного объекта, необходимо найти участок с очень низкой проводимостью грунта (требование, противоположное условиям для обычных радиопередатчиков), закопать два огромных электрода в земле на разных площадках и подключить к ним линии от центральной станции в виде проводов на опорах. Хотя возможны и другие варианты расположения, расстояние между электродами передатчика ZEVS, расположенного вблизи Мурманска, составляет: Поскольку проводимость грунта низкая, ток между электродами будет проникать глубоко в земную кору, фактически используя большую часть земного шара в качестве антенны. Длина антенны в Республике, штат Мичиган, составляла приблизительно. Антенна крайне неэффективна. Для ее работы, по всей видимости, требуется выделенная электростанция, хотя мощность, излучаемая в виде радиоволн, составляет всего несколько ватт. Ее сигнал можно принимать практически в любой точке земного шара. Станция в Антарктиде, расположенная на 78° ю. ш. и 167° з. д., зафиксировала передачу сигнала, когда советский флот ввел в эксплуатацию антенну ZEVS. Китай, в свою очередь, недавно построил крупнейший в мире комплекс ELF – размером примерно с Нью-Йорк – для связи со своими подводными силами без необходимости их всплытия.

Communication with submarines is a field within military communications that presents technical challenges and requires specialized technology. Because radio waves do not travel well through good electrical conductors like salt water, submerged submarines are cut off from radio communication with their command authorities at ordinary radio frequencies. Submarines can surface and raise an antenna above the sea level, or float a tethered buoy carrying an antenna, then use ordinary radio transmissions; however, this makes them vulnerable to detection by anti submarine warfare forces. Early submarines during World War II mostly travelled on the surface because of their limited underwater speed and endurance, and dived mainly to evade immediate threats or for stealthy approach to their targets. During the Cold War, however, nuclear powered submarines were developed that could stay submerged for months. In the event of a nuclear war, submerged ballistic missile submarines have to be ordered quickly to launch their missiles. Transmitting messages to these submarines is an active area of research. Very low frequency (VLF) radio waves can penetrate seawater just over one hundred feet (30 metres), and many navies use powerful shore VLF transmitters for submarine communications. A few nations have built transmitters which use extremely low frequency (ELF) radio waves, which can penetrate seawater to reach submarines at operating depths, but these require huge antennas. Other techniques that have been used include sonar and blue lasers. operated at 76 hertz, and the Soviet/Russian system (called ZEVS) at 82 Hertz. The latter corresponds to a wavelength of 3,656.0 kilometres. That is more than a quarter of the Earth's diameter. Obviously, the usual half wavelength dipole antenna cannot be feasibly constructed, as that would require a long antenna. Instead, someone who wishes to construct such a facility has to find an area with very low ground conductivity (a requirement opposite to usual radio transmitter sites), bury two huge electrodes in the ground at different sites, and then feed lines to them from a station in the middle, in the form of wires on poles. Although other separations are possible, the distance used by the ZEVS transmitter located near Murmansk is As the ground conductivity is poor, the current between the electrodes will penetrate deep into the Earth, essentially using a large part of the globe as an antenna. The antenna length in Republic, Michigan, was approximately The antenna is very inefficient. To drive it, a dedicated power plant seems to be required, although the power emitted as radiation is only a few watts. Its transmission can be received virtually anywhere. A station in Antarctica at 78° S 167° W detected transmission when the Soviet Navy put their ZEVS antenna into operation. China on the other hand has recently constructed the world's largest ELF facility – roughly the size of New York City – in order to communicate with its submarine forces without them having to surface.

