Технология подводного общения
Во время учебного погружения старший матрос канадского флота инструктирует старшего матроса из Ямайки и мичмана с острова Сент-Китс
Уж сколько лет военные мечтают получить рассредоточенные подводные системы наблюдения и вооружения, объединенные в беспроводную сеть, но эти мечты столь же желанны, сколь и неуловимы... За прошедшее десятилетие развертывание воздушных и космических радиочастотных и оптико-электронных систем связи сделало глобальный, широкополосный, сетевой коммуникационный обмен реальностью для коммерческих и военных систем. Рассмотрим решения, позволяющие расширить эту инфраструктуру связи на подводный мир, полностью интегрировать в нее военные подводные платформы и системы и, как следствие, повысить их боевую эффективность.
Бурное развитие коммуникационной и сетевой инфраструктуры в мире, стремительный рост ее производительности определяется гражданскими и военными потребностями. Этому не в малой степени содействуют такие военные системы, как например, дистанционно управляемые беспилотные воздушные и наземные платформы, способные теперь выполнять задачи, которые в прошлом могли выполнять только обитаемые платформы. Для многих подобных задач, если не для большинства, контроль оператора в реальном времени является основой их успешного выполнения, это касается в первую очередь подтверждения цели и разрешения на применение вооружения. Как пример, сегодняшние операции БЛА PREDATOR, демонстрирующие эффективность этих быстро развивающихся систем. Подобное повышение эффективности и практической востребованности необходимо и в подводном царстве.
Несмотря на тот факт, что Голливуд пытается убедить нас, что связь под водой является простым делом (если учитывать современные реалии, то сценарии к таким фильмам как «Охота за Красным октябрем» и «Багровый прилив» были бы существенно более сложными), звуковые волны в воде подчиняются совершенно другому своду физических законов. Изменения температуры, плотности и солености воды могут изменять путь звуковых волн, изменять распространение звука и даже менять фундаментальные характеристики звука. Фоновый «шум» может создавать помехи корректной интерпретации звука («признаки жизнедеятельности», которые операторы гидроакустических станций подводных лодок должны идентифицировать при поиске искусственных подводных объектов), а погодные условия над поверхностью моря могут оказывать негативное влияние на связь на мелководье. В итоге связь под водой остается проблемой проблем.
Это не останавливает легионы ученых и промышленников, пытающихся решить эту проблему. Одни расширяют и углубляют испытанные и проверенные теории, другие прощупывают нечто еще более инновационное, что некоторые отчаянные оптимисты называют идеями.
Привязной буй спутниковой УВЧ-связи или спутников Iridium;
В воде: привязной буй УВЧ одноразового применения, привязной буй Iridium одноразового применения, буй - акустико-радиочастотный шлюз (БАРШ);
Оборудование радиорубки: - контроллер данных Iridium, контроллер БАРШ, контроллер модема Iridium; отсек запуска, блок интерфейса буев;
Воздушное оборудование: - контроллер БАРШ, БАРШ воздушного запуска;
Береговое оборудование и приложения: контроллер данных Iridium, сертифицированное междоменное решение, засекреченный веб-портал БАРШ, незасекреченный веб-портал БАРШ
Как человек человеку
В военном подводном мире использование водолазов для скрытных операций разведки и (или) расчистки от мин и препятствий занимает важное место в иерархии оперативных потребностей. Специальные силы, водолазы групп разминирования и групп по их установке - всем им необходимо действовать тихо, незаметно и безопасно в прибрежных водах или на мелководье, зачастую в неидеальных условиях и под влиянием сильного стресса. Эффективная и мгновенная связь стоит в числе приоритетов у подобных групп, но выбор имеющихся вариантов до некоторой степени ограничен.
