האתגרים במערכות תקשורת אלחוט עם צוללות: מ-ELF ועד אור נראה

תקשורת אלחוט עם צוללות, במיוחד עם צוללות השטות במים העמוקים של האוקיינוסים, הינה אתגר רציני. הקשר הנייד של צוללת עם המפקדה שלה באמצעים בסיסיים, כגון: טלפון אלחוטי, אינטרנט, וידאו וכדומה, אינו פשוט לביצוע במעמקי האוקיינוס, במיוחד עם מעוניינים להקטין את הסתברות גילויה ע”י מקורות עוינים. עובדות אלו הקשו על יכולות התקשורת עם הצוללות.

הצוללת מהווה כלי מחקרי ולחימה אסטרטגי חשוב, בעיקר בגלל יכולת שהייה ארוכה מתחת לפני המים לעומקים ניכרים, על כן ישנה חשיבות גבוהה להתקשרות בין הצוללת לבין המפקדות שלהן. בעקבות מלחמת העולם השנייה, פיתוח צוללות גרעיניות, שיכולות לשהות תקופות ארוכות מתחת למים בעומק רב, והתחרות עצומה בין ארה”ב וברית המועצות, נוצר הצורך בתקשורת אמינה עם הצוללות, אולם האמצעים היו מאוד מוגבלים. בתחילה המצב היה נואש עד שהסובייטים ניסו למצוא את הפתרון אפילו באמצעות קשר טלפטי, שלא נתן תוצאות ממשיות. במחצית השנייה של המאה ה-20 התחיל השימוש בלווייני תקשורת ובמטוסים משוכללים. הדבר הביא לפריצת דרך בתחום התקשורת עם הצוללות. תקשורת זו מתבצעת בעיקר בתחומי תדרי רדיו, במידה מוגבלת באמצעות גלים אקוסטיים ולאחרונה גם ב-LASER בתחומי האור הירוק ו\או הכחול כפי שנראה בהמשך.

תחומי תדרים לתקשורת חד-כיוונית לצוללות
קיימים מספר תחומי תדרי רדיו בהם הצוללת קולטת הוראות. נציג את העיקריים שבהם.

(1) (Extremely Low Frequency)
תחום התדרים: [Hz] באורכי גל של 1000-10000.  זהו תחום התדרים היחיד בעל יכולת שידור למאות מטרים אל מתחת לפני המים ולמרחקים עד מאות ק”מ מן המשדר בזכות חדירה עמוקה למים. אבל בתחום תדרים זה אנו מאוד מוגבלים ברוחב הסרט המשודר והנקלט. ניתן רק לתקשר באמצעות הודעות קצרות מקודדות עם הצוללות שנמצאות במעמקי האוקיינוס. התקשורת הינה חד-כיוונית בלבד כי לצוללות בעומק אין אנטנות ארוכות מאוד הנדרשות בתחומי תדרים נמוכים אלו והספקי שידור גדולים. לכן השימוש העיקרי בתקשורת בתחום זה הוא בעיקר עבור מתן הנחיות לצוללת לעלות קרוב לפני המים, בכדי לאפשר שימוש בתקשורת דו-כיוונית ומהירה יותר. אותות בתחום זה אינם מושפעים בצורה ניכרת מתנאי הסביבה ולכן נחשבים לאותות אמינים.  בחוף המזרחי של ארה”ב ישנן תחנות שידור עם הספק של מאות kW בתדר של 76 ועם אנטנה באורך מספר ק”מ כדי לאפשר שידור הוראות קצרות מאוד לצוללות שלהם. הרוסים משתמשים בתדר של 82 לאותה מטרה.

(Very Low Frequency)
תחום התדרים: 3-30 באורכי גל של 10-100.  בתחום זה ניתן להעביר מידע ברוחב סרט קצת גדול יותר מאשר בתחום ה-ELF. ניתן לשלוח SMSים קצרים, אך לא דיבור אודיו. עם זאת, אות בתחום תדרים זה מסוגל לחדור למטרים בודדים בלבד לעומק המים המלוחים ולמרחקים קצרים יותר כפי שניתן לראות באיור 3, על כן השימוש העיקרי בתקשורת בתחום זה הוא במצב בו אין אפשרות לצוללת לעלות מעל לפני המים לקבלת מידע, כדי שלא יגלו אותה, אך יש באפשרותה להגיע קרוב לפני המים. בדומה לאותות בתחומי ה-ELF, האותות בתחומי ה-VLF אינם מושפעים בצורה ניכרת משינויים בתנאי הסביבה ולכן גם נחשבים לאותות אמינים. התקשורת הינה גם רק תקשורת חד-כיוונית. שידור האות מתבצע מתחנת קרקע באמצעות אנטנה שארכה ביחס הפוך לתדר ולכן פחות מאשר ב-ELF.

