CC BY
105К вопросу обеспечения радиосвязи с подводными лодками
Капитан 1 ранга в отставке А.А. КАТАНОВИЧ, доктор технических наук
Капитан 1 ранга А.М. РОЧЕВ, кандидат технических наук
Капитан 1 ранга запаса В.А. ЦЫВАНЮК, кандидат военных наук
АННОТАЦИЯ
ABSTRACT
Приведен краткий обзор путей построения каналов связи с подводными лодками и определены перспективы развития таких каналов. Рассмотрены вопросы повышения надежности связи с подводными лодками. Показано, что наиболее перспективным путем увеличения глубины подводного приема является применение буксируемых антенн. Приведены описания и функциональные схемы предлагаемых антенн.
The paper gives a brief survey of the ways to build communication channels with submarines and lists the development prospects of similar channels. It looks at issues of improving reliability of communication with submarines. It shows that the most promising way of increasing the depth of underwater reception is employment of trailed antennas. It gives descriptions and functional schemes of proposed antennas.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
KEYWORDS
Подводные лодки, каналы связи с подводными лодками, радиосвязь, сейсмическая связь, гидроакустическая связь, выпускные информационные устройства, буксируемые антенны, антенный усилитель КНЧ, сверхдлинноволновый и сверхнизкочастотный диапазон.
Submarines, communication channels with submarines, radio communications, seismic communications, hydroacoustic communications, outlet information devices, towed aerials, ULF antenna amplifier, super-longwave and super-low frequency range.
ВЫХОД в 60-х годах ХХ века Военно-Морского Флота СССР (ВМФ), в том числе его подводных сил, в удаленные районы Мирового океана, обусловили необходимость создания (из разрозненных и не сопряженных между собой систем связи флотов) единой глобальной и постоянно действующей системы связи, обеспечивающей главные требования к связи — своевременное, достоверное и скрытное доведение информации.
Создание глобальной единой системы связи ВМФ определило необходимость решения целого комплек-
са научных и технических проблем обеспечения связи с погруженными подводными лодками (ПЛ), увеличе-
ния ее дальности действия и скрытности при передаче информации, внедрения автоматизации процесса обмена информацией, повышения качества в условиях радиоэлектронного противодействия1.
Известно, что для управления подводными лодками, находящимися в удаленных районах в погруженном положении, применяется многоканальная система связи, использующая электромагнитное поле в широком диапазоне частот — от крайне низких до предельно высоких, включая лазерные каналы связи, а также каналы различной физической природы (сейсмические, гидроакустические и др.). Широко используются ретрансляторы сигналов различных типов и назначения2.
Для передачи информации на ПЛ в основном используется радиосвязь в сверхдлинноволновом (десятки килогерц) и сверхнизкочастотном (сотни герц) диапазонах волн. Однако современные низкочастотные системы не обеспечивают своевременность и помехоустойчивость связи с объектами, находящимися на больших дальностях и глубинах, несмотря на то, что уровень их развития приближается к предельно допустимым воз-можностям3.
Создание глобальной единой системы связи ВМФ определило необходимость решения целого комплекса научных и технических проблем обеспечения связи с погруженными подводными лодками, увеличения ее дальности
действия и скрытности при передаче информации, внедрения автоматизации процесса обмена информацией, повышения качества в условиях радиоэлектронного противодействия.
Следует отметить, что разработанная ранее для ПЛ техника связи, внедрение новых принципов организации связи легли в основу действующей системы дальней оперативной связи, главными компонентами которой являются береговые объекты (узлы, центры, радиостанции) с разветвленной межцентровой связью, каналы связи различной протяженности и физической природы, лодочные средства и автоматизированные комплексы связи. В каналах связи большой протяженности используются наземные, морские и спутниковые ретрансляторы.
Вместе с тем традиционные «силовые» пути повышения вероятностно-временных характеристик каналов связи с ПЛ, особенно находящихся на больших дальностях и глубинах, в основном исчерпаны. В данной связи возникла необходимость проведения фундаментальных исследований, направленных на получение новых знаний в области передачи радиосигналов и технологий для создания средств и комплексов связи.
Результаты проведенных исследований, выполненных за последние годы в нашей стране и за рубежом показывают, что наибольший интерес для решения проблемы связи с ПЛ представляют электромагнитные поля в диапазонах сверхнизких и крайне низких частот (СНЧ и КНЧ), сейсмические волны, оптическое (лазерное) излучение, нейтринные пучки и гравитационные поля, а также различные способы совершенствования устройств связи ранее освоенных диапазонов радиочастот (КВ, УКВ, ДЦВ и др.).
