Технология беспроводной оптической связи и ее применение в вооруженных силах

Вектор развития современных информационных технологий в военном деле направлен в область все более широкого применения оптического излучения. Радиодиапазон прекращает монополию на «глаза и уши» вооруженных сил.

 

 

Анализ вооруженных конфликтов последних десятилетий показывает, что применение любых радиоизлучающих средств легко обнаруживается противником. В дальнейшем организуется противодействие средствами радиоэлектронной борьбы (РЭБ), или объект уничтожается. Фактически мир стоит на пороге радиоэлектронной войны.

Параметры дальности и точности стрельбы современных средств противодействия активной радиолокации ставят под сомнение возможность применения радиолокационных станций и систем радиосвязи в боевой обстановке. Это приводит к однозначному выводу: необходимо кардинальное повышение устойчивости информационных систем к воздействию РЭБ и высокоточного оружия.

Современные сенсоры генерируют объемы трафика с гигабитными скоростями. Между тем, современные системы РЭБ позволяют перехватывать сообщения в радиодиапазоне, подавлять каналы связи и даже подменять целевую информацию. При этом средство воздействия на канал может находиться на значительном удалении. Задачу скрытной, защищенной и высокоскоростной передачи информации в условиях сильного противодействия также можно решать организацией каналов связи в оптическом диапазоне длин волн.

Одновременно с этим у финансовых компаний, крупных корпораций растет потребность в использовании защищенных каналов связи, проходящих через неконтролируемые территории. Во многом это связано с расширением технических возможностей современных киберпреступников. Возрастает интерес к новым способам шифрования информации, в частности, к получившей популярность в последнее время квантовой криптографии.

 

…космические коммуникационные лазерные системы весьма практичны, обеспечивая все возрастающие потребности в скоростях передачи и получения информации из космоса

Мэтью Абрэхэмсон,
руководитель миссии OPALS со стороны Лаборатории NASA по изучению реактивного движения

 

Все эти задачи решаются путем создания каналов связи на основе лазерных беспроводных оптических линий связи. Такие каналы могут быть востребованы для организации взаимного обмена информацией между космическими аппаратами, надводными кораблями, между воздушными судами и наземными объектами. При этом скорость передачи данных способна достигать 100 Гбит/с.

История технологии

Принцип беспроводной оптической лазерной связи (БОЛС) (в России ее принято называть «атмосферная оптическая связь» или «оптика свободного пространства») зародился в глубокой древности. Первыми «системами» связи стали сторожевые посты, располагавшиеся вокруг поселений на специально построенных вышках или башнях. При приближении неприятеля дозорные разжигали костер тревоги. Затем такие огни переходили по цепочке от поста к посту, и так информация о неприятеле доходила до ключевого пункта.

До нас дошла легенда трехтысячелетней давности о том, как огни костров, зажженных на вершинах гор, в ту же ночь донесли Клитемнестре, супруге Агамемнона, предводителя греков в Троянской войне, весть о падении Трои. Греки несколько улучшили систему, создав оптический факельный телеграф в 450 г. до н. э. Все 24 буквы алфавита были разложены на пять строк. Ночью – факелами, а днем – сигнальными флажками указывалась конкретная буква. Впрочем, широкого распространения такое изобретение не получило.

Самые ранние исследования по технологии передачи данных, наиболее похожей на современное оборудование БОЛС, провел в конце XIX века Александр Белл. Вместе со своей ассистенткой Сарой Ор и коллегой Чарльзом Тейнтером он в 1880 г. сконструировал фотофон – устройство, позволяющее передавать звуки голоса с помощью световых лучей. Первая демонстрация, доказывающая работоспособность связи, была проведена в июле того же года: линия была установлена между двумя зданиями, расстояние между приемником и передатчиком составляло около 213 м. Несмотря на то, что обеспечить серийный выпуск своего прибора Белл не смог, он до конца жизни считал его своим важнейшим изобретением.