שימוש בגלי קול לתקשורת עם צוללות
ידוע כי גלי קול (אקוסטיים) במהירות של כ-330 מטר לשנייה מתפשטים במהירות גדולה יותר ובפחות הפסדים בנוזלים מאשר באוויר בתור גלי אורך בניגוד לגלי רדיו, גלי רוחב, שמתפשטים גרוע ובהפסדים גדולים מתחת למים. לכן ניתן להשתמש במיקרופונים, רמקולים והידרו פונים תת-ימיים בתחומי תדרים מ-(300-15000) לקשר מתחת למים למרחקים קצרים עד ק”מ בודדים. חיל הים האמריקאי וגם הרוסי מציבים ציוד תקשורת באמצעות גלי קול בקרקעית הים באזורים הקרובים למסלולי הצוללות שלהם ומחברים אותו על ידי כבלי תקשורת תת-ימיים לתחנות קרקע שלהם. אם צוללת נמצאת בקרבת מכשיר כזה, זה יכול לשמור על קשר עם המטה שלה. ידוע כי Sound Navigation and Ranging בתדרים אקוסטיים (VOICE), כמכ”מ אקוסטי, משמש לגילוי צוללות וליישומים רבים אחרים, אבל הרבה פחות לתקשורת בין צוללות ובסיסיהן.

(High Frequency)
ותדרי רדיו גבוהים יותר
תחום התדרים: [MHz] באורכי גל של []10-100.  בתחום תדרי HF ניתן לשדר מעל המים למרחקים גדולים (כמעט בהיקף כדור הארץ), בעקבות התפשטות גלי רקיע המוחזרים או המשתקפים משכבות היונוספרה בצורה שונה ביום ובלילה ובעונות השנה. השימוש בתקשורת HF מוגבל ביותר ורק למטוסים ולתחנות קרקע בודדות באמצעות מצופים, כי אין אפשרות להשתמש בתקשורת HFעם לוויינים בגלל השתקפות האותות בשכבות היונוספרה. בניגוד לתחומי התדרים הנמוכים יותר שצויינו, התקשורת בתחום זה יכולה להיות דו-כיוונית ובתצורת דיבור. אבל על מנת לתקשר, הצוללת חייבת לצאת מעל לפני המים ולהסתכן לגילוי עוין. לכן השימוש בתקשורת זו בצוללות מוגבל. כיום, משתמשים לרוב בתחומי תדרי רדיו גבוהים יותר, כפי שמוצג באיור 4, וגם בתקשורת לוויינים.

