JP6548206B2 - 水中船光ファイバネットワーク - Google Patents

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Description

この出願は、米国仮出願No.61/891,029(出願日:2013年10月15日)に基づく優先権を主張し、上記仮出願は、これを参照することにより本明細書に組み込まれる。
従来的に、MK−48s及びMK−46sのような水雷は、水上艦又は潜水艦であることができる敵水中船を破壊するために設計されている。これらの水雷は、典型的に、水雷と発射ユニットとの間で光ファイバ技術を使って発射ユニットから発射される。これらの水雷のホーミング装置は、船首エリアに設置された能動的/受動的SONAR(SOund Navigation And Ranging)又は磁束センサであることができる。典型的に、水雷は、船尾エリアに位置する1個のエンジン/シャフト/プロペラを有する。
典型的に、水中光ファイバネットワークは、陸上に位置する2つの固定点(ポイント・ツー・ポイント)を接続する。陸上ユーザは、インターネット及び/又は電話通信を通してこの技術を利用する。この構成を用いると、典型的に、水中でのスイッチング機能又はルーティング機能がない。無人空中機(UAV)及び無人陸上機(UGV)は、既知であり、通常は、単一の任務を行って単独で動作する。
本発明のその他の利点は、添付図面と併せて考慮されたときに同じことが以下の詳細な説明を参照することによって十分に理解されることになるので容易に認められるであろう。
本願に開示されているのは、水中船のための通信ネットワークである。このネットワークは、弾頭を有する無人水中機を含む。光ファイバケーブルは、双方向性であり、このネットワークの内部での、及び、無人水中機への通信を可能にさせる閉じたリング構造をしている。電力グリッドケーブルは、閉じたリング構造であり、ネットワーク内部で電力を供給する発電機及び無人水中機に結合されている。ノードは、光ファイバケーブル及び電力グリッドケーブルに結合されている。中継局は、ノードに結合され、無人水中機と通信している。制御センタは、無人水中機と通信し、(i)無人水中機の遠隔制御と、(ii)発射前の無人水中機の遠隔制御のための航行計画のプログラミングとを実現し易くする。光ファイバケーブル、電力グリッドケーブル、ノード及び中継局は、動作中に水中に位置する能力をもっている。無人水中機は、開放水域から水中に発射される能力をもっている。
スマート・ミニ水雷(SMT)コンポーネント・レイアウトの平面図である。 潜望鏡設計の側面図の実施形態例である。 潜望鏡設計の側面図の実施形態例である。 弾頭付きのSMTの実施形態例の側面図である。 母艦の平面図の実施形態例である。 母艦の側面図の実施形態例である。 母艦の正面図の実施形態例である。 母艦の一実施形態の平面図である。 母艦コンポーネント・レイアウトの実施形態例を例示する図である。 母艦とUAQVとの間の通信の実施形態例である。 水中船のための通信ネットワークの一実施形態を示す図である。 水中船のための通信ネットワークの実施形態例を例示する図である。 複数のNDFNの実施形態例を示す図である。 NDFNの実施形態例を示す図である。 ノード論理設計のための実施形態例を描く図である。 イーサネット(登録商標)・スイッチ/ルータ要素の実施形態例を示す図である。 NDFNコンポーネント・イーサネット割り当ての一実施形態を描く図である。 中継局論理設計の実施形態例を示す図である。 水中船のための通信方法のフローチャートを例示する図である。 NDFNの実施形態例を例示する図である。 NDFNの実施形態例を描く図である。 NDFNの実施形態例を示す図である。
本願に開示されているのは、水中船のための通信ネットワークである。ネットワークは、弾頭を有する無人水中機を備える。光ファイバケーブルは、双方向性であり、ネットワーク内部で及び無人水中機に通信ができるようにする閉じたリング構造をしている。電力グリッドケーブルは、閉じたリング構造であり、ネットワーク内部で電力を供給する発電機及び無人水中機に結合されている。ノードは、光ファイバケーブル及び電力グリッドケーブルに結合されている。中継局は、ノードに結合され、無人水中機と通信している。制御センタは、無人水中機と通信し、(i)無人水中機の遠隔制御と、(ii)発射前の無人水中機の遠隔制御のための航行計画のプログラミングとを実現し易くする。光ファイバケーブル、電力グリッドケーブル、ノード及び中継局は、動作中に水中に位置する能力をもっている。無人水中機は、開放水域から水中に発射される能力をもっている。
一実施形態では、無人水中機は、スマート・ミニ水雷でもよく、潜望鏡をさらに含むことができる。無人水中機は、弾頭が非致命的であるとき、回収可能かつ再使用可能であることがある。
通信ネットワークは、複数の無人水中機を含むことができ、複数の制御センタを含むことができる。ネットワーク内部の通信は、移動体通信、衛星通信又は光ファイバ通信であることがある。SONAR技術は、偵察のため使用されることができる。
容易化すること及びプログラミングは、いつでも制御センタのいずれかによることがある。ユーザは、無人水中機の遠隔制御と、無人水中機の遠隔制御のための航行計画のプログラミングと、を行うことができる。航行計画は、ルート、速度プロファイル、標的船の船体サイズシグネチャ、エンジン/プロペラ音シグネチャ、及び、放出される弾頭の型を含むことができる。
ノードは、第2のノードから10マイル乃至100マイルに位置することができる。ノードは、イーサネット宛先アドレス及びイーサネット発信元アドレスに基づいて動的なスイッチングを実行するスイッチ又はルータをさらに備えることができる。
一実施形態では、ネットワークは、アンテナを有し、中継局と通信している水中船をさらに備えることがある。水中船が浮上させられたとき、水中船は、通信ネットワーク内部の移動体通信のための基地局でもよい。別の実施形態では、ネットワークは、衛星アンテナ付きの潜望鏡を有し、中継局又は制御センタと通信している水中船をさらに備えることができる。水中船が潜望鏡の長さの範囲内で沈められたとき、水中船は、通信ネットワーク内部の移動体通信のための基地局でもよい。さらなる実施形態では、水中船が深く又は潜望鏡の長さを超えて沈められたとき、水中船は、スマート・ミニ水雷のためのスイッチングハブでもよい。
別の実施形態では、ネットワークは、第2の光ファイバケーブルをさらに備えることができる。第2の光ファイバケーブルは、中継局と無人水中機との間で通信を可能にすることができる。中継局と無人水中機との間の通信は、第2の光ファイバケーブルの長さに基づいて中継局の周りのある半径に対して維持されることができる。ネットワークは、第3の光ファイバケーブルによって第2のネットワークにつながることができる。
実施形態例では、光ファイバケーブルは、80Gbpsより高い通信スループットを生じることができる。電力グリッドケーブルは、14.4kVより大きい電気を供給できる。発電機は、中継局から200マイルより離れて位置することができる。
さらに、水中船のための通信方法も開示される。この方法は、弾頭を有する無人水中機を準備することを備える。双方向性であり、かつ、閉じたリング構造である光ファイバケーブルは、ネットワーク内部での、かつ、無人水中機への通信を可能にするため位置決めされる。閉じたリング構造であり、かつ、発電機に結合された電力グリッドケーブルは、ネットワーク内部で、かつ、無人水中機に電力を供給するため位置決めされる。ノードは、光ファイバケーブル及び電力グリッドケーブルに結合される。中継局は、ノードに結合され、中継局は、無人水中機と通信している。無人水中機と通信している制御センタが設けられ、無人水中機の遠隔制御と、発射前の無人水中機の遠隔制御のための航行計画のプログラミングとを実現し易くする。光ファイバケーブル、電力グリッドケーブル、ノード及び中継局は、動作中に水中に位置する能力をもっている。無人水中機は、開放水域から水中に発射される能力をもっている。
