國外對潛通信技術(shù)發(fā)展研究

楊 坤，杜 度

(中國人民解放軍92857部隊(duì)，北京 100161)

0 引 言

潛艇以其優(yōu)越的隱蔽性及水下突擊能力，成為取得海戰(zhàn)主動權(quán)的關(guān)鍵，而潛艇的隱蔽性主要由其下潛深度、航速及航向機(jī)動等特點(diǎn)來保障，在不限制潛艇機(jī)動性的同時，保障獲得信息的能力，是對潛通信技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)[1]。當(dāng)前，國外海軍強(qiáng)國水面戰(zhàn)與空戰(zhàn)體系已形成基于信息系統(tǒng)的體系作戰(zhàn)能力，但水下裝備還難以實(shí)時納入作戰(zhàn)體系中，水介質(zhì)對信息遠(yuǎn)程高速傳輸?shù)淖璧K是問題的關(guān)鍵所在。為此，潛艇水下互聯(lián)互通能力、跨越通信能力成為各國發(fā)展的重點(diǎn)方向。近年來，潛艇水下通信除了運(yùn)用傳統(tǒng)的無線電、水聲等通信手段之外，浮標(biāo)通信、網(wǎng)絡(luò)通信、激光通信等新型通信方式得到了快速發(fā)展[2]，雖然并未實(shí)際應(yīng)用，但其相關(guān)測試結(jié)果為水下通信技術(shù)創(chuàng)新開辟了新的方向，是水下通信領(lǐng)域關(guān)注的重點(diǎn)。目前，國外潛艇主要水下通信方式的作戰(zhàn)使用范圍、通信速率、通信距離及研制情況等見表1。

1 無線電通信

潛艇無線電通信主要依靠天線裝置實(shí)現(xiàn)對甚低頻（VLF）或超低頻（ELF）信號的接收。當(dāng)前，核潛艇典型的通信系統(tǒng)天線組成如圖1所示，其中具有水下信號接收能力的為纜式拖曳天線裝置，主要承擔(dān)潛艇深潛狀態(tài)下的無線電通信任務(wù)。

潛艇纜式拖曳天線裝置通信主要利用岸基甚低頻（VLF）或超低頻（ELF）信號對潛進(jìn)行單向通信，單個信號站根據(jù)頻率的不同對潛通信距離為4 000 ～8 000 km。ELF（3～300 Hz）通信技術(shù)要求潛艇必須拖拽電纜或拖曳帶天線設(shè)備的浮標(biāo)以接收ELF信息。這樣的布置對潛艇的性能是有不利影響的。與VLF一樣，ELF通信技術(shù)需要有非常龐大的岸基設(shè)備以及專用的電源來運(yùn)轉(zhuǎn)，因而，目前只有美國和俄羅斯建成了用于潛艇通信的ELF系統(tǒng)[3]。

1.1 美國

目前，國外潛艇可在水下45～70 m的深度上利用展開的天線浮標(biāo)接收VLF信號，傳輸速率為50～200 b/s，此時潛艇航速不超過4 kn，天線浮標(biāo)保持在水下6～9 m。ELF比VLF頻率低100倍左右，因此可以實(shí)現(xiàn)最大約100 m深度的對潛通信。美國于1989年成為首個建成使用ELF對潛通信系統(tǒng)的國家，通過位于本土的ELF發(fā)信臺，美國可向4 600 km外水下122 m深（天線距海面102 m）并以16 kn航速航行的核潛艇發(fā)送一份20個字符的報(bào)文，還能與在北極9 m厚冰層下120 m深海中以16 kn航速航行的核潛艇進(jìn)行聯(lián)絡(luò)。

表 1 潛艇水下通信方式特征分析Tab. 1 Submarine underwater communication characteristics analysis

圖 1 潛艇典型通信系統(tǒng)天線組成Fig. 1 The composition of submarine typical communication system antenna

圖 2 潛艇纜式拖曳天線裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Submarine towing cable antenna device

雖然ELF通信深度和距離均較VLF有較大提升，但其發(fā)信速度很慢，美國ELF發(fā)信臺每分鐘只能發(fā)射1個比特（約0.016 7 b/s），5 min發(fā)射一個字符，15 min才能發(fā)射一個3字符的指令。實(shí)際作戰(zhàn)使用中，ELF通信主要起到“振鈴”作用，即通知核潛艇上浮到可以采用其他通信方式的深度繼續(xù)接受詳細(xì)信息。

