Komunikacja z okrętami podwodnymi - Communication with submarines

Komunikacja z okrętami podwodnymi to dziedzina komunikacji wojskowej, która stanowi wyzwanie techniczne i wymaga specjalistycznej technologii. Ponieważ fale radiowe nie przechodzą dobrze przez dobre przewodniki elektryczne, takie jak słona woda , zanurzone łodzie podwodne są odcięte od komunikacji radiowej z władzami dowodzenia na zwykłych częstotliwościach radiowych. Okręty podwodne mogą wynurzyć się i podnieść antenę nad poziom morza, a następnie wykorzystać zwykłe transmisje radiowe, co jednak czyni je podatnymi na wykrycie przez siły przeciw okrętom podwodnym . Wczesne okręty podwodne podczas II wojny światowej głównie podróżowały po powierzchni ze względu na ograniczoną prędkość i wytrzymałość podwodną; nurkowali głównie w celu uniknięcia bezpośrednich zagrożeń. Jednak podczas zimnej wojny opracowano okręty podwodne o napędzie atomowym , które mogły pozostawać w zanurzeniu przez wiele miesięcy. W przypadku wojny nuklearnej okręty podwodne z zatopionymi rakietami balistycznymi muszą zostać szybko wysłane do wystrzelenia pocisków. Przesyłanie wiadomości do tych okrętów podwodnych jest aktywnym obszarem badań. Fale radiowe o bardzo niskiej częstotliwości (VLF) mogą penetrować wodę morską na kilkaset stóp (10-40 metrów), a wiele marynarek wojennych używa potężnych nadajników VLF na lądzie do komunikacji podwodnej. Kilka krajów zbudowało nadajniki, które wykorzystują fale radiowe o ekstremalnie niskiej częstotliwości (ELF), które mogą penetrować wodę morską, aby dotrzeć do łodzi podwodnych na głębokościach operacyjnych, ale wymagają one ogromnych anten. Inne techniki, które zostały wykorzystane, to sonar i niebieskie lasery .

Transmisja akustyczna

Dźwięk rozchodzi się daleko w wodzie, a podwodne głośniki i hydrofony mogą pokryć sporą lukę. Najwyraźniej zarówno marynarka amerykańska ( SOSUS ), jak i rosyjska umieściły sprzęt łączności dźwiękowej na dnie morskim obszarów często pokonywanych przez ich okręty podwodne i połączyły go za pomocą podwodnych kabli komunikacyjnych ze swoimi stacjami naziemnymi. Jeśli łódź podwodna ukryje się w pobliżu takiego urządzenia, może pozostać w kontakcie ze swoją kwaterą główną. Telefon podwodny czasami nazywane Gertruda jest również używany do komunikowania się z podwodnych.

Bardzo niska częstotliwość

Fale radiowe VLF (3-30  kHz ) mogą penetrować wodę morską na kilkadziesiąt metrów, a łódź podwodna na małej głębokości może ich używać do komunikacji. Na głębszym statku można użyć boi wyposażonej w antenę na długim kablu. Boja wznosi się na kilka metrów pod powierzchnię i może być wystarczająco mała, aby pozostać niewykryta przez sonar i radar wroga . Jednak te wymagania dotyczące głębokości ograniczają okręty podwodne do krótkich okresów odbioru, a technologia zwalczania okrętów podwodnych może być w stanie wykryć boję podwodną lub antenę na tych płytkich głębokościach.

Naturalny szum tła zwiększa się wraz ze spadkiem częstotliwości, więc do jego przezwyciężenia potrzeba dużej mocy promieniowania. Co gorsza, małe anteny (w stosunku do długości fali) są z natury nieefektywne. Oznacza to duże moce nadajników i bardzo duże anteny pokrywające kilometry kwadratowe. Uniemożliwia to okrętom podwodnym nadawanie VLF, ale stosunkowo prosta antena (zwykle długi przewód wleczony) wystarczy do odbioru. Oznacza to, że VLF jest zawsze jednokierunkowy, z lądu do łodzi. Jeśli potrzebna jest komunikacja dwukierunkowa, łódź musi wznieść się bliżej powierzchni i podnieść maszt antenowy, aby komunikować się na wyższych częstotliwościach, zwykle HF i wyższych.