一実施形態では、通信ネットワークは、複数の無人水中機を遠隔制御し、発射前の水雷のような兵器のための航行計画をプログラムするために設計されている。移動体通信、衛星通信及び/又は光ファイバ通信は、通信手段を提供することができる。柔軟性があり、拡張可能であり、かつ、簡単なネットワークの設計のため、例えば、1万平方マイルを超える広い面積、及び/又は、水中の長い海岸線がネットワークによって網羅されることができる。ネットワークは、ネットワーク損傷又は故障の場合に備えて保守容易性のため設計される。
ネットワークは、無人水中機及びネットワーク自体のため必要とされる電力をさらに供給する。ネットワークは、複数のネットワークを1つに連結することによりさらに拡張可能であり、より広い海の地理的地域のカバレッジを可能にする。ネットワークのための制御センタは、無人水中機のための分散カバレッジを提供し、無人水中機の動的な挿入又は削除を可能にする。このようにして、制御センタは、容易に再構成可能である。
スマート・ミニ水雷(SMT)は、例えば、潜水艦のように浮上及び潜水する無人水中機(UAqV)でもよい。図1は、スマート・ミニ水雷コンポーネント・レイアウトの平面図である。本実施例におけるSMT 102は、無線通信、衛星通信及び/又は光ファイバ通信と、自律航行との能力をもつUAQV 100である。一実施形態では、SMT 102は、SMT 102の船首及びSMT 102の船尾に位置しているエンジン108及びプロペラ110を有することができる。エンジン108は、16.5HP、48V及び5780RPMを有するDCモータ(例えば、D&D モーターズ 170−007−002)でもよい。パルス幅変調(PWM)は、エンジン108の速度を制御するため使用されることができる。ステップモータ114及びホール効果センサは、精密な所望角度で方向舵及び水平制御を行う。一方が船首付近に位置し、もう一方が船尾付近に位置している浮力タンク116は、SMT 102の浮力及びバランスを制御する。取水及び排水を制御するために2個の弁が存在する。
バッテリ118は、エンジンをサポートするために、24Vリチウム・イオン(例えば、YUASA LIM50−7G 47.5AH、最大300Aで25.9V)設計でもよい。フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)がバッテリ充電回路、電流、バッテリ状態及び温度を監視するために使用されることができる。電子ボックス120は、電流制御及び周辺機器サブシステムを格納する。加圧空気タンク122は、68ci/4500psiの能力をもつことができ、浮力タンク116から水を押し出すことにより浮力を制御するために使用されることができる。
SMT 102は、粘性流体抵抗を低減するために、最小限のサイズ及び重量をもつ流線型であるように設計される。SMT 102の船体112は、実施形態例では、船首及び船尾の両方で楕円形に成形され、船首と船尾との間に円筒形に成形された円柱を含み、流線型設計を形成する。その他の形状が使用されてもよい。例えば、一部の実施形態では、円錐形状又はピラミッド形状が使用されてもよい。船体112の底部は、バラストを収容し、バランスに役立つように、重量材料で形成されることができる。SMT 102の初期設定重量は、はっきりしないので、海水とおおよそ同じ密度を有している。SMT 102は、殆ど常に潜水させられるように設計される。
実施形態例では、SMT 102の寸法は、半径22インチを有する楕円形に成形された船首及び船尾と、半径6インチの円筒状船体とであることができる。船首及び船尾の体積は、(4/3×22in×6in×6in×π)=3317in=54,364cm(1in=16.387cm)=65.4Kgであることができる。中央円筒状船体は、(6in×6in×π×長さ52in)=5881in=96,373cm=98.363Kgであることができる。SMT 102の初期設定重量は、65.4Kg+97.363Kg=162.763Kgであることができる。
SMT 102は、潜望機能用の潜望鏡をさらに有することができる。図2A及び図2Bは、潜望鏡設計の側面図の実施形態例である。潜望鏡124は、流体抵抗を低減する流線型本体のための楕円形に成形されている。その他の形状、例えば、涙の形状又は円錐形状が使用されてもよい。SMT 102から球状に見るために前、左、右、後、上及び下に位置決めされた6枚のカメラレンズ126(6−カメラと呼ぶ)が存在することができる。LEDが照明のため6−カメラ126と併せて使用される。カメラの観点から、SMT 102は、敵船を追跡・追尾するためにパターン認識手法を使用することができる。敵船からのプロペラ/エンジン雑音を検出するために6個の水中マイクロホン/SONARパッド128(6−SONARと呼ぶ)も存在することができる。SONAR技術は、偵察のため使用されることができる。SMT 102は、敵船の距離及び方位を計算するために受動型SONARセンサ装置からのデジタル信号処理(DSP)を使用する。6−SONAR 128は、敵船に接近するために受動モード又は能動モードにすることができる。
潜望鏡124上に、Wimaxもしくは4G/5G移動体通信のような無線通信、又は衛星通信のためアンテナ130が位置決めされている。一実施形態では、Wimax 802.16無線通信は、最大で35マイルレンジ及び70Mbpsスループットを有することができる。4G/5G移動体電気通信は、最大で7マイルレンジを有することができるが、衛星通信は、数千マイル離れることができる。さらに位置監視のため潜望鏡124に全地球測位システム(GPS)も存在する。
潜望鏡124は、一実施形態では、デジタル化されたSONARパッドを有する。SONARの機能は、水中の音波を検出することである。音波は、伝送損失を低減するためにデジタル形式(イーサネットフレーム)に変換される。SONARは、水深及び水中の音波を感知するために圧電素子を使用する。SONARパッドは、例えば、潜望鏡124上のような全方向に設置される。デジタル信号処理を使って、SMT 102内の中央制御システムは、敵船距離、方位及び場所を検出することが可能である。温度センサは、周囲水温を測定するためSONAR外側に装着されることができる。この仕組みは、敵の潜水艦が大量の熱を発生するので、敵の原子力潜水艦を検出するために使用されることができる。SONAR外装の内側は、水から加えられた圧力から圧電素子を保護するために、エア・ポケットができることを許さないオイルで満たされることがある。
中央制御システム及び周辺機器論理ブロックは、SMT 102の内部で利用されることができる。中央制御システム及び周辺機器は、6−カメラ DSP/コンプレッション、6−SONAR DSP、航行ブロック、バッテリ管理、DCモータ制御、方向舵及び水平制御のためのステップモータ制御、無線/衛星通信、光ファイバ通信及び浮力制御を含む。パワー・オーバー・イーサネット、即ち、PoEは、イーサネット配線上でデータと共に電力を送るいくつかの標準化された、又はアドホック・システムのいずれかについて説明する。PoE 802.3 af/at規格インターフェースは、周辺機器への通信のため中央制御システムで使用され、周辺機器のため必要とされる電力を供給する。バッテリ管理及びエンジンモジュールは、中央制御システムへの通信のためPoEインターフェースを使用し、エレクトロニクス及びバッテリ充電のため必要な電力を供給する。付加的に、PoEは、簡単なインターフェース及び(最大1Gbpsまでの)高デジタル・データ・レートをSONARシステムに提供する。
図3は、弾頭付きのSMTの実施形態例の側面図を示す。一実施形態では、SMT 102は、SMT 102の船体112の最上部に位置している弾頭132を有する。これらは、点火装置及び固体推進剤を有するエアバッグ型の装置によって発射されることができる。異なった実施形態では、非致命的な弾頭132は、敵船のプロペラ、シャフト/ギア及び方向舵を絡ませ、破損するために設計された「網型」装置である。小型ダイナマイト弾頭132は、敵船のプロペラ/シャフト及び方向舵を破壊するために設計されている。大型ダイナマイト弾頭132は、敵船の全体を破壊するために設計されている。SMT 102又はUAQV 100は、弾頭が非致命的であるとき、回収可能かつ再使用可能であることができる。
