Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Беспроводная связь с подводным аппаратом. Учебное пособие
.pdf
11
зрения и расходимости лазерного пучка. Также для выполнения условия скоростной передачи данных оборудование подводной оптической связи в своем
составе обязательно должно иметь систему наведения и точного автоматического поддержания направления связи; при условии использования в качестве
приемника фотоэлектронного умножителя есть возможность увеличить дистанцию связи до 300 м [2].
Теоретическое исследование подводной оптической связи вне прямой ви-
димости было рассмотрено в работе [56]. Целью данной работы является анализ
потерь на трассе подводной оптической связи вне прямой видимости источника
приемником с учетом влияния случайных уклонов морской поверхности и рассеивающих свойств морской воды. Численные результаты показывают, что
случайные уклоны морской поверхности могут увеличить потери в канале связи и принятый сигнал искажается при увеличении скорости ветра. Рассеяние
света может уменьшить негативное воздействие уклонов морской поверхности
с увеличением длины затухания, а также устранить негативное влияние скоро-
сти ветра на производительность системы. Также в работе [57] было рассмотрено влияние различных типов воды и углов поля зрения приемника на произ-
водительность системы с учетом многократного рассеяния при скорости пере-
дачи данных 1 Гб/с. В данном случае рассматривается 2 типа воды: чистая вода
океана и прибрежная вода. Для моделирования траектории фотонов аналогично
работе [56, 58] берется метод Монте-Карло, а для моделирования рассеяния фотонов используется индикатриса Хеньи-Гринстейна. Исследования показали,
что в среде с чистой водой океана система имеет более высокую производи-
тельность, чем в среде с прибрежной водой, и с увеличением угла поля зрения
приемника вероятность приема сигнала возрастает.
В работе [59] описаны экспериментальные исследования, проведенные
для того, чтобы оценить качество связи на основе контроля вероятностей ошибок связи P и их среднеквадратических отклонений (СКО). В экспериментах
была использована аппаратурная реализация оптикоэлектронной системы связи
(ОЭСС) вне прямой видимости (NLOS). В состав передающего блока входят
два мобильных лазерных устройства, работающих поочередно и независимо
друг от друга на длинах волн λ=510,6 нм и λ=445 нм. Средняя мощность первого лазера составляет 800 мВт, а второго 450 мВт. В состав приемного блока
входит ФЭУ-84.
Для ввода лазерного излучения на длине волны λ=510,6 нм в водную сре-
ду созданы соответствующие устройства. Источник лазерного излучения на
длине волны λ=445 нм помещался в герметический бокс и мог быть установлен
как над водной поверхностью, так и под ней. Приемопередающая ОЭС поме-
щалась в герметический бокс и также могла устанавливаться под водой или над
ее поверхностью [59].
Эксперимент организовывался следующим образом. Фиксировалась его
геометрическая схема. Осуществлялась последовательная передача 30 «пачек»,
каждая из которых содержала 30 символов. Вычислялись текущие значения вероятности ошибок P и СКО (для текущего сеанса) и по нарастающему количе-
12
ству «пачек» (от первой до текущей включительно). За один эксперимент пере-
давалось 300 «пачек», или 9000 символов.
Результаты полевых экспериментов из работы [59] показывают, что при
размещении источника и приемника излучения в воде реализовывались наиболее благоприятные (по сравнению с вариантами, когда приемник в воде, источник вне, и наоборот) условия для передачи информации с наименьшими веро-
ятностями ошибок, не превышающими уровень 1-2 %. В этом случае механиче-
ское перемешивание воды не приводило к существенным изменениям вероят-
ностей ошибок.
Также результаты экспериментов позволяют предполагать, что возможно
создание NLOS ОЭСС, эффективно функционирующих в воде и смешанных
средах (вода – атмосфера, атмосфера – вода и в том числе через лед) с длиной
линий связи от нескольких десятков до сотен метров.
Стоит отметить, что оптическая связь в прямой видимости позволяет
осуществлять связь только с одним абонентом, в то время как оптическая связь
на рассеянном излучении не вносит ограничений на количество пользователей
данной сетью.
Что касается применения оптической подводной связи, то лазерное излу-
чение оптического сине-зеленого диапазона может проходить сквозь воду на
расстояние до нескольких десятков метров. Это связь лишь в пределах прямой
видимости, требующая строгой ориентировки приемника и передатчика друг на
друга. Необходимо также держать в чистоте источники оптического излучения,
чего нелегко добиться под водой.
