Важность задач, решаемых подводными лодками, определяет требование к обеспечению их надводной связью. Основное направление работ – создание надежного, помехозащищенного оборудования, отвечающего современным условиям. Для обеспечения скрытности действий подводных лодок принимаются организационные и технические меры, включая маневр видами связи, энергетикой, временем, частотой и т.д. В направлении «берег – ПЛ» основным средством остается связь на сверхдлинных волнах (СДВ) в диапазоне 2-30 кГц. Сигналы на этих частотах способны проникать вглубь океана до 50 м.
Для приема сигналов в СДВ, ДВ и СВ диапазонах ПЛ используют различные типы антенн. Одна из них, шлейфная, или «плавающий кабель», – длинный проводник с положительной плавучестью, изолированный от морской среды. При движении на глубине этот кабель выпускается с подводной лодки и, всплывая к поверхности, принимает радиосигналы.
Такая антенна проста по устройству, однако может визуально обнаруживаться с самолетов или ИСЗ, а также гидроакустическими средствами наблюдения по шуму, который возникает при движении кабеля в воде. Серьезным недостатком «плавающего кабеля» отмечают и то обстоятельство, что использовать его можно лишь на малых ходах, в противном случае он будет притапливаться до глубин, где прием сигналов невозможен.
Подводная радиосвязь
Другой вид – «буксируемый буй» – представляет собой отсек обтекаемой формы, в нем смонтирована чувствительная антенна, связанная с буксирующей ее лодкой кабелем, по которому принятый сигнал поступает на вход приемника. Устройство автоматического контроля глубины удерживает заданное заглубление на различных скоростях хода. Однако при плавании на значительной глубине нужен кабель большой длины, и во избежание его разрыва, а также для снижения уровня акустических шумов скорость ограничивается.
Второй канал связи в направлении «берег – ПЛ» – сверхнизкочастотная связь (СНЧ), позволяющая разрешить ряд указанных выше ограничений.
Волны СНЧ диапазона способны проникать на большие глубины океана. С помощью буксируемой антенны ПЛ может принять СНЧ сигнал на глубине нескольких сотен метров и даже под полярными льдами со средней толщиной около 3 м. Не случайно СНЧ система связи считается на сегодняшний день, но оценке специалистов, единственным средством оповещения подводных лодок по тревоге и служит для указания о подвсплытии их для приема передач на СДВ или диапазонах КВ и УКВ. Она не зависит от воздействия ядерных взрывов на среду распространения радиоволн и от преднамеренных помех.
К ее недостаткам относят: низкую скорость передачи информации (всего 3 знака за 15 мин), большие размеры береговых антенных систем, энергоемких источников питания и их уязвимость от ядерных ударов противника. В целях повышения живучести СНЧ связи командованием ВМС США рассматривается возможность использования неуправляемых аэростатов в качестве ретрансляторов.
За рубежом полагают, что, несмотря на несомненные преимущества, СНЧ связь не обеспечивает высокой информационной скорости передачи и приема сообщений при соблюдении скрытности на рабочей глубине погружения.
Ведутся интенсивные работы в других нетрадиционных направлениях. В частности, изучаются перспективы оптической (лазерной) связи, принципиальным достоинством которой является возможность элемтромагнитных волн, этого диапазона проникать в толщу океана на значительную глубину. Полагают, что в большинстве акваторий Мирового океана с помощью чувствительных датчиков на корпусе ПЛ можно принять оптический ^сигнал на глубине 500-700 м. Считается, что предпочтительней использовать лазер, размещенный на ИСЗ.
Одним из недостатков оптической связи считают необходимость точного знания места адресата для наведения луча, что преодолевается путем последовательной передачи одного и того же сообщения в разные районы, хотя это увеличивает время его прохождения до адресата. В перспективе предусматривается применение мощных лазеров для циркулярных передач во все зоны вероятного нахождения подводных лодок.
Несмотря на преимущества лазерных каналов связи, практическая реализация их задерживается вследствие сравнительно большой стоимости.