母艦は、一実施形態では、無人双胴船のような水中船444であり、1個以上のSMT 102が装備されることできる。この組み合わせは、敵船に警告し、敵船を追跡し、追尾し、使用不能状態にする。非致命的な弾頭又は致命的な弾頭は、敵船を損傷又は破壊するために使用されることができる。
図4A、図4B及び図4Cは、母艦200の平面図、側面図及び正面図の実施形態例である。母艦200は、SMT 102の重量を支持し、喫水線レベルより上で持ちこたえることができる。図5は、母艦200の一実施形態の平面図を描く。一実施形態では、複数のSMT 102は、母艦200に搭載されることができる。
図6は、母艦コンポーネント・レイアウトの実施形態例を例示する。本実施形態では、母艦200は、流体抵抗を低減するために設計された双胴船体である。高速で航行するために、母艦200は、320HPをもつディーゼルエンジンのようなデュアル高出力ディーゼルエンジン208を使用することができる。伝動ギアボックス210と、ユニバーサルジョイント付きのシャフト212とは、母艦プロペラ214を駆動する。方向舵216は、船の舵を取り、燃料タンク218は、燃料を蓄積する。母艦200は、ケーブル220によって、SMT 102のようなUAQV 100にされることができる。ケーブル220は、SMT 102への通信を使用可能状態にするために光ファイバリンクを提供し、パワー・オーバー・イーサネット(PoE)を介して、電力をSMT 102に供給するために電力グリッドケーブルを提供することができる。例えば、母艦200は、SMT 102内のバッテリを再充電することができる。母艦200は、敵船に警告する地対空ミサイル、照明弾銃、着色煙溶液、拡声器及び大型LEDパネルディスプレイをさらに装備する。母艦200は、無線、衛星又は光ファイバ通信を介して遠隔制御センタからの視覚的接触を使って敵船を追尾するときに、行動を記録するために複数の偵察カメラをさらに装備することができる。
母艦200は、通信用の高いマスト222を支持するために設計されている。一実施形態では、マスト222は、全方位カメラと、長距離カメラと、スポットライト及び拡声器と、衛星通信と、移動体通信とを格納する。母艦200は、移動体通信のためのWiMAX 4G/5G基地局としての機能を果たすことができる。マスト222は、少なくとも高さが14フィートであり、水平からの距離で少なくとも5.0マイル(4.949747マイル=((7×14)/4)1/2)の範囲を検出する。長距離カメラは、最大で30マイルの敵の航空機及び船の偵察を記録することができる。カメラスタビライザは、カメラを標的にロックする。一実施形態では、基地局は、SMT 102との無線通信のため使用されることがある。別の実施形態では、高速衛星通信が使用されることがある。
SMT 102のための航行計画は、PoEリンクを含むケーブル220を介して制御センタ(後述される)からの中継局としての機能を果たす母艦200からの発射の直前にプログラムされることができる。SMT 102は、開放水域から水中に発射される能力がある。航行計画は、計画された経路、速度プロファイル、標的船の船体サイズシグネチャ、エンジン音シグネチャ、及び放出される弾頭の型を含む。ホーミング装置は、SMT 102を標的に誘導し、弾頭に点火する6−SONAR、6−カメラ及び磁束センサを含む。
SMT 102は、プログラムされた航行計画に合わせるために3軸ジャイロ加速度計及びデジタルコンパスを使用する。SMT 102の初期設定重量は、はっきりしないか、又は、同一体積で海水と同じ重量である。これは、SMT 102が所望の深度水中で舵を取るために水平制御及び深度圧力センサを使用することを意味する。浮力制御は、SMT 102が、例えば、回収又は無線/衛星通信のため、見えるように海面に浮くことが必要であるときに使用されることができる。
図7は、母艦200とUAQV 100、例えば、SMT 102との間の通信のための実施形態例を示す。一実施形態では、母艦200のような水中船444は、アンテナを有し、中継局316と通信している。水中船444が浮上させられたとき、水中船444は、通信ネットワーク内部の移動体通信用の基地局であることができる。別の実施形態では、UAQV 100のような水中船444は、アンテナ付きの潜望鏡を有し、中継局と通信している。水中船444が潜望鏡の長さの範囲内で沈められるとき、水中船444は、潜望鏡上のアンテナを通じて通信ネットワーク内部の移動体通信のための基地局であることができる。別の実施形態では、水中船444が沈められるとき、水中船444は、潜望鏡上のアンテナを通じて通信ネットワーク内部で衛星通信を使用することができる。
母艦200は、衛星226及び/又は4G/5G無線アンテナ229との通信のための衛星通信パラボラアンテナを装備することができるので、移動体通信のための基地局としての機能を果たす。一実施形態では、母艦200は、ネットワーク内部で又は他の船と通信するためにWiMAX又は4G/5G移動体電気通信を使用することができる。別の実施では、母艦200は、遠隔通信するために衛星通信を使用することができる。さらに別の実施では、母艦200は、遠隔通信するために光ファイバケーブル229を使用することができる。
母艦200は、SMT 102のための中継局としての機能も果たすことができる。母艦200は、SMT 102と通信するために無線、衛星及び/又は光ファイバケーブルを使用することができる。一実施形態では、SMT 102は、WiMAX又は4G/5G移動体電気通信を使用することができる。これは、セルラ基地局とのセルラ電話通信に類似することがある。例えば、SMT 102は、ローミングし、第1の母艦200との通信を確立し、次に、第2の母艦200との通信を確立することができる。補助通信として、SMT 102は、制御センタ(後述される)と接触するために衛星通信を使用することができる。さらなる実施形態では、SMT 102は、衛星通信のため双方向衛星データトランシーバを使用することができる。付加的に、母艦200は、大型パラボラアンテナを介して高データ・レート衛星通信を使用することがある。このようにして、SMT 102は、高データ・レート衛星通信を使用して母艦200を介して数百マイル離れた制御センタによって遠隔制御されることがある。
母艦200は、護衛モード、照明弾銃発砲モード、短距離地対空(SAM)ミサイル・ペイロード及びSMT発射モードのような様々な動作モードを有する。護衛モードの間に、敵船が海上領海、例えば、12マイルの範囲内に入ったとき、母艦200は、一実施形態では、敵船に警告するために着色煙を配備することができる。敵船が、例えば、数百ヤードの範囲内に接近し続ける場合、母艦200は、拡声器を使って大きい、可聴音をブロードキャストし、より深刻な警告を敵船に知らせるためにLED警告サインを放射することができる。母艦200は、領域の範囲外へ敵船を護衛することができる。母艦200は、護衛モードにある間に、長距離カメラ又は6−カメラ映像録画装置を使用することができる。
照明弾銃発砲モードでは、母艦200は、接近中の敵船又は航空機にペイロードから照明弾銃を発砲することができる。短距離地対空(SAM)ミサイル・ペイロード・モードでは、母艦200は、FIM−92スティンガー赤外線ホーミングSAMのような軽量、短距離地対空ミサイルを装備することができる。これらは、敵船又は航空機に向けて発射されることができる。母艦200は、非致命的弾頭のような敵船を使用不能状態にするため、又は、致命的弾頭を使って敵船を破壊するためのいずれかのためにプログラムされた弾頭付きのSMT 102を発射することを実現し易くする。
SMT 102は、浮上準備完了モード、自律潜水モード、自律攻撃モード、自爆モード、光ファイバ制御モードのような様々な動作モードを有する。浮上準備完了モードの間に、SMT 102は、無線通信を使用して近くの母艦200によって、衛星通信を介して遠隔制御センタによって、又は、海上防衛光ファイバネットワーク(NDFN)制御センタ(後述される)によって制御され、プログラムされることができる。バッテリ電力を節約するために、エンジン及びプロペラは、このモードではオフであることができる。
