Liên lạc với tàu ngầm là một lĩnh vực trong liên lạc quân sự đặt ra những thách thức kỹ thuật và đòi hỏi công nghệ chuyên dụng. Do sóng vô tuyến truyền đi không tốt trong các chất dẫn điện như nước muối nên các tàu ngầm lặn dưới nước bị cắt liên lạc vô tuyến với sở chỉ huy của chúng ở các tần số vô tuyến thông thường. Tàu ngầm có thể nổi lên và nâng ăng-ten lên trên mực nước biển, hoặc thả nổi một chiếc phao có dây buộc mang ăng-ten, sau đó sử dụng đường truyền vô tuyến thông thường, tuy nhiên điều này khiến chúng dễ bị lực lượng tác chiến chống ngầm phát hiện. Tàu ngầm ban đầu trong thời gian Thế chiến II chủ yếu di chuyển trên mặt nước do tốc độ và sức chịu đựng dưới nước hạn chế của chúng, chúng chủ yếu lặn nhanh xuống để trốn tránh các mối đe dọa tức thì hoặc để lén lút tiếp cận mục tiêu. Tuy nhiên, trong Chiến tranh Lạnh, các tàu ngầm chạy bằng năng lượng hạt nhân đã được phát triển có thể lặn dưới nước trong nhiều tháng. Trong trường hợp xảy ra chiến tranh hạt nhân, các tàu ngầm tên lửa đạn đạo đang lặn dưới nước phải nhanh chóng nhận lệnh công kích tên lửa. Truyền thông điệp đến các tàu ngầm này là một lĩnh vực nghiên cứu phức tạp. Sóng vô tuyến tần số rất thấp VLF (Very low frequency) có thể xuyên qua nước biển ở độ sâu vài vài chục mét và nhiều lực lượng hải quân sử dụng các máy phát VLF mạnh trên bờ để liên lạc với tàu ngầm. Một số quốc gia đã chế tạo máy phát sử dụng sóng vô tuyến tần số cực thấp ELF (extremely low frequency), có thể xuyên qua nước biển để tiếp cận tàu ngầm ở độ sâu hoạt động, nhưng những sóng này đòi hỏi ăng-ten khổng lồ. Các kỹ thuật khác đã được sử dụng bao gồm sonar và la-ze xanh.
Lan truyền âm thanh
Âm thanh truyền đi xa trong nước và loa dưới nước cũng như ống nghe dưới nước có thể bao phủ một khoảng cách khá xa. Rõ ràng, cả hải quân Mỹ (SOSUS) và Nga đã đặt thiết bị liên lạc âm thanh dưới đáy biển của những khu vực tàu ngầm của họ thường xuyên di chuyển và kết nối nó bằng cáp liên lạc dưới nước với các trạm trên đất liền của họ. Nếu một tàu ngầm lẩn trốn gần một thiết bị như vậy, nó có thể giữ liên lạc với sở chỉ huy của nó. Điện thoại dưới nước đôi khi được gọi là Gertrude cũng được sử dụng để liên lạc với tàu lặn.
Tần số rất thấp (VLF)
Sóng vô tuyến VLF (3-30 kHz ) có thể xuyên qua nước biển ở độ sâu vài chục mét và tàu ngầm ở độ sâu nông có thể sử dụng chúng để liên lạc. Tàu đi sâu hơn có thể sử dụng phao được trang bị ăng-ten trên một sợi cáp dài. Phao nổi lên ở độ sâu vài mét dưới mặt nước và có thể đủ nhỏ để không bị sonar và radar của đối phương phát hiện. Tuy nhiên, những yêu cầu về độ sâu này hạn chế tàu ngầm trong thời gian tiếp nhận ngắn, và công nghệ tác chiến chống ngầm (ASW) có thể phát hiện ra phao phụ hoặc ăng-ten ở những độ sâu nông này.
