Υποβρύχιες Τηλεπικοινωνίες

Λόγω της υψηλής αγωγιμότητας του θαλασσινού νερού, τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα, που χρησιμοποιούνται για τις στρατιωτικές τηλεπικοινωνίες, δεν μπορούν να το διαπεράσουν. Αυτό δημιουργεί μεγάλα προβλήματα στα υποβρύχια, ειδικότερα όταν αυτά οφείλουν να παραμένουν κρυμμένα σε μεγάλα βάθη. Η αδυναμία χρήσης τυπικών τηλεπικοινωνιών για την επικοινωνία με υποβρύχια ώθησε τις χώρες που διαθέτουν μεγάλους στρατηγικούς στόλους (κυρίως ΗΠΑ, Ρωσία και Κίνα) να ερευνήσουν και να αναπτύξουν νέους τρόπους και μέσα.

Τα πρώιμα υποβρύχια του Β’ΠΠ ταξίδευαν κυρίως στην επιφάνεια, όπου και μπορούσαν να αναπτύσσουν ιστούς με κεραίες ώστε να λαμβάνουν εντολές από τα αρχηγεία τους μέσω φωνής, κώδικα Μορς ή ραδιοτηλέτυπο. Αργότερα και κατά την διάρκεια του Ψυχρού Πολέμου, με την εισαγωγή των πυρηνοκίνητων υποβρυχίων, που η αποστολή τους απαιτεί να παραμένουν βυθισμένα για μήνες, έπρεπε να βρεθούν άλλες λύσεις ώστε να λαμβάνουν εντολές. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό αφού για παράδειγμα στις ΗΠΑ, ο υποβρύχιος στόλος φέρει πάνω από το 50% του πυρηνικού αποτρεπτικού οπλοστασίου τους.

Τα υπερμακρά κύματα VLF συχνοτήτων 3-30 kHz μπορούν να διαπεράσουν θαλασσινό νερό για λίγες δεκάδες μέτρα. Έτσι, υποβρύχια σε μικρά, άρα και επικίνδυνα βάθη, μπορούν να λαμβάνουν τέτοια σήματα. Ωστόσο, το εύρος ζώνης σημάτων σε τόσο χαμηλές συχνότητες είναι πολύ περιορισμένο, κάτι που καθιστά αδύνατη τη μεταφορά φωνής. Ως εκ τούτου, συστήματα τηλεπικοινωνιών VLF, όπως το αμερικανικό VERDIN, μπορούν να μεταφέρουν μόνο ψηφιακά δεδομένα με πολύ χαμηλές ταχύτητες, περίπου 300 bits/s ή 37 χαρακτήρες το δευτερόλεπτο.

πλέον, μια οικιακή σύνδεση στο ίντερνετ ξεπερνάει ταχύτητες των 100000000bits το δευτερόλεπτο, δηλαδή 300.000 φορές περισσότερο.

Σχήμα 0. Κεραία πομπού VLF στο Skelton στην Αγγλία ύψους 365 μέτρων. Πρόκειται για το ψηλότερο κτίσμα σε όλο το Ηνωμένο Βασίλειο και χρησιμοποιείται για τηλεπικοινωνίες με τα υποβρύχια του προγράμματος Trident και από κοινού με τις ΗΠΑ.

Επιπλέον, καθώς το μέγεθος μιας κεραίας είναι αντιστρόφως ανάλογο της συχνότητας στην οποία λειτουργεί, για την εκπομπή αλλά και την λήψη σημάτων VLF απαιτούνται πολύ μεγάλες κεραίες με μήκη κοντά στα 10 χιλιόμετρα! Αν και αυτό δεν είναι μεγάλο πρόβλημα για τους πομπούς στην ξηρά, τα υποβρύχια πρέπει να απλώνουν και να σέρνουν σε ευθεία ένα καλώδιο μερικών χιλιομέτρων σε μικρά βάθη. Το πρόβλημα αυτό λύνεται εν μέρη με την χρήση σημαδούρας, η οποία απλώνει την VLF κεραία κοντά στην επιφάνεια και συνδέεται μέσω καλωδίου στο υποβρύχιο, που θα παραμένει κρυμμένο σε μεγαλύτερα βάθη.

