Направления развития средств связи подводных лодок ВМС зарубежных стран ч2 (2022)

А. Береговой

В первой части статьи* раскрыта тема важности развития средств связи подводных лодок ВМС зарубежных стран как одном из основных условий успешного оперативного взаимодействия участников боевых действий на морских и океанских ТВД. В частности, автор детально остановился на средствах радио-, спутниковой и звукоподводной связи. Во второй части будет продолжено описание средств звукоподводной связи и раскрыта тема оптической.

В последние годы одним из приоритетных направлений развития звукоподводной связи (ЗПС) является совершенствование средств цифровой ЗПС прежде всего в направлении стандартизации протоколов связи всех уровней OSI (Open Systems Interconnection, семиуровневая сетевая модель взаимодействия открытых систем). Применение сетей и средств с открытой архитектурой предоставляет большие возможности по интеграции гидроакустической, гидрологической информации и других данных, получаемых по каналам ЗПС. Это также упрощает и снижает стоимость их установки, замены и позволяет унифицировать подход к обеспечению кибербезопасности.

Протокол «Янус» – первый единый стандарт для стран НАТО в области звукоподводной связи

Схема взаимодействия устройств в сети «Салса»

Размещение антенн гидроакустических станций на подводной лодке проект 212А

Примерные области рабочих частот различных гидроакустических станций

Первый единый стандарт для стран НАТО в данной области – это протокол "Янус" (JANUS, или STANAG 4748), который может применяться для связи с аварийной ПЛ, а также в системе автоматической идентификации (АИС) или для обмена SMS/чат-сообщениями.

Для его создания был разработан совместный проект сети звукоподводной связи высокой стойкости "Ракан" (RACUN – Robust Acoustic Communications in Underwater Networks), в котором в период с 2010 по 2014 год принимали участие Германия, Италия, Норвегия, Швеция и Нидерланды под общим руководством европейского оборонного агентства (EDA).

Его реализация была продемонстрирована на примере сети связи с ПЛ, развернутой в районе моря на площади 4,5 × 1,5 миль и включающей стационарные средства связи, радиобуи-шлюзы, надводные корабли и автономные подводные аппараты. В типовых сценариях при проведении противоминных и разведывательных действий среднее время передачи сообщений составило менее 2 мин с вероятностью успешной доставки 70–90%

Для испытаний, проведенных в мае 2018 и ноябре 2019 года, комплекты аппаратуры UT‑3000 с подключенными устройствами конвертирования сообщений в соответствии с требованиями программы "Янус" были установлены на подводных лодках "Арпео" и "Триденте" ВМС Португалии проекта 214 германской постройки. В ходе испытаний посланные с них текстовые сообщения в соответствующем протоколу формате были приняты установленной на плавучих платформах аппаратурой центра морских (Ла Специя, Италия). Дальность передачи текстовой информации при этом достигала 10 км, а цифровых изображений – несколько десятков метров.

Показанные результаты подтвердили полную совместимость устройств разных типов на уровне программных приложений (седьмой, наивысший уровень сетевых протоколов модели открытых систем OSI).

Для выполнения процедуры опознавания ПЛ "свой – чужой" (подобно используемой в авиации) был применен единый стандарт НАТО STANAG 1481, позволяющий определять государственную принадлежность авиационных, подводных и надводных носителей. Его функциональность была продемонстрирована на промышленной выставке MAST-2019 в Копенгагене.

Полученные в ходе выполнения проекта "Ракан" данные были учтены в программе "Салса" (SALSA – Smart Adaptive Long- and Short-range Acoustic Network), реализованной в период с 2016 по 2019 год с участием компании TNO и управления оборонных материалов Нидерландов под руководством агентства EDA. Она представляет собой адаптируемую сеть звукоподводной связи, предназначенную для ВМС пяти стран: Нидерландов, Норвегии, Германии, Швеции и Финляндии. При организации обмена данными по этой ЗПС оптимизируются детальные параметры режима приема–передачи различных пользователей в конкретных условиях среды, позволяющие автоматически переходить на сетевые протоколы высших уровней.

Комплект аппаратуры UT‑3000 со встроенным модулем сети "Салса", установленный на надводном корабле (НК) или ПЛ, может выступать в роли узла связи, полностью совместимого с различными платформами – АНПА, радиобуями-шлюзами и оборудованием, заякоренным в придонном слое.

Такая сеть повышает эффективность действий при решении задач противолодочной обороны, разведки и наблюдения, противоминных операций, а также оперативного анализа состояния гидрологии моря на ТВД. Продолжением проекта "Салса" явился проект "Свармз" (SWARMs) – совместное использование групп автономных подводных аппаратов для обследования донной поверхности, создания акустического портрета участка моря и проведения других операций с применением защищенной акустической связи, в котором участвовали около 30 компаний из 10 cтран.

Французская компания "Талес" предлагает несложный набор оборудования "подводный телефон" под индексом TUUM-4, который преобразует голосовой сигнал в акустический, передаваемый в диапазоне 1,45–50 кГц, с обратным преобразованием на приемной стороне.