שיטות שידור וקליטה דו-כיווניות עם צוללות באמצעות תדרי רדיו גבוהים

על מנת לשדר לצוללות מידע למעמקי האוקיינוס מבלי שיהיו חשופות לגילוי עוין, יש צורך בחדירה לעומק של כ-100 מ’ מתחת לפני המים. לגלי רדיו בתדרים גבוהים אין אפשרות לחדור למים עמוקים, לכן תקשורת רדיו בצוללות מבוצעת באמצעות גורם מעל פני המים, כמו מצוף. המצוף נמצא בדרך כלל בתוך הצוללת, ברגע שישנו צורך בשידור או קליטת מידע, הוא משוגר אל פני המים. על המצוף מורכבת אנטנה הקולטת גלי רדיו בתחומי תדרי ה-UHF וה-SHF ממטוסים ולוויין, מתחנת בסיס או מספינה באזור הצוללת.  תחומי תדרי ה-UHF הינם ותחומי תדרי ה-SHF הינם 3-30. ציוד הרדיו שעל המצוף מחובר ישירות אל הצוללת באמצעות כבל חשמלי או סיב אופטי. הבעיה העיקרית במערכת זו היא שהמצוף, הנמצא מעל לפני המים, הינו נקודת חשיפה לגורמים עוינים והוא גם מושפע מגלי המים כפי שמוצג באיור 5. על מנת להתמודד עם תנאי מזג האוויר וגלי הים, פותח מצוף, בו האנטנה מורכבת על רמפה, אשר מאפשרת סיבוב של 360 מעלות ביחס לצירה – דבר המאפשר את ההכוונה של האנטנה בהתאם לדרישות המטוס או הלוויין.  מצוף זה אינו פותר את בעיית פגיעות הצוללת בזמן שידור או קליטה. כדי לקיים קשר גם עם צוללות אטומיות, ארה”ב פיתחה מערכת TACAMO [] שפרושה קח (מידע) מטען ותנוע החוצה. מערכת ה-TACAMO מורכבת מקרוב ל-20 מטוסים עם מערכת תקשורת משוכללת בתחום תדרי רדיו. בהתחלה המטוסים היו מסוג LOCKHEED EC-130 וכיום הינם מסוג BOEING 707 עם שכלולים הטסים באזורי האוקיאנוס שבו מסתובבות הצוללות. המטוסים מכילים מספר אנטנות כולל אנטנת חוט מאוד ארוכה לקשר ELF עם צוללות עמוקות, משדר בהספק עד kW200 לקשר עם צוללות בתחומי תדרים גבוהים, וציוד לקשר לווייני למפקדות הצבא. אבל כדי לשדר החוצה הצוללת מסתכנת לגילוי עוין.  בשנת 2011 פותח בארה”ב מצוף חדיש אשר מטרתו היא מתן אפשרות לצוללת להישאר עמוק יותר מתחת לפני המים בזמן שידור או קליטה. מצוף זה משוגר אל פני המים מהצוללת או, לחלופין, משוגר ממטוס, ואינו מחובר ישירות באמצעות כבל לצוללת. כפי שמוצג באיור 6. המצוף עובד על עיקרון של המרת גלי רדיו בתדרי קול לגלי קול SONAR, שהינם גלי אורך המתפשטים מהר יותר ובפחות הפסדים במים מאשר באוויר בניגוד לגלי רדיו. קוטרו של המצוף הוא כ-13 ס”מ וגובהו הוא כמטר אחד. המצוף עובד על סוללה למשך זמן של כ-30 דקות שבזמן זה הוא מספיק לשדר ולקלוט, ולאחר מכן הוא משמיד את עצמו – דבר שמקטין את החשיפה של מיקום הצוללת.

קשר דו-כיווני רחב סרט לצוללות באמצעות תקשורת אופטית
מים בולעים קרינה אלקטרומגנטית, אך העומק אליו חודרים הגלים האלקטרומגנטיים תלוי באורך הגל ובעוצמת הקרינה. עבור מרבית אורכי הגל, הבליעה הינה כה אפקטיבית עד כדי כך שאפילו עבור עוצמת קרינה גבוהה רוב אורכי הגל יכולים בקושי לחדור עד לעומק של מטרים בודדים. מים בולעים אור וככל שחודרים יותר לתוך עומק המים, עוצמת ואיכות האור הנראה קטנה ומתכלכלת. בליעת האור נעשית בצורה סלקטיבית. ככל שאורך גל האור ארוך יותר, אנרגיית הגל נמוכה יותר והגל נבלע מהר יותר.  האור הנראה מתחלק למספר צבעים בעלי אורכי גל שונים: אדום, כתום, צהוב, ירוק, כחול וסגול (צבעים אלו יחד הינם “האור הלבן”). כבר בסוף המאה שעברה גילו כי עבור גלי אור קיים חלון מימי בין 450 ל-550 נאנומטר שמכיל את תחומי האור הכחול והירוק, שבהם חדירת האור לעומק הים טובה יותר, כדוגמת החלונות האטמוספריים של 35GHz ו-94GHz עבור תדרי הרדיו. מסיבה זו, על מנת שהאור יחדור עמוק יותר, יש להשתמש ב-LASER בצבעים כחול וירוק.
“האור הכחול” הינו בעל אורך גל קצר ואנרגיה גבוהה ועל כן הינו מסוגל לחדור לעומק של כ-100 מ’ כפי שמוצג באיור 5. “האור הירוק” בעל אורך גל גבוה יותר מזה של “האור הכחול” ובעל אנרגיה נמוכה יותר ועל כן מסוגל לחדור לעומק של כ-50 מ’. ככל שמתקרבים ל-“אור האדום”, עומק חדירת האור יורדת, כאשר “האור האדום” חודר עד לעומק של כ-15 מ’ בלבד. לכן פותחו מערכות תקשורת LASER- במצב המוצק העובדים באורכי גל של “האור הירוק” או “האור הכחול”. סוגי LASER אלו מאפשרים העברת תקשורת אלקטרומגנטית ברוחב פס רחב, בעומק האוקיאנוס והינם בעלי נצילות הספק גבוהה וחסינות מפני הפרעות ושיבושים בשידור ובקליטה. ה-LASER הירוק מסוגל להעביר מידע במים רדודים, כיוון ש”האור הירוק” חודר לעומק של כ-50 מטר, אך הוא בעל יכולת להתגבר על מים עכורים. בניגוד אליו, ה-LASER הכחול חודר עמוק יותר, אך הוא פחות יעיל במים רדודים כיוון שאינו מסוגל להתגבר על מים עכורים. נדרשו הרבה שנים של מחקר ופיתוח כדי לפתח מערכת מבצעית שיאפשרו קשר דו-כיווני עם צוללות, המעבירות באמצעות LASER גם וידאו רחב סרט ללא צורך בעלייה על פני המים או הקטנת מהירות הצוללות.

