美國海軍水下傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展回顧

美國海軍于1997年提出“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”概念后，在國防部骨干路由器網(wǎng)的支持下，以協(xié)同作戰(zhàn)能力網(wǎng)絡(luò)為主體，為實(shí)現(xiàn)對地面、空中、太空、水面通信平臺的全球點(diǎn)對點(diǎn)鏈接，建立起實(shí)施網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的聯(lián)合傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以對陸?？諏?shí)施廣泛而連續(xù)的監(jiān)視。由于水下通信節(jié)點(diǎn)的缺失，這個(gè)強(qiáng)大的立體信息網(wǎng)無法為美國海軍提供監(jiān)視水下目標(biāo)的能力，因而建立海底傳感器網(wǎng)絡(luò)，完備聯(lián)合傳感器網(wǎng)絡(luò)功能成為關(guān)注的焦點(diǎn)。為了彌補(bǔ)這一缺憾，增強(qiáng)海洋數(shù)據(jù)收集和水下預(yù)警能力，美國海軍自1998年起持續(xù)開展了廣域“海網(wǎng)”（Sea web）的海底水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)，很快證實(shí)了利用聲學(xué)進(jìn)行水下組網(wǎng)的可行性，并衍生出一系列水聲網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃和應(yīng)用，展現(xiàn)了水聲網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的廣闊前景。

發(fā)展背景

水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是由布放在海底、海中的傳感器節(jié)點(diǎn)和海面浮標(biāo)節(jié)點(diǎn)以及它們之間的雙向聲鏈路組成的分布式、多節(jié)點(diǎn)、大面積覆蓋水下三維區(qū)域，可以對信息進(jìn)行采集、處理、分類和壓縮，并可以通過水下通信網(wǎng)節(jié)點(diǎn)以中繼方式回傳到陸基或海基的信息控制中心的綜合系統(tǒng)。美國是最早開展水下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的國家，在最近二三十年里取得了長足的進(jìn)步。美國海軍大力開展水下無線網(wǎng)絡(luò)通信能力建設(shè)，有著深刻的歷史背景和緊迫的現(xiàn)實(shí)需要。

瀕海作戰(zhàn)需求是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的根本動(dòng)力。20世紀(jì)90年代以來，在“由海向陸”等國防部戰(zhàn)略方針的指引下，美國海軍的戰(zhàn)略重點(diǎn)逐漸由深海向淺海轉(zhuǎn)移，并制定了深化這一戰(zhàn)略的《21世紀(jì)海上力量》和《海軍轉(zhuǎn)型規(guī)劃綱要》，提出建設(shè)水下傳感系統(tǒng)，打造海軍“軍隊(duì)網(wǎng)絡(luò)”的水下網(wǎng)絡(luò)，發(fā)展“由海底到太空”的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)通能力，從而實(shí)現(xiàn)對瀕海戰(zhàn)場環(huán)境及時(shí)和準(zhǔn)確的認(rèn)知。

美國海軍現(xiàn)有水下偵測能力的不足是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)因素。由于缺乏有效監(jiān)視水下目標(biāo)的能力，特別是面對瀕海作戰(zhàn)的探潛、反潛和獵雷需求，美國海軍必然要增加水下探測距離和分辨率，提高水下戰(zhàn)場信息控制能力，擴(kuò)大水聲預(yù)警探測范圍。為此，美國海軍大力發(fā)展水下傳感器網(wǎng)絡(luò)，將之作為防御戰(zhàn)場和安全屏障，保衛(wèi)美國的領(lǐng)海安全、海軍部隊(duì)和海上力量。

水聲組網(wǎng)技術(shù)日趨成熟是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的推動(dòng)因素。水聲組網(wǎng)技術(shù)是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)，它涉及到水聲數(shù)據(jù)的交換技術(shù)、傳輸技術(shù)、共用系統(tǒng)技術(shù)和寬帶接入技術(shù)等。自20世紀(jì)90年代以來，水聲組網(wǎng)技術(shù)研究不斷克服海洋環(huán)境對水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的影響，技術(shù)性能日趨成熟。在水聲組網(wǎng)技術(shù)的推動(dòng)下，水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)逐步完善，廣泛采用標(biāo)準(zhǔn)通信組件和商用成品技術(shù)，呈現(xiàn)出大規(guī)模、自組織、動(dòng)態(tài)性等特點(diǎn)，提高了對環(huán)境數(shù)據(jù)、戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)和情報(bào)數(shù)據(jù)的獲取能力。