Зарубежные специалисты отмечают, что связь берега с лодкой можно осуществлять с помощью акустических средств. Звуковые волны распространяются на тысячи миль, однако требуется много времени при передаче информации на большие дальности. Кроме того, сигнал легко обнаруживается противником и подавляется средствами РЭБ. Считается, что одним из способов гидроакустической связи может быть работа стационарных приемников и маломощных акустических передатчиков на подводных буях, соединенных кабелем с берегом.
Потенциальные возможности связи с подводными лодками в подводном положении ученые видят и в использовании лучей нейтрино (электрически нейтральные элементарные частицы). Они способны проходить сквозь землю со скоростью света с очень малой потерей энергии. При помощи специальных фотоумжителей можно принимать на ПЛ импульсы света, возникающие в результате столкновений нейтрино с ядрами молекул морской воды. Полагают, что такое абсолютно скрытное средство связи будет эффективным на больших глубинах, где помехи солнечного света и космических лучей минимальны. Однако создание нейтринного генератора в настоящее время требует таких материальных затрат, что оно практически трудно осуществимо.
Для связи в направлении «берег – ПЛ» одновременно с СДВ диапазоном производятся передачи и на коротких и ультракоротких волнах. Для приема в этих диапазонах подводная лодка должна подвсплывать на перископную глубину и поднимать мачтовую антенну. При этом теряется скрытность. Поэтому такой связью пользуются только в случаях крайней необходимости по назначенным сеансам. Вместе с тем отмечается, что УКВ и КВ связь в условиях ядерной войны будет наиболее живучей, устойчивой и надежной, поскольку береговые узлы с массивными и сложными антенными полями СНЧ, СДВ систем могут быть уничтожены.
Передачи в направлении «ПЛ – берег» осуществляют на перископной глубине на КВ и УКВ через ИСЗ или посредника (корабль, самолет). При этом используется мачтовая антенна, которую можно легко обнаружить радиолокационными средствами, а излучаемый сигнал этого диапазона запеленговать. Для обеспечения скрытности первоначально использовалась аппаратура сверхкратковременных передач (СКП), а в настоящее время – техника широкополосной модуляции (ШПМ). Она затрудняет обнаружение и перехват передачи вследствие того, что энергия полезного сигнала распределяется в очень широком частотном диапазоне.
ШПМ связь допускает, кроме того, прием и передачу с высокой информационной скоростью, что также снижает вероятность пеленгования подводной лодки.
Принципиальным недостатком ее остается необходимость подвсплытия для развертывания антенн.
В направлениях «ПЛ – ПЛ» и «ПЛ – надводный корабль» применяется гидроакустическая связь. Поскольку основное тактическое требование к подводным лодкам – это скрытное плавание на глубине, то возможность связи с ними современными средствами весьма ограничена.
Полагают: достижения ШПМ техники, а также применение в высокочастотных сигналах прыгающей перестройки по частоте на фоне помех гарантируют, что передача подводной лодки не будет обнаруживаться самой развитой сетью радиоэлектронной разведки, что намного повысит скрытность, а следовательно, и эффективность подводных сил. И наконец, только комплексное использование всех видов и средств связи может обеспечить ее надежность.
Источник: litresp.ru
Способ дальней радиосвязи с подводным объектом
Изобретение относится к дальней радиосвязи и может быть использовано для обеспечения организации и прогнозирования работы каналов радиосвязи с подводными объектами. Технический результат состоит в увеличении надежности работы радиоканалов, снижении мощностей излучения береговых радиопередающих устройств и организации радиоканалов с применением мобильных береговых радиопередающих средств обеспечения радиосвязи с подводными объектами. Для этого в способе дальней радиосвязи по данным картируемой поверхности Земли находят ближайшие координаты зон повышенной трещеватости или глубинных разломов, используемых в качестве зон радиосвязи, в которых напряженность принимаемых сигналов резко возрастает, осуществляют корректуру радиосвязи по времени и координатам подводного объекта.
Изобретение относится к дальней радиосвязи и может быть использовано для обеспечения организации и прогнозирования работы каналов радиосвязи с подводными объектами.