סוגי תקשורת עדכניים ועתידיים עם צוללות
המובילה במערב בפיתוח קשר רב סרט עם צוללות באמצעות LASER הינה סוכנות שרותי ההגנה של ארה”ב, ה-DARPA, שבסיוע מספר קבלני משנה מארה”ב ואירופה, כגון חברת QINETIQ, שבראש המובילות בתחום, פותחו LASER- אמינים במצב מוצק עם הספקי שיא גבוהים, מסננים אופטיים מאוד סלקטיביים ורגישים, ושיטות קידוד והצפנה חדשניות המבוססות על תורת הקוונטים [12]. פיתוחים אלו מיושמים בפרויקט ה- (Tactical Relay Information Network) של ה-DARPA, הנמצא בשלבי ביצוע סופיים.  תקשורת לייזר בפרויקט TRITON של הצוללות צריכה לכלול משדרי ומקלטיUplink ו-Downlink, באמצעות מטוסים ולוויינים, ובעתיד תהיה אפשרות להשתמש רק בלוויינים – מה שיקטין את ההסתברות לגילוי הצוללות ע”י גורמים לא רצויים [12]. הצוללות יקלטו את המידע ישירות ממטוסים שיפעלו באזורי פעולת הצוללות באמצעות LASER, והמטוסים נמצאים בקשר רדיו עם המפקדות באמצעות לוויינים כפי שמוצג באיור 2. הלוויינים יכולים להיות גאוסטציונרים בגובה של כ-36000 ק”מ במסלול סביב קו המשווה, אבל יש לדאוג לכך שהמטוסים והצוללות תמצאנה בחתימת רגל (Foot Print) של הלוויין ועד 65 מעלות בקווי הרוחב, כי הקליטה איננה טובה באזורי הקטבים והפסדי הפיזור גבוהים מאוד בגלל המרחק. לכן לאחרונה הוחלט לקיים את הקשר באמצעות לווייני LEO מ מערכת ה-IRIDIUM שהינה הרשת האמינה, שבה משתמשים שרותי הביטחון של ארה”ב, שמכסה טוב גם את אזורי הקטבים ועם הפסדי פיזור הרבה יותר נמוכים בזכות מרחקים הרבה יותר נמוכים (כ-1000 ק”מ) של הלוויינים מהצוללות והמטוסים [7]. מערכת ה-TRITON תשתמש בשני תחומי אורכי גלי אור שונים. הקשר מהצוללת למטוס, Uplink, יהיה בצבע הכחול ב-455.6 נאנומטר והקשר בין המטוס לצוללת, Downlink, יהיה בצבע הירוק ב-532 נאנומטר. בנוסף ליתרונות של הקושי לירוט ולחסימה של אותות אופטיים ישתמשו בתורת הקוונטים באמצעות העברת פוטונים באוויר החופשי או במים כדי ליצור מפתחות מאובטחים המוצפנים בצורה כמעט מושלמת. גם הודות לרוחב הסרט הגבוה בתקשורת LASER תהיה אפשרות להעביר וידאו מאובטח בקצב גבוה ובאיכות גבוהה [5]. בלייזר הירוק ישנו שימוש גם באפליקציות תת-ימיות, כמו במכ”ם אופטי “LIDAR” – אפליקציה בעלת יכולת סריקה מפורטת של פני הקרקע באיכות תמונה למטרות מחקריות, כגון: מציאת ספינות או מטוסים ששקעו, חקר אוקיאנוסים וימים, ועוד שימושים צבאיים ואזרחיים. לאחרונה ה-DARPA וה-NASA מתכננות פיתוח ומשלוח של צוללות כדי לחקור ימים של הידרו-פחם נוזלי הנמצאים ב-TITAN, הירח של כוכב הלכת SATURN. למטרה זו דרושות מערכות תקשורת ומכ”ם רדיו ואופטי מאוד מתוחכמות ואמינות כדי למסור את התוצאות של הבדיקות לבסיסי NASA על כדור הארץ [10].