Σχήμα 1

Η εναέρια πλατφόρμα TACAMO αναπτύχθηκε από τις ΗΠΑ ώστε να μην βασίζεται ο στόλος αποκλειστικά σε επίγειους πομπούς VLF , οι οποίοι προφανώς και είναι στόχοι προτεραιότητας του εχθρού. Το αεροσκάφος απλώνει μια κεραία μήκους 10 χιλιομέτρων και είναι εφοδιασμένο με πομπό VLF ισχύς 200 Kw. Καθώς η διείσδυση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο νερό ευνοείται από την κατακόρυφη πόλωση, το αεροσκάφος ακολουθεί μία κλειστή, κυκλική τροχιά όταν εκπέμπει, που σε συνδυασμό με ένα μικρό αλεξίπτωτο στην άκρη της κεραίας, την κρατάει σχετικά κατακόρυφα. Αυτό αυξάνει την αποτελεσματικότητα κατά 50% σε σχέση με το αν πέταγε σε ευθεία και η κεραία παρέμενε οριζόντια. Αντίστοιχη πλατφόρμα διαθέτει και η Ρωσία με όνομα Tu-142MR «Bear-J»

Σχήμα 2. Αριστερά: πρώτη έκδοση TACAMO σε Lockheed EC-130. Μέση, κάτω: τωρινή έκδοση TACAMO σε Boeing 707. Δεξια: Tu-142MR που διακρίνεται από το καρούλι της κεραίας που εξέχει κάτω και απο την κεραία HF στην κορυφή της ουριαίας πτέρυγας που εξέχει προς στα μπροστά.

Η Γαλλία είχε αγοράσει εναέρια συστήματα VLF (τα ίδια με τα TACAMO) από τις ΗΠΑ και τα ενσωμάτωσε με εγχώριους εργολάβους σε 4 C-160 Transall για επικοινωνίες με τον δικό της πυρηνικό υποβρύχιο στόλο. Το τελευταίο αποσύρθηκε το 2001 έχοντας καταγράψει πάνω από 27,000 ώρες πτήσεις, ενώ αντικαταστάθηκαν από μη επανδρωμένα, σταθερά αερόστατα από τα οποία κρέμονται κεραίες VLF (SYDEREC).

Σχήμα 3. Αριστερά: Γαλλικό C160H Astarté που διακρίνεται από τον κόκκινο κώνο (αλεξίπτωτο) της άκρης της κεραίας στο πίσω μέρος. Δεξιά: Το σύστημα εκπομπής VLF TACAMO σε EC-130.

Σχήμα 4. Η κυκλική τροχιά του αεροσκάφους μαζί με ένα μικρό αλεξίπτωτο στην άκρη της κεραίας, την αναγκάζει να παραμένει σχετικά κατακόρυφη, αυξάνοντας την αποτελεσματικότητα της εκπομπής.