Трансмиссии ELF

Кодирование, используемое для военных передач ELF в США, применяло код коррекции ошибок Рида — Соломона с использованием 64 символов, каждый из которых был представлен очень длинной псевдослучайной последовательностью. Вся передача затем шифровалась. Преимуществами такой техники являются возможность восстановления сообщения путем корреляции нескольких передач даже при очень низком отношении сигнала к шуму, а также высокая вероятность того, что успешно принятое сообщение является подлинным (защита от спуфинга), поскольку лишь небольшое количество псевдослучайных последовательностей соответствовало реальным символам сообщения. Канал связи односторонний. Ни одна подводная лодка не могла иметь на борту собственный передатчик ELF из-за его огромных размеров. Попытки создать передатчик, который можно было бы погрузить в море или установить на самолет, были быстро прекращены. Ввиду ограниченной полосы пропускания информация передавалась очень медленно – всего несколько символов в минуту (см. теорему кодирования Шеннона). Таким образом, ВМС США использовали эту систему исключительно для передачи инструкций по установлению другого канала связи, и можно предположить, что сами сообщения в основном содержали общие указания или запросы на установление двусторонней связи с соответствующими органами.

Стандартная радиотехнология

Подводная лодка, находящаяся на поверхности, или подводная лодка, использующая на поверхности привязанный антенный буй, может использовать обычные средства радиосвязи. С поверхности подводные лодки могут использовать военно-морские частоты в диапазонах HF, VHF и UHF, передавая информацию как голосовым, так и телетайпным способом модуляции. Для дальней связи предпочтение отдается специализированным военным спутниковым системам связи, использующим частоты прямой видимости, поскольку использование HF с большей вероятностью раскроет местоположение подводной лодки. Система ВМС США называется Подсистема обмена спутниковой информацией для подводных лодок (SSIXS) и является компонентом системы спутниковой связи сверхвысокой частоты ВМС (UHF SATCOM).

Сочетание акустических и радиопередач

Недавняя технология, разработанная командой из MIT, объединяет акустические сигналы и радар, позволяя подводным лодкам осуществлять связь с самолетами. Подводный передатчик использует акустический излучатель, направленный вверх к поверхности. Передатчик посылает многоканальные звуковые сигналы, распространяющиеся в виде волн давления. Когда эти волны достигают поверхности, они вызывают незначительные вибрации. Над водой радар в диапазоне 300 ГГц непрерывно посылает радиосигнал, отражающийся от поверхности воды. Когда поверхность слегка вибрирует под воздействием звукового сигнала, радар способен обнаружить эти вибрации, завершая путь сигнала от подводного излучателя к воздушному приемнику. Эта технология получила название TARF (Translational Acoustic RF) – связь, основанная на преобразовании акустических и радиочастотных сигналов. Несмотря на многообещающие результаты, технология все еще находится на ранней стадии разработки и успешно протестирована лишь в относительно контролируемых условиях с небольшими, до примерно 200 мм, поверхностными волнами; более крупные волны препятствовали успешной передаче данных.

Подводные модемы

В апреле 2017 года Центр морских исследований и экспериментов НАТО объявил об одобрении JANUS – стандартизированного протокола для передачи цифровой информации под водой посредством акустического звука (подобно тому, как модемы с акустическими связями использовали аналоговые телефонные линии). Описанный в стандарте STANAG 4748, он использует частоты от 900 Гц до 60 кГц на расстояниях до 400 км. Протокол доступен для использования с военными и гражданскими устройствами, как стран НАТО, так и не входящих в Альянс; он получил название в честь римского бога ворот и переходов.

Синие лазеры

В 2009 году в военном отчете США говорилось, что "практические лазерные системы для больших глубин были недоступны, поскольку не существовало лазеров, работающих на нужной длине волны с достаточной энергоэффективностью для использования на спутниках. DARPA работает над созданием синего лазера, достаточно эффективного, чтобы сделать подводную лазерную связь на глубине и с высокой скоростью реальностью в ближайшем будущем. Недавно продемонстрированный лазер будет объединен со специальным оптическим фильтром для формирования ядра системы связи с отношением сигнал/шум, в тысячи раз превосходящим другие предлагаемые лазерные системы. Если DARPA сможет продемонстрировать такую систему в реалистичных условиях, это коренным образом изменит способы связи и функционирования подводных лодок, значительно повысив эффективность выполнения задач, например, в борьбе с подводными лодками."