燒腦的“水下通信”

杭蘇

據(jù)美國(guó)的《國(guó)家利益》報(bào)道稱，中國(guó)量子技術(shù)領(lǐng)先世界，近期又解決了水下量子通信的一大關(guān)鍵性世界難題，成功實(shí)現(xiàn)了水下量子通信的實(shí)驗(yàn)。但水下通信一直以來(lái)是困擾各國(guó)科學(xué)家的世界性難題，這種技術(shù)突破本身潛藏著劃時(shí)代的意義，一旦突破對(duì)于人類的水下救援、水下勘探、水下作業(yè)等具有革命性意義。

水下通信遇難題

正如聲吶分析人員所熟知的那樣，向水下發(fā)送信號(hào)只能通過聲波，聲波信號(hào)不僅會(huì)在水中發(fā)生彎曲和擴(kuò)散，還會(huì)在水底和水面發(fā)生折射（也會(huì)在不同的水層之間發(fā)生折射，既會(huì)在水平方向上發(fā)生折射，也多少會(huì)在垂直方向上發(fā)生折射），信號(hào)在傳播過程中也在不斷衰減，失真嚴(yán)重，吸收性也差。

20世紀(jì)80年代，隨著新型高速計(jì)算機(jī)的快速發(fā)展，人們開始有了一些新的想法：計(jì)算機(jī)不斷地測(cè)試傳輸過程，通過信息對(duì)比就可以確定哪些脈沖是在同一條路徑中傳輸?shù)?，從而在相?duì)較高傳輸數(shù)據(jù)率的信號(hào)中提取出最有效的信息。美國(guó)雷神公司宣稱，通過在通信系統(tǒng)中嵌入高速計(jì)算機(jī)，可以解決水下通信問題。盡管最終證明這種系統(tǒng)遠(yuǎn)沒有達(dá)到成熟的地步，但是利用高速計(jì)算機(jī)解決水下通信問題的理念卻得到廣泛認(rèn)可。

20世紀(jì)90年代末，美軍潛艇艇員可以在水下傳輸潛艇潛望鏡捕獲的視頻影像。此后不久，其他國(guó)家也做到了這一點(diǎn)。很明顯，這需要在兩個(gè)方面實(shí)現(xiàn)平衡。首先，是距離和數(shù)據(jù)率的平衡，因?yàn)橥ㄐ啪嚯x變長(zhǎng)，就只能用頻率較低的信號(hào)。其次，就是隱蔽性與數(shù)據(jù)率的平衡。數(shù)據(jù)率低的聲音信號(hào)會(huì)被隨機(jī)噪聲所掩蓋，而承載高數(shù)據(jù)率的信號(hào)則不會(huì)。這一點(diǎn)很重要，因?yàn)樗伦鲬?zhàn)經(jīng)常是依靠隱蔽性才取得最終勝利的。

像光一樣傳輸

科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一個(gè)很重要的規(guī)律：在近乎垂直的“可靠聲波路徑”下，聲音信號(hào)在傳輸過程中不會(huì)丟失或失真。這就像光在具有不同折射率的一摞玻璃中的傳輸：如果以一定角度投射光束，就會(huì)在玻璃板之間產(chǎn)生各種折射和反射；如果光線垂直（或者不超過某個(gè)角度）投向這堆玻璃，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)清晰的影像。也就是說要超過一個(gè)臨界角度后，才會(huì)出現(xiàn)光的扭曲和失真，聲學(xué)也有類似的現(xiàn)象。

冷戰(zhàn)期間，蘇聯(lián)人使用過水下水聲通信，他們使用的長(zhǎng)脈沖信號(hào)與鯨魚發(fā)出的聲音十分相像。之后人們發(fā)現(xiàn)，蘇聯(lián)所有的綜合一體化聲吶系統(tǒng)都含有通信功能，就此推測(cè)蘇聯(lián)開始構(gòu)想潛艇集群作戰(zhàn)。由于長(zhǎng)脈沖能承載的信息量非常有限，只能用來(lái)保障相對(duì)簡(jiǎn)單的協(xié)同作戰(zhàn)。比如，兩艘潛艇可分別對(duì)一個(gè)已知目標(biāo)進(jìn)行被動(dòng)測(cè)向，之后利用測(cè)距設(shè)備通過三角測(cè)算來(lái)知道對(duì)方的位置。

20世紀(jì)60年代，英軍熱衷于把他們的新型高速核動(dòng)力攻擊潛艇當(dāng)作一部巨大的“可變深度聲吶”，與護(hù)航艦艇相互配合實(shí)施反潛。潛艇在水下時(shí)，總會(huì)有機(jī)會(huì)正好處于護(hù)航艦艇的正下方，這時(shí)它們就可以利用“可靠聲波路徑”進(jìn)行水下電傳或數(shù)據(jù)鏈傳輸。但只要潛艇一離開艦艇正下方，這種數(shù)據(jù)鏈的可靠性就大打折扣。如同美軍長(zhǎng)尾鯊級(jí)潛艇的艦載作戰(zhàn)系統(tǒng)可為水面艦艇提供支援，英軍早期潛艇的“戰(zhàn)斗方向系統(tǒng)原本也應(yīng)安裝數(shù)字化的水下通信系統(tǒng)，但這項(xiàng)工作卻以失敗告終。

提升潛艇作戰(zhàn)能力

當(dāng)計(jì)算機(jī)剛剛應(yīng)用于水下通信時(shí)，各主要國(guó)家海軍的潛艇數(shù)目依然龐大。希望潛艇能像水面艦艇一樣協(xié)同作戰(zhàn)，成為推動(dòng)水下通信發(fā)展的重要因素。然而，這需要解決兩個(gè)問題。