Известны способы дальней радиосвязи с надводными объектами, использующие радиоканалы диапазонов коротких, средних, длинных и сверхдлинных радиоволн и с подводными объектами — сверхнизких и крайне низких частот (Автоматизация управления и связь в ВМФ. / Под общ. ред. Ю.М.Кононова. Изд. 2-е — СПб.: «Элмор», 2001, стр.301-302; Сутягин, И. Средства связи атомных подводных лодок типа «Лос-Анджелес» // 3арубежное военное обозрение. М., 1995, №9, с.52-57).
Известные способы дальней радиосвязи на коротких радиоволнах базируются на расчете коротковолновых линий радиосвязи с определением максимально применимой частоты для заданной конкретной трассы, то есть до географических координат зоны приема, с использованием данных о состоянии ионосферы и последующим назначением рабочей частоты (Долуханов М.П. Распространение радиоволн. — М.: «Связь», 1965, стр.335).
Недостатком этих способов и системы их реализации для обеспечения дальней радиосвязи с подводным объектом является использование выпускаемого на водную поверхность антенного устройства.
Известные способы дальней радиосвязи на средних, длинных и сверхдлинных радиоволнах базируются на практических расчетах напряженности поля в зоне приема в зависимости от протяженности трассы по эмпирическим формулам при учете излучаемой мощности и назначенной рабочей частоты. Кроме этого, напряженность поля увязывают как с расстоянием, так и с состоянием ионосферы, зависящей от случайных, суточных, сезонных и других колебаний (Долуханов М.П. Распространение радиоволн. — М.: «Связь», 1965, стр.294-311).
Недостатками этих способов для обеспечения дальней радиосвязи с подводным объектом являются недостаточная надежность работы радиоканалов и повышение мощностей излучения береговых радиопередающих устройств, в зависимости от состояния ионосферы, времени суток, времени года и цикла солнечной активности. Кроме этого, радиоприем подводным объектом возможен только при всплытии к поверхности воды из-за сильного затухания радиоволн этих диапазонов в водной среде.
За прототип предлагаемого изобретения принят способ дальней радиосвязи с применением сверхнизких частот радиоволн, испытывающих очень низкое затухание (около 1 дБ на тыс. км при f=100 Гц) и высокую стабильность сигнала при распространении в волноводе Земля — ионосфера с относительно малым затуханием при распространении в водной среде (Глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера / Блиох П.В., Николаенко А.П., Филиппов Ю.Ф. — Киев: «Наук. Думка», 1977, стр.186). Способ обеспечивает возможность радиосвязи с подводным объектом в любых географических координатах и основан, с назначением рабочей частоты, на определении мощности радиопередатчика, связанной с глубиной погружения подводного объекта в зоне определенных географических координат.
В свою очередь, поверхность Земли покрыта неровностями, ее электрические параметры изменяются от точки к точке и, кроме того, часто не остаются постоянными в пределах глубины скин-слоя. Повышенная трещиновидность или зоны глубинных разломов создают превышение значений величин вертикальной составляющей магнитного поля от источников искусственного поля, от источников искусственного излучения, то есть от радиопередающих устройств, излучающих в сверхнизкочастотном и крайне низкочастотном диапазонах (Пат. РФ №2374666, опубл. 27.11.2009).
Техническим результатом предлагаемого способа является увеличение надежности работы радиоканалов, снижение мощностей излучения береговых радиопередающих устройств, организация радиоканалов с применением мобильных радиопередающих средств для обеспечения радиосвязи с подводными объектами и использование на этих объектах бортовых антенн.
Указанный технический результат достигается тем, что согласно способу дальней радиосвязи с подводным объектом с применением сверхнизких и крайне низких частот радиоволн, включающем выявление расположения зоны нахождения подводного объекта и его глубины погружения с назначением рабочей частоты радиоканала для организации радиосвязи осуществляют привязку координат зоны радиосвязи подводного объекта к зонам повышенной трещиноватости или глубинных разломов картируемой поверхности Земли.
