Przegląd komunikacji podwodnej
Thenasza Marynarka Wojennaobsługuje dwa nadajniki radiowe o bardzo niskiej częstotliwości (ELF) do komunikacji ze swoimi głęboko nurkującymi okrętami podwodnymi. Lokalizacje w Clam Lake, Wisconsin i Republic, Michigan są obsługiwane przez Naval Computer and Telecommunications Area Master Station – Atlantic. Witryna Clam Lake, zlokalizowana w Lesie Narodowym Chequamegon w północnym Wisconsin, jest miejscem, w którym ponad 30 lat temu rozpoczęto testy komunikacji ELF. Podmorskie miejsce komunikacji ma ponad 28 mil napowietrznej linii przesyłowej sygnału, która stanowi część anteny „elektrycznej” do emitowania sygnału ELF z obiektu nadawczego o powierzchni dwóch akrów.
Stacja radiowa Clam Lake ELF nadaje wiadomości do floty zgodnie z wymaganiami Marynarki WojennejŁódź podwodnaBroadcast Control Authority w Norfolk w Wirginii lub Pearl Harbor na Hawajach. Aby amerykańska flota okrętów podwodnych mogła wykonać swoją misję, musi milczeć i być niewykrywalna.
Podwodny system łączności Marynarki Wojennej ELF jest jedynym operacyjnym systemem łączności, który może penetrować wodę morską na duże głębokości i jest praktycznie odporny na zakłócenia zarówno naturalne, jak i spowodowane przez człowieka. Jest to kluczowa część bezpieczeństwa narodowego Ameryki, ponieważ umożliwiaŁódź podwodnaflocie do pozostawania na głębokości i prędkości oraz utrzymywania niewidzialności, pozostając w łączności z krajowym organem dowodzenia.
W przypadku innych systemów komunikacji podwodnej ciągła komunikacja jest możliwa tylko wtedy, gdyokręty podwodnerozmieścić antenę odbiorczą podczas pracy na powierzchni lub w jej pobliżu. Wymóg ten nakłada ogromne ograniczenia na głębokość operacyjną okrętu podwodnego i jego prędkość, a także zwiększa jego ekspozycję na wykrycie.
Komunikacja podwodna ELF
Pozwala na to podwodny system łączności ELFokręty podwodneodbierać komunikaty bez zmniejszania prędkości lub działania na powierzchni. Zatem system ELF stanowi krytyczne zabezpieczenie przed naukowym przełomem w wykrywaniu okrętów podwodnych przez inny kraj przy użyciu samolotów lub systemów satelitarnych, które wykorzystują zjawiska nieakustyczne, takie jak kilwater Kelvina i fale wewnętrzne w pobliżu powierzchni.
ELFŁódź podwodnasystemy komunikacyjne wykorzystują zasadę fizyki, zgodnie z którą tłumienie sygnałów radiowych (fal elektromagnetycznych) z wody morskiej wzrasta wraz z częstotliwością sygnału. Oznacza to, że im niższa częstotliwość transmisji radiowej, tym głębiej w ocean dociera użyteczny sygnał.
Fale radiowe w paśmie bardzo niskich częstotliwości (VLF) o częstotliwości około 20 000 herców (Hz) penetrują wodę morską na głębokość zaledwie kilkudziesięciu stóp. Themarynarki wojennejSystem ELF działa z częstotliwością około 76 Hz, około dwóch rzędów wielkości niższą niż VLF. W rezultacie fale ELF penetrują wodę morską na głębokość setek stóp, umożliwiając komunikację podwodną przy zachowaniu niewidzialności.