В то время, когда возможности существующей системы радиосвязи ограничиваются глубинами до 100 метров4, остро стоит задача обеспечения устойчивой связи с подводными объектами, которые могут находиться на глубинах до 1000 м.
Полагаем, что решение данной проблемы обусловливает развитие научной, элементной, технологической и производственной базы средств связи, использование различной среды для формирования и передачи радиосигналов.
В настоящее время наиболее близки к практической реализации работы по созданию каналов связи в диапазоне сейсмических и гидроакустических волн, крайне низких частот (КНЧ), оптического (лазерного) излучения.
Полагаем, что сейсмическая связь в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым к ней по таким параметрам, как надежность передачи информации, защищенность от поражающих факторов. Средства сейсмической связи и прежде всего антенны, могут размещаться глубоко под землей5. Применительно к задачам связи с ПЛ важнейшим параметром является глубина, на которой должна быть гарантированно обеспечена доставка и прием сигналов. Качество приема определяется отношением сигнал/шум на выходе приемного устройства. Структура сейсмоакустических сигналов, регистрируемых на борту движущейся погруженной ПЛ, сильно усложнена из-за ярко выраженной неоднородности земного канала, через который проходят часть пути сейсмические сигналы. Распространение сигнала в такой среде характеризуется мно-голучевостью, что приводит к явлению интерференции разного типа сейсмических волн в точке приема. Структура среды, характеризуемая ее импульсным откликом, вносит существенную неопределенность в форму сигнала в точке приема. Исключение составляет гармонический сигнал, который через интервал времени, равный длительности импульсной переходной функции среды, также оказывается гармоническим.
Сейсмические и гидроакустические волны обеспечивают связь без ограничения глубины погружения ПЛ, однако из-за малой скорости распространения этих волн реальная дальность связи ограничена расстояниями нескольких тысяч километров при допустимом времени распространения сигнала. Результаты выполненных экспериментальных исследований подтвердили теоретические характеристики сейсмических и гидроакустических линий связи. В настоящее время подтверждена практическая возможность получения достоверно высоких характеристик этих линий связи на коротких трассах.
Использование радиолиний в диапазоне КНЧ позволит, по нашему мнению, значительно увеличить глубину проникновения радиоволн. Важным является и тот фактор, что такими радиолиниями можно обеспечить все ПЛ существующих проектов. Вместе с тем в силу ограниченного финансирования в настоящее время проводятся только поисковые исследования по изучению канала распространения КНЧ полей, измерению уровня помех и выбору способов передачи и обработки информации.
Известно, что для связи с ПЛ в любое время и на глубинах, обеспечивающих скрытность их действий, можно использовать диапазон СНЧ, радиоволны которого обладают незначительным коэффициентом затухания при проникновении в водную среду и повышенной устойчивостью к излучениям от ядерных взрывов. При использовании достаточно мощного передатчика радиоволны СНЧ распространяются на расстояние более 10 тыс. км и проникают на глубину до 100 м. Однако такая система имеет чрезвычайно высокую стоимость.
Надежность связи с глубокопо-груженными ПЛ может быть обе-
спечена также за счет применения лазера, который позволит передавать большой объем информации с высокой скоростью. Это исключит применение других средств связи, так как системы лазерной спутниковой связи способны обеспечить оперативно-тактический и стратегический уровни управления6.
Для лазерной связи наиболее оптимальным участком светового диапазона является сине-зеленый спектр, при работе в котором связь в водной среде может осуществляться с наименьшими потерями на глубине. Создание лазерной связи сопряжено с рядом технических трудностей, тем не менее в настоящее время проводятся эксперименты с лазером и рассматриваются три основных конструктивных варианта его формирования.
В первом варианте предполагается, что пассивный спутник-ретранслятор будет оснащен крупноразмерным отражателем-рефлектором и сопряжен с мощным наземным лазерным передатчиком, во втором — на спутнике размещается достаточно мощное передающее устройство и на несколько порядков более мощная энергетическая установка. В обоих
Результаты выполненных
экспериментальных исследований подтвердили теоретические характеристики сейсмических и гидроакустических линий связи. В настоящее время подтверждена практическая возможность получения достоверно высоких характеристик этих линий связи на коротких трассах.
вариантах надежность связи обеспечивается с помощью высокоточной системы наведения и сопровождения лазерного луча. Третий вариант предусматривает создание лазерного луча с помощью линз и зеркал, концентрирующих солнечную энергию.
По мнению зарубежных специалистов в первом варианте можно реализовать лазер мощностью 400 Вт с частотой повторения импульсов до 100 Гц, во втором — разместить на орбите лазер мощностью 10 Вт с частотой повторения импульсов 18 Гц. Ожидается, что экспериментальный образец системы лазерной связи может быть развернут уже в 2020 году, а после 2025 года — создана рабочая аппаратура.