美海軍水下傳感器網(wǎng)絡(luò)概念圖

美海軍水下戰(zhàn)示意圖

發(fā)展情況

美國海軍在建設(shè)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的過程中，采取了傳統(tǒng)的科研院校-產(chǎn)業(yè)部門-軍事單位相結(jié)合的研發(fā)模式，以“海網(wǎng)”相關(guān)技術(shù)的研發(fā)為核心，經(jīng)歷了概念研發(fā)、研制試驗(yàn)和應(yīng)用部署三個(gè)主要階段。通過近20年的發(fā)展，“海網(wǎng)”已成功應(yīng)用于海軍艦隊(duì)作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)（FBE-I項(xiàng)目）、淺海反潛戰(zhàn)ASW（HYDRA項(xiàng)目）、水下通信等任務(wù)中。

概念研發(fā)階段（20世紀(jì)50年代至90年代中期）水聲通信技術(shù)處于理論研究和技術(shù)研究階段，早期以建立模擬系統(tǒng)、開展水聲相干通信技術(shù)研究為主。至20世紀(jì)90年代中期，淺海環(huán)境的水聲通信速率和距離實(shí)現(xiàn)了較大發(fā)展，使水下網(wǎng)絡(luò)的建立成為可能。

研制試驗(yàn)階段（20世紀(jì)90年代后期至21世紀(jì)初期）在此階段，水聲通信技術(shù)和水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在同時(shí)穩(wěn)步發(fā)展，經(jīng)過多次組網(wǎng)試驗(yàn)，包括水聲調(diào)制解調(diào)器在內(nèi)的各種水下傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)和設(shè)備日趨完善，性能不斷提高。美國海軍自1998年開始了“海網(wǎng)”年度實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證水下傳感器網(wǎng)絡(luò)概念。

應(yīng)用部署階段（21世紀(jì)初期至今）美國海軍經(jīng)過多次試驗(yàn)證明了在淺海惡劣環(huán)境條件下利用水聲網(wǎng)絡(luò)在廣闊水域進(jìn)行高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行?，隨即開展了水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用研究，并于2004財(cái)年開始建設(shè)包括“海網(wǎng)”潛艇數(shù)據(jù)鏈在內(nèi)的多個(gè)水聲網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用項(xiàng)目。在2004年圣迭戈的反潛戰(zhàn)演習(xí)中，“海網(wǎng)”第一次在美國海軍潛艇部隊(duì)得到作戰(zhàn)應(yīng)用，潛艇和水面艦艇利用“海網(wǎng)”實(shí)現(xiàn)了隱蔽的水聲通信。在“海網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)支持下，美國海軍還實(shí)施了“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”計(jì)劃。

水下傳感器與潛艇的“非對稱”通信

未來，美國海軍將以建設(shè)近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)和自主式分布傳感器系統(tǒng)為重點(diǎn)，力圖在潛在敵國的沿海建立水下信息探測網(wǎng)絡(luò)，密切監(jiān)視并預(yù)測海洋環(huán)境，從而有效應(yīng)對這些國家的安靜型柴電潛艇的威脅。

構(gòu)成及其功能

典型的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括分布式傳感器節(jié)點(diǎn)、接收發(fā)送器、互聯(lián)網(wǎng)和用戶界面等?；ヂ?lián)網(wǎng)和用戶界面由各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和應(yīng)用程序構(gòu)成，主要用于實(shí)現(xiàn)水下傳感器網(wǎng)絡(luò)的C4I功能。

傳感器節(jié)點(diǎn)通過不同類型的傳感器來獲取水下物理現(xiàn)象的參數(shù)，并通過聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器把信息發(fā)送出去。其組成包括4個(gè)基本單元:傳感單元（由傳感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統(tǒng)等）、通信單元（由聲學(xué)調(diào)制解調(diào)器組成）以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括定位系統(tǒng)和移動(dòng)系統(tǒng)等。