Язык знаков и «дерганье веревки» ограничены пределами видимости и необходимостью использовать ограниченный набор слов. Использование факелов для передачи простых сигналов имело некоторый успех, но последствия, связанные с тем, что их свет виден с берега при проведении тайных операций, могут стать роковыми для их участников и поэтому подобная методика не рассматривается в качестве безопасной для военных операций. Использование акустических генераторов имеет те же самые недостатки, связанные с ограниченным словарным запасом и потенциально высокой вероятностью обнаружения, и поэтому также вычеркивается из списка.
Непосредственная связь между двумя абонентами в виде беспроводных ультразвуковых систем становится все более привлекательным решением для групп ныряльщиков. Вода - это среда с хорошей электропроводностью (а соленая вода даже с еще лучшей) и радиоволны в силу своей электромагнитной природы очень трудно распространяются сквозь нее. Впрочем, ультразвук представляет собой волны, инициируемые скорее механическим, чем электромагнитным образом (хотя он инициируется за счет использования пьезоэлектрических материалов) и, таким образом, преодолевает одно из самых жестких физических ограничений, влияющих на звуковой образ ныряльщика.
Звук распространяется в воде в 4,5 раза быстрее, чем в воздухе (еще быстрее в соленой воде), что, предоставляя некоторые оперативные преимущества для скрытных операций, при этом требует некоей умственной настройки и перестройки со стороны водолазов с тем, чтобы компенсировать желания мозга связать звуки и дистанции прохождения с их «обычным» воздушным пространством. Это еще одна причина, почему подводная связь между отдельными лицами, по крайней мере, профессионалами, стремится быть как можно более краткой и сжатой.
Впрочем, потребность в надежной связи быстро растет, и это касается не только военной сферы, но также быстро развивающейся подводной деятельности - мониторинг окружающей среды, защита объектов, археология и любительские погружения. Применение патентованных алгоритмов и технологий, известных под общим термином DSPComm (Digital Spread Spectrum - цифровой расширенный спектр), в последние годы получило широкое распространение, позволив получить инновационные, экономичные и, прежде всего, более надежные сетевые решения по сравнению с теми, что мы имели раньше.
1. После запуска прочный фал развертывается с поднимающегося корпуса
2. Срабатывает механизм освобождения поднимающегося корпуса и корпус извлекается из поверхностного модуля
3. Поднимающийся корпус переходит к всплытию и начинает разматывать оптический кабель при всплытии модуля на поверхность
4. Первая стадия механизма наддува активирует выталкивающий носовой конус и поплавок из корпуса буя
5. Вторая стадия механизм наддува надувает поверхностный поплавок до рабочей конфигурации
6. Рабочая конфигурация. Оптический кабель по мере удаления подлодки от точки запуска буя разматывается как из поверхностного модуля, так и из поднимающегося корпуса
Военные условия
Впрочем, в последние годы произошел существенный прогресс в нашем понимании и в нашей реакции на особенности подводного мира, особенно когда речь идет о боевой эффективности. В 2014 году центр НАТО по морским исследованиям и разработкам (STO CMRE) организовал в Италии трехдневную конференцию по подводной связи. В преамбуле конференции CMRE говорится: «Подводные коммуникационные технологии совершенствовались не только с развитием продвинутых методик когерентной модуляции, демодуляции, кодирования и декодирования, но также в процессе перехода от двухточечных соединений к многоскачковым специализированным сетям. На более высоких уровнях пакетной связи произошел значительный прогресс в развитии сетей передачи данных, MAС (подуровень управления доступом к среде), маршрутизации и других протоколов с целью установления эффективной и надежной связи. Становится также ясным, что подводные диапазон частот ограничен так, что никогда не будет «универсального» решения, поэтому системам связи необходимо будет самим адаптивно реконфигурироваться к меняющейся сетевой топологии, среде и приложению. Это приводит к интеллектуальным программируемым модемам с высокой надежностью установления связи на разных уровнях».
