1. ОБЩАЯ ПАНОРАМА ДИАПАЗОНА VLF

: возможности и статус диапазона : : история и этапы освоения : : параметры передачи и их регламентация : : технический уровень и тенденции :

 

При рассмотрении в главе 1 части 1 особенностей каналов связи с подводными лодками кратко уже было уже отмечено, что диапазон VLF позволяет:

• обеспечить прием радиосигналов подводными лодками, находящимися в состоянии погружения без выноса антенн на поверхность, т.е без нарушения скрытности;
• обеспечить дальность радиосвязи при этом до 5 - 10 тысяч километров и более при глубине размещения приемных антенн до 10 - 30 метров и мощностях передающих радиостанций до 1 мегаватта;
• обеспечить размещение приемных антенн на требуемой для приема глубине при нахождении подводной лодки на глубинах до 300-500 метров;
• обеспечить параметры канала связи, достаточные для передачи на подводную лодку команд и данных целеуказания с приемлемой скоростью и достоверностью;
• обеспечить указанные выше параметры при сложности и стоимости проектирования и строительства передающих станций, посильных для развитых в экономическом и военно-техническом отношении стран.

Т.о., по соотношению затраты - выгоды использование диапазона VLF следует считать оптимальным решением для реализации основного канала односторонней глубоководной связи командный пункт - подводная лодка. Этот вывод подтверждается как историческими тенденциями, так и современным состоянием техники связи подводного флота.

Рис.1.1. Факторы выбора области использования диапазона VLF

 

Выбору диапазона VLF для реализации указанного канала способствовали не только его оптимальные технико-экономические параметры, но и наличие большого предшествущего опыта использования диапазона VLF для дальней радиосвязи, в т.ч. с морскими судами, который был наработан с начала XX века, и, соответственно, наличие в ведущих странах большого числа передающих VLF радиостанций, которые могли быть использованы для связи с подводными лодками на начальном этапе без какого-либо переоснащения.

 

Предвоенный период

Использование диапазона VLF для связи с морскими судами началось с самого начала зарождения радио. Необходимость же в радиосвязи с подводными лодками без нарушения их скрытности начала ощущаться уже со времен Первой Мировой Войны, что явилось стимулом для проведения исследований и разработок в области подводной радиосвязи. Обнадеживающие результы были получены во Франции и в США уже в десятых годах XX века.

Практически вся производимая с начала 30-х годов приемная аппаратура для подводных лодок уже имела VLF диапазон, в т.ч. для использования в целях радионавигации. В передающих береговых радиостанциях недостатка не было, т.к. они уже были понастроены в достаточно большом количестве для целей дальней радиосвязи в Европе, Америке и Японии компаниями Маркони и его конкурентами General Electric, RCA, Telefunken и др. Однако особого ажиотажа вокруг использования диапазона VLF в подводном положении не наблюдалось, и данный период касательно проблематики связи с подводными лодками в большинстве публикаций обходится молчанием.

Рис.1.2. Приемники для подводных лодок середины-конца 30-х годов с диапазоном VLF

(источники изображений: 1. www.uboatradio.com; 2. www.radioblvd.com.)

 

Вторая Мировая Война

Наиболее активно и успешно связь с подводными лодками в рассматриваемом диапазоне в годы Второй Мировой Войны использовали Германия и Япония, что позволило достичь им определенного преимущества на море за счет совершенствования управления подводным флотом без ущерба для его скрытности. Германией сначала для этой цели использовались VLF радиостанции дальней наземной связи, в изобилии понастроенные в Европе еще в раннее довоенное время, в т.ч. радиостанции как в самой Германии (в г. Науэн), так и в оккупированных Германией Франции, Нидерландах и других странах. Однако мощности передатчиков и КПД антенн этих радиостанций не позволяли обеспечить требуемую зону покрытия, а их большое количество осложняло организацию управления. Поэтому с целью совершенстования системы связи была построена и в 1943 г. запущена в эксплуатацию передающая VLF станция Голиаф (Goliath) в г. Кальбе с передатчиком мощностью до 1000 киловатт, высоким КПД антенны и частотным диапазоном от 15 до 60 кГц. Она обеспечила централизованную передачу команд и данных целеуказания подводным лодкам на дистанциях вплоть до акваторий Карибского моря и северной части Индийского океана, а многие ее решения стали стандартом для передающих VLF станций связи с подводными лодками послевоенного периода.