Każda antena ELF działa jako niezależny poziomy dipol elektryczny. Dwie stacje nadawcze ELF synchronizują swoje transmisje, aby zapewnić większy zasięg na większości oceanów na Ziemi, w których Stany Zjednoczoneokręty podwodnedziałać. Są one rozmieszczone geograficznie, aby wykorzystać warstwę podłoża skalnego (prekambr metamorficzny) i pokrywające je skały (paleozoik) tarczy Górnej Wyżyny. Ta formacja geologiczna kieruje prądy ELF głęboko w ziemię i skutecznie zwiększa rozmiar anteny w celu wydajniejszej transmisji sygnału. Przewodność warstwy podłoża skalnego pomaga poprawić wydajność systemu antenowego (to znaczy im niższa przewodność, tym większa poprawa efektywnej mocy nadawanej).
Obszary wybrane dla systemu ELF mają skały o niskim przewodnictwie (skały, które nie przewodzą dobrze prądu), które dają najlepsze wyniki do stworzenia anteny ELF. W tych obszarach prąd elektryczny przepływa głęboko w ziemię (setki metrów), zanim powróci do uziemienia przeciwległego zacisku anteny.
Sygnał ELF o mocy ośmiu watów promieniuje z systemu dwukierunkowego i przemieszcza się po całym świecie przez warstwę atmosferyczną między powierzchnią ziemi a strefą naładowanych cząstek powietrza zwaną jonosferą. Gdy te fale elektromagnetyczne przechodzą przez powierzchnię oceanu, część ich energii przechodzi do oceanu. Ta energia lub sygnał dociera do okrętów podwodnych niemal na całym świecie na głębokości setek stóp i porusza się z prędkością operacyjną.
Wszystkie okręty podwodne Marynarki Wojennej są wyposażone w odbiorniki ELF, które mogą dekodować transmisje ELF. Sygnały rozgłoszeniowe ELF zapewniają jednokierunkowy system wiadomości dla okrętów podwodnych, który jest powolny, ale niezawodny. Theokręty podwodnemogą odbierać komunikaty ELF, ale nie mogą nadawać sygnałów ELF ze względu na duże zapotrzebowanie na moc, duży rozmiar nadajnika i dużą antenę wymaganą do nadawania ELF. Komunikacja podwodna może odbywać się na powierzchni oceanu lub w jej pobliżu przy użyciu systemów o większej szybkości transmisji danych, takich jak systemy komunikacji satelitarnej.
Komunikacja podwodna w Wisconsin i Michigan
PółnocnyWisconsinobszar ten został wybrany jako lokalizacja obiektu Marynarki Wojennej ELF ze względu na jego geologię. Podłoże o niskiej przewodności jest ważne, ponieważ fala ELF wykorzystuje podłoże skalne do uzupełnienia ścieżki sygnału dla anten. Marynarka wojenna wybrała miejsce Clam Lake do komunikacji podwodnej ze względu na te warunki geologiczne i możliwość przeprowadzenia wczesnych prac badawczych na terenach federalnych oraz zminimalizowania lub wyeliminowania potrzeby przeszkadzania właścicielom ziemskim, właścicielom domów i społecznościom.
Układ anteny ELF w Lesie Narodowym Chequamegon wykorzystuje techniki takie jak „ekranowanie” (wykorzystanie drzew, zmiany położenia geograficznego i zmiany kierunku anteny) w celu poprawy wizualnego wyglądu systemu w lesie. Utworzenie anteny pasa drogowego również odegrało ważną rolę w pomyślnym ponownym wprowadzeniu łosia do północnego Wisconsin w stanie Wisconsin.
Pas anteny ma około 75 stóp szerokości, co pozwala łosiom i jeleniom swobodnie i szybko poruszać się po Lesie Narodowym Chequamegon w obszarze w pobliżu 28 mil linii antenowych. Ponadto cykl konserwacji Marynarki Wojennej polegający na usuwaniu zarośli na pasie drogowym nieustannie odnawia młode rośliny, które są ważne dla łosi, jeleni i innych dzikich zwierząt. Prawa drogi dla anteny i układu uziemiającego są otwarte dla publiczności.