Экипажи ПЛ, независимо от их целевого предназначения, при выполнении боевых задач для обеспечения скрытности соблюдают режим радиомолчания. Лишь в исключительных случаях (доклад об аварии, сведений особой важности или о невозможности продолжить выполнение боевой задачи и др.) они ведут радиопередачи. Чтобы ПЛ находилась на поверхности или на перископной глубине с работающим радиопередатчиком минимальное время, связь осуществляется посредством высокоскоростной передачи данных в цифровом виде через спутниковую систему связи, а также в КВ диапазоне. Существующая сеть береговых станций обеспечивает ведение таких передач на сменных частотах КВ диапазона с высокой надежностью.
На надежность работы радиоаппаратуры на ПЛ влияют антенные устройства, к которым предъявляются следующие основные требования: минимизация потерь энергии при ее преобразовании; малая размерность; широкополосность; обеспечение все-направленности распространения радиосигнала; герметичность; обтекаемость; сохранение скоростных,
маневренных и шумовых характеристик подводных лодок.
Условием выполнения первого требования является обязательное согласование линии передачи (коаксиального кабеля) с нагрузкой.
Широкополосность определяется фиксированными размерами лодочных антенн. По конструктивным соображениям целесообразно иметь одну антенну для всего диапазона КВ. С технической точки зрения, по нашему мнению, было бы идеальным иметь полуволновую вертикальную антенну для каждой частоты в указанном диапазоне, которая обеспечивала бы круговую диаграмму направленности при малых углах с малыми поверхностными потерями.
Всенаправленность антенн исключает необходимость подводной лодке в период связи следовать определенным курсом. Большинство антенн ПЛ имеет круговую диаграмму направленности. Исключение составляют приемные СНЧ и СДВ антенны, характеристиками которых можно управлять7.
Обтекаемость антенн необходима для уменьшения следности при перископной глубине погружения и исключения акустических шумов от них. Для этого мачты выдвижных
устройств в верхней части помещены в обтекаемые кожухи.
Конструктивно антенны, установленные стационарно на ограждении рубки, более удобны, чем буксируемые. Однако они размещаются в пределах электромагнитного поля ПЛ. Для осуществления приема на СДВ в качестве антенны радиопеленгатора широко применяется рамочная антенна.
Для приема радиосигнала в диапазонах длинных волн (ДВ) и сверхдлинных волн (СДВ) на ПЛ используются магнитные рамочные антенны с ферритовыми сердечниками, сочетающие ферромагнитные и диэлектрические свойства. Магнитные антенны размещаются горизонтально на ограждении рубки или внутри нее, имеют небольшие размеры и применяются на любых скоростях ПЛ в подводном или надводном положении. Антенна состоит из ферритово-го сердечника, на котором размещена обмотка, закрытая электростатическим экраном8.
Наиболее оптимальным способом увеличения глубины подводного приема считают применение буксируемых антенн, в том числе антенн положительной плавучести (рисунки 1, 2).
Рис. 1. Структурная схема буксируемой цифровой приемной гидроакустической антенны
1 — подводный объект;
2 — волоконно-оптический кабель;
3 — стабилизатор;
4 — гидрофоны (датчики); 5 — приемный блок
Рис. 2. Блок-схема приемного блока буксируемой гидроакустической антенны
1 — лазер; 2 — светоделитель; 3 — ячейка Брегга; 4 — волоконный гидрофон; 5 — детекторы; 6 — опорный луч; 7 — блок формирования характеристик направленности; 8 — блок окончательной обработки и представления результатов
Поскольку длина антенны намного меньше длины волны, то диаграмма направленности имеет вид восьмерки. Антенна положительной плавучести на ПЛ конструктивно выполнена в виде двух слоев пористого полиэтилена положительной плавучести. Длина приемной антенны — 300 м. В буксируемых кабельных антеннах отсутствует информация о необходимых параметрах буксировки антенны (скорость, глубина), обеспечивающих энергетический контакт с корреспондентом, что может привести к потере связи.
Таким образом, для обеспечения надежной радиосвязи с погруженной ПЛ, в ближайшей перспективе необходимо решить главные проблемы, как:
• создание и практическая реализация канала связи в диапазоне КНЧ;
• создание и практическая реализация оптического (лазерного) канала связи;
• создание и практическая реализация гидроакустического канала связи;
• совершенствование буксируемой рамочной и магнитной антенн, обеспечивающих прием информации (сигналов) при нахождении ПЛ в погруженном и в надводном (перископном) положениях.