В нем имеется 20 программируемых каналов, передача может вестись как направленно, так и в круговом секторе.

Для аварийной связи с борта ПЛ был создан портативный автономный комплект TUUM5 с тремя каналами связи на дальности до 7 км, а также вариант TUUM6, оптимизированный для обмена цифровыми данными (в дополнение к голосовым) с акустическим модемом, работающим со скоростью передачи 100, 250 и 500 бод.

Германская компания "Атлас электроник" разработала концепцию сети односторонней акустической связи, интегрированной в гидроакустические комплексы ПЛ. Она позволяет при помощи бортового оборудования гидроакустических станций (ГАС) принимать акустические сигналы на дальности до нескольких десятков километров, в которых могут быть записаны в зашифрованном цифровом виде данные тактической обстановки, гидрологические и метеоданные, а также текстовые сообщения.

Большинство ПЛ оборудованы ГА-антеннами трех видов – буксируемые, бортовые и носовые, работающие в пассивном режиме.

Лодки некоторых типов также оснащаются широкоапертурными антеннами и антеннами перехвата сигналов активных ГАС.

Это обеспечивает обнаружение сигналов ГАС практически во всем рабочем диапазоне частот.

Для приема акустического сигнала связи от другого подводного объекта не требуется дополнительного оборудования, достаточно дополнить ПО гидроакустического комплекса ПЛ программами их обработки и декодирования, разработанными по протоколу "Янус".

Успешные морские испытания прототипа программного модуля в рамках проекта "Ракан" были проведены в 2014 году в заливе Ла Специя под руководством центров исследований морских технологий и испытаний Германии и НАТО. Компания "Атлас электроник" продолжает работу над созданием единой сети связи на морских ТВД на базе интеграции сетей ЗПС с использованием радиобуев типа "Гейтвей" и модемов UT-3000 с противолодочными комплексами НК.

Для улучшения качества акустической связи применяются различные программные методы, например, мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM), за счет которого можно повысить скорость передачи данных без применения фильтров-эквалайзеров. Однако из-за доплеровского эффекта качество связи с движущимися объектами при этом может снижаться вплоть до ее потери.

Также режим работы зависит от района его нахождения, поэтому настройки аппаратуры для прибрежной зоны могут не работать в глубоководном районе моря, и наоборот.

Большинство акустических модемов в сетях ЗПС функционируют в полудуплексном режиме ввиду невозможности одновременной передачи сигнала двумя пользователями, а из-за неопределенности их параметров применяется топология "звезда" с центральным узлом связи.

Степень затухания акустического сигнала пропорциональна частоте, то есть с повышением частоты уменьшается дальность связи, но увеличивается скорость передачи, поэтому в каждом случае ищется компромисс между параметрами скорости передачи данных и дальности связи.

Это позволяет передавать команды и сообщения на подводные объекты, включая стационарные донные средства и автономные подводные аппараты, но для обмена видеоинформацией этого недостаточно.

Скорость передачи данных, которая не превышает сотен килобит в секунду, корректируется модемом автоматически исходя из условий среды.

Для экономии энергии модема, установленного на борту автономного необитаемого подводного аппарата (АНПА), при отсутствии приема-передачи данных предусмотрен переход в "спящий" режим.

Средства оптической связи. Основным недостатком акустического способа связи является ограниченная скорость передачи данных. Это послужило стимулом к развитию средств подводной оптической связи (ПОС), которые при небольшой мощности обеспечивают высокоскоростной обмен данными на малой дальности.

Преимуществом ПОС является отсутствие буксируемой антенны, снижающей ходовые качества ПЛ, или выдвижной антенны, обнаруживаемой авиацией или надводными кораблями. Сеть на основе светодиодов синего/зеленого свечения или лазерного диода может стать альтернативным способом связи, при котором оптический датчик, размещенный на принимающей стороне, настроен на определенную волну и способен отфильтровывать сигнал, передаваемый ПЛ, от проникающего солнечного света.

Схема конфигурации сети подводной связи с применением лазерных источников сигнала

Примеры гибридных сетей подводной связи: акустооптическая (вверху) и радиооптическая (внизу)

Такая система будет востребована прежде всего при передаче больших объемов данных на  расстояние в несколько сотен метров между подводными и надводными абонентами со скоростью передачи данных, достигающей нескольких Гбит/c.

Основными помехами являются большой уровень турбулентности среды, особенно в прибрежной акватории, и загрязненность воды частицами растений и микроорганизмов, а также солнечный свет.

Для оценки характеристик такой сети центром исследований морских технологий МО Германии в октябре 2017 года были проведены испытания в западной части Балтийского моря. Для этого был выбран лазер с длиной волны 532 нм и оптический модем, подключенные к шине данных стандарта "Эзернет" (оба устройства производства компании "Хензолдт", г. Оберкохен). Скорость передачи данных была ограничена 100 Мбит/с, поскольку основная цель – проверка бесперебойной передачи достоверной информации. В условиях искусственно созданной турбулентности на глубине 6 м в двухканальном режиме 120 Мбайт информации были успешно переданы со средней скоростью 13 Мбит/c.