首先，需要一個(gè)可靠且隱蔽的水下敵我識(shí)別系統(tǒng)。冷戰(zhàn)期間，很多國(guó)家雖然都宣稱實(shí)現(xiàn)了水下敵我識(shí)別，但這一問題從未被真正解決過。當(dāng)時(shí)出于隱蔽的考慮，采用偽隨機(jī)碼進(jìn)行敵我識(shí)別，使得接收機(jī)不得不“磨磨蹭蹭”地綜合接收到的信息，這就帶來(lái)了時(shí)間延遲問題。而反潛戰(zhàn)斗通常十分緊急，只要敵方潛艇暴露的程度滿足開火條件，就要立即發(fā)射魚雷，一個(gè)緩慢的敵我識(shí)別過程是無(wú)法解決這一戰(zhàn)術(shù)問題的。

英美海軍都要求其攻擊型核潛艇能與水面艦艇相互配合，共同對(duì)付敵方潛艇，不過，這需要執(zhí)行支援任務(wù)的潛艇和受援的水面力量，如航母特混編隊(duì)般建立起可靠的通信。美軍洛杉磯級(jí)潛艇就被專門設(shè)計(jì)用來(lái)執(zhí)行直接支援任務(wù)。雷神公司為此做了大量工作，但都以失敗告終。它們?nèi)〉玫淖钪匾晒?，就是把水聲通信和無(wú)線電通信結(jié)合起來(lái)。比如，潛艇可以把它們發(fā)出的聲波信號(hào)，當(dāng)作移動(dòng)無(wú)線電浮標(biāo)或其他形式天線進(jìn)入位置的信號(hào)。無(wú)線電浮標(biāo)系留在潛艇上，可直接傳輸信號(hào)；換能器則將收到的無(wú)線電信號(hào)轉(zhuǎn)變成在相對(duì)較近距離內(nèi)能識(shí)別的聲學(xué)信號(hào)。如此一來(lái)，潛艇就可以利用衛(wèi)星通信終端。

新型水下通信的出現(xiàn)，令上述作戰(zhàn)設(shè)想得以實(shí)現(xiàn)，特別是在通信系統(tǒng)包含可靠的水下敵我識(shí)別系統(tǒng)的情況下。例如德國(guó)的數(shù)字水下通信系統(tǒng)，通過按動(dòng)幾個(gè)按鈕，就可以完成識(shí)別友軍潛艇的傳輸過程。2008年9月，一艘德國(guó)潛艇在波羅的海淺水區(qū)進(jìn)行了一次識(shí)別友軍潛艇的測(cè)試，在距離5.6千米、速度2.3節(jié)的條件下，潛艇實(shí)現(xiàn)了無(wú)差錯(cuò)傳輸。

未來(lái)水下戰(zhàn)爭(zhēng)

想象一下這種戰(zhàn)斗場(chǎng)景：己方艦隊(duì)在淺水的濱海地區(qū)活動(dòng)時(shí)，聲吶的工作環(huán)境非常差，無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)，敵方潛艇利用這一點(diǎn)，找機(jī)會(huì)滲透進(jìn)來(lái)。對(duì)此，己方執(zhí)行支援任務(wù)的潛艇派出多艘無(wú)人潛航器，無(wú)人潛航器將探測(cè)器分散部署在海床上，探測(cè)器依次通過水聲通信與無(wú)人潛航器相連接。組成一個(gè)無(wú)人潛航器網(wǎng)絡(luò)，并最終與潛艇相連。對(duì)無(wú)人潛航器的最基本要求，就是它能自主返回母艇，這就需要良好的水下導(dǎo)航能力。理想的導(dǎo)航方式應(yīng)該是隱蔽的。然而，如果沒有良好的水下通信，無(wú)人潛航器不得不間歇性地伸出天線，依賴全球定位等無(wú)線電系統(tǒng)。對(duì)于一些短時(shí)間的任務(wù)，這可能不是問題，但無(wú)人潛航器要執(zhí)行的諸多任務(wù)如水雷偵察，理論上要持續(xù)數(shù)個(gè)小時(shí)甚至好幾天，沒有良好的通信，即便無(wú)人潛航器知道自己在哪里，其返回母艇也只能按照預(yù)設(shè)程序行動(dòng)。這就極大限制了母艇在無(wú)人潛航器活動(dòng)期間的行動(dòng)自由，母艇不得不在一個(gè)區(qū)域內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間待命。

美英兩國(guó)海軍在二戰(zhàn)前和二戰(zhàn)中就已開始遠(yuǎn)距離空中作戰(zhàn)，其中電子返航導(dǎo)航系統(tǒng)扮演了關(guān)鍵角色。飛行員原本需要知道5小時(shí)至10小時(shí)后航母的大概位置，而返航導(dǎo)航系統(tǒng)出現(xiàn)后，一切就變得簡(jiǎn)單了。但對(duì)于潛艇，如果沒有良好的水下通信，無(wú)人潛航器使用返航導(dǎo)航系統(tǒng)，也只能依賴無(wú)線電通信，從而間歇性地將天線伸出水面。同樣，母艇也不得不伸出天線而暴露自己?？梢哉f，未來(lái)水下戰(zhàn)爭(zhēng)潛艇更多的是充當(dāng)無(wú)人潛航器的母艇，而不是作為一個(gè)獨(dú)特的獵手。endprint