В настоящее время перспективным направлением для решения проблемы
связи с подводными объектами является применение лазеров сине-зеленого
спектра (0,42-0,53 мкм) [3-5, 8], чье излучение с наименьшими потерями преодолевает водную среду и проникает на глубину до 300 метров. Помимо оче-
видных трудностей с точным позиционированием луча «камнем преткновения»
данной схемы является высокая потребляемая мощность излучателя. Первый
вариант предусматривает использование спутников-ретрансляторов с крупно-
размерными отражающими рефлекторами. Вариант без ретранслятора преду-
сматривает наличие на орбите мощного источника энергии – для питания лазера мощностью 10 Вт потребуется энергоустановка с мощностью выше на два
порядка.
Ведутся интенсивные работы в других нетрадиционных направлениях. В
частности, изучаются перспективы оптической (лазерной) связи, принципиальным достоинством которой является возможность электромагнитных волн этого диапазона проникать в толщу океана на значительную глубину. Полагают,
что в большинстве акваторий Мирового океана с помощью чувствительных
датчиков на корпусе подводного аппарата (ПА) можно принять оптический
сигнал на глубине 500-700 м. Считается, что предпочтительней использовать
лазер, размещенный на ИСЗ.
Одним из недостатков лазерной оптической связи считают необходимость точного знания места адресата для наведения луча, что преодолевается
13
путем последовательной передачи одного и того же сообщения в разные районы, хотя это увеличивает время его прохождения до адресата. В перспективе
предусматривается применение мощных лазеров для циркулярных передач во
все зоны вероятного нахождения подводных объектов.
Несмотря на преимущества лазерных каналов связи, практическая реали-
зация их задерживается вследствие сравнительно большой стоимости.
1.2 Гидроакустический метод передачи информации подводных
беспроводных систем связи
Работа в условиях подводного канала гидроакустической связи имеет совершенно другие характеристики по сравнению с распространением электромагнитных колебаний в воздухе: скорость распространения волны гораздо ниже, ее случайное частотное поглощение, явления отражения волн от границ
среды, нестационарность параметров среды в пространстве и времени. Модель
гидроакустического канала может быть описана так: носителем информации
является гидроакустический сигнал со следующими характеристиками: давление фронта волны, частота колебаний и интенсивность. Гидроакустические
сигналы бывают непрерывные либо импульсные [60].
Для решения задачи по передаче информационного потока специалиста-
ми в [61-69] рассматриваются использование всевозможных видов подводной
связи, среди которых оптическая, гидроакустическая, электромагнитная связь, а
также теневые методы приема гидроакустических волн. Наиболее оправданным
является применение гидроакустического канала связи для АНПА в подводном
положении.
В гидроакустике наблюдается многолучевость распространения сигналов
и задержки во времени, реверберации, флуктуации амплитуд на входе приемника, а также различные аддитивные помехи (собственные шумы моря, шумы
аппаратуры и пр.). Ввиду этого сигнал в точке приема существенно отличается
от излучаемого сигнала, что дает в результате ошибки в принимаемых сообщениях. Среди проанализированных методов передачи информации в гидроакустическом канале нет окончательного решения задачи надежной передачи информации, а рекомендованы лишь варианты поиска более удачных решений.
Причем большинство существующих способов повышения помехоустойчиво-
сти гидроакустических систем связано главным образом с уменьшением скоро-
сти передачи информации [16], что иногда бывает совершенно не приемлемо
при выполнении важных задач и миссий подводными аппаратами. Чтобы повы-
сить помехоустойчивость передачи и снизить влияние многолучевости, рас-
сматривается применение частотной модуляции сигналов и каскадного кодиро-
вания.
Зарубежные специалисты отмечают, что связь берега с лодкой можно
осуществлять с помощью акустических средств. Звуковые волны распространяются на тысячи миль, однако требуется много времени при передаче информации на большие дальности. Кроме того, сигнал легко обнаруживается про-
14
тивником и подавляется средствами РЭБ. Считается, что одним из способов
гидроакустической связи может быть работа стационарных приемников и маломощных акустических передатчиков на подводных буях, соединенных кабе-
лем с берегом.
Потенциальные возможности связи с подводными лодками в подводном
положении ученые видят и в использовании лучей нейтрино (электрически
нейтральные элементарные частицы). Они способны проходить сквозь землю
со скоростью света с очень малой потерей энергии [70].