Tiếng ồn nền tự nhiên tăng lên khi tần số giảm, do đó cần rất nhiều công suất bức xạ để khắc phục nó. Tồi tệ hơn, các ăng-ten nhỏ (so với bước sóng) vốn đã không hiệu quả. Điều này có nghĩa là công suất máy phát cao và ăng-ten rất lớn có diện tích hàng km2. Điều này ngăn cản tàu ngầm truyền VLF, nhưng một ăng-ten tương đối đơn giản (thường là một sợi dây dài) sẽ đủ để thu sóng. Do đó, VLF luôn là một chiều, từ đất liền (bờ) đến tàu. Nếu cần liên lạc hai chiều, tàu ngầm phải lên gần mặt nước hơn và nâng cột ăng-ten để liên lạc ở tần số cao hơn, thường là HF trở lên.
Do băng thông hạn hẹp nên việc truyền giọng nói là không thể; chỉ hỗ trợ dữ liệu chậm. Tốc độ truyền dữ liệu của VLF vào khoảng 300 bit/s, vì vậy việc nén dữ liệu là điều cần thiết.
Chỉ một số quốc gia vận hành các cơ sở VLF để liên lạc với tàu ngầm của họ: Na Uy, Hoa Kỳ, Nga, Vương quốc Anh, Đức, Úc, Pakistan và Ấn Độ.
Tần số cực thấp (ELF)
Sóng điện từ trong dải tần số ELF và SLF (3-300 Hz) có thể xuyên qua nước biển ở độ sâu hàng trăm mét, cho phép gửi tín hiệu đến tàu ngầm ở độ sâu hoạt động của chúng. Xây dựng một trạm phát ELF là một thách thức ghê gớm, vì chúng phải hoạt động ở những bước sóng cực kỳ dài: Hệ thống Dự án ELF của Hải quân Hoa Kỳ, là một biến thể của một hệ thống lớn hơn được đề xuất với mật danh Dự án Sanguine, hoạt động ở tần số 76 Hz, Hệ thống của Liên Xô/ Nga (được gọi là ZEVS) ở 82 Hz. Cái sau tương ứng với bước sóng 3.656,0 km. Đó là hơn một phần tư đường kính của Trái đất. Rõ ràng, ăng-ten lưỡng cực nửa bước sóng thông thường không thể chế tạo được.
Thay vào đó, ai đó muốn xây dựng một cơ sở như vậy phải tìm một khu vực có độ dẫn điện từ mặt đất rất thấp (một yêu cầu trái ngược với các địa điểm phát sóng vô tuyến thông thường), chôn hai điện cực khổng lồ xuống đất tại các địa điểm khác nhau, sau đó cấp đường dây cho chúng từ một đài ở giữa, dạng dây trên cột. Mặc dù có thể có những khoảng cách khác, nhưng khoảng cách được sử dụng bởi máy phát ZEVS nằm gần Murmansk là 60 km. Do độ dẫn điện của mặt đất kém, dòng điện giữa các điện cực sẽ thâm nhập sâu vào Trái đất, về cơ bản sử dụng một phần lớn địa cầu làm ăng-ten. Chiều dài ăng-ten ở Republic, Michigan, là khoảng 52 km. Ăng-ten hiệu quả rất kém. Để chạy nó, dường như cần phải có một nhà máy điện chuyên dụng, mặc dù năng lượng phát ra dưới dạng bức xạ chỉ là vài W. Truyền tải của nó có thể được nhận hầu như bất cứ nơi nào. Một trạm ở Nam Cực ở 78° Nam 167° Tây đã phát hiện đường truyền khi Hải quân Liên Xô đưa ăng-ten ZEVS của họ vào hoạt động.
Do khó khăn kỹ thuật trong việc xây dựng một máy phát ELF, Hoa Kỳ, Trung Quốc, Nga và Ấn Độ là những quốc gia duy nhất được biết là đã xây dựng các cơ sở liên lạc ELF:
– Cho đến khi nó bị tháo dỡ vào cuối tháng 9/2004, American Seafarer, sau này được gọi là hệ thống Project ELF (76 Hz), bao gồm hai ăng-ten, đặt tại Clam Lake, Wisconsin (từ năm 1977) và tại Republic, Michigan, ở Upper Peninsula (từ năm 1980).
