Los múltiples métodos de comunicación con los submarinos
A veces parece difícil creer que los humanos hayamos logrado explorar tan poco de lo que tenemos tanto: los mares. Los océanos cubren casi el 70 por ciento de la superficie del mundo, pero hemos mapeado solo el 20 por ciento del lecho marino. Las 228.000 especies que habitan en los océanos que conocemos representan alrededor del diez por ciento del total estimado de especies acuáticas. Y casi toda la vida que conocemos, y el área que hemos explorado en profundidad, se limita a los primeros cientos de metros de la superficie.
La escasez de nuestros esfuerzos de investigación en aguas profundas tiene mucho que ver con la hostilidad del mar hacia aquellos que no han evolucionado para sobrevivir en él. Se necesita una ingeniería extrema y máquinas maravillosamente caras para vivir y trabajar incluso a unos pocos pies de profundidad, e incluso entonces los submarinos se aíslan rápidamente por completo del resto del mundo una vez que están allí. La comunicación submarina es particularmente difícil porque las propiedades del agua de mar confunden los esfuerzos para utilizarla como medio de comunicación.
Aunque es difícil, la comunicación submarina es posible, y en este artículo veremos algunas categorías que han permitido el funcionamiento bajo el mar y la nueva tecnología que podría simplemente extender Internet bajo las olas.
Hola, Gertrude.
Durante la mayor parte de los primeros años del Servicio Silencioso, después del hundimiento de un submarino, estaba solo. Para los submarinos y submarinos de la Primera Guerra Mundial, este hecho tuvo pocas consecuencias prácticas, ya que estos barcos funcionaban principalmente como barcos de superficie, y se hundían solo para atacar o evitar su persecución. Hubo poca necesidad de que las autoridades de mando contactaran con ellos durante el poco tiempo que estuvieron sumergidos, y porque en su mayoría operaban solos y atacaban por iniciativa del capitán.
Más adelante en el siglo, cuando las tácticas submarinas se transformaron en ataques de "manada de lobos", se hizo evidente la necesidad de comunicaciones submarinas entre barcos para coordinar los ataques. Los capitanes de submarinos y submarinos confiaban en sus radios de alta frecuencia (HF) para comunicarse entre los barcos en el paquete y coordinar sus ataques a los convoyes, pero esto podría exponerlos a la detección por parte de fuerzas opuestas utilizando hallazgos de radiodirección, y cuando debían aparecer. usaban sus radios, eran opciones fáciles para barcos y aviones de superficie.
Teléfono submarino AN / BQC-1, también conocido como "Gertrude". Fuente: Asociación del Parque Nacional Marino de San Francisco
Uno de los primeros modos de comunicación submarina lanzados por la Marina de los Estados Unidos fue el teléfono submarino AN / BQC-1. Este era un dispositivo completamente portátil que funcionaba con baterías y que los barcos de superficie usaban para comunicarse con los submarinos, y los submarinos se comunicaban entre sí. A menudo llamado "Gertrude", el dispositivo era autónomo además del transductor montado en el casco. La unidad base tenía un auricular telefónico para comunicaciones de voz entre unidades; Además, el Gertrude podría hacer emitir un tono de sonido de 24,26 kHz para llamar a otros barcos que operan equipos de sonar utilizando esa frecuencia.
Para transmitir la voz, la Gertrudis utilizó un método modular conocido por los radioaficionados: una banda unilateral. Al igual que las ondas de radio, una onda portadora acústica se puede modular en amplitud. En el caso de Gertrude, la onda portadora estaba entre 8,3375 kHz y 11,0875 kHz, y al igual que en la radio, el receptor y el transmisor tenían que estar sintonizados en la misma frecuencia de transporte. En el lado del transmisor, la señal de AM se filtró para eliminar la onda portadora y una de las bandas laterales, dejando una única señal lateral que se aplicó al transductor. El receptor demoduló la señal SSB utilizando el detector de salida estándar y la configuración del oscilador de frecuencia de batido, muy similar a la utilizada en las señales de radio SSB pero a diferentes frecuencias.
