Проект Sanguine — это проект ВМС США, предложенный в 1968 году для связи с подводными лодками с использованием радиоволн сверхнизкой частоты (СНЧ). Первоначально предложенная система, усиленная, чтобы выдержать ядерную атаку, потребовала бы гигантской антенны, покрывающей две пятых штата Висконсин.
Из-за протестов и потенциального воздействия на окружающую среду предложенная система не была реализована. Меньшая, менее защищенная система под названием Project ELF, состоящая из двух связанных передатчиков ELF, расположенных в Клэм-Лейк, Висконсин и Рипаблик, штат Мичиган, была построена в 1982 году и работала с 1989 по 2004 год. Система передавала данные с частотой 76 Гц. На частотах ELF ширина полосы передачи очень мала, поэтому система могла отправлять только короткие текстовые сообщения с очень низкой скоростью передачи данных. Эти сигналы использовались для вызова определенных подводных лодок на поверхность для получения более длительных оперативных приказов по обычной радиосвязи или спутниковой связи.
Как обнаружить подводную лодку и какие способы существуют?
Предлагаемая система
Первоначально предложенная система должна была иметь гигантскую «антенну», состоящую из 9700 км скрытых кабелей в прямоугольной сетке, покрывающей 58 000 км2, две пятых площади штата Висконсин, с питанием от 100 подземных электростанций в бетонных бункерах. Концы кабелей должны были быть заземлены, и переменный электрический ток тек бы глубоко в земле между концами кабеля, генерируя волны СНЧ, это называется наземным диполем. Первоначальный проект был оценен в миллиарды и потреблял 800 мегаватт электроэнергии. Целью была система, которая могла бы передавать тактические приказы в один конец американским атомным подводным лодкам в любую точку мира и выдерживать прямую ядерную атаку.
Проект вызвал споры с самого начала и подвергся нападкам со стороны политиков, антивоенных и экологических групп, озабоченных влиянием сильных токов в землю и электромагнитных полей на окружающую среду. Живучесть системы при ядерном ударе была поставлена под сомнение из-за советской разработки баллистических ракет с РГЧ. После того, как попытка возобновить проект на возвышенности Ллано в Техасе также была остановлена общественным сопротивлением, военно-морской флот отказался от Sanguine и предложил ряд все более скромных вариантов: Project Seafarer (1975), Austere ELF (1978) и, наконец, проект ELF (1981), который был построен. Эта система с низким энергопотреблением требовала 15 минут для передачи каждой кодовой группы, поэтому она не использовалась для прямой передачи тактических приказов, а вместо этого выполняла функцию «звонаря», отдавая приказ определенной ПЛ подняться на поверхность и получить дальнейшие приказы по обычному радио или через спутник. Система была официально введена в эксплуатацию в 1989 году, через 20 лет после того, как она впервые была запущена в качестве «испытательного центра», и использовалась до 2004 года, когда ВМС США объявили ее устаревшей, и она была остановлена и демонтирована.
Project ELF
Карта, показывающая расположение передатчиков ELF ВМС США. Красными линиями показаны пути наземных дипольных антенн. В Клэм-Лейк (слева) было два пересекающихся диполя по 14 миль. На объекте Republic было два диполя по 14 миль, ориентированных с востока на запад, и один диполь длиной 28 миль, ориентированный с севера на юг.
Уменьшенная система, созданная ВМФ в 1969 году под названием Project ELF, была испытана в 1982 году и официально вступила в строй в 1989 году. Она состояла из двух передатчиков: одного в Клэм-Лейк, штат Висконсин, и другого в Republic, штат Мичиган, с общей длиной антенн 135 км. Два передатчика обычно работают синхронно вместе как одна антенна для увеличения дальности, но могут также работать независимо.
Объект Clam Lake, который служил испытательной площадкой и первоначально назывался Wisconsin Test Facility (WTF), состоял из двух 23-км антенн (называемых наземными диполями) в форме креста с передатчиком на их пересечении. Объект Republic состоял из трех антенн, двух по 23 км и одной 45 км, в форме буквы «F» (форма не имеет значения и была продиктована доступностью местности). Линии, сделанные из 1,5-сантиметрового алюминиевого кабеля, опирающегося на изоляторы на 12-метровых деревянных опорах, напоминали обычные линии электропередачи. Концы линий были заземлены с помощью подземного медного кабеля и заземляющих стержней, которые позже были заменены решеткой электродов в скважинах глубиной 91 м. Передатчики посылали переменный ток силой 300 ампер по линиям, который проходил через заглубленные электроды глубоко в землю.