W późnych latach pięćdziesiątych badacze i naukowcy wysunęli teorię, że fale radiowe ELF komunikacji podwodnej mogą głęboko penetrować oceany i umożliwiać komunikację z głęboko nurkującymi okrętami podwodnymi o napędzie atomowym. Teoria ta zasugerowała potencjał unikalnej zdolności niedostępnej dla innych częstotliwości radiowych inasza Marynarka Wojennarozpoczął testy w widmie radiowym ELF.
Marynarka wojenna musiała określić wykonalność budowy takiego podwodnego systemu komunikacji do wysyłania wiadomości do zanurzonych okrętów podwodnych, takich jak łodzie rakietowe Polaris. Jeśli transmisje ELF działały zgodnie z oczekiwaniami,Marynarka wojennaokręty podwodne nie musiałyby wynurzać się na powierzchnię lub zbliżać się do niej, aby odbierać wiadomości od krajowego organu dowodzenia. Pozwoliłoby to okrętom podwodnym pozostać w ukryciu na dużej głębokości, być trudniejsze do wykrycia i poprawić bezpieczeństwo operacyjne przy jednoczesnym zachowaniu połączenia z krajowym organem dowodzenia.
Dzisiejszy system ELF — podwodny system komunikacji z dwoma nadajnikami, z urządzeniami nadawczymi i systemem anten naziemnych — został oceniony w porównaniu z innymi systemami komunikacji podwodnej i ostatecznie wybrany do wdrożenia. Początkowo przewidywano, że system nadajnika i anteny ELF będzie bardzo duży i zdolny do przesyłania rozkazów kontrolnych do floty okrętów podwodnych.
Komunikacja podwodna 1970 i 1980
Od połowy do późnych lat siedemdziesiątych Wisconsin Test Facility był używany do wysyłania wiadomości podczas szeregu testów przeprowadzonych na okrętach podwodnych zarówno na Oceanie Atlantyckim, jak i Pacyfiku oraz pod pokrywą lodową Arktyki w celu oceny użyteczności systemu. Oświadczenie o oddziaływaniu na środowisko zostało sporządzone i uzupełnione stosownie do zmian w koncepcji systemu. Po przeanalizowaniu wyników badań i różnych systemów, które mogłyby zostać zastosowane, wybrano obecny system łączności ELF, ponieważ był to najmniejszy i najbardziej opłacalny system spełniający wymagania misji Marynarki Wojennej.
W połowie lat 80-tych Wisconsin Test Facility został zmodernizowany i przemianowany na Wisconsin Transmitter Facility, a także budowę drugiego obiektu nadawczego oddalonego o 148 mil w Republice,Michiganzostało zaproponowane. W 1985 r. zakład w Clam Lake osiągnął wstępną zdolność operacyjną. Jesienią 1989 roku, kiedy zakład w Michigan stał się w pełni operacyjny, ośrodek w Wisconsin został przemianowany na Naval Radio Transmitter Facility Clam Lake.
Cały podwodny system łączności ELF stał się w pełni operacyjny 1 października 1989 r., kiedy dwa nadajniki rozpoczęły zsynchronizowaną transmisję programu ELF do floty okrętów podwodnych 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu.
System uziemienia studni antenowej został wprowadzony w połowie lat 80. XX wieku w ramach modernizacji nadajnika na końcu kilku linii antenowych ELF, co przyniosło poprawę bezpieczeństwa. Dobrze uziemione tablice wymagają mniej konserwacji, zmniejszają potencjały elektryczne powierzchni ziemi i minimalizują potencjalny wpływ na lokalne siedliska.
Opierając się na sukcesie poprzedniej modernizacji terminala naziemnego, Marynarka Wojenna przewiduje wymianę innych istniejących uziemień anteny na terenie Clam Lake w ciągu najbliższych kilku lat. W połączeniu z tymi modernizacjami Marynarka Wojenna będzie współpracować ze Służbą Leśną Stanów Zjednoczonych – zarządcą Lasu Narodowego Chequamegon – w celu zapewnienia spełnienia wymaganych wymagań ekologicznych, środowiskowych, kulturowych i historycznych.