– Ăng-ten của Nga (ZEVS, 82 Hz) được lắp đặt tại Bán đảo Kola, gần Murmansk. Nó được phương Tây chú ý vào đầu những năm 1990.
– Hải quân Ấn Độ có một cơ sở liên lạc VLF đang hoạt động tại căn cứ hải quân INS Kattabomman, để liên lạc với các tàu ngầm lớp Arihant và lớp Akula. Bắt đầu từ năm 2012, cơ sở này đã được nâng cấp để truyền thông tin liên lạc ELF.
– Mặt khác, Trung Quốc gần đây đã xây dựng cơ sở ELF lớn nhất thế giới – có diện tích tương đương thành phố New York – để liên lạc với lực lượng tàu ngầm của mình mà không cần phải nổi lên mặt nước.
Đường truyền ELF
Mã hóa được sử dụng cho các đường truyền ELF của quân đội Hoa Kỳ sử dụng mã sửa lỗi Reed-Solomon sử dụng 64 ký hiệu, mỗi ký hiệu được biểu thị bằng một chuỗi giả ngẫu nhiên rất dài. Toàn bộ quá trình truyền sau đó đã được mã hóa. Ưu điểm của kỹ thuật như vậy là bằng cách tương quan nhiều lần truyền, một thông báo có thể được hoàn thành ngay cả với tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm rất thấp và bởi vì chỉ có một số rất ít chuỗi giả ngẫu nhiên đại diện cho các ký tự thông báo thực, nên có một xác suất rất cao rằng nếu một tin nhắn đã được nhận thành công, thì đó là một tin nhắn hợp lệ (chống giả mạo).
Liên kết truyền thông là một chiều. Không tàu ngầm nào có thể có máy phát ELF riêng trên tàu do kích thước quá lớn của thiết bị như vậy. Nỗ lực thiết kế một máy phát có thể ngâm mình dưới biển hoặc bay trên máy bay đã sớm bị bỏ dở.
Do băng thông hạn chế, thông tin chỉ có thể được truyền rất chậm, theo thứ tự vài ký tự mỗi phút. Do đó, nó chỉ được sử dụng bởi Hải quân Hoa Kỳ để đưa ra hướng dẫn thiết lập một hình thức liên lạc khác và thật hợp lý khi cho rằng các thông báo thực tế chủ yếu là hướng dẫn hoặc yêu cầu chung chung để thiết lập một hình thức liên lạc hai chiều khác với cơ quan có liên quan.
Công nghệ vô tuyến tiêu chuẩn
Tàu ngầm nổi hoặc tàu ngầm thả nổi phao ăng ten có dây buộc trên bề mặt có thể sử dụng thông tin liên lạc vô tuyến thông thường. Từ bề mặt, tàu ngầm có thể sử dụng tần số hải quân trong các dải HF, VHF và UHF, đồng thời truyền thông tin qua cả kỹ thuật điều chế thoại và máy in từ xa. Nếu có sẵn, các hệ thống vệ tinh liên lạc quân sự chuyên dụng sử dụng tần số nhìn thẳng được ưu tiên cho liên lạc đường dài, vì HF có nhiều khả năng tiết lộ vị trí của tàu ngầm. Hệ thống của Hải quân Hoa Kỳ được gọi là SIXS (Submarine Satellite Information Exchange Sub-System), một thành phần của Hệ thống liên lạc vệ tinh siêu cao tần của Hải quân (UHF SATCOM).