Япония для связи с подводными лодками использовала построенную компанией Japan Wirelss Telegraph Co Ltd еще в конце 20-х годов VLF радиостанцию Yosami мощностью до 820 киловатт, бывшую до появления Голиафа самой мощной VLF радиостанцией в мире, которая изначально предназначалась и использовалась для связи со странами Европы. Сигналы Yosami принимались японскими субмаринами на глубинах до 17 и более метров. Именно Yosami отправила 2 декабря 1941 подразделениям ВМС Японии кодированное сообщение «Climb Mount Niitake 1208», явившееся указанием даты начала боевых действий на Тихом океане (8 декабря 1941 года по японскому времени, т.е. 7 декабря по времени США и Гринвичу), начавшихся с атаки на военно-морскую базу США Перл Харбор.

Рис.1.3. Панорама и антенны радиостанций Goliath (слева) и Yosami (справа)

(источники изображений: 1. www.kalbe-milde.de; 2. yosami-radio-ts.sakura.ne.jp.)

 

Соединенные Штаты «проморгали» диапазон VLF. Когда начались активные действия Японии на Тихом океане, выяснилось, что главная VLF радиостанция ВМФ США на Гавайях, передатчик которой был сделан на лампах, не обеспечивает требуемой зоны покрытия, в связи с чем в срочном порядке была сооружена VLF радиостанция на острове Оаху в ущелье Хайку, между боковыми хребтами которого высотой 2500 футов было натянуто антенное полотно из 4-х стальных, покрытых медью, проводов по 4000 футов длиной, а для передатчика использовались 2 альтернатора Андерсона, демонтированных с материковых станций Марион (Калифорния) и Тукертон (Нью-Джерси). Станция была запущена в 1943 году и проработала до 1970 года, после чего была перепрофилирована под радиостанцию системы дальней радионавигации Омега, а ее место в системе радиосвязи с подводными лодками заняла вновь построенная радиостанция Lualualei.

Рис.1.4. VLF радиостанция Haiku на Гавайях. Слева - схема подвеса антенны, справа - зал передатчика с альтернаторами Александерсона.

(источники изображений: 1. totakeresponsibility.blogspot.com; 2. haikustairs.org.)

 

Не блестяще обстояли дела и у Великобритании. Англичане располагали действующей радиостанцией Rugby, бывшей в свое время самой мощной VLF радиостанцией в мире (350 киловатт) с самыми высокими мачтами (12 шт. по 250 метров), а также более скромной резервной радиостанцией Criggion. Их параметры были сопоставимы с параметрами использовавшихся Германией своих и европейских станций, построенных до войны, но значительно уступали по мощности передатчиков и КПД антенн, соответственно и по дальности и глубине связи, новому Голиафу. По этой причине по возможностям связи с подводными лодками Великобритания с 1943 года не могла конкурировать с Германией. К тому же станция Rugby дважды во время войны на длительный срок выходила из строя - первый раз в 1940 году в результате обледенения антенного полотна и второй раз в 1943 году в результате пожара в здании передатчика. Соответственно, какие-либо успехи Великобритании в области связи с подводными лодками во время ВМВ в публикациях не отмечены.

Советский Союз до и во время войны не обладал технологиями связи в диапазоне VLF, отставая в этой части как от Германии и Японии, так и от своих союзников, но успешно ликвидировал отставание и вышел в лидеры в послевоенный период.

Рис.1.5. Панорама и схема антенны VLF радиостанции Rugby.