接收發(fā)送器是將水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)接入陸地或空中常規(guī)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其功能是集中接收水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)包，經(jīng)過轉(zhuǎn)換，變成無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)所接收的數(shù)據(jù)包，再轉(zhuǎn)發(fā)出去。如果接收發(fā)送器用于無線網(wǎng)絡(luò)的接入，這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)水面站，專用浮標(biāo)或水面船為載體; 如果接收發(fā)送器用于有線網(wǎng)絡(luò)的接入，那么這個(gè)節(jié)點(diǎn)可以是一個(gè)岸基站。

無人水下探測器“藍(lán)鰭金槍魚”也可用作傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)

總體而言，對水下傳感器節(jié)點(diǎn)所覆蓋的區(qū)域進(jìn)行中長期的水下預(yù)警、目標(biāo)檢測、海洋水文環(huán)境要素監(jiān)測是水下網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要用途；同時(shí)，在未來由多基地和舷外分布式傳感器系統(tǒng)構(gòu)成的龐大的反潛戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)中，水下數(shù)據(jù)通信是關(guān)鍵，而水下傳感網(wǎng)承擔(dān)著探測、數(shù)據(jù)通信的重要使命。

典型網(wǎng)絡(luò)

目前，美國海軍正在實(shí)施的項(xiàng)目中比較典型的水下傳感器網(wǎng)絡(luò)包括“海網(wǎng)”水聲網(wǎng)絡(luò)、自主式分布傳感器系統(tǒng)和“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”等，其中“海網(wǎng)”是目前比較成功的水聲網(wǎng)絡(luò)，也是美國海軍規(guī)模最大的在研實(shí)用水聲網(wǎng)絡(luò)。

“海網(wǎng)”由美國海軍研究局和航天海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部主持建設(shè)，利用水聲調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行通信，可兼作軍民兩用網(wǎng)絡(luò)，被視為水下版的“軍隊(duì)網(wǎng)絡(luò)”，是水聲傳播、聲納系統(tǒng)工程、數(shù)字通信、信號處理、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程、換能器設(shè)計(jì)等多學(xué)科綜合研究和應(yīng)用的產(chǎn)物。對于軍用，構(gòu)建可布放的自主式分布傳感器，用于沿海廣大區(qū)域的警戒、反潛戰(zhàn)和反水雷系統(tǒng)，實(shí)施指揮、控制、通信和導(dǎo)航功能；對于民用，構(gòu)建對沿海大陸架監(jiān)測的遙測前沿觀測網(wǎng)和氣象海洋系統(tǒng)。它們都以遠(yuǎn)程聲納為水下通信的工具，以“海網(wǎng)”的概念構(gòu)成水下網(wǎng)絡(luò)，但根據(jù)應(yīng)用的需求不同，采用了不同類型的水下傳感器。

“海網(wǎng)”實(shí)質(zhì)是由分布式自動(dòng)傳感器組成的固定節(jié)點(diǎn)的海底廣域網(wǎng)絡(luò)，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)在這個(gè)固定的海底廣域網(wǎng)絡(luò)柵格周圍游弋并執(zhí)行作戰(zhàn)任務(wù)，通過這些固定的節(jié)點(diǎn)（傳感器節(jié)點(diǎn)和水聲中繼節(jié)點(diǎn)）來獲取導(dǎo)航信息和進(jìn)行水下通信?！昂＞W(wǎng)”利用水聲通信鏈路將固定節(jié)點(diǎn)、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)（包括固定浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)）連接成網(wǎng)。指控中心部署在艦艇、潛艇、飛機(jī)或岸基中心，它通過衛(wèi)星鏈路或陸地局域網(wǎng)接入浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具有水聲通信接口和無線通信接口功能，前者用于實(shí)現(xiàn)與“海網(wǎng)”的水聲通信鏈接，后者用于提供“海網(wǎng)”與岸基、飛機(jī)或衛(wèi)星的無線鏈接。移動(dòng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在水下運(yùn)動(dòng)中采集傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后適時(shí)浮出海面與岸基或艦基指控中心進(jìn)行無線通信。潛艇在潛行中使用水聲通信鏈路訪問“海網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)資源或通過“海網(wǎng)”與遠(yuǎn)程浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)通信。遠(yuǎn)程指控中心通過衛(wèi)星鏈路或陸地局域網(wǎng)接入浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。目前，“海網(wǎng)”已具有很強(qiáng)的自組功能，如自動(dòng)進(jìn)行節(jié)點(diǎn)識別、時(shí)鐘同步，節(jié)點(diǎn)位置定位、適應(yīng)環(huán)境的發(fā)射功率控制、節(jié)點(diǎn)更新和失效后的網(wǎng)絡(luò)重新配置等。