Un teléfono subacuático acústico más moderno, compatible con versiones anteriores de Gertrude. Fuente: ITT Corp.
El AN / BQC-1 Gertrude permaneció en funcionamiento hasta el final de la Segunda Guerra Mundial y en la era de la Guerra Fría. Una unidad más poderosa, el AN / WQC-2, entró en funcionamiento en 1945 y alguna versión de la tecnología permanece en casi todos los barcos de la Armada de los EE. UU. Hasta el día de hoy. Los teléfonos subacuáticos modernos todavía usan el esquema de modulación SSB y aún admiten las frecuencias establecidas por la Marina para el Gertrude original, a pesar de que la electrónica detrás de él ha cambiado mucho durante las décadas intermedias.
Bajo y largo
Tan útiles como son, los teléfonos subacuáticos acústicos tienen capacidades limitadas. La gama de teléfonos acústicos es limitada; el AN / BQC-1 se utilizó mejor para comunicaciones de voz a menos de 500 yardas (365 m), aunque su ping de 24,26 kHz podría alcanzar diez veces esa distancia. Las ondas acústicas están sujetas a los mismos caprichos de propagación que las ondas de radio, con reflejos de superficies sólidas y difracción de capas de diferente temperatura del agua o salinidad, lo que da como resultado una interferencia de múltiples rutas o incluso una pérdida total de señal.
Los submarinos también pasaron a un papel muy diferente en los años de la Guerra Fría, cuando los barcos nucleares llegaron a la escena. Capaces durante meses en el mar, estos barcos se convirtieron en las plataformas perfectas para misiles balísticos que necesitarían estar en contacto con las autoridades de mando a tal grado que los capitanes de la Segunda Guerra Mundial nunca hubieran creído posible. Pero las ondas de radio generalmente no penetran en el agua de mar, lo que plantea el problema de que un subordinado debe aparecer periódicamente para comprobar si hay nuevas órdenes y perder su única ventaja táctica: el secreto.
Para mantener a los submarinos a salvo bajo la superficie, los comandos navales comenzaron a explorar el extremo inferior del espectro de radio. Mientras que los grupos de alta frecuencia (HF: 3 MHz a 30 MHz) y baja frecuencia (LF: 30 kHz a 300 kHz) son perfectamente capaces de llegar a todo el mundo gracias a la refracción de la ionosfera, la alta conductividad del agua de mar atenúa rápidamente las señales en estas bandas. .
Marcando ligeramente el espectro, la banda de muy baja frecuencia (VLF: 3 kHz a 30 kHz) comienza a mostrar una penetración decente del agua de mar, hasta una profundidad de quizás 20 metros. Esto no es lo suficientemente profundo como para garantizar el secreto de la mayoría de los submarinos que necesitan desarrollar un cable de antena largo para rastrearlos mientras navegan demasiado cerca de la superficie para su comodidad. Las comunicaciones VLF también sufren limitaciones de ancho de banda, lo que hace que las comunicaciones de voz no sean prácticas. Por lo tanto, las comunicaciones VLF están limitadas a una tasa de bits de aproximadamente 300 bps. Otra desventaja es que los enormes conjuntos de antenas y los transmisores de alta potencia necesarios para VLF evitan las comunicaciones bidireccionales.
Yendo aún más lejos en el espectro, las señales en la banda de frecuencia extremadamente baja (ELF: 3 Hz a 30 Hz) son capaces de penetrar 120 metros de agua de mar, que es lo suficientemente profunda como para que cualquier submarino mantenga su secreto. La Marina de los Estados Unidos comenzó a explorar el grupo ELF en 1968 con el Proyecto Sanguine. Con longitudes de onda de 10.000 a 100.000 kilómetros, un transmisor ELF necesita antenas enormes; de hecho, la propuesta original para una estación ELF en Wisconsin enterraría los cables de antena por debajo del 40% de la superficie terrestre del estado. Estos cables funcionarían con 800 megavatios de potencia durante la transmisión.
