Comunicatii subacvatice

  • View
    265

  • Download
    3

Embed Size (px)

Text of Comunicatii subacvatice

CONVERGEN E TEHNOLOGICE N COMUNICA II SUBACVATICE Mociran Tiberiu Colegiul Tehnic George Bari iu Baia Mare Electronic i Telecomunica ii

Motiva ia alc tuirii acestui articol are la baz interesul deosebit manifestat de elevii claselor a XII-a, care in anii trecu i au studiat, n conformitate cu programa scolar , modulul Tehnici i Sisteme de Radiocomunica ii. n programa scolar sunt prevazute pentru studiu aspecte ale comunica iilor prin unde electromagnetice, dar ele se refer numai la comunica iile terestre si spa iale. Majoritatea informa iilor cuprinse in paginile care urmeaz nu au fost expuse niciodat n cadrul orelor la clas . Prezentul articol i i propune s fie o lectur inedit n contextul studiului liceal, cu caracter tehnic exotic, s determine cititorii interesa i s ntoarc pagina i s citeasc n continuare despre fr mnt rile speciali tilor pentru realizarea de comunica ii f r fire, fixe si mobile, ntr-un mediu ostil tehnologic si fizic, mediu prezent n procent semnificativ pe planeta noastr , suport esen ial al lumii vii. Se pot realiza interferen e ntre multe domenii ale tiin elor si tehnologiilor dintre care amintim: fizica propag rii undelor electromagnetice, tehnologii de transmisiuni militare, fizica p mntului, biologia marin , telemetrie-domeniu de importan mare in studiul lacurilor, m rilor si oceanelor, protec ia mediului, robotic , optic precum i ntre alte domenii. Evident, toate acestea le putem face in context istoric. Spre deosebire de comunica iile f r fire terestre, unde ar trebui s ncepem istorisirea realiz rilor tehnice cu balizele luminoase amplasate pe vrfurile mun ilor, n turnurile zidului chinezesc, modularea fumului prin colorare prin arderea mocnit a diferitelor feluri de vegeta ie, modularea fumului n trombe cu p turi n vederea transmisiilor prin coduri simple, n cazul transmisiilor subacvatice istoria este relativ recent . Ca i n cazul altor dezvolt ri tehnologice, motiva iile care au dus la dezvoltarea acestui domeniu al comunica iilor au avut un caracter militar. Ne referim aici la comunica ii ntre submarine aflate in imersiune i obiective de pe uscat, ntre submarine aflate n imersiune, ntre submarine n imersiune i alte obiective mobile de la suprafa a apei. Problema comunic rii subacvatice este acuta din cauz c folosirea comunica iilor tradi ionale prin unde electromagnetice nu este tot timpul posibil din cauza localiz rii pe care o poate

realiza inamicul precum i a imposibilit ii concrete de ie ire la suprafa , n cazul navig rii sub calotele glaciare.

Submarin navignd sub calota arctic

Comunica iile la mare distan a prin unde sonore, infrasunete si ultrasunete sunt puternic afectate de zgomote provenite din surse naturale si artificiale cum ar fi valurile, elicele navelor etc. Problema fundamental n cazul comunica iilor subacvatice electromagnetice este absorb ia masiv a energiei undelor de c tre mediul marin. Aceasta absorbtie mare a energiei a determinat speciali tii s realizeze studii ample de propagare in toate gamele de frecven e. n elegerea problemelor transmisiilor subacvatice constituie elementele principale n ntelegerea motiva iilor pentru care aceste comunica ii folosesc frecven ele foarte joase, VLF-(very low frecvency) si a frecven elor extrem de joase, ELF-( extremly low frecvency). Teoria fundamental a propag rii undelor electromagnetice afirm c o und care se propag ntr-un mediu se atenueaz n func ie de propriet ile acelui mediu. Caracteristicile mediului care determin gradul de atenuare sunt permitivitatea, permeabilitatea i conductivitatea. Dac aceste caracteristici sunt cunoscute sau

determinate, putem utiliza formula de mai jos pentru calcularea adncimii de p trundere in mediu. Adncimea de p trundere este definit ca distan a n care o und care se propag se atenueaz cu aproximativ 37% din intensitatea initial . ________