При помощи специальных фотоумножителей (ФУ) можно принимать на
подводный аппарат импульсы света, возникающие в результате столкновений
нейтрино с ядрами молекул морской воды. Полагают, что такое абсолютно
скрытное средство связи будет эффективным на больших глубинах, где помехи
солнечного света и космических лучей минимальны. Однако создание нейтринного генератора в настоящее время требует таких материальных затрат, что оно
практически трудно осуществимо.
1.3 Радиочастотный метод передачи информации подводных
беспроводных систем связи
1.3.1 Системы подводной связи IVA S/W
Радиоволны, широко используемые для беспроводной связи, из-за сильного затухания сигнала не совсем подходят для обмена информацией под водой. Есть технологии, в которых для передачи используются звуковые волны
или видимый свет, однако они не обладают высокой производительностью и,
соответственно, не подходят для трансляции, скажем, видеопотока.
Российскими и зарубежными учеными сравнительно недавно была создана альтернативная система подводной связи, не использующая гидроакустику и
оптику, близкая, по сути, как ни странно, все же к радио. Система получила
название IVA S/W. Она поддерживает связь «водолаз – водолаз», «водолаз –
берег», «водолаз – корабль».
Причиной ее создания стала реальная необходимость: масса задач требует
стабильной беспроводной связи в условиях сильных акустических шумов, независимо от разницы температур между слоями воды, наличия подводных объектов инфраструктуры и через лед. Это техобслуживание судов в портах, спасательные операции на воде, исследование шельфа, разведка новых месторождений полезных ископаемых под водой и освоение Арктики, охрана акваторий
военно-морских баз, мостов и других объектов приморской инфраструктуры.
В радиостанции IVA S/W [71] используется принцип связи, основанный
на использовании магнитной составляющей электромагнитной волны. Такой
способ связи обеспечивает голосовую связь на глубинах до 30 метров и расстояниях свыше 100 метров под водой, а также связь из-под воды с поверхностью.
При этом антенна на поверхности не требует погружения в воду.
Еще более интересные возможности раскрываются при организации свя-
зи с берегом из-подо льда, что абсолютно недоступно для гидроакустики. Мо-
15
бильная радиостанция IVA S/W представляет собой компактное устройство, состоящее из блока приемопередатчика и приемопередающей антенны. Опытный
образец радиостанции имеет габариты 460х460х75 мм и массу 4 кг. Наушники
и микрофон интегрированы в водолазную маску. Устройство обладает почти
нулевой плавучестью, за счет этого не создается дополнительной нагрузки на
водолаза.
По информации IVA Technologies, радиостанция представляет собой
компактное устройство, состоящее из блока приемопередатчика и приемопере-
дающей антенны. Габариты антенны позволяют расположить ее на экипировке
водолазов, не создавая помех для движения. Принцип работы устройства осно-
ван на распространении электромагнитных волн.
Мобильная радиостанция беспроводной подводной связи предназначена
для решения широкого спектра задач, среди которых техобслуживание водных
судов и объектов инфраструктуры в порту, спасательные работы под водой,
разведка и контроль месторождений полезных ископаемых на шельфе, охрана
акваторий морских баз, связь дайверов с инструктором или водолазов с коман-
диром спусков, управление необитаемыми подводными аппаратами и другие.
1.3.2 Системы подводной беспроводной связи СНЧ-НЧ
Особенность всех радиоволн, используемых для наземной связи, заключается в том, что в воде они практически не распространяются, за исключением
крайне низких частот (КНЧ) – до 100 Герц, которые пригодны для связи с подводным аппаратом (таблица 1.1, рисунок 1.2).
Таблица 1.1 – Диапазоны частот и волн радиочастотной связи1
Название частот
Диапазон частот
Наименование волн
Диапазон волн
Крайне низкие (КНЧ)
3…30 Гц
Декамегаметровые
100…10 Мм
Сверхнизкие (СНЧ)
30…300 Гц
Мегаметровые
10…1 Мм
Инфранизкие (ИНЧ)
0,3…3 Гц
Дектокилометровые
1000…100 км
Очень низкие (ОНЧ)
3…30 кГц
Мириаметровые
100…10 км
Низкие (НЧ)
30…300 кГц
Километровые
10…1 км
Подводный аппарат может принять сообщение, находясь за тысячи километров от берега, но ответить на него не способен, так как обладает односто-
ронней (симплексной) связью. Такие передатчики фактически имели лишь
СССР и США.