«Резко контрастируя с успешной моделью, принятой в радиочастотной сфере для систем сотовой связи или беспроводных сетей WiFi, сообщество подводной связи не имеет цифровых стандартов, определяющих модуляцию, параметры кодирования или доступ к среде и протоколы маршрутизации. Как результат, каждый производитель модемов разработал собственные патентованные схемы и модемы, как правило, не способные установить связь с системами другого производителя. В настоящее время развитие модемов необходимо направлять по пути интеграции гораздо более сложных протоколов, включая MAC и маршрутизацию, таким образом, решая имеющуюся на физическом уровне проблему. Если мы хотим достигнуть совместимости, мы должны иметь, по меньшей мере, несколько реальных стандартов модуляции, кодирования и других протоколов, которые более чем один модем может распознать».
Очевидный вывод, заключающийся в том, что подводная среда представляет проблему, насколько это касается стандартизации, привел к согласованному мнению о том, что в связи с высокой стоимостью проведения экспериментов в море самый разумный подход заключается в использовании методик моделирования и имитации с целью разработки приемлемых моделей для дальнейшего развития. Это внесет некоторую задержку по времени, но, пожалуй, она будет меньше, если пытаться разрабатывать новые системы на основе устаревших и принять итерационную модель разработки. Время пришло, конечно, для более радикального подхода, который, по всей видимости, и поддержал центр CMRE.
И этот радикальный подход просматривается в недавних запросах предложений Управления перспективных оборонных исследований DARPA касательно возможностей и систем подводной связи совершенно нового поколения. В запросе, в котором рассматриваются независимые беспроводные сетевые системы как связи, так и вооружения, сказано: «В прошедшем десятилетии развертывание воздушных и космических радиочастотных и оптико-электронных коммуникационных систем сделало глобальную, всепроникающую, сетевую, широкополосную связь реальностью для гражданских и военных платформ. С целью полной интеграции военных подводных платформ и систем и повышения их боевой эффективности DARPA ищет решения, расширяющие эту инфраструктуру связи на подводную среду».
Возможности, которые DARPA требует от новых систем, включают:
- Целеуказание и разрешение на применение вооружения третьих сторон для развертываемых впереди подводных платформ и систем;
- Передача с воздушных и космических сетей на подводные платформы в реальном времени и с высокой скоростью данных слежения за обстановкой;
- Передача сенсорных данных и данных слежения за обстановкой с подводных сенсоров и платформ на тактические воздушные и космические сети;
- Подводная сетевая инфраструктура для поддержки операций в обширных районах посредством мобильных и стационарных платформ, сенсоров и систем, например безэкипажных подводных аппаратов, действующих с подлодок, которые все объединены в сеть с тактическими и стратегическими пространством и сетями; и
- Автономная, рассчитанная на работу в сетевой среде, обработка данных сенсоров, например, распределенных пассивных и активных гидроакустических станций.
В прошедшее десятилетие американский флот финансировал программу Deep Siren как важнейшую технологию своей системы связи Undersea FORCENET первого поколения. Разработанная компанией Raytheon в сотрудничестве с RRK Technologies и Ultra Electronics, Deep Siren позволяет подлодкам в погруженном положении поддерживать связь с воздушными платформами, надводными судами, другими субмаринами и спутниками за счет использования акустических буев одноразового применения независимо от скорости или глубины погружения подлодки. Гибкая и адаптирующаяся система Deep Siren с высоким уровнем помехозащищенности, способная работать в широком диапазоне акустических сред, продемонстрировала свою эффективность даже в условиях Арктики.
Аппаратура системы Deep Siren
Реализация связи между подлодками в 21 веке
Подводные лодки ограничены в общении с поверхностью односторонними сообщениями, передаваемыми на очень низких скоростях на крайне низких частотах (КНЧ, 3-3000 Гц) или очень низких частотах (ОНЧ, 3000-30000 Гц). Для того чтобы лодка смогла ответить, или в случае необходимости связи не буквенно-цифрового типа, она должна всплыть на поверхность или хотя бы на перископную глубину (18 метров), чтобы поднять антенну над водой.