Наземная дипольная антенна Clam Lake, демонстрирующая, как она работает. Переменный ток I в линии для ясности показан текущим только в одном направлении.
Передатчики работали на частоте 76 Гц в диапазоне крайне низких частот с альтернативной частотой 45 Гц, и использовали общую мощность 2,6 мегаватт. Они могли общаться с подводными лодками примерно на половине поверхности земного шара. Система передавала данные непрерывно, 24 часа в сутки, отправляя сообщение «бездействие», когда она не использовалась, чтобы подводные лодки могли проверить, находятся ли они в пределах дальности связи.
Из-за чрезвычайно малой ширины полосы пропускания ELF передатчики имели очень низкую скорость передачи данных. Они не могли передавать голос (аудио), а только короткие текстовые сообщения из нескольких букв. Сообщается, что на передачу одной трехбуквенной кодовой группы уходило 15 минут. Таким образом, система не использовалась для передачи оперативных приказов, а выполняла функцию «звонаря», отдавая приказы определенным подводным лодкам на поверхность для получения подробных приказов по обычным линиям радиосвязи и спутниковой связи.
Система была неоднозначной и на протяжении всего срока ее службы была объектом судебных атак, исков и протестов. В пяти случаях протестующие вырубали опоры ЛЭП, ненадолго прерывая работу.
В 2004 году ВМС отключили оба передатчика, объяснив это тем, что системы связи на очень низких частотах (VLF) улучшились до такой степени, что в системе ELF нет необходимости.
Как работает связь в диапазоне КНЧ
Подводные лодки экранированы морской водой от всех обычных радиосигналов и поэтому отрезаны от связи с военным командованием, когда они находятся под водой. Однако радиоволны исключительно низкой частоты могут проникать в морскую воду. Чем ниже частота, тем глубже они могут проникнуть в океан. Волны в диапазоне ОНЧ от 3 до 30 кГц могут проникать на глубину от 10 до 30 метров, и со времен Второй мировой войны военно-морские силы использовали ОНЧ-передатчики для связи с подводными лодками. Для приема сигналов ОНЧ подводные лодки должны подниматься прямо под поверхность или следовать за антенным буем на небольшой глубине, что делает их уязвимыми для обнаружения противником.
Радиоволны в диапазоне крайне низких частот (КНЧ) от 30 до 300 Гц могут проникать на глубину до сотен метров, что позволяет с их помощью общаться с подводными лодками на их нормальной рабочей глубине. Чем ниже частота, тем больше длина волны радиоволн, и передатчикам требуются более длинные антенные конструкции для их генерации.
В передатчиках КНЧ используются огромные антенны, называемые наземными диполями, состоящие из десятков и сотен километров воздушных кабелей, напоминающих обычные линии электропередачи. Линии передачи заземлены на концах, а петлевые токи глубоко в земле образуют часть антенны.
Поскольку даже эти огромные антенны намного меньше длин волн КНЧ, они крайне неэффективны; только малая часть входной мощности излучается в виде волн КНЧ, а остальная часть рассеивается в виде тепла в сопротивлении антенны. При полной входной мощности 2,6 МВт оба передатчика КНЧ в США, работая вместе, генерировали только около 8 Вт излучения КНЧ. Этот слабый сигнал мог достичь подводных лодок над половиной земного шара только из-за чрезвычайно низкого затухания КНЧ волн — 1-2 дБ на 1000 километров. Передатчики КНЧ наиболее эффективны, когда они расположены над некоторыми подземными горными образованиями с низкой проводимостью, что заставляет токам распространяться глубже через больший объем породы, образуя большую «антенну». По этой причине система связи США была расположена в Висконсине и на Верхнем полуострове Мичигана над формацией Лаврентийского щита.
Такие передатчики КНЧ не могут быть установлены на подводных лодках из-за размера антенны и высоких требований к мощности. Таким образом, связь КНЧ является односторонней: приемник на подводной лодке получает приказы с береговой станции, но не может ответить. Низкое затухание волн КНЧ с увеличением расстояния позволяет одной станции КНЧ отправлять сообщения подводным лодкам по всему миру.
Еще одним недостатком КНЧ является то, что диапазон КНЧ имеет очень маленькую полосу пропускания и, следовательно, может передавать только очень простые сообщения, очень медленно. Сигналы КНЧ не могут передавать звук (голос), как другие типы радиосвязи, и могут передавать только короткие текстовые сообщения, состоящие из нескольких букв. Система ВМС США использует трехбуквенные кодовые группы и требует 15 минут для передачи одной группы.
Другие передатчики КНЧ
Известно, что только США, Россия и Индия построили средства связи КНЧ. ВМС Индии имеют действующий объект связи КНЧ на военно-морской базе INS Kattabomman для связи с подводными лодками класса Arihant и Akula. ВМФ России использует передатчик КНЧ ЗЕВС, расположенный к северо-западу от Мурманска на Кольском полуострове на севере России.
Источник: mass-destruction-weapon.blogspot.com
Инженеры создали систему прямой связи между самолетом и подлодкой
Американские инженеры показали в действии прототип системы для прямой связи между подводными и летательными аппаратами. Она состоит из подводного акустического излучателя, звуковые волны от которого вызывают колебания поверхности воды, и радара, который считывает эти колебания и фильтрует их от колебаний, вызванных естественными волнами на поверхности воды. Разработчики успешно испытали прототип системы в бассейне с плавающими людьми и передатчиком, размещенным на глубине 3,5 метра. Разработка была представлена на конференции SIGCOMM 2018.
Связь с подводными лодками и исследовательскими подводными аппаратами представляет собой большую проблему. Радиосигналы с наземных станций, спутников или самолетов быстро поглощаются водой и не могут проникать глубоко под поверхность воды, а акустические сигналы, относительно далеко распространяющиеся под водой, практически не переходят через границу воды и воздуха. Из-за этого для связи с подводными аппаратами используются промежуточные устройства, которые располагаются на поверхности воды или под ней, но связаны через кабель с поверхностью, и преобразуют акустические сигналы в радио- или электрические сигналы и наоборот. Такой способ обладает множеством недостатков. К примеру, он слабо применим для связи с подводными лодками, потому что для этого необходимо создать огромную сеть из ретрансляторов в океанах.
Франческо Тонолини (Francesco Tonolini) и Фадель Адиб (Fadel Adib) из Массачусетского технологического института создали систему связи, позволяющую подводным аппаратам «общаться» с летательными аппаратами напрямую через границу между водой и воздухом и основанную на особенностях взаимодействия обоих типов сигналов с этой границей. Система состоит из акустического передатчика под водой и радара над водой. Акустический передатчик излучает волны на частотах от 100 до 200 герц, которые распространяются к поверхности воды. При достижении поверхности воды волны вызывают периодические колебания уровня воды на несколько единиц или десятков микрометров.
Измерить такие изменения уровня воды напрямую довольно затруднительно. Вместо этого инженеры использовали радар, работающий в миллиметровом диапазоне, и решили измерять не время пролета сигнала, а периодические изменения в фазе сигнала, происходящие при отражении от колеблющейся воды.
Радар излучает сигнал с частотной модуляцией с несущей частотой 60 гигагерц. Разработчики выбрали эту частоту, потому что такой сигнал достаточно сильно меняется от колебаний, вызванных акустическим сигналом передатчика, но не приводит к хаотическому изменению частоты от естественных волн.
Поскольку естественные волны имеют частоту от десятых долей до единиц герц, их достаточно просто отфильтровать и выделить на их фоне сигнал передатчика с частотой в 100-200 герц. Для кодирования информации инженеры выбрали метод мультиплексирования с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), при котором сигнал передается одновременно на нескольких поднесущих частотах. Эта же схема кодирования используется в стандартах связи Wi-Fi и LTE. Эксперименты показали, что скорость передачи сигнала составляет до 400 бит в секунду.
Инженеры провели серию испытаний в емкости с водой, а также в бассейне с глубиной 3,5 метра, в котором также плавали люди, создающие волны. Испытания показали, что система способна работать при волнах с амплитудой 8 сантиметров (суммарной разницей высоты 16 сантиметров).
Разработчики отмечают, что пока у системы есть несколько важных недостатков. Использованная ими схема позволяет проводить только односторонние сеансы связи. Кроме того, пока она не может работать в условиях больших волн. Инженеры предполагают, что это ограничение можно частично устранить, оборудовав акустический передатчик и радар системой отслеживания волн на поверхности, которая позволит в реальном времени подстраивать сигналы под условия на поверхности воды. Наконец, система требует, чтобы радар находился практически вертикально над передатчиком.
В 2016 году Министерство обороны России начало развертывание подводной системы гидроакустического обнаружения и наблюдения «Гармония». Она состоит из устанавливаемых на дне роботов, которые проводят пассивную или активную гидроакустическую разведку и периодически выпускают на поверхность буи для передачи данных на командный пункт.
Источник: nplus1.ru
Секреты связи на подводных лодках: как передают сигнал сквозь морские глубины
Несмотря на все существующие современные коммуникационные технологии, на земле есть места, где привычные средства связи не работают. Например, подводные лодки, погруженные даже на небольшую глубину, не могут принять сигнал сотовой или спутниковой связи. Вода попросту поглощает эти радиоволны, то есть служит своего рода экраном.
Поэтому связь с субмаринами является технически очень сложной задачей, связанной со множеством проблем. В большинстве случаев для передачи и приема данных, подводная лодка просто всплывает на перископную глубину и поднимает антенну. Но в таком случае она раскрывает свое местоположение и становится уязвимой, что иногда недопустимо. Поэтому для связи с боевыми субмаринами, которые неделями или даже месяцами находятся на большой глубине, инженерам в середине прошлого века пришлось идти на невероятные ухищрения, которые используются по сей день.
На подводных лодках не работает обычная радиосвязь, так как вода служит экраном, который не пропускает радиоволны
Как реализована радиосвязь на подводных лодках
Надежная и стабильная связь с военными подводными лодками крайне важна. К примеру, существуют субмарины ядерной триады, которые несут на борту ракеты с ядерным зарядом. В любой момент времени они должны быть готовы принять сигнал и выполнить боевую задачу, в противном случае от их использования не будет смысла. В середине прошлого века инженерам удалось найти решение этой проблемы. Им удалось реализовать связь при помощи сверхдлинных волн, способных проникать под воду на большую глубину.
Сверхнизкочастотная радиосвязь — сложная и медленная
Сверхдлинными называют радиоволны, частотный диапазон которых находится в пределах от 3 до 300 Герц. Их делят на два типа: крайне низкие частоты (КНЧ) от 3 до 30 Герц и сверхнизкие частоты (СНЧ) от 30 до 300 Герц. Оба типа этих волн способны распространяться в морских и океанических водах. Причем КНЧ волны лучше справляются с этой задачей, чем СНЧ.
Однако использование этих волн связаны с серьезными техническими трудностями, что объясняется их невероятно большой длиной. К примеру, длина волны с частотой 82 Гц составляет 3658 км. Для их передачи нужны сопоставимые по размеру антенны, построить которые, конечно же, невозможно. Однако инженеры все же придумали как решить эту проблему — они закопали в землю на большую глубину два подключенных к передатчику электрода на расстоянии 40-50 км друг от друга.
Схема передачи СНЧ сигнала на подводную лодку
Линии протекания тока между электродами проникают в землю и используют участок земли между электродами как гигантскую антенну. В результате сигнал СНЧ излучается самой землей. Он легко преодолевает большую глубину и достигает антенн на подводных лодках, представляющих собой длинные металлические троса. По такому принципу работает станция связи “ЗЕВС”, расположенная на Кольском полуострове, которая использует частоту 82 Герца. К слову, о существовании такого передатчика стало известно только в 1990 году, так как он долгое время был засекречен.
Надо сказать, что данная технология далеко не идеальна. Передатчик СНЧ не только очень сложный, но и имеет крайне низкий КПД. На каждый излученный ватт электромагнитной энергии, передатчик требует 100 кВт электрической энергии. Поэтому для его питания требуется отдельная электростанция.
Разумеется, на борту подводной лодки невозможно установить ни передатчик, ни антенну для излучения сигнала. Поэтому связь с лодкой односторонняя.