自律潜水モードでは、SMT 102は、水中に潜水している間に受動型SONARを使用することにより敵船を追跡及び追尾するために使用される。SONAR技術は、偵察のため使用されることができる。これは、エンジン音及び/又はプロペラ音を感知し、次に、敵船からの位置及び距離を解析するためにデジタル信号処理を使用する。SMT 102は、探知を回避するために、密かに、遅くかつ静かに移動する。自律攻撃モードでは、SMT 102が巡行計画及び適切な弾頭情報を使って母艦100又は制御センタによってプログラムされた後、SMT 102は、6−SONAR及び6−カメラ・ホーミング・ガイダンスによって標的を包囲することができる。弾頭が点火され、爆発物が弾頭内で爆発させられる。
自爆モードの間に、タイムアウト期間後にコマンドが発行されない場合、SMT 102は、水中から水面に浮上し、衛星に「遭難」信号をアサートすることができる。一実施形態では、応答が受信されない場合、SMT 102は、水中に沈み、自爆コマンドを作動させることができる。光ファイバ制御モードでは、SMT 102は、海上防衛光ファイバネットワーク(後述される)を介して光ファイバ通信又は遠隔制御センタを使用して、潜水している間に、制御センタとしての機能を果たす近くの母艦200によって制御され、プログラムされることができる。
海上防衛光ファイバネットワーク(NDFN)は、多数の無人水中機(UAQV)及びこれらの武器を制御するために設計される。NDFNは、UAQVが原子力潜水艦として事実上永久に水中で持ちこたえることを可能にする電力をUAQVにさらに供給することができる。NDFNは、分散型スイッチング・センタ・システムを有するので、脆弱性が低く、頑強性が増大する。ネットワークは、探知を回避するために海底に横たわり、広い水中の地理的区域を網羅するように容易な拡張のために設計されている。NDFN配備は、UAQVにためのプラグ・アンド・プレイとして比較的簡単である。プラグ・アンド・プレイ概念は、ネットワーク化された装置がネットワーク上の互いの存在をシームレスに発見し、データ共有及び通信のための機能的なネットワークサービスを確立することを可能にする。NDFNのための制御センタは、冗長性、再構成可能性、移動性、及びステルス能力を提供する。これは、NDFNと通信している多数のUAQVが分散した制御センタによって遠隔制御されることを可能にさせ、UAQVが事実上、どこにでも、どの時点でも、いつでも存在することを可能にする。
図8は、海上防衛のための通信ネットワーク又は海上防衛光ファイバネットワーク(NDFN)の一実施形態を示す。NDFN 300は、ネットワーク内部の、及び、UAQV 100への通信を可能にする2重の、可逆リングトポロジー光ファイバネットワークである。NDFN 300は、スパイウェアを遮断する閉じたセキュア・ネットワークである。実施形態例では、UAQV 100は、SMT 102である。通信ネットワークNDFN 300は、複数のUAQV 100を含むことができる。光ファイバケーブル308は、双方向性であり、ネットワーク内部の、及び、UAQV 100への通信を可能にする閉じたリング構造である。一実施形態では、光ファイバケーブル308は、80Gbpsより高い通信スループットを発生させる。電力グリッドケーブル310は、閉じたリング構造であり、HVACケーブル317によってネットワーク・ノード/中継器を通じて発電機312に結合される。この発電機は、ネットワーク内部で、及び、UAQV 100に電力を供給する。一実施形態では、電力グリッドケーブル310は、14.4kVより大きい電気を供給する。組み合わされた光ファイバケーブル308及び電力グリッドケーブル310は、ネットワーク・ケーブル311と呼ばれることがある。
ノード314は、光ファイバケーブル308及び電力グリッドケーブル310に結合される。水中船のための通信基盤設備を形成する永久的な方法で海底に位置しているネットワーク内に複数のノード314が存在することができる。中継局316は、第2の光ファイバケーブル318及び第2の電力グリッドケーブル320によってノード314に結合され、UAQV 100と通信している。組み合わされた第2の光ファイバケーブル318及び第2の電力グリッドケーブル320は、第2のネットワーク・ケーブル321と呼ばれることがある。光ファイバケーブル308、電力グリッドケーブル310、ノード314及び中継局316は、動作中に水中に位置する能力がある。
各ノード314は、無人水中機挿入/削除、NDFN拡張、NDFN制御センタ挿入、高電圧交流給電(HVAC)発電機挿入、及びネットワーク基盤設備保守のための関連した中継局316を有する。中継局316は、制御センタによって決定されるように浮上又は潜水するために浮力制御を有する。
NDFN 300は、制御センタ400によって制御されることができる。一実施形態では、制御センタ400は、NDFN 300から数百マイル離れて位置し、陸上又は船上にあることができる。一実施形態では、母艦200は、制御センタ400としての機能を果たすことができる。制御センタ400は、SMT 102のような複数のUAQV 100と通信し、UAQV 100の遠隔制御と、発射前のUAQV 100の遠隔制御のための航行計画のプログラミングとを実現し易くする。ユーザは、UAQV 100の遠隔制御と、UAQV 100の遠隔制御のための航行計画のプログラミングとを行うことができる。一実施形態では、SMT 102が発射された後、航行計画は、SMT 102が爆発前に衛星通信を確立するために浮上することを含む。衛星通信がSMT 102とNDFN 300との間で確立されると、ユーザは、航行計画を確認する、航行計画を修正する、又は、航行計画を中止する選択肢を有することができる。SMT 102は、その後、新しい航行計画に合わされる。
ネットワークNDFN300内部の通信は、図10に示されるように、4G/5Gのような移動体通信、衛星226を通じた衛星通信、又は、光ファイバケーブル318を通じた光ファイバ通信によることができる。通信ネットワークNDFN 300は、複数の制御センタ400を含むことができる。
図11を参照すると、制御センタ400は、制御スイート402を有する。ユーザ、又は、複数のユーザは、UAQV 100を監視し、遠隔制御するためにパイロットシートを利用することができる。大型スクリーンがNDFN 300のセクタ内又はNDFNクラウド442のセクタ内の活動を監視するため使用されることができる。一実施形態では、3Dジョイスティック及びフットペダルは、UAQV 100を操縦し、航行するために使用される。敵船との交戦中に、ユーザは、別のユーザが武器を制御している間に、UAQV 100を制御することができる。複数のタッチスクリーン装置は、UAQV 100の状態を監視するために使用されることができる。圧縮された映像及びSONAR音声の複数のチャネルは、ネットワークルータによって制御スイート402及び/又は偵察のための運営管理者を経由させられることがある。制御スイート402は、水中戦闘状況における無人水中機コントローラのためのプッシュ・ツー・トーク(PTT)のようなノンブロッキング・スイッチング及び高速スイッチング付きの複数の人間音声通信チャネルを格納することができる。
制御スイート402では、ユーザは、SMT 102、母艦200、ノード314及び/又は中継局316上の6−SONAR及び6−カメラを監視することができる。ユーザは、長距離カメラ、6−カメラ、6−SONAR、照明弾銃、着色煙、LEDサイン及び拡声器のような母艦200のペイロードをプログラムし、遠隔制御することもできる。
容易化すること及びプログラミングは、どの時点でも制御センタ400のいずれによることもできる。制御センタ400内の制御スイート402は、運営管理者によって、NDFN 300又はNDFNクラウド442のいずれかのセクタのいずれかのUAQV 100に割り当てられることができる。このようにして、NDFN 300と通信しているUAQV 100及びこれらの武器は、事実上、どこでも、どの時点でも、いつでも制御されることができる。
図9は、水中船のための通信ネットワークの実施形態例を例示する。この例では、NDFN 300は、領土諸島330又は海岸線の周りに位置することができる。一実施形態では、ネットワークは、直径が24マイルより大きく、又は、ネットワークは、諸島330又は陸地の周りで半径が最大で12国際海里である。各ノード314は、海底上で第2のノード314から10マイル乃至100マイルの間に位置し、故に、広い海上領域を対象にする。