(источник изображений: subbrit.org.uk)

 

Послевоенный период

В послевоенные годы техника связи с подводными лодками в диапазоне VLF интенсивно развивалась, в первую очередь усилиями СССР и США, движимая сначала уроками ВМВ, а потом потребностями атомного подводного флота. Она также была поставлена на службу блоку НАТО, реанимирована в Германии и Японии, а в конце XX - начале XXI века была освоена Индией, Китаем и Пакистаном.

Общее число построенных с момента окончания ВМВ VL/FLF станций связи с подводными лодками средней и большой мощности приблизилось к 30. Большинство из них активны и по сегодняшний день, что подтверждается радиолюбительским мониторингом диапазона VLF (см. SDR панорамы на рис.1.6) и свидетельствует о его высокой востребованности.

Рис.1.6. Радиолюбительский VLF мониторинг сигналов VLF станций с помошью онлайн SDR приемников (данные от 16.12.2019).

(SDR-панорамы с сайтов websdr.ewi.utwente.nl, Европа, и kiwisdr.smeter.net, Сев. Америка)

 

Полный перечень всех передающих VLF/LF станций, использовавшихся в системах связи с подводными лодками с начала ВМВ по настоящий период, с указанием их параметров и систематизацией, приведен в отдельной главе, а сведения об их истории и технической реализации приведены в соответствующих приложениях.

Кроме береговых передающих станций в США и СССР были разработаны и поставлены на вооружение ВМС самолеты - ретрансляторы с бортовыми VLF передатчиками и выпускными тросовыми многокилометровыми антеннами. Основное их назначение - резервирование береговых станций в случае вывода их из строя при ядерном конфликте. Кроме того, они могут использоваться и для расширения зон покрытия береговых станций. Более подробно о самолетах-ретрансляторах см. в отдельной главе.

В начале 50-х годов в СССР также создавались передающие станции малой мощности (до 30 кВт) с аэростатными антеннами, предназначавшиеся для обслуживания акваторий Черного, Балтийского и Охотского морей. Однако с появлением вблизи данных акваторий новых станций большой мощности необходимость в станциях малой мощности отпала и они были переведены в резерв. Тем не менее, эти разработки не пропали - на их базе были разработаны мобильные станции, которые могут перебрасываться в заданные районы для организации временной связи.

 

 

 

 

Разрешенные частоты

По своему статусу стационарные VLF/LF станции связи с подводными лодками относятся к береговым передающим станциям морской подвижной службы. Таблицей распределения частот Регламента ITU с учетом п.5.57 им распределены полосы частот 14.00 - 19.95 кГц и 20.05 - 70.00 кГц. Фактически все существующие VLF/LF станции связи с подводными лодками используют частоты от 14 до 60 кГц, при этом большинство станций используют частоты в полосе 14 - 30 кГц, т.е. верхний участок диапазона VLF. Использование диапазона LF ограничивается несколькими станциями США и НАТО и имеет тенденцию к сокращению.

Рис.1.7. Распределение Регламентом ITU частот на стыке диапазонов VLF и LF

(голубым цветом выделены полосы частот, распределенные в т.ч. передающим VLF станциям связи с подводными лодками)

 

Совмещение с другими службами

Из указанного участка регламентом ITU исключена распределенная службе стандартных частот и сигналов времени частота 20 кГц с разрешенной шириной полосы излучения ±50 Гц. Однако п.5.56 Регламента ITU разрешает передавать данные сигналы и станциям морской подвижной службы, при этом станциям ряда стран бывшего СССР разрешено использовать для этих целей еще и частоты 25 и 50 кГц. Такую функцию имеют многие передающие VLF станции связи с подводными лодками. В частности, все стационарные VLF станции связи ВМС РФ входят одновременно и в единую службу сигналов точного времени Бета, работающую на частоте 25 кГц. Т.о., VLF станции связи с подводными лодками могут формально причисляться еще и к службе стандартных частот и сигналов времени, если имеют соответствующую функцию.