В период Первой Мировой войны, когда проводные коммуникации часто повреждались, немецкое командование разработало свою версию оптического телеграфа, которая называлась Blinkgerät (дословно – «мигающий прибор»). Устройство работало на расстояниях до 4 км днем и до 8 км ночью, для скрытности информации использовался красный фильтр. Несмотря на то, что первые партии аппаратов были поставлены в войска уже в конце войны, их устанавливали на многие технические средства, в том числе на самолеты, танки, аэростаты.

В годы Второй Мировой войны в компании Карла Цейса разработали технический преемник «мигающего прибора», где принцип азбуки Морзе был заменен на модуляцию оптических волн для передачи звуковых сигналов. Прибор, получивший название Lichtsprechgerät 80/80 (дословно – «оптический говорящий прибор»), использовался в подразделениях ПВО и в системе укреплений «Атлантический вал».

В 1960-х гг. с открытием лазера технология получила новый импульс развития. Появилась возможность построения систем связи, передающих, помимо телефонных, телевизионные сигналы, а впоследствии и сигналы компьютеров. В то время технологией всерьез заинтересовались военные исследователи в США, а также ученые из NASA.

 

Лазерная связь – вид связи с использованием электромагнитных волн оптического диапазона. Различают четыре типа лазерной связи: наземная (среда передачи – атмосфера), космическая (атмосфера и космическое пространство), волноводного типа (излучение распространяется по световодам), кабельная (передача осуществляется по оптическим кабелям). Лазерные системы связи обладают высокой плотностью излучения, повышенной помехозащищенностью, большой скоростью и скрытностью передачи информации

Военный энциклопедический словарь: Министерство обороны Российской Федерации (encyclopedia.mil.ru)

 

В России первую подобную линию связи создали в Москве в 1965 г. Была построена телефонная линия протяженностью около 5 км между зданием МГУ на Ленинских горах и Зубовской площадью. После этого построено еще несколько линий связи на базе БОЛС: в Ереване, Красногорске, Куйбышеве, Клайпеде. После ряда успешных испытаний технологию признали неперспективной. Лазерные системы не прижились: малейшие колебания здания от проезжающего мимо самосвала или даже ветра сбивали луч с курса, и связь терялась.

Появление систем автонаведения и стабилизации канала в 1990-е гг. решило проблему. Наряду с применением современной элементной базы это позволило уже в XXI веке создать высокоэффективные системы, сопоставимые по надежности канала с радиосистемами.

Отличительные черты технологии БОЛС

  1. Пропускная способность

Этот параметр отражает количество данных, передаваемых за единицу времени, и обычно измеряется в бит/с. Это одно из наиболее явных преимуществ БОЛС, поскольку на текущий момент скорость передачи данных посредством устройств на базе такой технологии достигает нескольких десятков гигабит в секунду. Достигается это за счет того, что спектр частот, в котором действует БОЛС оборудование, позволяет обеспечивать более высокую полосу пропускания, чем у радио-аналогов. Рекорд по пропускной способности установлен в 2009 г. и составил 1,2 Тбит/с.

  1. Лицензирование частот

Еще одно преимущество – отсутствие необходимости лицензирования частот государственными органами, как это происходит в случае с радиооборудованием. Радиочастотный спектр – это ограниченный ресурс, который должен распределяться между пользователями через регулирующий орган, чтобы обеспечить устранение конфликтов частот. Соответственно, отсутствие лицензирования увеличивает временной ресурс, который в случае радиооборудования был бы затрачен на согласование с комиссией по частотам. Использование оборудования БОЛС, помимо прочего, снимает вопрос конфликта частот, который возникает при использовании нескольких линий связи радиооборудования.

  1. Конфиденциальность связи

Защищенность – один из ключевых факторов во всех формах коммуникации. Поскольку оборудование БОЛС работает в терагерцовом диапазоне частот, оно прекрасно обеспечивает режим радиомолчания, а за счет того, что информация передается путем узкого светового пучка, канал связи невозможно перехватить и отследить – лазер не виден человеческому глазу, и обнаружить его можно только при том условии, что местонахождение приемопередающих модулей заранее известно.