1
Классификация электромагнитных излучений по частотам. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://megalektsii.ru/s9913t5.html
16
Рисунок 1.2 – Международная классификация электромагнитных
излучений по диапазонам частот и длинам волн
Радиоволны очень низкого диапазона (ОНЧ, VLF, 3-30 кГц) могут проникать в морскую воду на глубину до 20 метров. Значит, подводная лодка, нахо-
дящаяся на небольшой глубине, может использовать этот диапазон для связи.
Даже подводная лодка, находящаяся гораздо глубже, может использовать буй с
антенной на длинном кабеле. Буй может находиться на глубине нескольких
метров и из-за малых размеров не обнаруживается сонарами противника. Один
из первых ОНЧ-передатчиков, «Голиаф» (рисунок 1.3), был построен в Германии в 1943 году, после войны перевезен в СССР, в 1949-1952 годах восстанов-
лен в Нижегородской области и эксплуатируется до сих пор
2
.
Рисунок 1.3 – Антенное поле радиостанции «Голиаф» (спутник)
2
Радиосвязь в диапазоне очень низких частот. [Электронный ресурс]. – Режим доступа:
https://radionn.ru/faq/?faq=40
17
Передающая ОНЧ-антенна «Голиаф» состоит из трех зонтичных частей,
смонтированных вокруг трех центральных опор высотой 210 метров, углы антенны закреплены на пятнадцати решетчатых мачтах высотой 170 метров. Каждое антенное полотно, в свою очередь, состоит из шести правильных треугольников со стороной 400 м и представляет систему стальных тросов в подвижной
алюминиевой оболочке. Натяжение антенного полотна производится 7тонными противовесами.
Максимальная мощность передатчика – 1800 кВт. Рабочий диапазон частот 15-60 кГц, длина волн 5000-20 000 м. Скорость передачи данных – до
300 бит/с [72].
Радиоволны крайне низкой частоты (КНЧ, ELF, до 3 кГц) легко проходят
сквозь землю и морскую воду. Строительство КНЧ-передатчика – чрезвычайно
сложная задача из-за огромной длины волны. Советская система «Зевс» работает на частоте 82 Гц (длина волны – 3658,5 км), американская Seafarer (англ. мореплаватель) – 76 Гц (длина волны – 3947,4 км).
Передатчик «Зевс» включает в себя два разнесенных на 10 км радиопередающих модуля – основной и резервный, каждый со своей антенной особой
конструкции. К антенному устройству относятся два больших заземляющих
электрода, проникающих глубоко в землю, и подключенная к этим электродам
антенная линия, подобная воздушной линии электропередачи, длиной около
60 км. Передатчик подключается в разрыв между одним из концов антенной
линии и заземляющим электродом. Для компенсации индуктивной составляю-
щей импеданса такой антенны передатчик подключается к ней через емкостное
согласующее устройство, представляющее собой установку из мощных конденсаторов, переключаемых в зависимости от рабочей частоты. Обеспечена возможность совместной работы радиопередающих модулей в синфазном режиме,
при этом мощность электромагнитного излучения удваивается [73].
Недостатками известных сверхнизкочастотных-низкочастотных переда-
ющих антенн является их стационарное исполнение и, вследствие этого, низкая
живучесть из-за очень больших размеров.
Волны СНЧ-диапазона способны проникать на большие глубины океана.
С помощью буксируемой антенны подводный аппарат может принять СНЧ
сигнал на глубине нескольких сотен метров и даже под полярными льдами со
средней толщиной около 3 м. Не случайно СНЧ система связи считается на се-
годняшний день единственным средством оповещения подводных аппаратов по
тревоге и служит для указания о подвсплытии их для приема передач на СДВ
или диапазонах КВ и УКВ.
К недостаткам данной связи относят: низкую скорость передачи информации (всего 3 знака за 15 мин.); большие размеры береговых антенных систем;
энергоемкость источников питания и их уязвимость от ядерных ударов противника.
