Связь с подводными лодками — это область военных коммуникаций , которая представляет собой технические проблемы и требует специализированных технологий. Поскольку радиоволны плохо распространяются через хорошие электрические проводники, такие как соленая вода , погруженные подводные лодки отрезаны от радиосвязи со своими командными органами на обычных радиочастотах. Подводные лодки могут всплывать и поднимать антенну над уровнем моря или плавать на привязном буе с антенной, а затем использовать обычные радиопередачи; однако это делает их уязвимыми для обнаружения противолодочными силами.
Ранние подводные лодки во время Второй мировой войны в основном перемещались на поверхности из-за их ограниченной подводной скорости и выносливости, и ныряли в основном для того, чтобы избежать непосредственных угроз или для скрытного приближения к своим целям. Однако во время холодной войны были разработаны атомные подводные лодки , которые могли оставаться под водой в течение месяцев.
В случае ядерной войны подводные лодки с баллистическими ракетами должны быть быстро отданы приказы на запуск своих ракет. Передача сообщений на эти подводные лодки является активной областью исследований. Очень низкочастотные (ОНЧ) радиоволны могут проникать в морскую воду на глубину чуть более ста футов (30 метров), и многие флоты используют мощные береговые ОНЧ-передатчики для подводной связи. Несколько стран построили передатчики, которые используют крайне низкочастотные (ЭНЧ) радиоволны, которые могут проникать в морскую воду, чтобы достичь подводных лодок на рабочих глубинах, но для этого требуются огромные антенны. Другие используемые методы включают гидролокаторы и синие лазеры . [1]
Звук распространяется в воде на большие расстояния, а подводные громкоговорители и гидрофоны могут покрыть довольно большой промежуток. По-видимому, и американский ( SOSUS ), и российский флот разместили звуковое коммуникационное оборудование на морском дне в районах, часто посещаемых их подводными лодками, и соединили его подводными кабелями связи со своими наземными станциями. Если подводная лодка прячется около такого устройства, она может оставаться на связи со своим штабом. Подводный телефон, иногда называемый Гертрудой, также используется для связи с подводными лодками.
Радиоволны ОНЧ (3–30 кГц ) могут проникать в морскую воду на несколько десятков метров, и подводная лодка на небольшой глубине может использовать их для связи. Более глубокое судно может использовать буй, оснащенный антенной на длинном кабеле. Буй поднимается на несколько метров ниже поверхности и может быть достаточно маленьким, чтобы оставаться незамеченным вражеским сонаром и радаром. Однако эти требования к глубине ограничивают подводные лодки короткими периодами приема, и технология противолодочной войны может быть способна обнаружить подводную лодку или антенный буй на этих небольших глубинах.
Естественный фоновый шум увеличивается с уменьшением частоты, поэтому для его преодоления требуется большая излучаемая мощность. Хуже того, небольшие антенны (по отношению к длине волны) по своей сути неэффективны. Это подразумевает высокую мощность передатчика и очень большие антенны, покрывающие квадратные километры. Это не позволяет подводным лодкам передавать VLF, но для приема будет достаточно относительно простой антенны (обычно длинного волочащегося провода). Следовательно, VLF всегда односторонний, с суши на лодку. Если необходима двусторонняя связь, лодка должна подняться ближе к поверхности и поднять антенную мачту для связи на более высоких частотах, обычно HF и выше.
Из-за узких доступных полос пропускания передача голоса невозможна; поддерживаются только медленные данные. Скорость передачи данных VLF составляет около 300 бит/сек, поэтому сжатие данных имеет важное значение.
Лишь несколько стран используют средства ОНЧ-связи для связи со своими подводными лодками: Норвегия, Франция, США , Россия, Великобритания, Германия , Австралия , Пакистан и Индия .
Электромагнитные волны в диапазонах частот ELF и SLF (3–300 Гц ) могут проникать в морскую воду на глубину сотен метров, позволяя посылать сигналы на подводные лодки на их рабочих глубинах. Создание передатчика ELF является сложной задачей, поскольку они должны работать на невероятно длинных волнах : система Project ELF ВМС США , которая была вариантом более крупной системы, предложенной под кодовым названием Project Sanguine , [2] работала на частоте 76 герц , [3] а советская/российская система (называемая ZEVS ) на частоте 82 герца. [4] Последняя соответствует длине волны 3656,0 километров. Это более четверти диаметра Земли. Обычная полуволновая дипольная антенна не может быть построена, так как для этого потребовалась бы антенна длиной 1800 км (1100 миль).