2007年12月，美海軍成功地完成“巡航狀態(tài)下潛艇雙向通信”項(xiàng)目浮力電纜天線通信試驗(yàn)，潛航的美海軍“洛杉磯”級“蒙特培利爾”攻擊核潛艇使用浮力電纜天線與美海軍“杜魯門”號航母打擊群的8艘水面艦艇進(jìn)行了雙向信息交換，數(shù)據(jù)率為9.6 kb/s。

圖 3 “洛杉磯”級纜式拖曳天線裝置圖Fig. 3 Los-Angeles class submarine towing cable antenna device

1.2 俄羅斯

俄羅斯最早纜式拖曳天線裝置為掃雷器型拖曳天線系統(tǒng)，用于保障衛(wèi)星與潛艇間的通信，該系統(tǒng)由漂浮至水面的掃雷器型載體及天線裝置、拖曳線纜及絞車組成，掃雷器型載體的流體動力指向垂直向上，以流體動力產(chǎn)生的上升力上浮至距離水表面約2～3 m深度，通過升舉拖曳載體上的天線（靠近海面）來實(shí)現(xiàn)深潛潛艇的單向或雙向通信。

1978年俄羅斯開始研制的K-686型掃雷器型拖曳天線系統(tǒng)，載體為對稱翼形玻璃鋼殼體，承重電纜為直徑13.6 mm的11芯承重電纜，能保證潛艇在10 kn航速、潛深250 m情況下實(shí)現(xiàn)對超長波無線電信號的接收，并裝備于俄羅斯“德爾塔”級戰(zhàn)略導(dǎo)彈核潛艇。同時，“海洋通信項(xiàng)目”設(shè)計(jì)局研制的K-659型掃雷器型拖曳天線系統(tǒng)，載體尺寸長4 500 mm，翼展2 700 mm，具有分米波頻段天線，尾鰭采用玻璃鋼材質(zhì)，配備有直徑21.8 mm、220 m長的16芯承重電纜，能夠?qū)崿F(xiàn)在潛深130 m、航速10 kn時超低頻無線電雙向通信，并裝備于“臺風(fēng)”級核潛艇。隨后由于承重電纜造價昂貴等原因，俄羅斯終止了掃雷器型拖曳天線裝置的制造工作。

圖 4 “臺風(fēng)”級潛艇掃雷器型拖曳天線裝置及內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 4 Design of Typhoon class-submarine mine-mine type towing antenna device

圖 5 K-659型拖曳天線裝置載體Fig. 5 K-659 type of towing antenna device

20世紀(jì)80年代俄羅斯啟動纜式拖曳天線裝置的研制工作，先后發(fā)展了K-687型和K-689型兩代纜式拖曳天線裝置，并于1998年成功研制由耐壓殼體放纜的第3代K-697型拖曳天線裝置，將布放點(diǎn)轉(zhuǎn)移到垂直尾穩(wěn)定鰭或者尾部甲板室上面，大大提高了備用纜式天線的使用及水下狀態(tài)替換天線的能力，同時研制的直徑16 mm、饋電衰減降低的電纜長度也增加至1 000 m，拖曳天線裝置內(nèi)嵌入有（超長波-長波-中波-短波頻段）信號放大器，保證了長波頻段寬帶通信線的信號接收[4]。

圖 6 K-697型纜式拖曳天線裝置Fig. 6 K-697 towing cable antenn device

目前，俄羅斯?jié)撏аb備纜式天線裝置能夠?qū)崿F(xiàn)無接觸接收信號，并具備接收超長波-長波-中波-短波波段信號能力，在潛艇航速達(dá)12 kn時，布放深度達(dá)到300 m，使?jié)撏Ь邆浯鬂撋睢⒏吆剿偾闆r下的通信能力。

2 聲吶通信

潛艇聲吶通信主要利用通信聲吶實(shí)現(xiàn)潛艇間及潛艇與水面艦艇間信息傳輸，一般利用艇首聲吶作為換能器，通信時甲方發(fā)射機(jī)產(chǎn)生信號通過艇首聲吶向乙方定向發(fā)出，乙方通過艇首聲吶接收后經(jīng)由接收機(jī)處理得到通信信息[5]。