Ze względu na dostępne wąskie pasma transmisja głosu jest niemożliwa; obsługiwane są tylko wolne dane. Szybkość transmisji danych VLF wynosi około 300 bitów/s, więc kompresja danych jest niezbędna.

Tylko kilka krajów obsługuje urządzenia VLF do komunikacji z ich okrętami podwodnymi: Norwegia, Stany Zjednoczone , Rosja, Wielka Brytania, Niemcy , Australia , Pakistan i Indie .

Niezwykle niska częstotliwość

Widok z lotu ptaka na jezioro US Navy Clam Lake w stanie Wisconsin ELF z 1982 roku .

Fale elektromagnetyczne w zakresach częstotliwości ELF i SLF (3–300  Hz ) mogą penetrować wodę morską na głębokość setek metrów, umożliwiając wysyłanie sygnałów do okrętów podwodnych na ich głębokościach operacyjnych. Budowanie ELF nadajnik jest ogromnym wyzwaniem, ponieważ mają one do pracy przy bardzo długich fal : The US Navy „s Projekt ELF system, który był wariant większego systemu proponowanego pod kryptonimem Projekt Sanguine , uruchamiany przy 76  Hz , radzieckiego / System rosyjski (zwany ZEVS ) przy 82 Hz. Ta ostatnia odpowiada długości fali 3656,0 km. To więcej niż jedna czwarta średnicy Ziemi. Oczywiście, zwykła antena dipolowa o połowie długości fali nie może być wykonana.

Zamiast tego ktoś, kto chce zbudować taki obiekt, musi znaleźć obszar o bardzo niskiej przewodności gruntu (wymaganie odwrotne do zwykłych lokalizacji nadajników radiowych), zakopać w ziemi dwie ogromne elektrody w różnych miejscach, a następnie dostarczyć do nich linie z stacja w środku, w postaci drutów na słupach. Chociaż możliwe są inne separacje, odległość używana przez nadajnik ZEVS znajdujący się w pobliżu Murmańska wynosi 60 kilometrów (37 mil). Ponieważ przewodnictwo gruntu jest słabe, prąd między elektrodami wniknie głęboko w Ziemię, wykorzystując dużą część kuli ziemskiej jako antenę. Długość anteny w Republice w stanie Michigan wynosiła około 52 km (32 mil). Antena jest bardzo nieefektywna. Do jego napędzania potrzebna wydaje się dedykowana elektrownia, chociaż moc emitowana jako promieniowanie to zaledwie kilka watów . Jego transmisję można odbierać praktycznie wszędzie. Stacja na Antarktydzie na 78° S 167° W wykryła transmisję, gdy sowiecka marynarka wojenna uruchomiła swoją antenę ZEVS.

Ze względu na techniczną trudność budowy nadajnika ELF, Stany Zjednoczone , Chiny , Rosja i Indie są jedynymi znanymi krajami, które zbudowały urządzenia komunikacyjne ELF. Do czasu jego demontażu pod koniec września 2004 roku, American Seafarer , nazwany później systemem Project ELF (76 Hz), składał się z dwóch anten, znajdujących się w Clam Lake w stanie Wisconsin (od 1977 r.) oraz w Republice w stanie Michigan na Górnym Półwyspie ( od 1980). Rosyjska antena ( ZEVS , 82 Hz) jest zainstalowana na Półwyspie Kolskim koło Murmańska . Został zauważony przez Zachód na początku lat dziewięćdziesiątych. Indian Navy ma centrum komunikacyjnego VLF Operacyjną na INS Kattabomman bazy morskiej w celu komunikowania się z jego Arihant klasy i klasy Akula łodzi podwodnych. Od 2012 roku obiekt ten został zmodernizowany, aby również transmitować komunikację ELF. Z drugiej strony Chiny zbudowały niedawno największy na świecie obiekt ELF, mniej więcej wielkości Nowego Jorku, aby komunikować się z siłami podwodnymi bez konieczności wynurzania się na powierzchnię.