Прямое отношение к этому пункту имеет квантовая криптография, в последние годы получившая известную долю популярности благодаря обеспечению ею высокой защищенности каналов связи и перспективным разработкам, ведущимся как в России, так и за рубежом. Использование канала связи БОЛС для квантового распределения ключей автоматически повышает уровень конфиденциальности связи между объектами, на которых установлены приемопередающие устройства, будь то объекты государственной, муниципальной или военной инфраструктуры. Стоит отметить, что ни одна другая беспроводная технология передачи данных на сегодняшний день не может быть задействована в процессе передачи квантовых ключей шифрования.

  1. Прямая видимость

Одна из особенностей технологии передачи данных по беспроводному оптическому каналу – необходимость прямой видимости между приемопередающими устройствами. Если между ними имеется препятствие, необходимо ретранслирующее оборудование. Фактически эта отличительная черта увеличивает безопасность канала, поскольку, с одной стороны, при помещении перехватывающего оборудования в информационный канал передача информации автоматически прерывается, а с другой стороны, определение трассы информационного канала БОЛС затруднено.

 

Аспект безопасности БОЛС особенно полезен для военного применения, так как из-за особенностей технологии луч не может быть перехвачен без потери соединения на приемном конце. По мере того как беспилотные транспортные средства и спутниковая связь становятся повсеместными, необходимость быстрого обмена данными создает потребность в надежных технологиях БОЛС

Стивен Джонсон,
сотрудник рабочей группы Центра квантовых устройств Северо-Западного университета, США

 

Принципы организации связи при различных сценариях

На рис. 1 показаны варианты организации связи на базе БОЛС между различными объектами.

Рис. 1. Схема организации связи на базе БОЛС между различными объектами

 

  • Организация связи на территории командного пункта / войсковой части

Большинство зданий на территории войсковой части находятся в непосредственной близости друг от друга, что соответствует требованиям оборудования. Касательно отдельных тактических сценариев, сюда могут быть включены сценарии соединения с мобильными командными пунктами и патрульными машинами, находящимися на незначительном удалении (до 15 км) от войсковой части.

  • Организация связи на территории между командными пунктами

Поскольку военные объекты зачастую не имеют доступа к безопасной проводной инфраструктуре, оборудование БОЛС как нельзя лучше подходит для организации связи между ними, чтобы можно было иметь высокоскоростные каналы для обмена данными как в условиях военных учений, так и в реальных боевых действиях. Расстояние между такими объектами зачастую составляет несколько километров, что гарантирует стабильное соединение.

  • Организация оперативной связи

Поскольку скорость развертывания каналов связи на базе лазерной оптики составляет около 30 минут, а время установки связи – несколько минут, оборудование оптической связи БОЛС подходит при сценариях, когда необходимо оперативно установить канал связи для поврежденных объектов гражданской инфраструктуры, не создавая помех для радиосвязи благодаря работе в инфракрасном спектре. Примером может служить развертывание оптических беспроводных коммуникаций при поисково-спасательных работах после терактов 11 сентября 2001 г. в США.

В табл. 1 приведено сравнение характеристик некоторых систем связи БОЛС западного производства для коммерческого применения

Таблица 1. Сравнительные характеристики некоторых БОЛС-систем для коммерческого применения

Системы БОЛС

FlightStrata 52E

CableFree G2000

SONAbeam

10G-E+

Koruza Bridge 10 Gbps

Artolink M1-40GE

Скорость передачи данных

до 155 Мбит/с

до 1,5 Гбит/с

10 Гбит/с

10 Гбит/с

40 Гбит/с

Дистанция, м

до 5600

до 2000

до 1000

до 150

до 1300

Длина волны, нм

850

780

1550

1270

1550

Вес, кг

11,1

9

8

2

9,4

Энергопотребление, Вт

20

45

40

6

49

Рабочая температура, °С

–25 до 60

–20 до 60

–40 до 50

–40 до 60

–40 до 60

 

  • Организация связи в надводной среде

Для каналов связи «корабль-корабль» и «корабль-берег» оборудование БОЛС также служит оптимальным решением. Вероятность блокировки связи между несколькими судами либо судном и командным пунктом при надлежащей координации маневрирования крайне мала. Большая надежность сети достигается при увеличении морской группировки.