Kết hợp truyền âm thanh và vô tuyến điện
Một công nghệ gần đây được phát triển bởi một nhóm tại MIT kết hợp tín hiệu âm thanh và radar để cho phép tàu ngầm lặn dưới nước giao tiếp với máy bay. Một máy phát dưới nước sử dụng một loa âm thanh hướng lên trên bề mặt. Máy phát gửi tín hiệu âm thanh đa kênh, truyền đi dưới dạng sóng áp suất. Khi những sóng này đập vào bề mặt, chúng gây ra những rung động nhỏ. Trên mặt nước, một radar, trong phạm vi 300 GHz, liên tục phát tín hiệu vô tuyến ra khỏi mặt nước. Khi bề mặt rung nhẹ nhờ tín hiệu âm thanh, radar có thể phát hiện các rung động, hoàn thành hành trình của tín hiệu từ loa dưới nước đến máy thu trong không khí. Công nghệ này được gọi là giao thức TARF (Translational Acoustic-RF) vì nó sử dụng bản dịch giữa tín hiệu âm thanh và RF. Mặc dù đầy hứa hẹn, nhưng công nghệ này vẫn còn ở giai đoạn sơ khai và chỉ được thử nghiệm thành công trong các môi trường được kiểm soát tương đối với các gợn sóng bề mặt nhỏ, lên tới khoảng 200 mm, trong khi các sóng lớn hơn ngăn cản việc truyền dữ liệu thành công.
Modem dưới nước
Vào tháng 4/2017, Trung tâm Nghiên cứu và Thử nghiệm Hàng hải của NATO đã công bố phê duyệt JANUS, một giao thức được tiêu chuẩn hóa để truyền thông tin kỹ thuật số dưới nước bằng cách sử dụng âm thanh (như modem với bộ ghép âm thanh đã làm để sử dụng đường dây điện thoại analog). Được ghi lại trong STANAG 4748, nó sử dụng tần số 900 Hz đến 60 kHz ở khoảng cách lên tới 28 km. Nó có sẵn để sử dụng với các thiết bị quân sự và dân sự, NATO và không thuộc NATO; nó được đặt theo tên của vị thần Roman, thần cổng, lối mở…
La-ze xanh
Một hệ thống được đề xuất ở Hoa Kỳ được thiết kế để cung cấp thông tin liên lạc một chiều từ bờ đến tàu ngầm. Máy phát sẽ là một tia la-ze xanh lục lam tạo ra các xung ánh sáng có năng lượng một joule và thời lượng một phần triệu giây; máy phát này có thể cố định hoặc có thể được vận chuyển bằng phương tiện mặt đất hoặc máy bay. Máy phát sẽ nhắm chùm tia xung của nó vào một vệ tinh chuyển tiếp, vệ tinh này sẽ phản xạ chùm tia tới vị trí của tàu ngầm ở một đại dương xa xôi. Khi chùm tia trở lại bầu khí quyển, nó sẽ có diện tích mặt cắt ngang khoảng 10 km; tán xạ ánh sáng bởi các đám mây sẽ làm giảm đi, vào ban ngày, sẽ đi cùng chùm tia la-ze đến độ sâu của đại dương. Ánh sáng mặt trời có thể được lọc ra bằng cách sử dụng một máy dò chỉ nhạy cảm với ánh sáng có bước sóng của chùm tia la-ze. Ánh sáng mặt trời bao gồm một chuỗi các bước sóng liên tục, hầu hết các bước sóng này sẽ bị cảm biến chọn lọc bước sóng bỏ qua.
Có nhiều loại cảm biến quang chọn bước sóng, nhưng hầu hết các loại chỉ nhạy cảm với ánh sáng đến từ một hướng cụ thể. Đối với mục đích liên lạc với tàu ngầm, cần sử dụng một cảm biến nhạy cảm với ánh sáng truyền xuống dưới ở nhiều góc độ khác nhau từ khu vực được chiếu sáng rộng lớn trên bề mặt đại dương. Chỉ một vài loại cảm biến có khả năng này. Một cảm biến như vậy mới được phát minh cách đây ít năm có tên là QLORD (quantum-limited optical resonance detector – máy dò cộng hưởng quang giới hạn lượng tử).
Cảm biến QLORD có thể được gắn trên thân tàu ngầm. Với các cảm biến này, tàu ngầm có thể thu tín hiệu la-ze ở độ sâu 570-700 m. Những độ sâu này so sánh rất thuận lợi với độ sâu ăng-ten mà tín hiệu VLF và ELF có thể nhận được. Một ưu điểm khác của truyền thông quang học là tốc độ dữ liệu cao hơn. Hơn nữa, thông tin liên lạc quang học có thể được nhận trong khi bay ở bất kỳ tốc độ nào./.