“海網(wǎng)”2005年試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)部署圖

美國海軍的“海網(wǎng)”計(jì)劃，從1998年開始啟動(dòng)了每年度的“海網(wǎng)”試驗(yàn)，目的在于推動(dòng)遠(yuǎn)程聲納和“海網(wǎng)”技術(shù)的發(fā)展。“海網(wǎng)”的試驗(yàn)過程，也是水下傳感器網(wǎng)絡(luò)由提供基本的通信功能向構(gòu)建水下無線網(wǎng)絡(luò)、多重路徑訪問結(jié)構(gòu)以及采用復(fù)合通信協(xié)議、實(shí)現(xiàn)高級服務(wù)功能發(fā)展的過程。

從試驗(yàn)的技術(shù)細(xì)節(jié)來看，“海網(wǎng)”可以支持2000字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包和2400比特/秒的通信速率，但是為了改善網(wǎng)絡(luò)性能和電池續(xù)航能力，采用了350字節(jié)長度的數(shù)據(jù)包，標(biāo)稱速率為800比特/秒。常用帶寬為9000～14000赫茲，點(diǎn)對點(diǎn)最大通信距離10千米，部署深度小于1000米。

在“海網(wǎng)”服務(wù)器和主控節(jié)點(diǎn)的控制下，“海網(wǎng)”部署要經(jīng)過四個(gè)階段，其中包括：準(zhǔn)備階段，其主要任務(wù)是分析任務(wù)需求和設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)分布模型；安裝和啟動(dòng)階段，其主要任務(wù)是測試和激活網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；系統(tǒng)初始化和注冊登記階段，其主要任務(wù)是獲取網(wǎng)絡(luò)鏈路信息和主節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)；優(yōu)化組合和運(yùn)行階段，其主要任務(wù)是選擇網(wǎng)絡(luò)路由、指定協(xié)議和優(yōu)化節(jié)點(diǎn)性能。

《美國海軍信息優(yōu)勢路線圖（2013-2028）》將建設(shè)水下數(shù)據(jù)通信能力，實(shí)現(xiàn)更為精準(zhǔn)的水下定位和導(dǎo)航，作為確保順利完成海上的定位、導(dǎo)航及授時(shí)工作，決勝未來海洋戰(zhàn)場的一項(xiàng)重要能力。按照網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)概念發(fā)展起來的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用水下數(shù)據(jù)鏈把多種作戰(zhàn)平臺和信息節(jié)點(diǎn)有機(jī)地聯(lián)接起來，通過獲取水下信息優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)水下戰(zhàn)場態(tài)勢感知的高度共享，快速指揮先敵行動(dòng)和實(shí)施部隊(duì)機(jī)動(dòng)，從而大大提高聯(lián)合作戰(zhàn)效能。

結(jié)語

雖然目前已有研究成果證明了水下網(wǎng)絡(luò)通信的可行性以及它發(fā)揮的美軍水下作戰(zhàn)能力倍增器作用，未來也將會有更多更強(qiáng)的水下網(wǎng)絡(luò)通信功能被開發(fā)和應(yīng)用，但不可否認(rèn)的是迄今為止的應(yīng)用成果，僅僅是整個(gè)架構(gòu)的冰山一角，在水下傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的道路上還存在許多障礙，還有許多重大的技術(shù)挑戰(zhàn)和相應(yīng)問題需要解決。