  • Организация связи в каналах «воздух (движущийся объект) – земля (неподвижный объект)»

Линия БОЛС от бортовой платформы воздушного объекта до статической наземной станции может оказаться полезной как для военной, так и для гражданской связи. Прямую видимость легко получить с бортовой платформы – при условии, что эта платформа способна летать на высоте, обеспечивающей необходимый угол обзора от наземной станции к бортовой платформе. Это почти всегда достижимо для высоколетящих объектов. Однако низколетящие винтокрылые летательные аппараты и малые беспилотные летательные аппараты также могут установить и поддерживать постоянную прямую видимость по тактической необходимости. Компания Via Light (в настоящее время Mynaric) успешно продемонстрировала такой вариант применения со своей системой MLT-20 на истребителе «Торнадо».

  • Организация связи в каналах «воздух (неподвижный объект) – воздух (движущийся объект)»

Связь в рамках такого сценария может быть установлена между небольшими БПЛА, работающими на относительно малых высотах, между двумя закрепленными аэростатами или между самолетом и высотным дирижаблем. В США продемонстрировали эту возможность с помощью системы FALCON.

  • Организация связи в каналах связи «космос-земля» и «космос-космос»

Соответствующие разработки велись в разных странах еще с 1960-х гг., когда открытие лазера дало импульс развитию оптических коммуникаций (Kolker, M. Laser Communications. Ann. N.Y. Acad. Sci. 1969). Соответствующие работы сейчас идут, например, в рамках военной программы Blackjack американского агентства DARPA. Помимо прочего, отдельные модификации оптического беспроводного оборудования получат применение в рамках формирования каналов связи в низкоорбитальных спутниковых группировках, которые в случае глобального военного конфликта могут быть использованы для организации коммуникаций на территории ведения боевых действий, обеспечивая доставку информации с театра военных действий к командному составу в режиме реального времени.

В России работы по организации связи в межспутниковых группировках ведут как государственные («Роскосмос», «Росатом»), так и частные предприятия (Мегафон 1440). Сравнительные характеристики систем представлены в табл. 2.

Таблица 2. Сравнительная характеристика находящихся в разработке устройств БОЛС для космического применения

Компания

Mostcom

Tesat

Mynaric

Текущее состояние

В разработке

Дистанция, км

< 5000

< 6000

4000

Размеры, мм

250 х 380 х 450

2 модуля:

500 х 180 х 260

260 х 110 х 175

225 х 400 х 630

Вес, кг

13

15

25

Энергопотребление, Вт

60

80

Пропускная способность, Гбит/с

10

10

10

Срок службы, лет

не менее 7

12

5

 

Заключение

Оборудование БОЛС обладает огромным тактическим и стратегическим потенциалом применения в вооруженных силах, так как решает две ключевые задачи, стоящие перед инфраструктурой связи в войсках. Первая – это рост требований к пропускной способности из-за увеличивающегося количества передаваемой информации, в первую очередь видеоданных (например, для наведения управляемых ракет или корректировки огня с использованием спутников дистанционного зондирования Земли или же беспилотников).

Вторая – это обеспечение защищенности канала передачи от подавления и перехвата. При этом БОЛС остается гибким решением, пригодным как для быстрого развертывания в полевых условиях, так и для обеспечения высокоскоростной спутниковой связи.

Стоит особо отметить, что система обладает высокой степенью гибкости за счет того, что может включать в себя как неподвижные, так и мобильные объекты в различных сферах. Это позволяет оперативно проводить реконфигурацию сети, включение и исключение абонентов в разных сферах, от космоса до наземного применения.

На наш взгляд, для эффективного использования в войсках системы БОЛС следует рассматривать как единую структуру с модульными элементами, дабы успешно выполнять задачи по организации коммуникаций между войсковыми единицами, поставленные командованием.

 

Авторы - Никита Пителин, Александр Горячев

©«Новый оборонный заказ. Стратегии» 
№ 1 (66), 2021 г., Санкт-Петербург

Партнеры

гособоронзаказ конференция