С расширением и усложнением задач, возлагаемых на ПЛ, повышаются требования к техническим средствам связи: радиосвязь должна быть своевременной, непрерывной, достоверной, не нарушать скрытности местоположения и не ограничивать возможности маневрирования по курсу, скорости хода и глубине погружения.
Вместе с тем существующие средства радиосвязи не в полной мере соответствуют этим требованиям по целому ряду причин:
• при повышении скорости передачи до требуемых значений значительно возрастают энергетические потери радиосигналов в морской воде, что препятствует их приему на рабочих глубинах погружения;
• наличие выпускных буксируемых радиоантенн ограничивает маневренность и скрытность ПЛ.
Не следует забывать и о том, что в период боевых действий изменятся условия работы каналов связи. В частности, значительно возрастет поток информации и усилится радиопротиводействие. Поэтому необходимо и в дальнейшем проводить исследования по изысканию нетрадиционных способов связи, разработке новых методов передачи
Полагаем, что реализация технологии подводной акустической связи не сможет обеспечить высокую
оптических сигналов в «окне прозрачности» морской воды.
Считаем целесообразным и необходимым создание глобальной сети высокоскоростной помехозащищен-ной оптической связи через высокоорбитальные космические аппараты (КА), что, по нашему мнению, обеспечит связь как с погруженными ПЛ, так и между ними, атмосферные оптические линии связи в тактическом звене управления и передачу телевизионных изображений в реальном масштабе времени.
Основная цель создания оптического канала связи «летательный аппарат — подводный объект ВМФ» состоит в построении комплекса технических средств для своевременной передачи сигналов управления и целеуказания через КА-ретрансляторы на погруженные подводные объекты (рис. 3).
скорость передачи данных, поэтому оптическая беспроводная связь предложена нами в качестве альтернати-
Рис. 3. Оптический канал связи «летательный аппарат — подводный объект ВМФ»
вы. Под водой используется сине-зеленый или голубой спектр сигнала. Скорость передачи информации на глубину 50—200 м составляет в зависимости от гидрооптических свойств воды 1 —10 Мбит/с9. По нашему мнению, развитие системы связи должно быть направлено на создание сети высокоскоростной и помехозащи-щенной оптической связи между разнородными силами с целью повышения надежности радиосвязи с погруженными подводными объектами и оперативности управления ими.
Результаты анализа существующего состояния элементной базы и тенденции ее развития позволяют прогнозировать высокие характеристики каналов связи в диапазоне КНЧ, лазерных, сейсмических и гидроакустических линий связи, что, как мы предполагаем, обеспечит достижение больших дальностей связи с глубокопогруженными ПЛ, сокращение времени передачи информации, уменьшение массогабаритных характеристик технических средств связи, повышение уровня автоматизации процессов связи и высокой технической надежности.
Таким образом, дальнейшее развитие системы радиосвязи с ПЛ будет происходить в основном за счет повышения ее качества путем совершенствования системы и организа-
С расширением и усложнением задач, возлагаемых на ПЛ, повышаются требования к техническим средствам связи: радиосвязь должна
быть своевременной, непрерывной, достоверной, не нарушать скрытности
местоположения и не ограничивать возможности маневрирования по курсу, скорости хода и глубине погружения.
ции связи, внедрения в опорную сеть новых высокоэффективных береговых объектов связи и информационных технологий, обеспечивающих удобный доступ к единому информационному пространству должностных лиц в соответствии с их компетенцией, а также за счет обеспечения непрерывной связи Главного штаба ВМФ с силами, выполняющими задачи в море, на оперативный радиус их действий и на полную рабочую глубину подводных лодок в любых условиях обстановки как в мирное, так и в военное время.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Дорогов К.В., Коваленко С.Д. Системы связи ВМФ. URL: https://flot.com/science/ rv6.htm (дата обращения: 16.06.2020).
2 Катанович А.А., Ершов В.Н. Комплексы и системы связи ВМФ. СПб.: Судостроение, 2014. 231 с.
3 Там же.
4 Дробленков В.Ф. Угроза из-под воды. М.: Воениздат, 1968.
5 Катанович А.А. Метод определения расстояния от погруженной подводной
лодки до грунта // Журнал «Успехи современной радиоэлектроники». 2016. № 10. С. 40—47.
6 Макаров А.В. Средства связи с подводными лодками США // Зарубежное военное обозрение. 1986. № 5.
7 Дробленков В.Ф. Угроза из-под воды.
8 Катанович А.А., Ершов В.Н. Комплексы и системы связи ВМФ.
9 Катанович А.А., Николашин Ю.Л. Корабельные оптические системы связи. СПб.: Судостроение, 2009. 239 с.