圖 7 潛艇聲吶通信示意Fig. 7 Submarine sonar communication schematic

當(dāng)前潛艇多裝備綜合性聲吶，同時具有探測、目標(biāo)跟蹤、測距、識別、定位、通信、導(dǎo)航和探雷等多種功能，即所有潛艇均具備聲吶通信能力，如美國“洛杉磯”級和“海狼”級攻擊型核潛艇上裝備的AN/BQQ-5型綜合聲吶，該聲吶中包括AN/WQC-2型通信聲吶，相關(guān)技術(shù)參數(shù)如表2所示。

聲吶通信的通信速率與水聲通信技術(shù)發(fā)展息息相關(guān)，2008年依靠水聲通信與潛艇交互，水下通信距離最大150 nmile，最小30 nmile。根據(jù)美國海軍研究辦公室（ONR）統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，當(dāng)前水聲通信的速率和距離乘積達(dá)到40 km·kb/s，即距離為40 km時水下通信速率最大為1 kb/s。聲吶通信隨著聲吶與水聲技術(shù)的進(jìn)步而不斷向前發(fā)展，未來通信距離將更遠(yuǎn)、通信速率會更快。然而，聲吶通信與浮標(biāo)通信、網(wǎng)絡(luò)通信方式相比，發(fā)展速度極慢，在通信距離和速率上很難發(fā)生革命性變化，導(dǎo)致完全無法滿足潛艇間以及潛艇與其他部隊(duì)之間的高效協(xié)同作戰(zhàn)。

表 2 AN/WQC-2通信聲吶技術(shù)參數(shù)Tab. 2 AN/WQC-2 communication sonar technical parameters

3 浮標(biāo)通信

浮標(biāo)通信是通過潛艇發(fā)射的浮標(biāo)與水面艦艇、飛機(jī)和岸上基地等平臺進(jìn)行雙向通信。目前潛艇浮標(biāo)通信技術(shù)正不斷完善并逐漸提高性能，使通信時巡航速度更快、下潛深度更大、通信速率更高，需要注意的是，浮標(biāo)通信技術(shù)出現(xiàn)之前，潛艇只能上浮至潛望鏡狀態(tài)，通過伸出通信天線實(shí)現(xiàn)雙向通信[6-7]。根據(jù)國外公布的相關(guān)消息，目前只有美國和德國潛艇具備浮標(biāo)通信能力，而英國也正在進(jìn)行相關(guān)裝備研制工作。

1）美國潛艇通信浮標(biāo)

2008年美海軍完成“深海汽笛”戰(zhàn)術(shù)尋呼浮標(biāo)的軍用評估，該浮標(biāo)通過衛(wèi)星與外界通信，依靠水聲通信與潛艇交互，水下通信距離最大150 nmile，最小30 nmile，由潛艇、水面艦或飛機(jī)投放，用于呼叫戰(zhàn)術(shù)支援、實(shí)現(xiàn)水下實(shí)時通信。同年，美國PEO C4I潛艇綜合項(xiàng)目辦公室表示能夠?yàn)闈撏峁╇p向衛(wèi)星通信，浮標(biāo)與商用銥星衛(wèi)星通信系統(tǒng)交換信息的數(shù)據(jù)率為2.4 kb/s，與軍用特高頻（UHF）衛(wèi)星通信系統(tǒng)交換信息的數(shù)據(jù)率為32 kb/s，并將擴(kuò)展到64 kb/s。目前，美國已研制出可回收系留光纖浮標(biāo)，該浮標(biāo)能使?jié)撏г谒?43.84 m（800 in）航速為8 kn的狀態(tài)下，通信數(shù)據(jù)率達(dá)到32 kb/s。

2）德國、英國潛艇浮標(biāo)通信系統(tǒng)

圖 8 系留浮標(biāo)工作流程示意Fig. 8 Workflow of mooring bouy

英國ATLAS Elektronik公司研制的GATEWAY和德國Gabler Maschinenbau公司研制的“木衛(wèi)四”（Callisto）潛艇浮標(biāo)通信系統(tǒng)，均由潛艇發(fā)射，具備水下-水面跨域通信能力。其中GATEWAY由潛艇聲頻調(diào)制解調(diào)器、基站以及GATEWAY浮標(biāo)3個主要部分構(gòu)成，可以保證在水下機(jī)動及航行狀態(tài)下潛艇間雙向通信，而且無需保持潛望鏡深度；“木衛(wèi)四”潛艇浮標(biāo)通信系統(tǒng)根據(jù)《2013–2014簡氏艦艇年鑒》以及德國前幾年的規(guī)劃，德國已在最新的2艘212A級常規(guī)潛艇上裝備，該系統(tǒng)利用可重復(fù)使用的拖曳通信浮標(biāo)與外界通信，可發(fā)射和接收超高頻、甚高頻、高頻以及GPS等信號，但通信速率并未公布。