SMT 102のようなUAQV 100は、第2の光ファイバケーブル318及び第2の電力グリッドケーブル320により構成された第2のネットワーク・ケーブル321を使って中継局316上の出口に接続することができる。SMT 102は、機能を維持するために大量の電力を必要としない。第2の電力グリッドケーブル320に結合されたとき、SMT 102のバッテリ118は、再充電されることができる。このようにして、SMT 102は、事実上永久に水中で持ちこたえることを可能にさせる無人原子力潜水艦として動作することができる。
1つの実施では、ネットワークは、第2の光ファイバケーブルをさらに備えることができる。第2の光ファイバケーブルは、中継局と無人水中機との間で通信を可能にすることができる。中継局と無人機との間の通信は、第2の光ファイバケーブルの長さに基づいて中継局の周りのある半径に対して維持されることができる。SMT 102は、ネットワーク・ケーブル321の長さに基づいてネットワークとの通信を維持する能力をもつ。一実施形態では、ネットワーク・ケーブル321は、長さが2マイルであり、その結果、SMT 102は、中継局320から最大で半径2マイルの通信を維持する能力をもつ。別の実施形態では、母艦200は、光ファイバケーブル318を使って中継局316の出口に接続されることができる。母線200は、これの独自の電力を発生させるので、第2の電力グリッドケーブル320は、必須ではない。本実施では、母線200は、光ファイバケーブル322の長さに基づいて、又は、中継局316から変形が5乃至50マイルの間に亘って通信を維持する能力をもつ。
複数のUAQV 100及び複数の母線200は、偵察及び防衛のためノード/中継局314/316に結合されることができる。通信範囲332は、実施形態例として図9に詳述される。通信範囲332は、使用されたケーブルの長さに基づいている。
図10は、一体的に連結された複数のNDFN 300の実施形態例である。各NDFN 300は、ここに記載されるように、ネットワーク・ケーブル311と、ノード/中継局314/316と、発電機312とにより構成される。発電機は、中継局から200マイルより遠くに位置することができる。ネットワークは、第3の光ファイバケーブルによって第2のハードウェアに接続することができる。NDFN 300は、長距離光ファイバケーブル440によって別のNDFN 300に連結されることができる。これは、空中ではなく水中に位置しているNDFNクラウド442を形成する。NDFNクラウド442は、ユーザが、NDFN 300と通信しているとき、制御センタ400を介して、どこでも、どの時点かつどの場所でも、いつでも大量のUAQV 100を遠隔制御することを可能にさせる。制御センタ400は、光ファイバケーブル318によって、又は、衛星226を通じた衛星通信によってNDFN 300と通信することができる。
図11は、NDFNの実施形態例を示す。NDFN 300は、中継局316からの第2のネットワーク・ケーブル321を介してUAQV 100及び/又は水中船444を結合する。水中船444は、母線200と、ジュニアJ型水中船(JJUV)と、JJUV−HVAC発電機船と、JJUV衛星中継船と、双胴JJUV水中ミサイル防衛局船とを含むことができる。一実施形態では、JJUVのような水中船444は、第2のネットワーク・ケーブル321を使用し、中継局316から最大で半径2マイルの通信を維持する。第2の電力グリッドケーブル320を必要としないその他の水中船444は、中継局316から半径5マイルと50マイルとの間で通信を維持することができる。
図12は、ノード論理設計のための実施形態例を描く。ノード314は、海底上の永久構造体であり、2フィート×3フィートのサイズで作られることができる。一実施形態では、ノードは、第2のノードから10マイルと100マイルとの間に位置することができる、ノードは、イーサネット宛先アドレス及びイーサネット発信元アドレスに基づいて動的スイッチングを行うスイッチ又はルータをさらに備えることができる。ノード314は、NDFNクラウド442のためのイーサネット・スイッチ/ルータ要素446を有する。ノード314は、海底で水中のノード314を取り囲む行動を監視するためにSONARアレイ、偵察カメラ及び温度センサを装備することができる。ノード314の外装は、潰れることなく水中圧に耐えるように設計される。
配電システムは、冗長かつ頑強性のある電力供給源を負荷に提供する。ノード314は、14.4kVACを有するネットワーク・ケーブル311に結合される。一実施形態では、ノード314内のステップダウン変圧器のような変圧器448が電力14.4kVACを480VACに変換するために使用され、この電力は、その後、関連した中継局316及び付属するUAQV 100に分配される。高電圧は、伝送損失を削減することができる。
一実施では、配電システムの状態及び管理は、NDFN 300を絶えず記録し、監視する。一実施形態では、14.4kV HVAC発電機が中継局316に挿入されることができる。安全規定及び手続は、高電圧コンポーネントの理由から遵守されなければならない。電力グリッドケーブル310及び第2の電力グリッドケーブル320は、回路遮断器装置を有することがあり、監視されることがある。
実施形態例では、NDFN 300は、0ゲージワイヤ(0.3224オーム/km)を用いて長さが102kmであり、全電気抵抗は、32.24オームである。発電機312(10A/14.4kVをもつ)に対して、144kWがNDFN 300に送られる。(IRによって計算された)伝送に起因する損失は、2.23%の損失のために10×10×32.24=3,224Wである。単一のUAQV 100に対して、光ファイバケーブル318は、0ゲージワイヤを用いて中継局316からの長さが3kmであり、即ち、UAQV 100への480 VACでの5アンペア電流に制限された、0.3224×3=1オームである。伝送損失は、25W、1%損失である。0ゲージワイヤを用いて30kmで超高電圧(230kVAC)に対する別の実施形態例では、全電気抵抗は、102オームである。0.6A、138kWにおける230kVACは、NDFN 300に送られ、(IRによって計算された)伝送に起因した損失は、0.02%損失で0.6×0.6×102=36Wである。
一実施形態では、複数の発電機312は、電力をNDFN 300に供給するために配備されることができる。発電機312は、UAQV 100に位置する、又は、陸地に置かれることができる。UAQV 100は、探知なしで30〜50kmのような距離で発電機312のための空気を集めるために直立可能な潜望鏡を使用することができる。数百キロボルトの桁数にある超高電圧は、電力線伝送のための数百キロメートルのような長い距離のため使用されることができる。超高電圧は、ノード314に位置している変圧器448に類似した変圧器を通じて電力をNDFN 300にさらに供給することができる。
図13は、イーサネット・スイッチ/ルータ要素の実施形態例である。NDFN 300の複数のポートに対して、10GbpsイーサネットであるIEEE IEEE−802.13aeを仮定すると、イーサネット・スイッチ/ルータ要素446付きのノード314は、独自開発のイーサネット・スイッチ/ルータ機能を行う。一実施形態では、イーサネット・スイッチ/ルータ要素446は、5−ポート・イーサネット・スイッチ/ルータであり、NDFNスター−スイッチと呼ばれることもある。イーサネット・スイッチ/ルータ要素446の設計は、A−ポート:NDFN 300のアップストリーム(80Gbps)と、B−ポート:NDFN 300のダウンストリーム(80Gbps)と、C−ポート:中継局(10Gbps)と、D−ポート:長距離光ファイバケーブル440を通じたリング拡張(10Gbps)と、E−ポート:制御センタ400(10Gpbs)とを含む。許容可能なイーサネットフレームは、NDFN運営管理者によって制御された5−ポートの各々から転送されることができる。