Το πρόβλημα της περιορισμένης διείσδυσης των VLF κυμάτων στο θαλασσινό νερό λύνουν κύματα ακόμη χαμηλότερων συχνοτήτων, ELF (extremely low frequencies) από 3 έως 30 Hz. Καθώς οι κεραίες που θα απαιτούντο για την εκπομπή τέτοιων κυμάτων θα πλησίαζαν σε μήκος την περιφέρεια της Γης, έπρεπε να βρεθεί άλλη λύση, αρχικά από τις ΗΠΑ, ώστε να αποκτήσει το US Navy αυτήν την μοναδική δυνατότητα επικοινωνίας με υποβρύχια από οποιοδήποτε βάθος. Την λύση πρότεινε ο Έλληνας φυσικός Νικόλαος Χριστοφίλου και εφαρμόστηκε από τις ΗΠΑ ως Project ELF ή Project Sanguine, χρησιμοποιώντας τον φλοιό της Γης ως κεραία για ηλεκτρομαγνητικά κύματα τόσο χαμηλών συχνοτήτων. Ωστόσο, λόγω της φύσης των κυμάτων, το εύρος ζώνης είναι ακόμη πιο περιορισμένο, επιτρέποντας την εκπομπή μόνο 3 χαρακτήρων ανά 15 λεπτά! Εν τέλη, το 2004 οι ΗΠΑ έπαυσαν να χρησιμοποιούν το Project ELF καθώς άλλα μέσα επικοινωνίας είχαν εξελιχθεί περαιτέρω. Σήμερα, η Ρωσία, η Κίνα και η Ινδία εξακολουθούν χρησιμοποιούν αντίστοιχα συστήματα ELF που ανέπτυξαν εγχώρια για τους δικούς τους στόλους πυρηνικών υποβρυχίων.

Σχήμα 5. Αριστερά: Kεραία τύπου ground dipole για εκπομπή κυμάτων ELF. Αποτελείται από επίγεια καλώδια μεγάλου μήκους που γειώνονται στις άκρες τους. Δεξιά: Πομπός του Project ELF στο Wisconsin. Αριστερά του διακρίνονται οι 2 εγκάρσιες μεταξύ τους κεραίες μήκους 22 χιλιομέτρων.

Τόσο οι πομποί VLF όσο και οι ELF, λόγω των φυσικών ιδιοτήτων των η/μ κυμάτων χαμηλών συχνοτήτων, έχουν σχεδόν παγκόσμια κάλυψη. Είναι προφανές πως τέτοια συστήματα επικοινωνιών είναι μονόδρομα, δηλαδή επιτρέπουν την αποστολή σημάτων μόνο από την ξηρά (ή αέρα) προς το υποβρύχιο και όχι αντίστροφα. Τέλος, πέρα από τον περιορισμό στην ταχύτητα αποστολής δεδομένων, η ανάπτυξη κεραίας (ή σημαδούρας με κεραία) από το υποβρύχιο, το αποτρέπει από το να πραγματοποιεί ελιγμούς και δεν είναι πάντα εφικτή.

Η ιδέα της σημαδούρας ως φορέα κεραιών για το υποβρύχιο εξελίχθηκε περαιτέρω. Τα ναυτικά των ΗΠΑ, Ρωσίας και Κίνας αξιοποιούν ήδη από την δεκαετία του 60 αναπτυσσόμενες σημαδούρες στα υποβρύχιά τους που φέρουν πλήθος συστημάτων τηλεπικοινωνιών. Το υποβρύχιο παραμένει βαθιά ενώ η σημαδούρα αναδύεται επιτρέποντάς του να επικοινωνεί με τα ίδια μέσα που θα επικοινωνούσε αν βρισκόταν στην επιφάνεια, όπως SATCOM, V/UHF, HF, Link 16 κ.ο.κ. Η σημαδούρα ενδεχομένως να φέρει ηλεκτρονικά περισκόπια, ESM και άλλα όργανα που διαθέτει το υποβρύχιο στην γέφυρά του, τα οποία μπορεί πλέον να χρησιμοποιεί χωρίς να αναδύεται. Βέβαια, η σημαδούρα μπορεί να εντοπιστεί από εχθρικά ραντάρ, κάμερες ή συστήματα ESM.

Σχήμα 6. Αριστερά πάνω: AN/BSQ-5 Towed Buoy. Αριστερά κάτω: AN/BRA-10, η πρώτη επιχειρησιακή σημαδούρα επικοινωνιών στο USS Cavalla. Δεξιά πάνω: Σημαδούρα σε ρωσικό υποβρύχιο. Δεξιά κάτω: AN/BRR-6 στο USS Tennessee.