הצוללת הישראלית
החדשה [8]
הצוללת הגרעינית הישראלית החדשה, “תנין”, אשר נבנתה במפעלי HDW במספנות קיל בגרמניה, נכנסה לפעילות מבצעית ביוני 2015 ונעזרת בפריסקופ משוכלל.
ממדי תנין: אורך 68 מ’, גובה 13.5 מ’ ורוחב 6.5 מ’. מהירות הצוללת 37 קמ”ש והיא בעלת הנעה חשמלית. עומק צלילה מעל ל-200 מטר וישנה אפשרות למלא את המצברים מבלי לעלות על פני המים. בצוללת אין אפשרות לצוות להתקשר בטלפון סלולרי ואין אפשרות להתקשר הביתה לפעמים במשך שבועות. עם זאת, חשוב לציין, כי אולי תמצא אפשרות לשפר את מערכות התקשורת עם המפקדות והבית מבחינה מבצעית וגם למטרות רווחת הצוות מבלי לפגוע בבטיחות.

סיכום
במאה השנים האחרונות חלה התפתחות ניכרת מאוד בתחומי הצוללות והתקשורת שלהם עם בסיסיהן. בתחילת דרכה לא הייתה קיימת אפשרות לתקשר עם הצוללת כלל. פיתוחים בתקשורת רדיו בתחומי תדרים נמוכים של ה-ELF ו-VLF איפשרו לתקשר עם הצוללת באופן בסיסי גם למרחקים גדולים, אבל במסרים מאוד מוגבלים וחד-כיוונים מתחת למים. פתרונות שונים, כגון שימוש במצוף, איפשרו תקשורת דו-כיוונית ומהירה יותר באמצעות תקשורת רדיו בתדרים גבוהים, על מנת להעביר ולקבל מסרים מתקדמים יותר לצוללת וממנה, אבל הצוללת חייבת הייתה לעלות מעל המים ולהיות חשופה לגילוי עוין. כיום בגלל חשיבותן הרבה של הצוללות בתחומים ביטחוניים ומחקריים פותחו סוגי תקשורת חדישים יותר, כגון תקשורת באמצעות מטוסים ולוויינים הכוללותLASER באורכי גל ירוק וכחול בין הצוללת למטוס או ללוויין. אמצעים אלו מאפשרים קשר דו-כיווני רחב סרט, גם ווידאו, בין מפקדות לצוללות אפילו ללא צורך בעלייה על פני המים, בהקטנת מהירות השיוט ובהסתכנות לגילוי ופגיעה עוינים.  המדינות המובילות כיום ב-R&D של תקשורת עם הצוללות הינן ארה”ב, רוסיה, סין, הודו ומדינות השוק האירופי, אבל רוב המידע הגלוי בתחום ממקורות של ארה”ב, כפי שניתן גם לראות לפי הרשימה המצומצמת של ספרות מקצועית המוצגת בהמשך. ספרות נבחרת בתחום תקשורת עם צוללות

[1] R. Barr et al, “ELF and VLF Radio Waves”, Journal of Atmospheric and
Solar Terrestrial Physics, Volume 62. 2000, pp. 1689-1718.
[2] S. Eraham.”From Polaris to Trident, the development of US Fleet”,
Cambridge University Press, 1994.
[3] H.B. Singh, R. Pal, “Submarine Communications”, Defense Science Journal, Vol.43 N1 Jan. 1993, pp. 43-51.
[4] N. Friedman, and S. Nitschhke, “Developments in Undersea Communications”, Naval Forces, May 2012, pp. 36-42.
[5] N. Lanzagorta ,”Under Water Communications”, Morgan & Claypool Pub. 2013 Chapters 1, 3, 4-8.
[6] V.H Kumer, and R.S Jha, “Comparisons of Underwater LASER
Communication Systems with Underwater Acoustic Sensor Network”,
International Journal of Scientific and Engineering Research, October 2012
Vol.3.
[7] א.מורוזוב (ברונפמן), ס.תפוחי, ו-י.גוון, “לווייני תקשורת במסלול נמוך”,
New-Tech Microwave Magazine 1.2012 (18-23)
[8] יואב לימור “200 מטר מתחת למים”, ישראל היום ששי- שבת 11.9.15 (30-37).
[9] www.tacamo.navy.mil
[10] www.nasa.gov
[11] www.google.com
[12] http://www.darpa.mil/sto/programs/slc/
[13] https://www.fbo.gov
[14] http://www.qinetiq-na.com
[15] http://optics.org