Antena ELF proyectiva. Fuente: Chetvorno / CC0
El Proyecto Sanguine nunca se construyó, derrotado por activistas pacifistas y halcones del presupuesto. Tampoco se construyó la serie de proyectos ELF reducidos propuestos por la Armada, hasta que finalmente en 1989 el Proyecto ELF se puso en línea. Había dos transmisores, uno en Wisconsin y otro en la península superior de Michigan. Los cables de la antena tienen de 14 a 28 millas (22 a 44 km) de largo, atados a postes de madera como líneas de servicio y conectados a enormes postes de tierra clavados profundamente en el lecho de roca. Cuando se energizó, la corriente fluyó entre las barras de tierra y a través del lecho de roca de granito, creando un campo masivo que generó las ondas ELF. Básicamente era una antena de bucle gigante hecha de roca.
El sistema terminado fue capaz de enviar un mensaje codificado a 76 MHz a un submarino sumergido a 400 pies (122 m) de la costa de Florida. Desafortunadamente, el ancho de banda de la señal era tan bajo que se necesitaron 15 minutos para enviar un único códec de tres caracteres. El Proyecto ELF solo podría servir como una señal de "campana", para notificar una superficie subyacente y utilizar otros medios para recibir un mensaje completo. El sistema se cerró en 2004 después de que la tecnología VLF hubiera avanzado lo suficiente como para que los secretarios editoriales pudieran usarlo sin temor a ser detectados.
WiFi bajo las olas
Las comunicaciones submarinas de ancho de banda limitado ciertamente tienen su lugar, pero poder comunicarse de manera segura bajo el agua con altas tasas de bits podría ser posible si se obtienen nuevos resultados de investigación. En un periódico reciente, Basem Shihada et al de la Universidad de Ciencia y Tecnología King Abdullah ha demostrado un sistema que ellos llaman "Aqua-Fi", que extiende Internet al reino submarino. Utilizando principalmente componentes gratuitos, incluida Raspberry Pi 3b, pudieron construir una red inalámbrica compatible con IEEE 802.11 con un ancho de hasta 20 metros. Tanto los LED como los láseres se han utilizado para los emisores, y los láseres proporcionan un mayor alcance pero a costa de la direccionalidad. En pruebas con teléfonos inteligentes a prueba de agua y láseres azul y verde, pudieron alcanzar 2.11 Mbps y hacer llamadas de Skype a través de la conexión Aqua-Fi.
El sistema Aqua-Fi. Fuente: Shihada, B., Amin, O., Bainbridge, C., Jardak, S., Alkhazragi, O., Ng, TK, ... Alouini, M.-S. (2020). "Aqua-Fi: ofrecer Internet bajo el agua mediante redes ópticas inalámbricas". Revista de comunicación IEEE, 58 (5), 84-89. doi: 10.1109 / mcom.001.2000009
No es probable que Aqua-Fi tenga mucho futuro como red para submarinos, pero la guerra submarina está lejos de ser el único rendimiento que un sistema de este tipo podría sostener. La exploración submarina podría beneficiarse de la provisión de Internet por debajo de la superficie; uno podría imaginar una boya alimentada por energía solar con un enlace satelital sobre la superficie y una serie de puntos de acceso Aqua-Fi atravesando la profundidad de abajo. Los buzos, los vehículos impulsados por control remoto o los drones autónomos podrían aprovechar una conexión de tiempo completo a Internet, lo que conduciría a avances en biología marina, geología, conservación o incluso simplemente recreaciones como el buceo deportivo. ¡Podemos bajar con eso!
ziew dice:
> ELF
> 76 MHzElige uno.
jcamdr dice:
Es 76 Hz según http://www.fas.org/nuke/guide/usa/c3i/fs_clam_lake_elf2003.pdf
nuclear dice:
76 Hz, no 76 MHz.
Conocido dice:
¿Errores tipográficos?