Σχήμα 7. Σημαδούρα τηλεπικοινωνιών CALLISTO σε γερμανικό υποβρύχιο Type 212A Batch II με δυνατότητα SATCOM. Συνδέεται με το σκάφος μέσω οπτικής ίνας.

Τα ηχητικά κύματα, σε αντίθεση με τα ηλεκτρομαγνητικά και όντας μηχανικά κύματα, διαδίδονται αρκετά καλά στο νερό, λόγω των ελαστικών ιδιοτήτων του. Έτσι, αρκετές χώρες έχουν μελετήσει και αξιοποιούν ακουστικά συστήματα επικοινωνιών για τα υποβρύχια τους. Υποβρύχια τηλέφωνα χρησιμοποιούνται από το US Navy ήδη από τον Β’ΠΠ για να επικοινωνούν μέσω φωνής υποβρύχια και πλοία μεταξύ τους.

Σχήμα 8. Το υποβρύχιο τηλέφωνο AN/WQC-2 τέθηκε σε υπηρεσία το 1945 και έκδοσή του εξοπλίζει μέχρι και σήμερα όλα τα υποβρύχια και τα περισσότερα πλοία του US Navy.

Ακόμη, ορισμένες σημαδούρες που αναπτύσσονται από υποβρύχια ή αεροσκάφη δύναται να εκπέμπουν ηχητικά μηνύματα στα υποβρύχια της περιοχής, τα οποία λαμβάνουν από υδρόφωνα και αποκωδικοποιούν μέσω υπολογιστών. Ωστόσο, λόγω των χαμηλών συχνοτήτων που χρησιμοποιούνται, είναι αδύνατο να σταλούν μεγάλη όγκοι δεδομένων, άρα τα μηνύματα περιορίζονται σε λίγους χαρακτήρες.

Σχήμα 9. Φημολογείται ότι ορισμένες χώρες χρησιμοποιούν σταθερούς πομπούς στον πυθμένα της θάλασσας ώστε να στέλνουν μηνύματα σε κοντινά υποβρύχια. Ωστόσο περισσότερες πληροφορίες είναι διαβαθμισμένες.

Οι υποβρύχιες ηχητικές επικοινωνίες συνοδεύονται από δικά τους προβλήματα. Πέρα από το χαμηλό εύρος ζώνης, η διάδοση του ήχου στο θαλασσινό νερό επηρεάζεται από πολλούς παράγοντες, όπως θερμοκρασία, πίεση και αλατότητα. Στο σχήμα 10 βλέπετε το προφίλ ή καμπύλη ταχύτητας ήχου (SVP) στο θαλασσινό νερό και πώς αυτή αλλάζει ανάλογα με το βάθος. Θετική κλίση, δηλαδή απότομη αύξηση της ταχύτητας, τείνει να στρίβει τα ηχητικά κύματα προς τα πάνω και αντίθετα, αρνητική κλίση προς τα κάτω. Έτσι, δημιουργούνται άλλοτε «τυφλές ζώνες» shadow zones, στις οποίες ο ήχος είναι αδύνατον να φτάσει, ή κανάλια μέσα στα οποία ο ήχος παγιδεύεται και ταξιδεύει για πολλά χιλιόμετρα. Αυτό αξιοποιείται συχνά από υποβρύχια ώστε να κρυφτούν από εχθρικά σόναρ, αλλά καθιστά την ίδια στιγμή αδύνατη την επικοινωνία μέσω ήχου σε πολλές περιστάσεις. Ειδικότερα στο Αιγαίο πέλαγος το φαινόμενο εντείνεται λόγω των υψηλών θερμοκρασιών το καλοκαίρι και των υποβρύχιων ρευμάτων.

Σχήμα 10. Προφίλ (Καμπύλη) Ταχύτητας Ήχου για διάφορα βάθη.