Программа компании Lockheed Martin под названием Communications at Speed and Depth (CSD) позволяет малозаметным подлодкам подсоединяться к Глобальной информационной сети министерства обороны США как любому другому кораблю флота. Оснащение подлодок американского флота одноразовыми высокотехнологичными коммуникационными буями позволят вести двухсторонний обмен данными и речевыми и почтовыми сообщениями в реальном времени.
Еще до недавнего времени крупные антенны диапазонов КНЧ и ОНЧ считались современным решением обеспечения связи между «стелс»-подлодками. В рамках программы по исследованию высокочастотной активности верхних слоев атмосферы High Frequency Active Auroral Research были протестированы способы использования верхних слоев атмосферы в качестве замены антенн. Оказалась, что можно возбуждать ионосферу высокочастотными радиоволнами, тем самым, заставляя ее излучать волны с очень низкой частотой, необходимые для скрытного прохождения сквозь соленую воду.
Недавние исследования в области подводных коммуникаций были направлены на диапазоны более высоких частот в более компактных устройствах. Система Seadeep от компании Qinetiq позволяет наладить двустороннюю связь с американскими подлодками с использованием сине-зеленых лазеров, устанавливаемых на воздушных платформах. Проект Deep Siren компании Raytheon представляет собой набор одноразовых буев персонального вызова, которые могут передавать сообщения со спутников на подлодки акустическим способом (звук закодированного сигнала напоминает трели сверчков), но только в одном направлении.
Communication at Speed and Depth стала первой системой двусторонней подводной связи для подводных лодок. Точная глубина, на которой подлодки смогут развертывать буи засекречена, но в компании Lockheed Martin утверждают, что кабели буев измеряются милями. Этого вполне достаточно, чтобы субмарина могла выпустить буй на значительной глубине и продолжить движение на обычных эксплуатационных скоростях для выполнения боевой задачи.
Компания Lockheed Martin с двумя субподрядчиками Ultra Electronics Ocean Systems и Erapsco разработала три специальных буя. Два из них привязываются к подлодке и взаимодействуют с ней помощью оптоволоконного кабеля. Один из них несет оборудование для связи со спутниковой группировкой Iridium, а второй - для связи на сверхвысоких частотах. Третий буй - свободноплавающий акустическо-радиочастотный. Он может быть сброшен с воздуха или даже спущен через устройство удаления отходов. Батареи привязных буев работают до 30 минут и после их разряда самостоятельно затапливаются. Непривязанные буи рассчитаны на трехдневное развертывание.
1. БАРШ с комплектом TDU выбрасывается из TDU (устройство удаления отходов), основной балласт ускоряет процесс выброса буя
2. БАРШ вращается и основной балласт отделяется от буя
3. БАРШ погружается
4. Вспомогательный балласт выпускается на заданную глубину или через заданное время. БАРШ становится положительно плавучим и всплывает
5. БАРШ с комплектом TDU всплывает на поверхность. Время после запуска может занять несколько минут в зависимости глубины выброса и скорости
6. Поплавок БУРШ надувается и извлекает чехол с парашютом. Выпуск чехла освобождает комплект TDU из корпуса БАРШ
7. БАРШ начинает стандартную последовательность развертывания. Комплект TDU выполняет последовательность затопления
8. Буй начинает работать как акустическо-радиочастотный шлюз
Безопасность - забота не только военных
Параллельно с разработками в области военной подводной связи большое внимание уделяется улучшению понимания и, следовательно, более рациональной эксплуатации подводной среды в более мирных целях. Такие ведомства, как Национальное управление по проблемам океана и атмосферы (NOAA), уже используют акустические генераторы и процессоры для передачи данных, что помогает спрогнозировать и смягчить возможное влияние морских явлений, например цунами и ураганов. Исследователи из Университета города Буффало в настоящее время всерьез занимаются поиском альтернатив традиционной модели, в которой погружные сенсоры передают данные посредством акустических методов на надводные буи, где звуковые волны конвертируются в радиоволны для последующей передачи, как правило, через спутник, на наземные сети. Эта парадигма - в настоящее время практически используемая повсеместно - неэкономична и зачастую склонна к проблемам, связанным с несовместимостью интерфейсов и отсутствием возможности взаимодействия.