イーサネット・スイッチ/ルータ要素446は、主として、特定のルーティングアルゴリズムのため開発されたフェームウェアを含むフィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)である。複数の連想メモリ(CAM)が存在する。CAMは、照合対象であるイーサネット・アドレスのテーブルである。照合規準は、図14に指定されるように、発信元イーサネット・アドレス及び宛先イーサネット・アドレスのサブフィールドの組み合わせによって定義されることができる。各イーサネット・アドレスに関連付けられた宛先ポートアドレスは、CAMテーブルに一覧されている。CAMの機能は、イーサネット・アドレスをCAMテーブルと照合することである。照合するとき、宛先ポートが決定され、イーサネット・スイッチ/ルータ要素446がデータを送信する。FPGAは、単一のクロックサイクルでイーサネット・アドレスを照合する。一実施形態では、照合プロセスは、125MHzシステムに対して8ナノ秒を要する。これに反して、マイクロプロセッサのための2分検索アルゴリズムは、照合するために数百クロックサイクルを要することがある。複数のCAMは、独自開発イーサネット・アドレスの発信元及び宛先の両方の異なったフィールドを照合するために並列に使用されることができ、その後、AND/OR論理が1桁のナノ秒期間に「照合」又は「非照合」を見つけるために使用される。CAMは、NDFN運営管理者によって動的に維持される。
従来的なイーサネット・スイッチングの基本アルゴリズムは、プラグインされたイーサネット・ノードの48ビットのイーサネット発信元アドレス全体を学習し、その後、まさにプラグインされたイーサネット・ノードに関連付けられた学習済みポートに向けられることになったパケットが正しいイーサネット・ノードに経由させられるものである。未学習イーサネットフレームは、イーサネット・スイッチのあらゆるポートにブロードキャストされる。イーサネット・ノードがイーサネット・スイッチに接続されると、スイッチング経路が設定され、IEEE 802.3イーサネット・スイッチは、ユーザによって修正され得ないCAMを使用するので、修正され得ない。圧縮された映像チャネルは、典型的に、帯域幅16Mbpsを必要とし、音声/SONARチャネルは、典型的に少なくとも帯域幅1Mbpsを必要とする。UAQVは、何ダースもの映像及び音声チャネルを格納することができる。一実施形態では、多くのUAQVが制御され、NDFNは、使用可能状態のUAQV映像及び音声チャネルを適切な局に配信する。ルーティング規準は、図14に指定されるように、発信元イーサネット・アドレス及び宛先イーサネット・アドレスのサブフィールドの組み合わせによって定義される。
一実施形態では、コンピュータエレクトロニクスは、イーサネットIEEE 802.3に基づく。ノード314、中継局316、UAQV 100及び制御センタ400内のコンポーネント・レベル・モジュールは、固有の独自開発イーサネット・アドレスが割り当てられる。映像又は音声/SONARデータのような情報の型が割り当てられた独自開発イーサネット・アドレス内にさらに埋め込まれる。業界標準イーサネット・スイッチングが低フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)又は特定用途向け集積回路(ASIC)によって素早く切り替えられるように使用される。NDFN独自開発イーサネット・スイッチングの基本アルゴリズムは、所望の映像/音声ストリーミングだけがある期間に設計された宛先又は宛先に切り替えられるように、イーサネットに基づく映像及び音声チャネルを制御することである。これは、動的スイッチングとして知られている。
NDFNクラウド内の電力グリッドは、運営管理者によって管理される。イーサネット/スイッチ/ルータ要素446は、NDFNクラウドのゲートにあり、関連したNDFN 300のためのイーサネット宛先アドレスにより、及び、イーサネット発信元アドレスによりイーサネットフレームを切り替えるために運営管理者によってプログラムされるものである。一実施形態では、イーサネット・スイッチ/ルータ要素446は、ヒューマン/マシン・インターフェース、グラフィカル・ユーザ・インターフェース(GUI)及びネットワーク管理ソフトウェアの可用性のため標準TCP/IPネットワークによって管理される。
図14は、NDFNコンポーネント・イーサネット・アドレス割り当ての一実施形態を描く。NDFN 300内のコンポーネントは、一意のイーサネット・アドレスが割り当てられたモジュラ・レベル・ユニットとして定義される。適切なインターフェース・コントロール・ドキュメント(ICD)は、スター−スイッチ、UAQV 100の中央制御モジュール、6−カメラ126、6−SONAR 128、エンジン制御モジュール、電力グリッド制御/監視モジュールなどのような特定の機能を実行する。IEEE 802.3当たりのイーサネット・アドレスに対して48ビット、即ち、6ビットが存在する。最初に送信される1番目のバイトの1番目のビット(ビット−0)は、ユニキャスト/マルチキャストビットである。2番目のビット(ビット−1)「0」は、グローバルに一意であり、802.3機構によって管理され、「1」は、ローカルに管理される。NDFNは、イーサネット・アドレス割り当てのため「1」を使用することができる。ビット−7からビット−2は、ユニット型、即ち、ノードのための「01」、中継局のための「02」、及び制御センタのための「10」に割り当てられる。2番目のバイトは、NDFNコンポーネント型:ルータ内部アドレスのための「00」、ルータ外部アドレスのための「FF」、コンポーネント中央制御システムのための「01」、映像チャネルのための「10」、及び音声/SONARチャネルのための「20」に割り当てられる。3番目のバイトのビット−7からビット−4は、コンポーネント型拡張として割り当てられる。ビット−3からビット−0は、イーサネットフレーム型:コンピュータデータのための「0」、映像のための「1」、音声のための「2」、人の音声のための「3」に割り当てられる。4番目のバイトは、コンポーネントオーバーフローのためのコンポーネント設置場所である。5番目のバイト及び6番目のバイトは、コンポーネントの一連番号である。
図15は、中継局論理設計の実施形態例である。ノード314の物理設計と同様に、中継局316は、一実施形態では、電子設計におけるイーサネット・スイッチである。中継局316は、16個の1Gbps光ファイバポートを帰属させられたUAQV 100に提供し、発電機に結合するためにHVACケーブル317を有する。HVACケーブル317は、電力14.4kVを供給することができる。中継局316は、UAQV 100のため必要とされる電力のための480VAC電力出口を提供する。中継局316は、ノード314の構造に見られるように変圧器448ではなく、大型浮力タンクと水圧ポンプとを有する。浮力タンクは、中継局316がノードから取り付けられたファイバケーブル及び電力グリッドケーブルと共に浮かぶことを可能にさせる。
中継局316は、中継局316を取り囲む行動を監視するためにSONARアレイ、偵察カメラ、及び温度センサをさらに装備する。SONAR技術は、偵察のため使用されることができる。偵察カメラは、付属ケーブルの状態を監視し記録することができる。中継局316の外装は、潰れることなく水中圧に耐えるように設計される。
図16は、水中船のための通信方法のフローチャートを例示する。この方法は、ステップ10で、弾頭を有する無人水中機(UAQV)100を準備することを備える。ステップ12で、双方向性であり、かつ、閉じたリング構造である光ファイバケーブル308がネットワーク内部での、かつ、UAQV 100への通信を可能にするため位置決めされる。ステップ14で、閉じたリング構造であり、かつ、発電機312に結合された電力グリッドケーブル310がネットワーク内部で、かつ、UAQV 100に電力を供給するため位置決めされる。ステップ16で、ノード314は、光ファイバケーブル308及び電力グリッドケーブル310に結合される。ステップ18で、中継局316は、ノード314に結合され、中継局316は、UAQV 100と通信している。ステップ20で、UAQV 100と通信している制御センタ400が設けられ、UAQV 100の遠隔制御を実現し易くし、発射前のUAQV 100の遠隔制御のための航行計画をプログラムする。光ファイバケーブル308、電力グリッドケーブル310、ノード314及び中継局316は、動作中に水中に位置する能力がある。UAQV 100は、開放水域から水中に発射される能力がある。
非限定的な実施例では、NDFN 300の動作中に、水雷を密かに発射することが必要であることがある。SMT 102から数百マイルの陸地に位置している制御センタ400は、複数のSMT 102と通信している。SMT 102は、第2のネットワーク・ケーブル321を介して中継局310に結合され、海底に錨泊されている。制御センタ400の制御スイート402において、ユーザは、適当なSMT 102を識別し、発射前にSMT 102の遠隔制御のための航行計画をプログラムする。
航行計画は、経路、速度プロファイル、標的船の船体サイズシグネチャ、エンジン音シグネチャ、及び放出される弾頭の型を含む。ホスト船なしで開放水域中の水中に位置しているSMT 102は、NDFN 300を通じて航行計画を受信し、錨及び第2のネットワーク・ケーブル321を解放することにより対処し、その後、航行計画を実行することにより標的を捜す。水雷管、推進システム、放出システム及びガイドワイヤは、SMT 102がこれの独自の方式に従って、プログラムされ、エンジン108により動力が供給されるので、必要ではない、又は、必要とされない。SMT 102は、これを標的に誘導するために6−SONAR、6−カメラ及び磁束センサのようなホーミング装置を使用する。適切な場合、弾頭が点火される。
別の非限定的な実施例では、図17は、NDFNの実施形態例を例示する。本実施では、制御センタ400は、母線200から数百マイルの陸地に位置し、衛星226を通じて衛星通信を介してNDFN 300と通信している。母艦200は、水面にあり、関連した中継局316から光ファイバケーブル318を介してNDFN 300と制御センタ400との間の衛星通信のための中継局316としての機能を果たす。母艦200は、第2のネットワーク・ケーブル321を通じてSMT 102を装備している。SMT 102は、ホスト船なしで開放水域における水中に位置している。JJUVのようなUAQV 100は、水中に位置しているが、一実施形態では、NDFN 300と制御センタ400との間の衛星通信のための65フィートの潜望鏡124長さの範囲内でステルス中継局316としての機能をさらに果たす。
制御センタ400の制御スイート402において、ユーザは、操舵し航行するために複数のスクリーン、3Dジョイスティック、及びフットペダルによってSMT 102を遠隔制御する。NDFN 300の動作中に、水雷を密かに発射することが必要であることがある。ユーザは、NDFN 300の範囲内の利用可能なSMT 102から適当なSMT 102を識別する。次に、ユーザは、発射前にSMT 102の遠隔制御のための航行計画をプログラムする。
SMT 102は、母艦200を介してNDFN 300を通じて航行計画を受信し、第2のネットワーク・ケーブル321を解放することにより対処し、その後、航行計画を実行することにより標的を探す。水雷管、推進システム、放出システム及びワイヤは、SMT 102が自発的にプログラムされ、エンジン108によって動力が供給されるので、必要ではない、又は、必要とされない。SMT 102は、これを標的に誘導するために、6−SONAR、6−カメラ及び磁束センサのようなホーミング装置を使用する。
航行計画は、SMT 102が水中から浮上し、衛星通信を確立することを含む。SMT 102が浮上したとき、衛星通信が確立され、ユーザは、航行計画を確認する、修正する又は選択肢を有する。ユーザは、SMT 102が今度は回収可能であり、かつ、再使用可能であるように、航行計画を中止することを選択する。
別の実施形態では、SMT 102は、水中、開放水域ではなく、図4A、図4B及び図4Cの場合のように、母艦200に位置することができる。本実施では、SMT 102が発射される準備ができているとき、SMT 102は、発射前に水の中へ放出される。
図18は、NDFNの実施形態例を描く。本実施では、ステルス配備手法が実証される。このようにして、レーダー、視覚、ソナー、及び/又は赤外線方法によってNDFN 300の存在を探知することがより困難である。NDFN 300は、敵による探知を回避するために、密かに、かつ、静かに水中に配備されることができる。一実施形態では、NDFN 300は、NDFN 300を構築するために、必要なコンポーネント、及び、光ファイバケーブル及び電力グリッドケーブルのようなケーブルのスプールを装備した、双胴JJUVのような水中船444を使用して配備されることがある。その後、SMT 102のようなUAQV 100と、母艦200のような水中船444とは、第2の光ファイバケーブル318又は第2のネットワーク・ケーブル321によって関連した中継局316A、316B及び316Cに追加されることができる。例えば、NDFN 300が構築された後、中継局316Aは、初期バッテリ電力によって浮上させられる。UAQV100又は水中船444は、中継局316Aに接続されることができる。一実施形態では、最大16の船が単一の中継局316A、316B又は316Cに接続されることができる。制御センタ400への光ファイバケーブル318、発電機312、及び長距離光ファイバケーブル440は、中継局316B又は316Cにさらに接続されることができる。
図19は、NDFNの実施形態例を示す。本実施は、NDFN 300を使用する4次元海上防衛戦略である。NDFNクラウド442の制御は、水中船444に位置している移動体制御センタ400への衛星通信又は光ファイバケーブルを介して複数の制御センタ400の間に分散させられることができる。UAQV 100及びこれらの武器は、敵船450又は敵航空機452に対抗して、制御センタ400を通じて、どの場所でも、どの時点でも、あらゆる場所で、及び、いつでも制御されることができる。NDFN 300は、海面と、領海とを共に防衛することもできる。その上、NDFN 300は、母艦200又はJJUVのような水中船444から発射された地対空ミサイル454によって領空をさらに防衛できる。地対空ミサイル454は、短距離系統、中距離系統又は長距離系統であることができる。
中距離又は長距離ミサイルは、双胴JJUVのような水中船444に搭載されることができる。双胴JJUVは、平時には潜水状態を継続することができ、制御センタ400を通じてNDFN 300に結合され、遠隔制御されることができる。水中ミサイル局(UMS)は、探知を回避するために絶えず移動し、NDFN 300にも結合されることができる。このようにして、UMSによって必要とされた電力がNDFN 300によって供給される。
水雷は、典型的には、ホスト船、例えば、潜水艦又は水面レベル機によって発射される。従来的な潜水艦は、建造及び運転に費用がかかり、概して、3交替制で運転するために60から100人の乗組員を必要とする。制限が存在する。深海におけるコマンド、制御及び通信、並びに、安全性及びセキュリティの懸念に対する制限が存在する。エンジン及び乗組員が使用する酸素の供給もまた制限されることがある。高速攻撃航空機のような水面レベル船は、典型的に、サイズが小型であり、凌波性及び防衛能力が欠けているので、陸地に極めて接近して動作する必要がある。さらに、水面レベル船は、敵によって事実上検出される可能性がある。
水雷は、典型的に、水雷管からの推進システム又は放出システムによってホスト船から発射される。一部の実施では、水雷は、有線誘導される。水雷の装填及び発射は、複数のステップを有し、時間がかかる。付加的に、水雷が発射されると、ユーザは、水雷を制御しなければならない。