"En el caso de Gertrude, la onda portadora estaba entre 8,3375 kHz y 11,0875 kHz, y al igual que en la radio, el receptor y el transmisor tenían que estar sintonizados en la misma frecuencia de transporte".
Más adelante en el artículo escribiste:
"Al marcar ligeramente el espectro, la banda de muy baja frecuencia (VLF: 3 kHz a 30 kHz) comienza a mostrar una penetración decente del agua de mar, hasta una profundidad de quizás 20 metros. Esto no es lo suficientemente profundo como para garantizar el secreto de la mayoría de los submarinos. que necesitan desarrollar un cable de antena largo para rastrear detrás de ellos, ya que navegan demasiado cerca de la superficie para su comodidad.Las comunicaciones VLF también sufren limitaciones de ancho de banda, lo que hace que las comunicaciones de voz no sean prácticas.Por lo tanto, las comunicaciones VLF están limitadas a una velocidad de bits de 300 bps o Entonces. Otra desventaja es que los enormes conjuntos de antenas y los transmisores de alta potencia necesarios para VLF hacen que las comunicaciones bidireccionales sean imposibles ".
No comprender cómo son posibles las comunicaciones de voz en el espectro de 8-11 KHz es lo más práctico cosa.
Dan dice:
De 8,3375 kHz a 11,0875 kHz es la frecuencia acústica de Gertrude, no ondas de radio. La siguiente parte del artículo trata específicamente sobre la radio.
mac012345 dice:
Son ondas acústicas, no electromagnéticas.
Tim Kyle dice:
"La alta conductividad del agua de mar atenúa rápidamente las señales en estas bandas".
Elliot Williams dice:
Gracias.
Jim dice:
En 1968, cuando estaba en la Guardia Costera de los EE. UU. En ruta en el Golfo de México, como una radio en código Morse, copié un mensaje de grupos codificados de 5 letras como ... UFBOM BCNUT RPMNW ... Tenía alrededor de 80 grupos y luego repetido varias veces y enviado muy lento en términos de código Morse a diferencia del código de velocidad HF. Esto era de unos 500 mHZ y muy fuerte. Supuse que era un armónico con una frecuencia mucho más baja. ¿Hay una entrega ELF a nuestros "Boomers" o posible información de entrega en o alrededor de la península superior de Michigan?
Al llegar a Charleston SC, el oficial de comunicaciones y yo llevamos una copia a la oficina de operaciones de la subbase naval allí.
Se nos dijo que nos olvidáramos de él y destruyéramos la copia del mensaje y lo grabáramos. Y, por no mencionarlo a nadie.
2 + 2 = ELF.Jules dice:
Al menos tu publicación no estaba llena de errores que me resultaría imposible que un operador de radio educado lo hiciera, lo que me hace creer nada de lo que dices ...
flematoide dice:
QWERTY dice:
WOW ... eso es muy bueno
Pensador dice:
¿Enlaces ópticos bajo el agua? Quizás en el Caribe. Algunas veces. Busque un buceador de negocios y pregúntele con qué frecuencia pueden ver realmente en qué están trabajando, incluso en sus propias manos.
"La investigación subacuática podría beneficiarse de proporcionar Internet bajo la superficie; uno podría imaginar una boya alimentada por energía solar con un enlace satelital sobre la superficie y una serie de puntos de acceso Aqua-Fi atravesando las profundidades".
Una boya con un cable de fibra óptica directo a todo lo que necesita la conexión es la solución confiable para esto.
Marcus dice:
Curiosamente, la fibra óptica también es una de las pocas opciones para que un torpedo de viaje se comunique con el "submarino anfitrión".
Foldi-One dice:
De acuerdo, aunque las cadenas están limitadas a su manera, por lo que el sonido de muy baja frecuencia o las ondas de radio serán útiles. Sin embargo, no veo que la luz funcione bien: el agua clara ablanda y propaga mal la mayoría de las longitudes de onda de la luz y los láseres necesitarán alinearse. lo cual será muy difícil si no puede saber las posiciones exactas / relativas de cada extremo sin que el comunicador funcione ... Luego agregue todas las cosas interrumpidas en el agua, dudo que obtenga una señal decente de 5M en muchos lugares ... .