Ответ здесь кажется очевидным - создание подводного Интернета. При финансировании Национального научного фонда группа из Университета Буффало проводит эксперименты с проектами сенсорных/приемопередающих станций, которые дадут реальные сетевые возможности под водой, хотя необходимо полностью решить проблемы, связанные с полосами частот и большой пропускной мощностью. Основная проблема заключается, впрочем, в том, что работы, проводимые в этой области, весьма серьезно повлияют на вопросы безопасности. При росте населения, живущего в прибрежных районах, и еще больших темпах роста трафика морских торговых судов, океаны становятся еще более важным и уязвимым аспектом национальной и региональной безопасности - и проблема здесь не ограничивается правительствами. Все большее распространение роботизированных систем, как надводных судов, так и подводных аппаратов, обеспечивающих безопасность в гаванях, буровых вышек на шельфе и важных береговых объектов, например транспортных развязок и электростанций, привело к быстрому повышению спроса на безопасную связь, особенно на связь с большими объемами передачи данных. Эксплуатация высокоскоростных подводных сетей поможет существенно упростить некоторые логистические проблемы, перед которыми стоят флоты и структуры по обеспечению морской безопасности многих стран.
Одни акустические системы, однако, вряд ли дадут долгосрочное решение, соответствующее потребностям подводной связи. Хотя они могут предоставлять эту услугу на значительные дальности, но их принципиальный недостаток связан с низкой скоростью передачи данных и большими задержками. В связи с этим знаменитый Вудсхоулский океанографический институт в настоящее время взялся за работы над оптическими коммуникационными системами, которые теоретически смогут преодолеть эти ограничения.
Институт уже успешно продемонстрировал устойчивую и надежную связь на скоростях до 10 Мбит/с с использованием простых автоматических систем, устанавливаемых на глубине. Потенциальное влияние этой технологии весьма заметно, например, в том, что привязные дистанционно управляемые аппараты, в настоящее время используемые при обслуживании буровых вышек, могут быть заменены простыми системами (даже одноразовыми) с питанием от батарей, что, таким образом, существенно снижает расходы. Поскольку продовольственная безопасность становится в нынешнем столетии главной проблемой государства и большое внимание уделяется морским фермерским хозяйствам, как частичному ее решению, то потребность в надежной и безопасной связи между роботизированными фермами и надводной администрацией в полной мере должно стать основной заботой этого самого государства. Что касается перспектив морского применения, то оптические коммуникационные системы под водой предлагают громадное преимущество, имея высокую устойчивость к глушению или внешнему вмешательству. Как следствие, значительно повышается уровень безопасности связи - преимущество, которое компания QinetiQ North America активно использует исходя из своего 15 летнего опыта в этой области.
Кажется, что нет неразрешимых проблем, когда дело касается научной изобретательности. Использование опыта, полученного на земле и в воздухе, в подводном мире, использование существующих технологий, например оптической связи, и разработка специальных алгоритмов, - всё это, чтобы принять во внимание и использовать уникальные характеристики морской среды. По всей видимости, мир подводной связи ожидает значительный подъем интереса со стороны структур обеспечения безопасности на море и научного сообщества, а также вооруженных сил многих стран. Проблем конечно масса, они варьируются от сложностей достижения высокой скорости передачи данных посредством акустических средств связи и до ограниченного диапазона оптических систем, работающих под поверхностью воды. Впрочем, перспективы блестящи, учитывая выделяемые на решение проблемы ресурсы, включая финансовые. И это несмотря на то, что мы живем в век финансового аскетизма научно-исследовательской сферы. Таким образом, нас ждет интересная история... возможно.
Использованы материалы:
www.cmre.nato.int
www.darpa.mil
www.raytheon.com
www.lockheedmartin.com
www.noaa.gov
www.qinetiq-na.com
www.alamy.com
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
Информация