В 2018 году британская компания "БлюКомм" представила акустооптическую систему связи, работающую в синем участке спектра (450 нм), скорость обмена данными в которой достигает более 500 Мбит/с. При этом для передачи 1 Гбайт информации на дальность 150 м была затрачена энергия одной батарейки размера D. Передатчик состоит из массива светоизлучающих диодов, приемник – из фотодиодов, информация от которых по шине "Эзернет" пересылается в устройство управления.

Модификация системы "Блюкомм-5000" использует два лазерных источника, формирующих дуплексный канал связи со скоростью передачи до 500 Мбит/с и может устанавливаться на ПЛ или АНПА.

Аналогичные разработки ведутся также и в других странах (Канада, Финляндия и другие).

На базе лазерных средств возможна реализация проекта гибридной акустооптической сети, которая обеспечит проведение совместных операций групп автономных подводных аппаратов и ретрансляцию получаемых от них данных на береговые центры и надводные корабли.

Они используют преимущества обоих способов, а именно: на малой дальности идет высокоскоростной обмен данными по оптическому каналу связи; на большой – задействуется акустический модем, причем способ передачи выбирается сетью автоматически. Кроме того, возможен гибрид радио- и оптической сети.

В ряде стран также ведутся исследования возможностей средств связи, использующих свойство магнитной индукции.

На основании вышеперечисленного в перспективных сетях связи подводных лодок возможно применение комплексного подхода к использованию различных способов связи, исходя из условий обстановки, типа носителя средств связи с обеих сторон и выполнения требований по помехоустойчивости, достоверности, дальности и скорости передачи данных с соблюдением необходимого уровня кибербезопасности. Такая структура аналогична мобильному телефону, в котором есть модули 4G-связи, WiFi, "Блютуз" и NFC (Near-Field Connection), используемые для решения различных задач.

Таким образом, в зарубежных странах ведутся активные исследования и разработки в области внедрения технологий улучшения существующих средств связи с подводными лодками и создания новых средств с высокими характеристиками, обеспечивающими достаточную эффективность боевых действий современных и перспективных ПЛ в составе соединений, их функционирования в едином информационно-коммуникационном пространстве.

Таблица 1 Сравнительные ТТХ различных акустических модемов
Тип модема	Дальность действия, м	Скорость, кбод	Рабочая частота, кГц	Мощность, Вт	Масса, кг
Link Quest UWM2000	1500	17,8	35	1	4,2
Link Quest UWM3000	3000	5	10	12	6,7
Link Quest UWM4000	4000	8,5	17	7	8,2
HERMES	1200	150	310	32	–
Evo Logic S2C R48/78	2000	28	63	80	6,5
Evo Logic S2C R18/34	4500	14	24	80	6,5
Evo Logic S2C R8/16	10000	6,5	12	80	7,8

 
 

Таблица 2 Сравнительные характеристики режимов оптической подводной связи
Дальность, м	Мощность, Вт	Источник	Скорость передачи
30–50	1	Лазер	1 Гбит/c
20–30	0,5	Синий светодиод	До 10 кбит/c
2	0,01	Лазерный диод	1 Гбит/c
31 (глубокое море), 18 (океан), 11 (мелководье)	0,1	Светодиод	Гбит/c
30 (бассейн), 3 (океан)	5	Светодиод	1,2 Мбит/c, 0,6 Мбит/c
64 (океан), 8 (акватория порта)	3	Лазер	5 Гбит/c, 1 Гбит/c
7 (акватория порта)	0,012	Лазер	2,3 Гбит/c
20–30	0,03	Светодиод	1 Мбит/c (30 м) 10 Мбит/c (20 м)
200	5	Светодиод	1,2 Мбит/c
4,8	0,04	Лазер	1,45 Гбит/c
5,4	0,015	Лазер	4,8 Гбит/c

    
   

Таблица 3 Оценочные характеристики различных способов связи с подводными лодками
Параметры	Радио- частотный	Акусти- ческий	Оптический	Магнито- индукционный
Скорость распространения сигнала	33,333 км/c	1 500 м/c	33,333 км/c	33,333 км/c
Потери мощности	28 дБ/м/100 МГц	0,1 дБ/м/ед.  Гц	н/д	н/д
Рабочий диапазон частот	ед. МГц	ед. кГц	10–150 МГц	ед. МГц
Скорость передачи данных	ед. Мбит/c	ед. кбит/c	ед. Гбит/c	ед. Мбит/c
Диаметр антенны	0,5 м	0,1 м	0,1 м	0,5–2 м
Эффективная дальность	10 м	ед. км	10–100 м	10–100 м
Основные преимущества	Высокая скорость передачи, широкая полоса	Малое затухание	Очень высокая скорость передачи	Высокая скорость передачи, широкая полоса, стабильность
Основные недостатки	Большое затухание в воде	Низкая скорость передачи, узкая полоса	Быстрое поглощение и рассеяние

 * См.: Зарубежное военное обозрение. – 2022. – № 10. – С. 75–80.

Зарубежное военное обозрение. - 2022. - №11. - С. 70-80