Для синхронизации и взаимодействия береговых VLF станций в рамках единой системы связи между ними в том же диапазоне может осуществляться служебный радиообмен. Кроме того, они могут использоваться для передачи различных сигналов оповещения как военнного, так и гражданского назначения. По указанным причинам они могут относиться одновременно также и к фиксированной службе, что отражено в таблице распределения частот Регламента ITU.

Рис.1.8. Обязательный и возможные статусы передающих VLF станций для связи с подводными лодками по регламенту ITU

 

Рассматриваемый диапазон находится по соседству с диапазоном радионавигационной службы, в котором работает отечественная радиосистема дальней навигации РСДН-20 «Альфа», а также работала американсакая радионавигационная система «Омега». Кроме того, п.5.55 разрешает использование полосы частот 14-17 кГц станциями данной службы ряда стран бывшего СССР, что, предположительно, было прописано целевым назначением под систему «Альфа», поскольку частота одного из ее передатчиков (14.881 кГц) вышла за пределы разрешенной для радионавигационной службы полосы частот.

Однако, в отличе от службы стандартных частот и сигналов времени, функции станций службы радионавигации из-за несовместимости трафиков и параметров передачи не исполняются береговыми передающими VLF станциями морской подвижной службы, что видно на примере систем «Альфа» и «Омега».

Статус станций самолетов-ретрансляторов

Все, сказанное выше, справедливо по отношению к береговым станциям. Что касается самолетных станций - ретрансляторов, то они в данном диапазоне п.5.57 Регламента ITU не предусмотрены. Однако п.51.68 и п.51.69 Раздела III (Связь станций воздушных судов со станциями морской подвижной службы) разрешают станциям на борту воздушных судов устанавливать связь со станциями морской подвижной службы, если они подчиняются положениям настоящего Регламента, относящимся к этой службе, и используют для этой цели распределенные ей частоты.

Разрешенные виды модуляции

Пунктом 5.57 Регламента ITU разрешенные виды модуляции ограничены телеграфией с амплитудной A1A и частотной F1B манипуляцией. В исключительных случаях разрешено использовать также однополосную цифровую модуляцию J2B и J7B с ограничением ширины полосы излучения.

Однополосная цифровая модуляция J2B и J7B на сегодняшний день не востребована. Подавляющее большинство станций использует частотную манипуляцию, в первую очередь частотную манипуляцию с минимальным фазовым сдвигом MSK, которая позволяет обеспечить пропускную способность каналов в диапазоне VLF до 800 бит/с. Ограниченно используется частотная манипуляции FSK, которая была основным видом модуляции в начальный послевоенный период, а также телеграфная манипуляция A1A, которая была основным режимом модуляции в годы ВМВ. В настоящее время регламентами связи ВМС телеграфная манипуляция A1A предусмотрена как резервная на случай ручной передачи информации с приемом на слух, а также может использоваться для передачи позывных сигналов опознавания.

Рис.1.9. Разрешенные и востребованные виды модуляции в диапазоне VLF

 

Разрешенная максимальная мощность излучения

Максимальной мощность излучения станций в диапазоне VLF/LF Регламентом ITU не ограничена.

Оптимальной мощностью, подводимой к антенне, обеспечивабщей приемлемую зону покрытия и глубину связи при среднестатистических параметрах КПД антенн, является 1 мегаватт. Именно такую мощность имел легендарный Goliath, а позднее имели большинство станций СССР и США, включая станции Голиаф и Cutler, решения которых были широко растиражированны. Дальнейший рост мощности, как показала практика, ограничивается электрическими перегрузками, возникающими в антенно-фидерном тракте, что требует специальных решений. Подробнее о проблематике мощности передающих станций см. в отдельных главах, посвященных передающим антеннам и передатчикам.