対照的に、NDFN配置は、水雷を密かに発射する迅速な、かつ、費用対効果に優れた方法である。例えば、水雷を発射するためにNDFNを使用するとき、水雷は、ホスト船なしで開放水域から水中に発射される能力をもつ。これは、水雷が敵への指示又は警告なしに密かに発射されることを可能にする。さらに、水雷は、発射前に航行計画を使ってプログラムされることができる。水雷は、航行計画を使ってプログラムされ、水中ではなく陸に位置している制御センタからユーザによって発射されることができる。一実施形態では、水雷が発射された後、航行計画は、爆発前に衛星通信を確立するために水雷が浮上することを含む。衛星通信が水雷とNDFNとの間で確立されると、ユーザは、航行計画を確認する、航行計画を修正する、又は航行計画を中止する選択肢を有することができる。水雷は、その後、新しい航行計画に合わされる。
複数の水雷がNDFNから同時に迅速に発射されることができる。その上、通信ネットワークを使うと、スマート・ミニ水雷は、自動車の運転と同様に自発的にプログラムされ、エンジンによって動力が供給されるので、水雷管、推進システム、放出システム及びワイヤは、必要ではない、又は、必要とされない。
明細書は、発明の特定の実施形態に関連して詳細に説明されているが、当業者が上述の理解を達成すると、これらの実施形態の変更、変形及び均等物を容易に想到することができることが認められるであろう。本発明に対する上記変更及び変形とその他の変更及び変形とは、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、当業者によって実施されることができる。さらに、当業者は、上述の説明が単なる一例であり、発明を限定することが意図されていないことを認めるであろう。従って、本主題は、このような変更及び変形を網羅することが意図されている。

Claims (21)

  1. 無人水中のための通信ネットワークであって、
    弾頭を有する無人水中機と、
    双方向性であり、前記ネットワーク内部及び前記無人水中機への通信を可能にさせる閉じたリング構造である光ファイバケーブルと、
    閉じたリング構造であり、前記ネットワーク内部及び前記無人水中機に電力を供給する発電機に結合されている電力グリッドケーブルと、
    前記光ファイバケーブル及び前記電力グリッドケーブルに結合されているノードと、
    前記ノードに結合され、前記無人水中機と通信している中継局と、
    前記無人水中機と通信し、(i)前記無人水中機の遠隔制御を容易にし(ii)発射前の前記無人水中機の前記遠隔制御のための航行計画をプログラムするように構成された制御センタとを備え、
    前記光ファイバケーブル、前記電力グリッドケーブル、前記ノード及び前記中継局は、動作中に水中に位置する能力をもち、
    前記無人水中機は、開放水域から水中に発射される能力をもっている、通信ネットワーク。
  2. 前記無人水中機は、プログラムされエンジンによって動力が供給される水雷である、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  3. 前記通信ネットワークは、複数の無人水中機を含む、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  4. 前記通信ネットワークは、複数の制御センタを含む、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  5. 前記通信ネットワークにおける前記制御センタのいずれかは、前記無人水中機の前記遠隔制御を容易にし、いかなる時点でも前記航行計画をプログラムすることができる、請求項4に記載の通信ネットワーク。
  6. SONAR技術が偵察のため使用される、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  7. 前記無人水中機は、潜望鏡をさらに備える、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  8. 前記航行計画は、経路、速度プロファイル、標的船の船体サイズシグネチャ、エンジン音シグネチャ、及び放出される弾頭の型を含む、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  9. 前記無人水中機は、前記弾頭が非致命的であるとき、回収可能かつ再使用可能である、請求項8に記載の通信ネットワーク。
  10. ユーザが前記無人水中機の前記遠隔制御及び前記無人水中機の遠隔制御のための前記航行計画の前記プログラミングを提供する、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  11. 前記ノードは、第2のノードから16.1キロメートル161キロメートルとの間に位置している、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  12. 前記ネットワーク内部の前記通信は、移動体通信、衛星通信、又は光ファイバ通信による、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  13. アンテナを有し、前記中継局と通信している水中船をさらに備え、
    前記水中船が浮上させられたとき、前記水中船は、前記通信ネットワーク内部の移動体通信のための基地局である、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  14. アンテナ付きの潜望鏡を有し、前記中継局と通信している水中船をさらに備え、
    前記水中船が浮上させられているとき、前記水中船は、前記通信ネットワーク内部の移動体通信のための基地局である、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  15. 前記ノードは、イーサネット宛先アドレス及びイーサネット発信元アドレスに基づいて動的スイッチングを行うスイッチ又はルータをさらに備える、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  16. 前記中継局と前記無人水中機との間の通信を可能にさせる第2の光ファイバケーブルをさらに備え、
    前記中継局と前記無人水中機との間の前記通信は、前記第2の光ファイバケーブルの長さに基づいて前記中継局の周りのある半径に対して維持される、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  17. 前記光ファイバケーブルは、80Gbpsより高い通信スループットを発生させる、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  18. 前記電力グリッドケーブルは、14.4kVより大きい電気を供給する、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  19. 前記発電機は、前記中継局から322キロメートルより遠くに位置している、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  20. 前記ネットワークは、第3の光ファイバケーブルによって第2のネットワークに接続する、請求項1に記載の通信ネットワーク。
  21. 無人水中のための通信方法であって、
    弾頭を有する無人水中機を準備することと、
    双方向性であり、ネットワーク内部及び前記無人水中機への通信を可能にさせる閉じたリング構造である光ファイバケーブルを位置決めすることと、
    閉じたリング構造であり、前記ネットワーク内部及び前記無人水中機に電力を供給する発電機に結合されている電力グリッドケーブルを位置決めすることと、
    ノードを前記光ファイバケーブル及び前記電力グリッドケーブルに結合することと、
    前記無人水中機と通信している中継局を前記ノードに結合することと、
    前記無人水中機と通信し、(i)前記無人水中機の遠隔制御を容易にし、及び(ii)発射前の前記無人水中機の前記遠隔制御のための航行計画をプログラムするように構成された制御センタを準備することとを備え、
    前記光ファイバケーブル、前記電力グリッドケーブル、前記ノード及び前記中継局は、動作中に水中に位置する能力をもち、
    前記無人水中機は、開放水域から水中に発射される能力をもっている、通信方法。
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