圖 9 ATLAS Elektronik公司GATEWAY通信浮標(biāo)Fig. 9 GATEWAY communication system of ATLAS Elektronik company

4 網(wǎng)絡(luò)通信

網(wǎng)絡(luò)通信是潛艇在水下利用聲吶通信與最近的水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)交互，然后由預(yù)置水下網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到遠(yuǎn)處其他平臺的一種通信方式。其中水下網(wǎng)絡(luò)可以是無線連接也可以是有線連接，前者傳輸速度受水聲通信技術(shù)限制，后者受線纜鋪設(shè)范圍和成本限制。

美國海軍自1998年起多次進(jìn)行“海網(wǎng)”（Seaweb）項(xiàng)目通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)，旨在形成海底水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過水聲通信鏈路將固定節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)連接成網(wǎng)，采用電池智能供電，覆蓋范圍可達(dá)100～10 000 km2，除通信外其功能還包括測距、定位和導(dǎo)航。

該方式的主要缺點(diǎn)是水下網(wǎng)絡(luò)需要提前部署，且潛艇需要航行至預(yù)定網(wǎng)絡(luò)通信節(jié)點(diǎn)才能進(jìn)行通信，應(yīng)急使用能力差。為此美國已開始研制臨時迅速部署的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，如2006年開始研制的近海持續(xù)水下監(jiān)視系統(tǒng)（PLUS），該系統(tǒng)除具備監(jiān)視能力外，還具備通信能力，相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)由潛艇自身攜帶，根據(jù)作戰(zhàn)需要進(jìn)行布放，將遠(yuǎn)方信息傳遞至潛艇。該項(xiàng)目已于2013年10月完成海上測試，目前正處于小規(guī)模部署進(jìn)行作戰(zhàn)評估階段。

圖 10 潛艇水下網(wǎng)絡(luò)通信鏈路Fig. 10 Submarine underwater network communication

5 激光通信

當(dāng)前，激光被視為在潛艇跨越通信及水下面對面通信中可傳送大容量數(shù)據(jù)的一種通信方式，極具發(fā)展前景。2009年德國在海軍研究所測試水池完成水下激光鏈路的首次測試，發(fā)射激光束帶寬為18 nm，水中試驗(yàn)傳輸距離為3 m，視頻數(shù)據(jù)流級文件傳輸可達(dá)到7 ～10 Mb/s，同時誤碼率低于6–10[8]。2012年，海上激光通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)在2艘艦船之間完成700 M/s的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸能力，接近實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。2017年3月美海軍空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部發(fā)布“模塊化光學(xué)通信”（OCOMMS）載荷項(xiàng)目計(jì)劃，研發(fā)空潛全雙工通信系統(tǒng)，解決海面跨介質(zhì)通信問題。要求通信速率大于1 kb/s，覆蓋范圍超過15 nmile，工作深度30～75 m，空中部分長寬高不大于16.5，15.5和13.25 in，重量小于60 lb，額定功率200 W，可裝在無人機(jī)上。水下部分直徑不大于18 in，長度不大于19 in，重量小于75 lb。未來激光通信不僅成為跨域通信的有效手段，還將成為水下潛艇間、無人航行器與潛艇間大容量數(shù)據(jù)的重要傳輸手段。

6 結(jié) 語

綜上所述，無線電通信、聲吶通信基本維持現(xiàn)有技術(shù)水平，僅在確保安全情況下近距離水下通信使用；浮標(biāo)通信使?jié)撏Э梢耘c其他水面及水面以上平臺協(xié)同作戰(zhàn)，但潛艇之間的通信問題仍然存在，且浮標(biāo)通信也容易暴露潛艇位置；網(wǎng)絡(luò)通信是唯一兼顧潛艇隱身和遠(yuǎn)程通信的解決方案，可實(shí)現(xiàn)潛艇與潛艇協(xié)同作戰(zhàn)，極大提高潛艇作戰(zhàn)效率，是未來的重要發(fā)展方向，而隨著未來全新水下戰(zhàn)大容量通信鏈路需求日益增長，激光通信將成為水下通信網(wǎng)絡(luò)形成的關(guān)鍵手段。

圖 11 海洋環(huán)境網(wǎng)絡(luò)內(nèi)激光鏈路應(yīng)用的工作示意圖Fig. 11 The application of loser link in the marine environment network

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