Отличие от известных способов дальней связи, в которых электрические параметры в волноводе, по определению, принимаются за стабильные, заключается в том, что в предлагаемом изобретении при учете распространения радиоволн в волноводе Земля-ионосфера в основу положены особенности электрических параметров одной из двух образующих волновод стенок, обладающей неоднородностями с ярко выраженными аномалиями. Этой образующей волновод неоднородной с аномалиями электрических параметров стенкой является земная кора. Особенности изменения электрических параметров в аномальных зонах широко используются для поиска полезных ископаемых при облучении этих участков сверхнизкими и крайне низкими частотами радиоволн и измерением напряженностей электромагнитного поля в этих зонах. Именно в зонах повышенной трещиноватости или глубинных разломов наблюдается эффект увеличения напряженности, что и используют в способе дальней радиосвязи с подводным объектом.
Использование картируемых зон повышенной трещиноватости или глубинных разломов в качестве зон радиосвязи, в которых напряженность принимаемых радиосигналов резко возрастет, повышает надежность работы радиоканалов. Кроме этого, для обеспечения радиосвязи с этими зонами возможно использование пониженной мощности излучения береговых радиопередающих устройств при создании номинальной напряженности радиосигналов при приеме. В свою очередь, радиопередающие средства пониженных мощностей могут быть созданы мобильными и при использовании их самих в аномальных зонах могут дать эффект увеличения напряженности радиосигналов при приеме еще большим. В предлагаемом способе вместо выпускаемой протяженной шлейфовой антенны возможно использование бортовых, например рамочных, антенн.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем: для обеспечения дальней радиосвязи с подводным объектом определяют географические координаты зоны нахождения подводного объекта на время осуществления связи на назначенной рабочей частоте. По данным картируемой поверхности Земли находят ближайшие координаты зон повышенной трещиноватости или глубинных разломов и осуществляют корректуру по времени и координатам подводного объекта для привязки зоны радиосвязи к зоне повышенной трещиноватости или глубинных разломов земной коры на дне океана. При планировании сеансов радиосвязи зоны радиосвязи заранее привязывают к курсам и времени выходов на связь в заданных точках, привязанных к картированным зонам повышенной трещиноватости или глубинных разломов.
Предлагаемый способ дополняет используемые способы дальней радиосвязи коротких волн, в основе которых лежат прогностические расчеты оптимальных радиочастот для заданных точек радиолиний с учетом данных об ионосфере, средних длинных и сверхдлинных волн, в основе которых лежат расчеты напряженности сигнала с учетом мощности передатчика и времени суток новым способом для сверхнизких и крайне низких частот. Основой этого способа является картирование аномальных зон с электрическими параметрами, обеспечивающими повышение уровня сигнала при возбуждении радиоволнами вне зависимости от состояния ионосферы, времени суток, сезона и других факторов.
Реализация предлагаемого способа подтверждается практическими примерами работы радиолиний в коротковолновом и ультракоротковолновом диапазонах радиоволн, где влияние подстилающей поверхности Земли выражается в меньшей степени (Григоров И.И. Антенны. Городские конструкции. — М.: ИП Радио Софт, 2003, стр.222-230 (Сопряженные точки Земли и распространение радиоволн).
Способ дальней радиосвязи с подводным объектом, включающий определение географических координат расположения зоны нахождения подводного объекта и назначения рабочей частоты радиоканала для организации радиосвязи, отличающийся тем, что по данным картируемой поверхности Земли находят ближайшие координаты зон повышенной трещеватости или глубинных разломов, используемых в качестве зон радиосвязи, в которых напряженность принимаемых сигналов резко возрастает осуществляют корректуру радиосвязи по времени и координатам подводного объекта.
Источник: findpatent.ru
Эксперимент по передаче коротковолнового радиосигнала в морской среде провели ученые ТПУ и ДВФУ
Исследователи Томского политеха и Дальневосточного федерального университета провели натурный эксперимент по передаче коротковолнового модулированного радиосигнала в морской среде при помощи специально сконструированной приемопередающей аппаратуры. Результаты опубликованы в журнале «Письма в журнал технической физики».
Обычные высокочастотные поперечные электромагнитные радиоволны быстро затухают в электропроводной среде. Использование сверхнизких частот ограничено необходимостью применения крупногабаритных антенн и недостаточной скоростью передачи данных. Гидроакустическая связь, которая часто применяется для контактов с мобильными подводными объектами, также обладает рядом существенных недостатков, связанных с использованием гидроакустических буев. На качество и дальность такой связи влияют морские течения, перепад температур и другие природные факторы.