= 1/

1/

f

-adncimea de p trundere -constanta de atenuare f-frecven a -permeabilitatea -conductivitatea Rezult n mod evident din rela ie ca adncimea de p trundere este invers propor ional cu r d cina p trat a frecven ei undei electromagnetice. Caracteristicile apei de mare sunt urm toarele: Conductivitatea =4Siemens/m, permitivitatea relativ = 81, permeabilitatea relativ aproximativ 1. S evalu m ce performan e se ob in n gama undelor de frecven e foarte mici i extrem de mici: ELF- Extremly low frecvency sunt utilizate frecven e intre 3 Her i i 30 Her i, se pot transmite semnale la peste 8000 de Km. ELF se propag i prin substratul p mntului, asigur penetrarea apelor m rilor si oceanelor la adncimi de sute de metri. Sistemele de transmisie cer antene de emisie enorme, acoper mii de kilometri p trati; aceste antene cedeaza energia cu frecven ele specificate p mntului i de asemenea le i recep ioneaz conform propriet ii de reciprocitate a sistemelor radiante. Distan ele acoperite de echipamente folosind ELF sunt mai mari dect ale oric rui tip de comunicatie terestra i nu sunt afectate n mod semnificativ de fenomenele atmosferice. Aceast gam a frecven elor este utilizat cu predilec ie n comunica iile la distan mare, subacvatice. ELF i VLF se utilizeaz exclusiv numai pentru comunica ii cu submarine n imersiune din cauza ratei mici de transmisie, transmisiunile fiind adecvate numai pentru mesaje scurte, de regul codate. VLF- Very low frecvency utilizeaz gama de frecven e 3 Khz-30 Khz. Asem n tor ELF, transmisiile pot fi realizate cu sigurant pana la 8000 Km, dar nu pot fi folosite sub adncimi mai mari de 3-4 m. Aceste unde sunt folosite pentru naviga ie si comunica ii cu submarine n imersiune la adncimi mici; rata de transmisiune fiind ceva mai mare, se pot transmite i mesaje de lungime rezonabil , transmisiunile putnd fi criptate suficient de bine. De regul comunica iile submarinelor sunt cu obiective de pe uscat, dar n unele aplica ii se pot construi emi toare i pe nave maritime sau pe aparate de zbor mai mari. Aici puterile instalate trebuie s fie de sute de kilowa i, iar antenele portabile n acest caz constau dintr-un fir lung desf urat n urma vaselor sau avioanelor. Frecven e mai mari nu pot fi utilizate pentru transmisii fiabile la distanta mare pentru dispozitive subacvatice.

n cadrul acestor transmisiuni se folosesc toate tehnicile de modulatie cunoscute, existnd predilec ie pentru modula iile digitale, tipul lor, fiind in func ie de aplica ie i de perioada de timp istoric pe care o analiz m. Nu intr m n detaliile tipurilor de modula ii folosite, remarc m doar c n cazul unor asemenea transmisiuni se opteaz pentru siguran a si securitatea comunica iilor n detrimentul vitezei de transmisie, preferndu-se tipurile de modula ii cu mai pu ini fazori de exemplu MSK (minimum shift keying).

Minimum shift keying n esen , fiecare fazor recep ionat este purt torul a doi bi i, fiecare bit avnd nevoie de o jum tate de perioad a unei sinusoide a semnalului purt tor. Astfel se pot reduce problemele generate de distorsiunile neliniare. Performan ele transmisiilor, n vitez , sunt sc zute, aproximativ 50 baud, iar n cazul folosirii unor dispozitive antiinterferen a scade dramatic, astfel c se pot transmite n anumite cazuri doar 3 caractere la fiecare 12 secunde. Nu uit m ns c e vorba de o transmisie f r fire, sub ap , la distan e de ordinul a mai multor mii de kilome tri. Evident, n urma unui mesaj scurt pe aceasta cale, submarinul poate ie i din imersiune i poate realiza o comunica ie de mare vitez prin satelit (dac dispozitivul nu se afl sub o calot polar sau n zon de conflict). In cazul ELF- frecven e extrem de joase, din cauza lungimii de und foarte mari, antenele emit toarelor de acest fel sunt foarte dificil de construit, mai ales sub aspect financiar. Din acest motiv se cunosc numai dou sisteme moderne de emisie de acest fel, realizate de Statele Unite si Rusia. Cele dou proiecte sunt remarcabile att datorit anvergurii lucr rilor de construire ct i prin costurile de ntre inere i functionare. Proiectul ELF din SUA a devenit opera ional n octombrie 1989 fiind constituit din dou emi toare amplasate in Michigan si Wisconsin conectate ntre ele printr-un cablu subteran de 264 Km. Func ionarea era nentrerupt , fiecare emi tor avea cte o anten de circa 25 Km, amplasat pe sute de poli de n l ime de 13 m n p dure pe zeci de kilometri.

Proiectul ELF Wisconsin vedere aerian 1982 Marina Sovietic a construit un sistem ELF similar, care a fost detectat in 1990, localizat in Peninsula Kola lng Murmansk. Spre deosebire de sistemul american care func ioneaz la 76 HZ, sistemul sovietic lucreaz n jurul frecven ei de 82 HZ cu modula ie MSK.

Echipamente de recep ie n submarin Sistemul de emisie-recep ie din Peninsula Kola este folosit i n cercet ri de fizic a p mntului, mi c rile seismice fiind inso ite de manifest ri electromagnetice semnificative n gama de frecven e de 30-166HZ.

Submarinul rom nesc Delfinul la docurile din Constan a Necesit modernizare Observ m c cele dou sisteme sunt relativ recente; nainte comunica iile au fost oare numai atmosferice? La o cercetare mai detaliat observ m c nceputurile transmisiunilor subacvatice , evident la frecven e foarte joase (VLF) le g sim n 1917. Cercet torul francez Broji a observat pentru prima dat c undele electromagnetice de anumite frecven e pot p trunde n mediul subacvatic. Cercet rile au fost realizate n gama de frecven e 15-33,3 Khz (0 parte din banda VLF). Broji a realizat leg turi radio simple la distan a de 25 kilometri cu antena amplasat sub ap la 10 m. Aceste caracteristici erau nesemnificative pe lng nevoile de comunica ie de care avea nevoie Germania n al doilea r zboi mondial pentru submarinele care navigau n toata lumea, vestitele U-boat clasa 7C. Inginerii germani au dezvoltat un sistem de radiocomunica ii care functiona in gama VLF intre 15-25 kiloher i n scopul dirij rii submarinelor care s-a numit Goliath. Goliath avea puterea de 1800 kilowati i era capabil s comunice cu submarinele scufundate oriunde