Transmisje ELF

Kodowanie stosowane w amerykańskich wojskowych transmisjach ELF wykorzystywało kod korekcji błędów Reeda-Solomona przy użyciu 64 symboli, z których każdy jest reprezentowany przez bardzo długą sekwencję pseudolosową . Cała transmisja została następnie zaszyfrowana . Zaletą takiej techniki jest to, że dzięki korelacji wielu transmisji, wiadomość może zostać ukończona nawet przy bardzo niskim stosunku sygnału do szumu , a ponieważ tylko kilka pseudolosowych sekwencji reprezentowało rzeczywiste znaki wiadomości, było bardzo duże prawdopodobieństwo że jeśli wiadomość została pomyślnie odebrana, była to poprawna wiadomość ( anti-spoofing ).

Łącze komunikacyjne jest jednokierunkowe. Żaden okręt podwodny nie mógłby mieć na pokładzie własnego nadajnika ELF, ze względu na rozmiary takiego urządzenia. Próby zaprojektowania nadajnika, który mógłby być zanurzony w morzu lub latać na pokładzie samolotu, szybko zostały porzucone.

Ze względu na ograniczoną przepustowość informacje mogą być przesyłane bardzo wolno, rzędu kilku znaków na minutę (patrz twierdzenie Shannona o kodowaniu ). Tak więc Marynarka Wojenna Stanów Zjednoczonych używała go tylko do wydawania instrukcji ustanowienia innej formy komunikacji i można racjonalnie założyć, że faktyczne wiadomości były w większości ogólnymi instrukcjami lub prośbami o ustanowienie innej formy dwukierunkowej komunikacji z odpowiednim organem.

Standardowa technologia radiowa

Okręt podwodny na powierzchni może korzystać ze zwykłej łączności radiowej. Okręty podwodne mogą wykorzystywać częstotliwości morskie w zakresach HF , VHF i UHF (tj. pasma) i przesyłać informacje za pomocą technik modulacji głosu i teledruku. Tam, gdzie są dostępne, do komunikacji na duże odległości preferowane są dedykowane wojskowe systemy łączności satelitarnej , ponieważ HF może zdradzić położenie okrętu podwodnego. System Marynarki Wojennej Stanów Zjednoczonych nosi nazwę Submarine Satellite Information Exchange Sub-System ( SSIXS ), jest to element systemu łączności satelitarnej Navy Ultra High Frequency (UHF SATCOM).

Łączenie transmisji akustycznych i radiowych

Najnowsza technologia opracowana przez zespół z MIT łączy sygnały akustyczne i radar, aby umożliwić zanurzonym okrętom podwodnym komunikację z samolotami. Podwodny nadajnik wykorzystuje głośnik akustyczny skierowany w górę na powierzchnię. Nadajnik wysyła wielokanałowe sygnały dźwiękowe, które rozchodzą się jako fale ciśnienia. Kiedy te fale uderzają w powierzchnię, powodują niewielkie wibracje. Nad wodą radar pracujący w paśmie 300 GHz stale odbija sygnał radiowy od powierzchni wody. Gdy powierzchnia lekko drga dzięki sygnałowi dźwiękowemu, radar może wykryć wibracje, kończąc drogę sygnału od podwodnego głośnika do odbiornika w powietrzu. Technologia ta nazywa się komunikacją TARF (Translational Acoustic-RF), ponieważ wykorzystuje translację między sygnałami akustycznymi i RF. Choć obiecująca, technologia ta jest wciąż w powijakach i została pomyślnie przetestowana jedynie w stosunkowo kontrolowanych środowiskach z niewielkimi, do około 200 mm, zmarszczkami powierzchni, podczas gdy większe fale uniemożliwiały pomyślną komunikację danych.

Modemy podwodne

W kwietniu 2017 r. Centrum Badań i Eksperymentów Morskich NATO ogłosiło zatwierdzenie JANUS, znormalizowanego protokołu do przesyłania informacji cyfrowych pod wodą za pomocą dźwięku akustycznego (tak jak robiły to modemy i faksy przez analogowe linie telefoniczne). Udokumentowany w STANAG 4748, wykorzystuje częstotliwości od 900 Hz do 60 kHz w odległości do 28 kilometrów (17 mil). Jest dostępny do użytku z urządzeniami wojskowymi i cywilnymi, NATO i spoza NATO; został nazwany na cześć rzymskiego boga bram, otworów itp.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki