Как работает связь на подводной лодке

Нейтринные коммуникации: как решают проблемы со связью подлодок

Свободно движутся сквозь воду лишь волны частотой несколько герц и длиной в десятки и сотни тысяч километров. Однако генерация таких сверхдлинных радиоволн требует огромной энергии, и каждая станция связи, способная использовать крайне низкие частоты, – чрезвычайно сложный и дорогостоящий проект, большинству стран либо не слишком нужный, либо вовсе непосильный. Насколько известно, подобные системы применяются лишь российским («Зевс») и американским (Seafarer) «подплавом».

При этом для принятия сигнала субмарина должна выбросить магнитную антенну достаточной длины и буксировать ее, снижая свою невидимость. Эффективность такой связи невысока: с помощью медленно колеблющихся волн возможно передавать в минуту не больше пары бит данных.

Для полноценных коммуникаций приходится использовать более короткие радиоволны диапазона очень низких частот. Они способны проникать на глубину примерно 20 м, позволяя подводникам оставаться под водой, ограничиться более короткими антеннами и увеличить пропускную способность примерно до 50 бит/с. С излучением такого сигнала справляются не только циклопические радиостанции, но и, например, специализированные командные самолеты с буксируемыми тросами-антеннами длиной до нескольких километров. Все эти сложности возникают из самой природы электромагнитных колебаний и, кажется, в принципе непреодолимы.

Новые источники

Ученые не оставляют попыток наладить принципиально новый канал связи с подводными аппаратами, в котором роль радиосигнала отводится модулированному пучку нейтрино. Эти частицы не несут заряда, почти ничего не весят и свободно проходят сквозь самую плотную среду. Нередко упоминается, что нейтрино способен пролететь насквозь слой свинца толщиной в тысячу световых лет. Тем более не помеха для них километры океанских глубин. Потоки нейтрино прилетают к нам от Солнца, из далекого космоса, и продолжают свое путешествие, ничего не замечая. Лишь редчайшие из них, столкнувшись с частицами атомного ядра, оставляют хоть какие-то следы своего визита, – и в этом случае их удается детектировать.

В получении узконаправленных потоков нейтрино особых затруднений нет: для этого существуют синхротроны. Разогнав пучок протонов и направив его в мишень, можно получить целый «душ» мезонов, быстрых и короткоживущих частиц, которые через долю секунды распадаются с образованием узкого, коллимированного пучка мюонных нейтрино. Такой излучатель способен обеспечить передачу сигнала в любую точку планеты, просто просвечивая ее насквозь и пересылая в минуту уже целые десятки байт.

Прием и передача

Уловить нейтрино непросто, но отдельные частицы из потока все-таки можно зарегистрировать и с подлодки. Для этого корпус можно покрыть тонкой металлизированной оболочкой, превратив его в многометровый детектор. Еще перспективнее оснастить судно датчиками черенковского излучения, которое создают некоторые нейтрино, пролетая сквозь воду. Этот подход намного увеличивает размеры принимающей «антенны»: вспышки можно обнаруживать с расстояния до нескольких километров, а искусственный интеллект наверняка поможет выделить нужный сигнал из естественного светового шума океана.

В 2012 году нейтринная связь была продемонстрирована на практике. Используя источник Fermilab NuMI, физики передали сигнал на расположенный в километре от него детектор MINERvA, экранированный 210 м скальной породы. Первым словом было «нейтрино», и на его пересылку со скоростью 0,1 бит/с ушло почти 2,5 ч. «Для практического применения потребуются существенные усовершенствования генераторов и детекторов», – резюмировали ученые.

Связь с подводными лодками

Связь с подводными лодками, когда они находятся в погружённом состоянии — достаточно серьёзная техническая задача. Основная проблема состоит в том, что электромагнитные волны с частотами, использующимися в традиционной радиосвязи, сильно ослабляются при прохождении через толстый слой проводящего материала, которым является солёная вода.

В большинстве случаев хватает простейшего решения: всплыть к самой поверхности воды и поднять антенну над водой. Но этого решения недостаточно для атомной подводной лодки — эти корабли были разработаны во время холодной войны и могли находиться в подводном положении в течение нескольких недель и даже месяцев, но, тем не менее, они должны были оперативно запустить баллистические ракеты в случае ядерной войны.

Связь с подводными лодками, находящимися в подводном положении, осуществляется следующими способами.

Содержание

Акустическая передача

• Звук может распространяться в воде достаточно далеко, и подводные громкоговорители и гидрофоны могут использоваться для связи. Во всяком случае, военно-морские силы и СССР, и США устанавливали акустическое оборудование на морском дне областей, которые часто посещались подводными лодками, и соединяли их подводными кабелями с наземными станциями связи.
• Односторонняя связь в погруженном положении возможна путем использования взрывов. Серии взрывов, следующих через определенные промежутки времени распространяются по подводному звуковому каналу и принимаются гидроакустиком.

Радиосвязь в диапазоне очень низких частот

Радиоволны очень низкого диапазона (ОНЧ, VLF, 3—30 кГц) могут проникать в морскую воду на глубины до 20 метров. Значит, подводная лодка, находящаяся на небольшой глубине, может использовать этот диапазон для связи. Даже подводная лодка, находящаяся гораздо глубже, может использовать буй с антенной на длинном кабеле. Буй может находиться на глубине нескольких метров и из-за малых размеров не обнаруживается сонарами противника. Первый в мире ОНЧ-передатчик, «Голиаф», был построен в Германии в 1943 году, после войны перевезён в СССР, в 1949—1952 годах восстановлен в Нижегородской области и эксплуатируется до сих пор.

В Белоруссии, под Вилейкой, функционирует мегаваттный ОНЧ-передатчик для связи с подводными лодками ВМФ России — 43-й узел связи.

Радиоволны крайне низкой частоты (КНЧ, ELF, до 30 Гц) легко проходят сквозь Землю и морскую воду. Строительство КНЧ-передатчика — чрезвычайно сложная задача из-за огромной длины волны и крайне низкого КПД. Советская система «ЗЕВС» работает на частоте 82 Гц (длина волны — 3656 км), американская «Seafarer» (англ. мореплаватель ) — 76 Гц (длина волны — 3944,64 км). Длина волны в этих передатчиках сравнима с радиусом Земли. Очевидно, что постройка дипольной антенны в половину длины волны (протяжённостью ≈ 2000 км) — нереальная на данный момент задача.

Вместо этого следует найти область Земли с достаточно низкой удельной проводимостью и заглубить в неё 2 значительных по размерам электрода на расстоянии порядка 60 км друг от друга. Поскольку удельная проводимость Земли в области электродов достаточно низкая, электрический ток между электродами будет проникать глубоко в недра Земли, используя их как часть огромной антенны. По причине крайне высокой технической сложности такой антенны, только СССР и США имели КНЧ-передатчики.

Вышеописанная схема реализована на передатчике «ЗЕВС», находящемся на Кольском полуострове в Североморске-3, к востоку от Мурманска в районе с координатами 69 , 33 69° с. ш. 33° в. д.  /  69° с. ш. 33° в. д. (G) (O) [1] [2] (факт существования советского КНЧ-передатчика был обнародован только в 1990 году). Такая схема антенны имеет крайне низкий КПД — для её работы требуются мощности отдельной электростанции, в то время как выходной сигнал имеет мощность в несколько ватт. Но зато этот сигнал может быть принят фактически в любой точке земного шара — даже научная станция в Антарктиде зафиксировала факт включения передатчика «ЗЕВС». [источник не указан 1195 дней]

Американский передатчик «Seafarer» состоял из двух антенн в Клэм Лэйк, Висконсин (с 1977 года) и на базе ВВС «Сойер» в Мичигане (c 1980 года). Была демонтирована в сентябре 2004 года. До 1977 года использовалась система «Sanguine», находящаяся в Висконсине.

ВМС Великобритании предпринимали попытки построить свой передатчик в Шотландии, но проект был свёрнут.

Из-за большого размера такого устройства передача с погруженной лодки на землю невозможна. Код связи держится в секрете, но можно предположить, что из-за невысокой частоты передачи (единицы байт в минуту) по КНЧ-связи передаются лишь простейшие команды наподобие «Всплыть и слушать команду по спутниковой связи». Однако и приёмные антенны КНЧ-связи отнюдь не малы — лодки используют выпускаемые буксируемые антенны.

Радиосвязь через ретрансляторы

Спутники

Если субмарина находится в надводном положении, то она может использовать обычный диапазон радиосвязи, как и прочие морские суда. Это не означает использование обычного коротковолнового диапазона: чаще всего это связь с военным cпутником связи. В США подобная система связи называется «спутниковая подсистема обмена информацией с подводными лодками» (англ. Submarine Satellite Information Exchange Sub-System , SSIXS), часть морской системы спутниковой связи на ультравысоких частотах (англ. Navy Ultra High Frequency Satellite Communications System , UHF SATCOM).

Вспомогательные подводные лодки

В 1970-х годах в СССР был разработан проект модификации подводных лодок проекта 629 для использования их в качестве ретрансляторов сигнала и обеспечения связи кораблей из любой точки мира с командованием ВМФ. По проекту было модифицировано три субмарины.

Самолёты

Для связи с подводными лодками в ВМФ РФ (СССР) используется самолёт-ретлянслятор Ту-142МР (классификация НАТО – «Bear-J») . В нижней части фюзеляжа установлен барабан с выпускной буксируемой тросовой аннтенной, длиной 8,6 км и приёмопередатчик СДВ-диапазона большой мощности – станция Р-826ПЛ «Фрегат». Кроме этого, на самолёте установлен комплекс коротковолновых станций для тропосферной связи – «БКСР-А» и дополнительное оборудование для кодирования и автоматизации радиосвязи, в том числе БЦВМ “Орбита-20”. Для защиты экипажа от электромагнитного излучения на всех иллюминаторах, за исключением трёх лобовых стёкол лётчиков, установлены металлические экранирующие сетки. Самолёт может находиться в воздухе без дозаправки до 17 часов.

Скрытность

Сеансы связи, особенно со всплытием лодки, нарушают ее скрытность, подвергая риску обнаружения и атаки. Поэтому принимаются различные меры, повышающие скрытность лодки, как технического, так и организационного порядка. Так, лодки используют передатчики для передачи коротких импульсов, в которых сжата вся необходимая информация. Также передача может быть осуществлена всплывающим и подвсплывающим буём. Буй может быть оставлен лодкой в определенном месте для передачи данных, которая начинается, когда сама лодка уже покинула район.

Россияне создали систему беспроводной связи под водой. Аналогов в мире нет

Подводная радиотелефония

Российская компания IVA Technologies (входит в группу компаний «Хайтэк») сообщила CNews о выпуске обновленной версии мобильного радиокомплекса подводной связи IVA S/W. Усовершенствованный радиокомплекс прошел успешные испытания в акватории Баренцева моря с участием боевых пловцов воинской части специального назначения Военно-морского флота (ВМФ) России.

В ходе испытаний группе водолазов с устройствами IVA S/W удалось установить стабильную голосовую связь высокой четкости на дальности до 2 тыс. м и на глубине до 26 м. Такие показатели являются «своеобразным рекордом», поскольку подводную связь на сравнимой дальности не обеспечивает ни одна из современных систем как в России, так и в мире, пояснили CNews в компании.

Характеристики радиокомплекса IVA S/W удалось обеспечить за счет сочетания радиосвязи на принципах распространения электромагнитных волн в тандеме с «традиционной» гидроакустической установкой. Как утверждают в IVA Technologies, в настоящее время в мире нет технических аналогов такому решению. Комбинированное решение позволяет нивелировать недостатки гидроакустических систем и избежать зависимости от гидрологии среды распространения, присутствия взвеси, водорослей, термоклина и других неоднородностей. Это особенно актуально при выполнении работ в загрязненной водной среде, а также в условиях сильных гидроакустических шумов, в том числе, в прибрежной зоне.

«Испытания модернизированного мобильного радиокомплекса IVA S/W позволили проверить его работоспособность и качество в реальных условиях, – отметил Сергей Черных, зампредседателя совета директоров группы “Хайтэк”. – Там, где есть подводные течения, присутствует естественное волнение воды, а также наблюдаются изменения ее температуры в зависимости от глубины погружения. Наличие таких факторов может очень сильно повлиять на конечный результат, но этого не произошло, и разработанный нами комплекс успешно прошел все тесты».

Как работает радио IVA S/W под водой

В состав подводного радиокомплекса IVA S/W входит цифровой приемопередатчик, гидроакустическая и электромагнитная антенны, контроллеры управления связью и подводная гарнитура связи, встраиваемая в полнолицевую маску.

Радиокомплекс IVA S/W предназначен для голосовой связи и передачи данных как в морской и пресной воде, так и через границу раздела сред (вода–воздух). Габариты комплекса составляют всего 500 х 500 х 100 мм при весе порядка 4 кг, так что все модули комплекса с соединительными проводами размещаются на акваланге, не создавая помех для движения водолаза в воде.

Время автономной работы комплекса IVA S/W составляет 8 часов. Дополнительно для сопровождения группы водолазов с поверхности может использоваться вариант радиокомплекса, оснащенный надводной гарнитурой связи.

Сочетание гидроакустической и электромагнитной систем связи обеспечивает комплексу возможность обхода препятствий (водоросли, природные и искусственные преграды). «Применение принципа электромагнитной связи в нашем случае заключается в передаче информации с помощью магнитной составляющей электромагнитной волны, – рассказал CNews Сергей Черных. – Как известно, вода, воздух, лед, каменные горные породы – все это немагнитные субстанции. Проходя через них, магнитное поле не видит существенной разницы между ними. Именно за счет этого свойства возможна организация связи через границу раздела сред (воздух-вода и наоборот), в том числе, через ледовый покров, а также через препятствия – например, подводные рифы».

Радиокомплекс IVA S/W был разработан для проведения исследований шельфа и разведки новых месторождений полезных ископаемых под водой, в том числе, в бассейне Арктики. Он может применяться для мониторинга ситуации в прибрежных зонах, проведения ремонтов и техобслуживания стационарных подводных сооружений, профилактики и предотвращения чрезвычайных ситуаций в акваториях нефте- и газодобычи. Кроме того его можно задействовать для развития подводных беспилотных аппаратов, охраны акваторий, а также организации голосовой связи в разведывательной группе водолазов, в том числе глубоководных.

Как пояснил CNews Сергей Черных, радиокомплекс для подводной связи, разработанный IVA Technologies, включает электромагнитную антенну, то есть, по факту под водой производится именно радиосвязь, и подобных устройств в мире действительно нет.

На вопрос CNews о том, есть ли конкуренты у радиокомплекса IVA S/W, Сергей Черных пояснил, что разработанная в IVA Technologies система подводной радиосвязи не имеет аналогов, но вместе с тем ее конкурентами являются традиционные гидроакустические системы связи, имеющие только гидроакустическую антенну со всеми вытекающими плюсами и минусами гидроакустики.

«Мы же предлагаем комплексное решение, объединяющее в себе оба типа связи, максимизирующее плюсы и минимизирующее минусы каждого из них с целью достижения главной задачи — обеспечения качественной связи водолазов между собой и с поверхностью независимо от окружающей их обстановки», — отметил Сергей Черных.

Радиокомплекс на практике

В первой версии мобильной подводной радиостанции, которая была представлена в 2018 г., комплекс IVA S/W обеспечивал дальность связи до 500 м при погружении на глубину до 100 м, и до 60 м через границу раздела сред (вода-лед-воздух).

Как пояснили CNews в IVA Technologies, в акватории Баренцева моря испытывалась новая модернизированная версия радиокомплекса с улучшенными характеристиками в части дальности связи (в том числе между средами) и глубины погружения. Разработчикам также удалось уменьшить влияние направленности действия антенн и улучшить прием по всем направлениям, а также доработать систему переключения режимов прием/передача с целью возможности использования серийно выпускаемых гарнитур связи.

По итогам испытаний личный состав воинской части и представители командования Северного флота выразили готовность использовать комплексы связи IVA S/W, заявили в IVA Technologies.

Некоторые факты о «Хайтэке» и IVA Technologies

Направление по разработке телекоммуникационного оборудования под брендом IVA Technologies было открыто в компании «Хайтэк» в 2016 г. На сегодняшний день под ним осуществляется выпуск продуктовых линеек, включающих платформу для видеоконференций IVA MCU, IP-телефоны IVA, мобильный радиокомплекс беспроводной подводной связи IVA S/W, систему автоматического распознавания лиц IVA CV.

В IVA Technologies также ведутся разработки отечественных процессорных решений. Как ранее сообщал CNews, уже в I квартале 2021 г. компания намерена выпустить первые образцы чипов на базе процессорной архитектуры IVA TPU. Ожидается, что первые разновидности «систем на кристалле» IVA Technologies будут использоваться на отладочных платах для встраиваемых систем и серверного применения. Кроме того, на базе микропроцессоров разрабатывается несколько реализаций модулей, которые будут непосредственно применяться в электронных устройствах заказчиков.

Группа компаний «Хайтэк» также специализируется на поставке и внедрении решений в сфере информационной безопасности, телекоммуникаций, проектирования инженерных систем и объектов ИТ-инфраструктуры.

Соучредителями ООО «Хайтэк», зарегистрированного 21 ноября 2013 г., по данным выписки из ЕГРЮЛ, являются Адам Безиев, Юрий Месропов и Ольга Ильягуева с долями по 30% у каждого, а также Сергей Черных с долей в 10%. Бывшим соучредителем и гендиректором, а также действующим председателем совета директоров общества выступает Николай Ивенев, экс-помощник депутата Госдумы VI созыва (2011-2016 гг.) — члена комитета по обороне.

По данным «Контур.фокус», за компанией числится 124 госконтракта на общую сумму в 1 млрд руб. Среди заказчиков — МВД, Минфин, «Транстелеком», ФАС, МЧС, ракетно-космический центр «Прогресс», Корпорация по организации воздушного движения в России, «РТ-информ», «Гринатом», Росэлектроника и др. По итогам 2019 г. компания продемонстрировала выручку в 1,3 млрд руб. с приростом этого показателя на 26% по сравнению с предыдущим годом и уровнем чистой прибыли в 43,4 млн руб.

В апреля 2020 г. CNews выяснил, что «Хайтэк» в течение трех лет создаст и запустит в серийное производство собственную программно-аппаратную платформу связи корпоративного уровня — конкурента Cisco и Avaya, потратив на это немногим более 1 млрд руб.

Как и при помощи каких радиоволн осуществляется радиосвязь с подводными лодками на глубине

Подводные лодки, выполняющие боевые задачи должны поддерживать надежную связь с землей. Для этого они могут всплывать, и в надводном положении входить на радиосвязь с землей, в том числе через спутниковые системы связи.

реклама

Но что делать, если в целях скрытности всплывать подводной лодке нельзя, а весь диапазон радиочастот, используемый для наземной связи, не способен распространяться в соленой воде, являющейся хорошим проводником электрического тока. Но оказывается, все же есть диапазон радиоволн, который способен распространяться в морских и океанских соленых водах. Это сверхдлинные радиоволны в частотном диапазоне крайне низких частот (КНЧ) от 3 до 30 Герц, и сверхнизких частот (СНЧ) от 30 до 300 Герц, причем проникающая способность КНЧ гораздо выше.

Радиоволны СНЧ имеют несколько худшее распространение, но и при этом антенные системы передающих станций имеют гораздо меньшие размеры.

При реализации связи на сверхдлинных радиоволнах возникают большие технические трудности, и сложнее всего создать передатчик и передающую антенную систему из-за очень большой длинны волны, которая, например, при частоте 82 Гц. составляет 3658 км. Построить эффективную антенную систему, размеры которой сопоставимы с такими геометрическими размерами волны, сами понимаете, не представляется возможным. И инженеры пошли на хитрость, они закопали глубоко в землю, на расстоянии друг от друга в 40 – 50 км. два длинных электрода, подключенных к выходу передатчика. При этом линии протекания тока между электродами проникали в землю на большую глубину и использовали эту часть земли, как громадную антенну, получалась, что из самой земли в морские и океанские воды излучался сигнал СНЧ, который преодолевая толщу вод, достигал антенн подводных лодок.

реклама

Но и такая техническая реализация антенной системы очень сложна, и строить подобные сверхдлинноволновые станции связи с подводными лодками может себе позволить далеко не каждое государство. Передатчик этих станций оказался также очень сложным. Из-за генерации СНЧ электромагнитных колебаний он имеет катастрофически низкий коэффициент полезного действия (КПД), что накладывает очень большие технические трудности при его создании. Кроме того, из-за низкого КПД антенной системы, необходима очень большая мощность генерируемого сигнала. Это приводит к громадным размерам передатчика и большому энергопотреблению. В результате получается, что на один излученный ватт электромагнитной энергии, передатчик потребляет 100 кВт. электроэнергии. И обеспечивать этот передатчик электроэнергией должна целая электростанция. Это первый серьезный недостаток этого вида связи.

Поскольку на борту подводной лодки невозможно разместить подобный громадный передатчик, и создать такую передающую антенную систему, то сами понимаете, что связь будет только односторонней, команды могут передаваться от наземного центра управления на подводную лодку, а наоборот нет. Это второй серьезный недостаток.

Скорость передачи данных такой системы связи крайне мала, всего несколько знаков в минуту. Это третий серьезный недостаток. Для выхода из этой ситуации передаются только короткие условные сигналы, которые идентифицируются с отдаваемыми командами по соответствующей таблице, которая выдается команде перед отплытием.

реклама

На подводной лодке прием сигнала организуется достаточно просто, выпускается длинный трос – антенна, длинна которой может достигать нескольких километров, и может подвсплывать на меньшую глубину. Прием сигнала может происходить и при движении подводной лодки.

Но при всех недостатках этой связи, она обеспечивает скрытную, надежную, устойчивую связь с подводной лодкой находящейся на большой глубине, в любой точке земного шара, в любое время, в любых погодных условиях.

Если подводная лодка находится на небольшой глубине, то у нее появляется большое количество других каналов связи, в других частотных диапазонах, использующихся для наземной связи, например, через поднятую антенну с перископной глубины или с помощью всплывающих радиобуев. Связь между подводной лодкой и радиобуем реализуется при помощи кабеля или гидроакустического канала.

реклама

Но этим она может себя обнаружить. То есть эти каналы связи являются демаскирующими факторами для подводной лодки. И самым надежным каналом связи, с точки зрения скрытности, является радиосвязь на сверхдлинных радиоволнах. Подобная станция связи «ЗЕВС», работающая на частоте 82 Герца используется на Кольском полуострове.

Надеюсь, эта информация была для вас интересна. Пишите в комментариях, какие вы еще знаете виды связи с подводными лодками, находящимися на большой глубине.