Σχήμα 11. Αριστερά: Ζώνη σκιάς ή shadow zone ή sonic layer. Μέση, κάτω: Ο ήχος κατευθύνεται προς την επιφάνεια, όπου ανακλάται και συνεχίζει μέχρι να εξασθενίσει. Δεξιά: Ο ήχος παγιδεύεται σε ένα νοητό κανάλι και ανακλάται μεταξύ των τοιχωμάτων του, σαν η/μ κύμα σε καλώδιο.

Ένα άλλο πρόβλημα που προκύπτει, τόσο στις υποβρύχιες ηχητικές επικοινωνίες όσο και στο σόναρ, είναι το multipath. Ο ήχος που ταξιδεύει προς όλες τις κατευθύνσεις ανακλάται από την επιφάνεια, τον πυθμένα, πλοία κ.α. δημιουργώντας ηχώ, καθιστώντας έτσι την επικοινωνία φωνής ή δεδομένων αναξιόπιστη.

Σχήμα 12. Multipath.

Οι υποβρύχιες τηλεπικοινωνίες είναι τομέας υπό έρευνα και διαρκώς εξελισσόμενος. Ήδη από την δεκαετία του 80 η US Air Force πειραματίζονταν με δορυφορικές οπτικές τηλεπικοινωνίες λέιζερ με το πρόγραμμα LITE (Laser Intersatellite Transmission Experiment), σκαλοπάτι για το πρόγραμμα SLCSAT (Submarine Laser Communication Satellite) του US Navy. Ωστόσο, το φως στο νερό εξασθενεί πολύ γρήγορα, με ακτινοβολίες στην περιοχή του υπέρυθρου ή υπεριώδους φωτός να μην προσφέρουν πολλά για τον σκοπό αυτόν. Αντίθετα, το μπλε φως μπορεί να διεισδύσει στο θαλασσινό νερό για λίγες εκατοντάδες μέτρα καθιστώντας το ιδανικό. Χρήσιμα και αξιόπιστα λέιζερ μπλε χρώματος αναπτύχθηκαν το 1992 με την τεχνολογία να χρειάστηκε μερικά ακόμη χρόνια για να ωριμάσει. Τα λεγόμενα sea penetrating blue lasers έχουν τραβήξει κυρίως το ενδιαφέρον της Κίνας, ενώ -αν και άγνωστο- πολύ πιθανό να χρησιμοποιούνται ήδη για δορυφορικές τηλεπικοινωνίες υποβρυχίων από τις ΗΠΑ.

Σχήμα 13. Απόσβεση φωτός διαφόρων μηκών κύματος σε κάθε βάθος. Το μπλε φως φαίνεται να παρουσιάζει τον μικρότερο συντελεστή απόσβεσης στο νερό.

Στην πραγματικότητα όμως, λόγω άλλων φαινομένων και καιρικών συνθηκών, αν και οι οπτικές επικοινωνίες προσφέρουν μεγάλο εύρος ζώνης και πολύ υψηλές ταχύτητες διαβίβασης δεδομένων, δεν είναι αξιόπιστες σε μεγάλα βάθη κάτω από το νερό. Αντίθετα, σε βάθη μικρότερα των 20 μέτρων αξιοποιούνται ήδη για τηλεπικοινωνίες UUV (μη επανδρωμένων υποβρύχιων) σκαφών με ταχύτητες άνω του 1 gigabit/s.

Ακόμη, για τηλεπικοινωνίες μεταξύ πλοίων και υποβρυχίων, ή ακόμη αεροσκαφών και υποβρυχίων, μπορούν να αξιοποιηθούν ασύρματα δίκτυα αμοιβαίας επαγωγής (magneto-inductive communications). Τα δίκτυα αυτά μπορούν να προσφέρουν σχετικά υψηλές ταχύτητες μερικών megabit/s σε αποστάσεις μεγαλύτερες των 100 μέτρων, αξιοποιώντας μικρές κεραίες.

Σχήμα 14. Πρόταση (concept) για τηλεπικοινωνίες μεταξύ UAV και υποβρυχίου μέσω magneto-inductive coupling.