«Для решения этой сложной и актуальной научно-технической задачи предлагается использовать обобщенную электродинамическую теорию, которая в последние десятилетия успешно развивается в России и за рубежом. Обобщенная электродинамика учитывает как вихревые, так и потенциальные электромагнитные процессы. Поэтому она включает теорию Максвелла как частный случай», — говорит один из авторов статьи, профессор отделения общетехнических дисциплин ТПУ Александр Томилин.
Основы обобщенной электродинамической теории еще в советское время заложил Геннадий Николаев, долгое время работавший в Томске. Сам Александр Томилин занимается данным направлением более 20 лет, опираясь в том числе и на работы Николаева. Ученый опубликовал монографию «Обобщенная электродинамика» и ряд научных статей. Кроме того, основные положения теории описаны в учебном пособии «Электромагнитные поля и волны» профессора Евгения Нефедова. Аналогичное издание было опубликовано на английском языке в США.
«Как известно, любая новая теория требует экспериментального подтверждения и практического применения. Первая попытка была предпринята около десяти лет назад. Совместно с итальянским ученым Б. Сакко мы опубликовали статью, в которой описан эксперимент по передаче электромагнитного сигнала между шаровыми антеннами.
При этом использовались электромагнитные волны, свойства которых отличались от поперечных. Но эксперимент проводился в лабораторных условиях в воздухе. Во время этой работы у меня возникла идея об использовании шаровых антенн в воде», — поясняет профессор ТПУ.
Чтобы технически осуществить радиосвязь в морской среде, необходимо создать нестационарное сферически симметричное электрическое поле с высокой напряженностью, но при этом нужно обойтись без токов проводимости. Это возможно за счет явления безвихревой электромагнитной индукции. С его помощью можно создать радиальный высокочастотный ток смещения и излучать сферическую волну с продольной структурой. Совместно с коллегами из ДВФУ ученому ТПУ удалось рассчитать и спроектировать аппаратуру и провести натурный эксперимент, подтверждающий теорию.
«Летом и осенью 2020 года была проведена серия экспериментов с постепенным увеличением дальности передачи сигнала в бухте Новик (остров Русский). Приемная и передающая станции опускались в воду на капроновых фалах, не имеющих металлических частей. Это обеспечило полную электромагнитную автономность модулей в погруженном состоянии.
Приемная станция была установлена на заякоренном буе на глубине шести метров. Передающая станция находилась на глубине четырех метров от поверхности моря. Она буксировалась на катере по направлению от приемного модуля. Расстояние между станциями измерялось с помощью GPS-приемника. Принимаемый сигнал записывался на диктофон.
В результате был зафиксирован факт уверенной передачи радиосигнала (27МГц) на расстояние 470 метров при полном погружении передающей и приемной радиостанций в море. Весной эксперименты были продолжены, и дальность передачи сигнала удалось увеличить до нескольких километров. Таким образом, можно говорить о возможности создания канала высокочастотной радиосвязи в морской среде посредством продольных электромагнитных волн», — рассказывает профессор.
Александр Томилин отмечает, что теория и техника эксперимента, а также результаты испытаний обсуждались на рабочих совещаниях с участием специалистов из АО «Корпорация ”Московский институт теплотехники”» (научно-исследовательское и производственное предприятие оборонного комплекса) и ПАО «Дальприбор» (ведущее приборостроительное предприятие промышленного комплекса на Дальнем Востоке). Сейчас ученые готовят к публикации научную статью с более подробным описанием серии экспериментов.
«Важно отметить, что антеннами на продольных волнах занимаются и другие ученые, в том числе в США и в европейских странах. Однако они пока экспериментируют с продольными волнами в воздушной среде. Нам известны несколько групп российских ученых, которые работают над созданием каналов радиосвязи в морской и речной воде. Но результаты этих работ еще не опубликованы в научных журналах. Результаты, содержащиеся в нашей статье, открывают путь к созданию нового направления — морской радиофизики», — подытоживает ученый.
Информация предоставлена пресс-службой Томского политехнического университета
Источник: scientificrussia.ru