Martín dice:
la propagación no es tan mala, básicamente reduce la directividad, como una antena de menor ganancia. A veces, eso es incluso bueno porque no necesita apuntar su antena / lente con tanta precisión. No es necesario ver una imagen, sino variaciones intensas. Un control remoto de TV también funciona si lo apuntas a la pared opuesta.
Marcus dice:
Las comunicaciones acústicas en aguas profundas son un poco difíciles: hay efectos dependientes profundos y el agua es un recurso en movimiento; también obtienes Doppler medio. Los anchos de banda de coherencia son bajos y las pérdidas altas. Además, los tiempos en los que el canal de comunicación permanece estable son limitados.
¡Campo realmente interesante!
Realmente me gustó [Michel Barbeau]presentación sobre comunicaciones móviles acústicas subacuáticas. Esto podría ser un poco más prometedor que un láser bajo el agua (aunque la idea del láser es agradable, solo necesitaríamos un láser que golpee una longitud de onda de baja absorción, pero que no tenga conocimiento de una).
rolinger dice:
¡Desafiante pero alcanzable! Trabajo en el diseño de comunicaciones submarinas, y las comunicaciones acústicas, de RF y ópticas se han utilizado de forma rutinaria durante mucho tiempo (años o décadas para cada tipo), en aplicaciones defensivas y comerciales. Cada uno tiene sus fortalezas y debilidades (consumo de energía, alineación, probabilidad de interceptación, impacto ambiental, susceptibilidad ambiental (por ejemplo, desenfoque para la óptica, perfil de sonido y flexión de radio para la acústica), costo, capacidad de conexión en red, etc.
Y una unidad de comunicación de buzo SSB moderna no se ve así, se "parece" a SDR 🙂tryum dice:
De hecho, esto se parece a lo que se usa en los AUV para la comunicación en aguas profundas ... Como los hechos por Sercel (https://www.sercel.com/products/Pages/mats3g.aspx)
jcwren dice:
Esta es la torre WSB 750 en Atlanta, GA. Según alguien que anteriormente dirigió un sitio web, se supone que hay, o hubo, algunos equipos ELF / VLF reunidos aquí. Aunque alguna búsqueda nunca mostró nada que confirmara esto, recuerdo que en una de las puertas había un cartel “Dept Of The Navy - Instalación segura”, y era una sección del sitio web a la que esta persona nunca tuvo acceso. Puede haber sido para investigación o puede haber sido un sistema de comunicación activo. O tal vez nunca fue nada.
https://goo.gl/maps/uLa6QChWV4Q3RtVs6
Martinrothfield dice:
Ver TACAMO página 10 http://collinsradio.org/Signal/newsletters/Issue%2072%204th%20Quarter%20of%2013%20Post%20Rockwell%20(PDF).pdf
Martinrothfield dice:
http://collinsradio.org/Signal/newsletters/Issue%2072%204th%20Quarter%20of%2013%20Post%20Rockwell%20(PDF).pdf
Continuar dice:
500 yardas = 457.2 metros
hackadave dice:
¿Tiburones con rayos láser?
Ren dice:
¡Felicitaciones a Joe Kim!
¡Un teléfono submarino amarillo que recuerda a los nuevos teléfonos de la década de 1980!John Jorsett dice:
Esto omite varios de los sistemas en los que he estado involucrado en el desarrollo / investigación, incluidos SSIXS, OTCIXS y un sistema láser azul-verde experimental basado en aeronaves que casi choca el helicóptero en el que se encontraba un colega (explotó un interruptor de vuelo crítico) . .