Допустимое отклонение частоты излучения

Допустимое отклонение частоты излучения станций регламентировано Приложением 2 к Регламенту ITU и в диапазоне частот 9 - 50 кГц для береговых VLF/LF станций составляет:

• ± 10 Гц при использовании частотной манипуляции F1B;
• ± 50x10^-6xf при использовании амплитудной манипуляции A1A, для f = 20 кГц равно ± 1 Гц.

Данные жесткие требования обусловлены очень узким диапазоном - всего 16 килогерц в наиболее востребованном участке 14 - 30 кГц и высоким спросом на данный частотный ресурс, который существовал начиная с 30-х годов и сохранялся до недавнего времени. Поэтому уже на раннем этапе использовалась работа передатчиков преимущественно на фиксированных частотах, в т.ч. с кварцевой стабилизацией. Данное решение является стандартом и в наше время, тем более, что многие VLF станции связи с подводными лодками используются одновременно и как станции эталонных частот и сигналов времени.

Присвоенные частоты и допустимая ширина полосы излучения

Для диапазона VLF/LF не предусмотрен план частот с делением на каналы с заданной шириной полосы. Присвоение частот осуществляется конкретным станциям с внесением данных в международный справочный регистр частот и указанием в списке береговых станций (список IV). При этом для исключения взаимных помех учитывается необходимая ширина полосы частот для разрешенных видов модуляции, которая расчитывается по формулам рекомендаций ITU-R SM.1138-2 исходя из максимальной скорости передачи данных и девиации частоты (обзор особенностей модуляции сигналов VLF/LF станций связи с подводными лодками см. в отдельной главе).

Свободный доступ к Международному справочному регистру частот и списку береговых станций ITU не предусмотрен (осуществляется только на коммерческой основе), поэтому представить здесь сведения о присвоенных VLF/LF станциям связи с подводными лодками частотах и разрешенным им полосам излучения не представляется возможным. Судить о них можно только по данным мониторинга VLF/LF диапазона, в изобилии представленным в Сети. Однако они зачастую неточны и противоречивы (см. ниже).

Необходимо также отметить, что большинство современных станций работают на одной частоте. Однако имеются станции, использующие 2 и более частот, при этом для каждой отдельной частоты может использоваться отдельный позывной.

Позывные сигналы опознавания

Согласно требованиям Статьи 19 Регламента ITU все передачи станций большинства служб, в т.ч. морской и воздушной подвижных служб, соответственно и береговых и самолетных VLF/LF станций, должны иметь сигналы опознавания. При этом все станции, способные создавать излучение за пределами территорий, на которых они расположены или на которых расположены их национальные администрации, а сюда прямо относятся и VLF/LF станции связи с подводными лодками, должны иметь позывные, сформированные национальными администрациями на основе международных серий позывных. Присвоенные позывные, как и присвоенные частоты, указываются в регистрационных данных станций в упомянутом выше Международном справочном регистре частот.

 

Передающий тракт

В основном технические решения систем связи с подводными лодками в диапазоне VLF к настоящему времени устоялись. Это в первую очередь относится к передающим антеннам, в основе большинства из которых лежит принцип антенны Александерсона (фирма General Electric, США), запатентованный им еще в начале XX века. Их конкретные электрические и конструктивные схемы были отработаны уже к началу 60-х годов и уложились в несколько типовых конфигураций, реализованных первоначально на станциях Goliath, Yosami, Jim Creek и Cutler. Далее эти конфигурации тиражировались без принципиальных изменений при строительстве новых станций в СССР, США, Европе и в Азии, в т.ч. уже в XXI веке. Какие-либо новые принципиальные решения здесь за последние полвека не появились и в перспективе не просматриваются.

С другой стороны, уже долгое время в рамках проектов СУРА, EISCAT, HIPAS, HAARP и др. ведутся работы по исследованию возможностей использования в качестве VLF и ELF излучателя областей ионосферы, разогреваемых ВЧ радиоузлучением мощных наземных передатчиков. Однако приемлемых для практики результатов, конкурентоспособных по отношению к классическим наземным антеннам, пока не получено (см. отдельную главу, а также обзоры по тематике HAARPа) и данное направление до сих пор можно рассматривать как чисто академическое.