Для приема СНЧ сигнала на большой глубине используют трос-антенны
Кроме того, скорость передачи данных таким способом крайне низкая — всего несколько знаков в минуту. Для решения этой проблемы на подводную лодку передают короткие условные сигналы, каждый из которых означает определенную команду. Поэтому перед отплытием экипажу выдается таблица для расшифровки сигнала.
Так как для принятия сигнала антенна должна быть вытянутой, подводная лодка должна плыть, то есть буксировать трос, иначе никакие команды получить не удастся. Правда, для приема сигнала на малых глубинах используются магнитные антенны, которые находятся в надстройке лодки.
Радиоволны очень низкой частоты для связи на малых глубинах
Радиоволны очень низких частот (ОНЧ) относятся к диапазону 3-30 кГц. Они не требуют использования гигантских антенн и тоже способны проникать в воду, но не глубже 20 метров. Чтобы принять ОНЧ сигнал на большой глубине, субмарины обычно используют буй с антенной. Он принимает данные и передает их на подводную лодку по кабелю.
Благодаря малым размерам, буй не обнаруживается противником. Кроме того, для обеспечения скрытности, передача сигнала может начаться после того, как лодка отплывет от буя на безопасное расстояние.
Для связи с подводными лодками «Самолет судного дня» имеет трос-антенну длиной 8 км
Впервые передатчик ОНЧ «Галиаф» был построен в Германии еще в 1943 году. Что самое интересное, после окончания войны он был перевезен в СССР и используется ВМФ РФ по сей день. Разумеется, кроме него работают и другие передатчики ОНЧ, а также ряд ретрансляторов, которые вместе образуют развернутую радиосеть.
Впервые ретрансляторы в СССР для работы в этом частотном диапазоне были созданы в 70-х годах. Они представляли собой специальные подводные лодки, оборудованные приемником и передатчиком. Они обеспечивали связь с командным пунктом из любой точки мира. В рамках этого проекта было создано всего три субмарины на базе подлодок проекта 629.
Кроме того, с этой же целью были созданы самолеты-ретрансляторы, которые используются ВМФ РФ по сей день. Они оснащены барабанами с выпускаемой тросовой антенной длиной 8,6 км, а также приемо-передатчиком. Такие самолеты также имеют на борту оборудование для приема тропосферной связи и шифрования данных. К слову, аналогичным оборудованием оснащен самолет судного дня “Ил-80”.
Американский воздушный командный пункт E-6 Mercury, обладающий ОНЧ передатчиком и 8-километровой антенной
Аналогичные самолеты используют и ВМС США. К ним относится E-6 Mercury, построенный на базе пассажирского Боинга 707. Собственно говоря, он же служит и командным пунктом на случай ядерной войны. Кроме того, функцию ретранслятора способен выполнять самолет E-4A, в основе которого лежит Боинг-747. Эти самолеты имеют такую же трос-антенну, как и российские аналоги.
Альтернативные виды связи на подводных лодках
Радиосвязь — не единственный вид связи, который используется на подводных лодках для передачи информации. Как известно, в воде отлично распространяются звуковые волны. Поэтому в СССР и США для передачи сообщений использовали громкоговорители и гидрофоны. Чтобы подводная лодка могла их принять, на участках морского дна, куда часто заплывали субмарины, устанавливали специальное акустическое оборудование, которое соединяли с наземными пунктами связи при помощи кабелей.
Схема комбинированной связи при помощи буя
В настоящее время используют комбинированный вид связи в виде буев. Они всплывают на поверность и принимают обычную радиосвязь, а затем преобразует ее в акустические волны, которые может принять подводная лодка на большой глубине.
Переходите по ссылке на наш ЯНДЕКС.ДЗЕН КАНАЛ. Мы подготовили для вас множество интересных, захватывающих материалов посвященных науке.
Кроме того, односторонняя связь с субмариной может быть установлена при помощи взрывов. Взрывы, происходящие через определенный промежуток времени, фиксируются гидроакустиком на борту подводной лодки и расшифровываются подобно азбуке Морзе. Как вы видите, все технологии очень старые, но ничего более прогрессивного за последние более полувека придумать пока не удалось.
Источник: myhitechdom.ru