Вместо этого, тот, кто хочет построить такой объект, должен найти область с очень низкой проводимостью почвы (требование, противоположное обычным местам размещения радиопередатчиков), закопать два огромных электрода в землю в разных местах, а затем подвести к ним линии от станции посередине в виде проводов на столбах. Хотя возможны и другие варианты разделения, расстояние, используемое передатчиком ZEVS, расположенным недалеко от Мурманска , составляет 60 километров (37 миль). Поскольку проводимость почвы плохая, ток между электродами будет проникать глубоко в Землю, по сути, используя большую часть земного шара в качестве антенны. Длина антенны в Республике, штат Мичиган, составляла приблизительно 52 километра (32 мили). Антенна очень неэффективна. Для ее работы, по-видимому, требуется специальная электростанция, хотя мощность, излучаемая в виде излучения, составляет всего несколько ватт . Ее передачу можно принимать практически где угодно. Станция в Антарктиде в 78° ю. ш. 167° з. д. обнаружила передачу, когда советский флот ввел в эксплуатацию свою антенну ZEVS. [4]
Из-за технических сложностей создания передатчика ELF, США , [3] Китай , [5] Россия , [4] и Индия [6] [7] являются единственными странами, которые, как известно, построили средства связи ELF:
Кодирование, используемое для передач ELF армии США, использовало код исправления ошибок Рида-Соломона с использованием 64 символов, каждый из которых был представлен очень длинной псевдослучайной последовательностью . Затем вся передача была зашифрована . Преимущества такого метода заключаются в том, что путем корреляции нескольких передач сообщение может быть завершено даже при очень низком отношении сигнал/шум , и поскольку только очень немногие псевдослучайные последовательности представляли фактические символы сообщения, была очень высокая вероятность того, что если сообщение было успешно получено, оно было действительным сообщением ( антиспуфинг ).
Связь односторонняя. Ни одна подводная лодка не могла иметь на борту свой собственный передатчик ELF из-за огромных размеров такого устройства. Попытки разработать передатчик, который можно было бы погружать в море или перевозить на самолете, вскоре были прекращены.
Из-за ограниченной пропускной способности информация может передаваться только очень медленно, порядка нескольких символов в минуту (см. теорему кодирования Шеннона ). Таким образом, он использовался только ВМС США для передачи инструкций по установлению другой формы связи [9] , и разумно предположить [ почему? ] , что фактические сообщения в основном представляли собой общие инструкции или запросы по установлению другой формы двусторонней связи с соответствующим органом. [ требуется ссылка ]
Подводная лодка, находящаяся на поверхности, или подводная лодка, плавающая с привязанным антенным буем на поверхности, может использовать обычную радиосвязь. С поверхности подводные лодки могут использовать военно-морские частоты в диапазонах HF , VHF и UHF и передавать информацию как с помощью голосовой, так и телетайпной модуляции. Там, где это возможно, для дальней связи предпочтительны специальные военные спутниковые системы связи, использующие частоты прямой видимости , поскольку HF с большей вероятностью выдаст местоположение подводной лодки. Система ВМС США называется Submarine Satellite Information Exchange Sub-System (SSIXS), компонент Navy Ultra High Frequency Satellite Communications System (UHF SATCOM).
Недавняя технология, разработанная группой в Массачусетском технологическом институте, объединяет акустические сигналы и радар, чтобы позволить подводным лодкам общаться с самолетами. [10] Подводный передатчик использует акустический динамик, направленный вверх к поверхности. Передатчик посылает многоканальные звуковые сигналы, которые распространяются как волны давления. Когда эти волны достигают поверхности, они вызывают крошечные вибрации. Над водой радар в диапазоне 300 ГГц непрерывно отражает радиосигнал от поверхности воды. Когда поверхность слегка вибрирует из-за звукового сигнала, радар может обнаружить вибрации, завершая путь сигнала от подводного динамика до приемника в воздухе. [11] Технология называется TARF (Translational Acoustic-RF) связью, поскольку она использует перевод между акустическими и радиочастотными сигналами. Хотя эта технология многообещающая, она все еще находится в зачаточном состоянии и была успешно испытана только в относительно контролируемых средах с небольшой, примерно до 200 мм, поверхностной рябью, в то время как более крупные волны препятствовали успешной передаче данных.
В апреле 2017 года Центр морских исследований и экспериментов НАТО объявил [12] об одобрении JANUS, стандартизированного протокола для передачи цифровой информации под водой с использованием акустического звука (как это делали модемы с акустическими соединителями для использования аналоговых телефонных линий). [13] Документированный в STANAG 4748, он использует частоты от 900 Гц до 60 кГц на расстоянии до 28 километров (17 миль). [14] [15] Он доступен для использования с военными и гражданскими устройствами, устройствами НАТО и не входящими в НАТО; он был назван в честь римского бога ворот, отверстий и т. д.
В 2009 году в военном отчете США говорилось, что «практические лазерные системы для больших глубин были недоступны, поскольку не существовало лазеров, работающих на нужном цвете с достаточной энергетической эффективностью для использования в спутниках. DARPA стремится к синему лазеру, достаточно эффективному, чтобы сделать лазерную связь подводных лодок на глубине и скорости реальностью в ближайшем будущем. Недавно продемонстрированный лазер будет сочетаться со специальным оптическим фильтром, чтобы сформировать ядро системы связи с отношением сигнал/шум в тысячи раз лучшим, чем у других предлагаемых лазерных систем. Если DARPA сможет продемонстрировать такую систему в реальных условиях, это кардинально изменит то, как подводные лодки могут общаться и работать, тем самым значительно повысив эффективность миссии, например, в борьбе с подводными лодками». [1]