Техника передатчиков оказалась более подвержена инновационным изменениям. Долгое время передатчики строились на мощных вакуумных лампах, работающих в режимах B и С, а на некоторых станциях, например, на упомянутых выше Yosami и Haiku на Гавайях, даже успешно использовались многотонные электромашинные генераторы - альтернаторы того же Александерсона. Однако последние в принципе не позволяли осуществлять частотную манипуляцию и, доработав свой век, сошли со сцены и отправились в музеи.

У передатчиков на электронных лампах главным недостатком был невысокий КПД, поэтому все усилия инженеров были сконцентрированы на его повышении. Генеральным направлением при этом являлся перевод выходных каскадов в ключевой режим. Однако электронные лампы предоставляли для этого весьма ограниченные возможности, поэтому на определенном этапе в выходных каскадах ставили мощные газоразрядные ключевые элементы. Однако кардинально задача повышения КПД была решена лишь с появлением сверхмощных коммутационных полупроводниковых приборов, и с 90-х годов как в СССР, так и в США началась соответствующая модернизация VLF передатчиков.

Рис.1.10. Технический уровень современного передающего тракта диапазона VLF

 

Приемный тракт

Приемная аппаратура диапазона VLF не имеет особой специфики. Ее задачей является фильтрация помех, усиление полезного сигнала и его детектирование с извлечением полезной информации. Это стандартные задачи и их решение применительно к связи с подводными лодками лежит в русле общих тенденций совершенствования радиоприема, в т.ч. с использованием цифровых методов обработки сигнала. Однако частная специфика, связанная с очень низкими частотами и особенностями помеховой обстановки, безусловно имеется.

Иначе обстоит дело с приемными антеннами. Здесь необходимо решать особый комплекс задач, в т.ч.:

• обеспечить подъем и удержание антенны в приповерхностном слое при нахождении подводной лодки на больших глубинах и разных скоростях хода;
• обеспечить минимизацию помех от силовой установки подводной лодки;
• обеспечить минимизацию помех от вибрации антенны;
• обеспечить быстрый выпуск и убирание антенны;
• обеспечить защиту от обрубания кабеля винтом;
• обеспечить совмещение VLF/LF антенны с антеннами СВ/КВ/УКВ и ELF диапазонов в одном антенном устройстве.

Наиболее прогрессивным решением данных задач стало исполнение VLF антенны в виде плавающего кабеля, во всплывающем на поверхность конце которого размещают антенны высокочастотных диапазонов. Основной объем инноваций в данном направлении пришелся на 1990-е - 2000-е годы, однако процесс совершенствования продолжается и в настоящее время.

Рис.1.11. Технический уровень современного приемного тракта диапазона VLF

 

Канальный уровень

К техническим решениям канального уровня в диапазоне VLF относятся вид и параметры модуляции, а также протокол передачи данных и их формат. Технический уровень канала определяется модуляцией и ее параметрами, в пределах которых протоколы и форматы могут быть любыми. По мере совершенствования техники связи осуществлялся переход от телеграфной амплитудной манипуляции с приемом на слух к частотной манипуляции FSK в режиме буквопечати, а потом и к частотной манипуляция с минимальным фазовым сдвигом MSK. Последняя в итоге позволила повысить скорость передачи до 200-800 бит/с без превышения допустимых электрических режимов передающего тракта.

В настоящее время модуляция MSK является для передающих VLF станций стандартом де-факто и позволяет обеспечить скорость передачи, достаточную для решения задач одностороннего радиообмена «командный пункт - подводная лодка».

 

Т.о., технический уровень каналов связи в диапазоне VLF на сегодняшний день можно считать в целом устоявшимся и достаточным для отведенной данному диапазону роли в общей структуре каналов связи с подводными лодками.

* * * * * * * * *

 

 

Опубликовано 08.01.2020 Последнее изменение - нет

© Janto 2020 Все права защищены