RW versión 0.0.1 dice:
Ah, dado que la mayoría de estos métodos parecen ser bastante cortos, se me ocurrió una solución simple para aprovechar una característica no utilizada de los submarinos que se ha visto como una tontería en el proyecto durante décadas ... solo grite por la puerta mosquitera.
zoobab dice:
En Battlemesh en Portugal en 2016, hubo una presentación sobre comunicaciones submarinas:
https://battlemesh.org/BattleMeshV9/Agenda?action=AttachFile&do=get&target=Underwater_electromagnetic_communications_INESC_TEC_battlemeshv9.pdf
Supongo que convirtieron un transmisor wifi de 2.4GHz a 700Mhz.
Gran tiburon dice:
La transmisión óptica solo se practica con buena visibilidad. No es confiable en el mundo real con las condiciones climáticas. Los peces y otras especies marinas pueden estropearlo. La comunicación de agua prácticamente óptica funciona peor cuanto más los necesita.
David Scaradozzi dice:
Gracias, Dan Maloney, por el bonito artículo.
Sobre las redes de comunicación submarina, puedes ver el proyecto europeo Sunrise http://fp7-sunrise.eu/Anteriormente también trabajamos mucho en LiFi experimentando de 10 Mbps a 10 m en agua sucia.
Cossu, G., Sturniolo, A., Messa, A., Grechi, S., Costa, D., Bartolini, A., ... y Ciaramella, E. (2018). Pruebas marinas de módems ópticos por aire para comunicaciones inalámbricas subacuáticas. Revista de tecnología Lightwave, 36 (23), 5371-5380.
Cossu, G., Sturniolo, A., Messa, A., Grechi, S., Scaradozzi, D., Caiti, A. y Ciaramella, E. (2018, marzo). Prueba de mar de un sistema de comunicación VLC submarino basado en Ethernet. En Conexión de conferencia sobre fibra óptica (págs. Tu2I-2). Sociedad Óptica de América.
Cossu, G., Sturniolo, A., Messa, A., Scaradozzi, D. y Ciaramella, E. (2017). Sistema de comunicación inalámbrico óptico subacuático Ethernet 10Base-T de ala completa. Revista IEEE de áreas seleccionadas en comunicación, 36 (1), 194-202.
Caiti, A., Ciaramella, E., Conte, G., Cossu, G., Costa, D., Grechi, S., ... y Sturniolo, A. (2016, agosto). OptoCOMM: lanzamiento de una nueva comunicación inalámbrica óptica submarina. En 2016 IEEE Third Underwater Communications and Networking Conference (UComms) (págs. 1-5). IEEE.
Uniservo dice:
No creo que AN / BQC-1 realmente entró en la Segunda Guerra Mundial, como "funcionando". Puede haber prototipos en prueba antes de 1945, pero no unidades de producción bajo los contratos. Creo que algunos de los equipos anteriores podían aceptar entradas de audio (como un micrófono) para uso urgente.
David Guettler (@DavidGuettler) dice:
Yo era un miembro de la tripulación del USS DOLPHIN. En los 90 probamos 4 teléfonos subacuáticos durante más de 8 horas (muy aburrido) americano, francés, inglés y no recuerdo el cuarto. Incluso dije algunas palabras que, además, estaban escritas como una película.
Todos los teléfonos funcionaron bien.Aeronauta dice:
En Tinker AFB en Oklahoma City, la Marina de los EE. UU. Apoya los pies de los aviones E-6B que vuelan 24 horas al día, 7 días a la semana. Estos son parte de TACMO (ver Wikipedia). Con base en casi el centro de los Estados Unidos continentales, vuelan un gran circuito al norte y al sur del golfo hasta la frontera con Canadá durante 10 a 12 horas al día. Siempre hay al menos un avión en el aire. En la parte superior del fuselaje hay una gran cúpula que sostiene una antena parabólica. Una antena ELF de cable largo sigue la parte trasera de la aeronave para enviar mensajes codificados cortos a los submarinos mientras patrulla.
Básicamente, la aeronave actúa como un repetidor relativamente resistente al sabotaje de los sistemas de antenas ELF terrestres.