18
1.4 Классификация принципов подводной беспроводной связи
В настоящее время действуют четыре типа средств связи, которые при-
меняются для получения и обмена информацией как подводными аппаратами
между собой, так и между подводными устройствами и надводными объектами
[3-10, 74]. К таким типам связи относятся:
- Проводные средства связи. Данный тип канала обеспечивает надеж-
ную связь, однако развертывание такого рода систем оказывается очень доро-
гим. Кроме того, данный вид средств связи делает их использование на подвижных аппаратах затруднительным, что побуждает к использованию пре-
имущественно беспроводных систем передачи данных.
- Оптические средства связи. Использование оптических волн в под-
водных средствах связи имеет большое преимущество в виде высокой скорости
передачи информации, однако высокий уровень зашумленности среды (особенно вблизи поверхности), сильное рассеивание и поглощение в мутной воде поз-
воляет использовать данные системы лишь на ограниченном расстоянии.
- Акустические средства связи. Средства связи на основе использова-
ния акустических волн рассматриваются как основной способ беспроводной
передачи данных для подводных систем, благодаря свойству к относительно
малому поглощению их окружающей средой.
- Радиочастотные средства связи. Использование радиочастотных си-
стем, так же, как и оптических средств связи, имеет преимущество перед аку-
стическими в виде высокой скорости передачи данных. Ключевое ограничение
использования электромагнитных волн в подводной связи – сильное подавление их из-за поглощающей природы молекул воды, делающее возможным ис-
пользование радиочастотных систем с большой длиной волны, так как чем
больше длина волны, тем меньше поглощение радиосигнала.
На основе проведенного обзора известных научных работ в области бес-
проводной подводной связи представлена новая классификация способов передачи информации в водной среде [75].
Первый классификационный признак разделяет подводную связь на вид
связи (проводной, беспроводной).
Второй классификационный признак определяет тип систем связи.
Третий классификационный признак характеризует тип канала.
В качестве четвертого признака следует использовать различные системы
средств связи.
На рисунке 1.4 приведена структура разработанной классификации принципов беспроводной подводной связи.
19
Рисунок 1.4 – Структура классификации беспроводной подводной связи
1.5 Заключение по первой главе
В данной главе проведен обзор и анализ методов особенностей функцио-
нирования беспроводных оптических атмосферных и подводных сетей переда-
чи данных. Определено, что светодиодная связь, вследствие большого угла
распространения излучения (100
0
-1400) либо небольших мощностей источни-
ков, может использоваться только во внутриобъектовом пространстве подвод-
ного аппарата. Для широкого использования светодиодной связи между под-
водными объектами в любых реализациях (АОЛС, АБС, ПОС, ПБС) не пред-
ставляется возможным из-за небольших дальностей связи.
Представлена классификация существующих оптических систем связи,
которая позволяет выявить оптимальный вариант реализации в системах передачи информации для конкретных типов аппаратов в зависимости от их назна-
чения, проводить анализ, строить и исследовать различные устройства формирования подводных беспроводных оптических систем связи.
В результате проведенного в данной главе обзора научной литературы
была сформирована задача для исследования актуальных вопросов, касающихся подводной оптической связи (ПОС).
1.6 Контрольные вопросы для самостоятельной подготовки
1. В каком году скорость передачи данных составляла до 10 Мбит/с на
расстояние до 10 м или 1 Мбит/с на расстояние до 30 м?
2. В каком году в лабораторных условиях удалось добиться скорости
передачи данных до 1 Гбит/с?
20
3. С какого момента считается развитие светодиодной связи?
4. Кто и в каком году получил авторское свидетельство на «Световое
реле»?
5. Принцип работы светодиодной связи.
6. Кем и когда был создан светодиод, работающий в красном диапа-
зоне света?
7. Кем и когда был изобретен желтый светодиод?
8. Кем и когда был изобретен синий светодиод?
9. Принцип работы лазерной связи.
10. На каких длинах волн работает лазерная связь?
11. Недостатки лазерной связи.
12. В чем заключается гидроакустический метод передачи информации
подводной беспроводной системы связи?
13. Какой принцип связи используется в радиостанции IVA S/W?
14. Для чего предназначена мобильная радиостанция беспроводной
подводной связи IVA S/W?
15. На какой частоте работают радиоволны ОНЧ, и какой передатчик,
работающий на данных частотах, существует? Опишите его.
16. На какой частоте работают радиоволны КНЧ, и какой передатчик,
работающий на данных частотах, существует? Опишите его.
17. Какие типы связи существуют? Опишите их.
18. Назовите классификационные признаки.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]