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，北京 100161)

0 引 言

現(xiàn)代潛艇作戰(zhàn)戰(zhàn)略的觀點認為，潛艇的隱蔽性由其下潛的深度、航速及航向機動等特點來保障，在不限制潛艇機動性的同時，保障獲得信息的能力，是對潛通信技術(shù)發(fā)展的重點[1]。雖然近年來藍綠激光通信技術(shù)、中微子通信技術(shù)等新型通信方式得到了快速發(fā)展，但仍沒有實際應(yīng)用于潛艇通信領(lǐng)域[2]，目前國外潛艇主要運用無線電、水聲等通信手段，水下通信方式可總結(jié)為2類（見圖 1），各通信方式的作戰(zhàn)使用范圍、通信速率、通信距離等見表 1。

1 戰(zhàn)略通信

戰(zhàn)略通信主要利用岸基甚低頻（VLF）或超低頻（ELF）信號對潛進行單向通信，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]。

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接收VLF信號，傳輸速率為50～200 bps，此時潛艇航速不超過4 kn，天線浮標保持在水下6～9 m，如圖 3所示。

ELF比VLF頻率低100倍左右，因此可以實現(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行聯(lián)絡(luò)。

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)射一個比特(約0.016 7 bps)，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)接受詳細信息。

俄羅斯于1998年研制了耐壓殼體放纜的K-697型拖曳天線裝置，將布放點轉(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加增加至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。此外，饋電衰減降低且具有嵌入式放大器細浮纜的成功研制，加大了潛艇使用細浮纜的航行深度[4]。

圖 1 當前潛艇水下通信方式Fig. 1 Submarine underwater communication

2 戰(zhàn)術(shù)通信

2.1 聲吶通信

聲吶通信利用通信聲吶實現(xiàn)，通信聲吶一般利用艇首聲吶作為換能器，通信時甲方發(fā)射機產(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)由接收機處理得到通信信息[5]。

當前潛艇多裝備綜合性聲吶，同時具有探測、目標跟蹤、測距、識別、定位、通信、導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 3所示。

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

圖 2 美國海軍戰(zhàn)略通信系統(tǒng)組成示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the U.S. Navy's strategic communications system

圖 3 潛艇在水下利用拖曳天線浮標接收VLF信號Fig. 3 The submarine uses a towed antenna buoy to receive VLF signals underwater

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)，根據(jù)美國海軍研究辦公室（ONR）統(tǒng)計的數(shù)據(jù)，當前水聲通信的速率和距離乘積達到40 km·kbps，即距離為40 km時水下通信速率最大為1 kbps。聲吶通信隨著聲吶與水聲技術(shù)的進步而不斷向前發(fā)展，未來通信距離將更遠、通信速率會更快。然而，聲吶通信與浮標通信、網(wǎng)絡(luò)通信方式相比較，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，導致完全無法滿足潛艇間以及潛艇與其他部隊之間的高效協(xié)同作戰(zhàn)。

圖 4 潛艇在水下利用拖曳天線接收ELF信號Fig. 4 The submarine uses the towed antenna to receive ELF signals underwater

表 2 K-697型拖曳天線裝置基本性能Tab. 2 K-697 towing antenna device basic performance

圖 5 K-697型纜式拖曳天線裝置Fig. 5 K-697 towing antenna device

圖 6 潛艇聲吶通信示意Fig. 6 Submarine sonar communication schematic

表 3 AN/WQC-2通信聲納技術(shù)參數(shù)Tab. 3 AN/WQC-2 communication sonar technical parameters

2.2 浮標通信

浮標通信是通過潛艇發(fā)射的浮標與水面艦艇、飛機和岸上基地等平臺進行雙向通信，如圖 7所示。目前潛艇浮標通信技術(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現(xiàn)雙向通信[6 – 7]。

圖 7 潛艇有線、無線浮標通信示意Fig. 7 Submarine wired, wireless buoy communications indicate

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通信能力，其中美國浮標通信能力來自“巡航狀態(tài)下潛艇雙向通信”（CSD）項目，德國212A級潛艇已裝備“木衛(wèi)四”（Callisto）潛艇浮標通信系統(tǒng)。

1）美國“巡航狀態(tài)下潛艇雙向通信”（CSD）項目

“巡航狀態(tài)下潛艇雙向通信”項目是美國海軍構(gòu)想的水下通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，用于解決當前潛艇必須上浮或減速航行才能對外通信的問題，并且改變處在潛航狀態(tài)的潛艇只能單向通信的現(xiàn)狀?！把埠綘顟B(tài)下的通信”項目將為“洛杉磯”級、“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇及“俄亥俄”級巡航導彈核潛艇提供通信能力，并為“俄亥俄”級彈道導彈核潛艇提供有限的通信能力。

2007年12月，美海軍成功地完成了浮力電纜天線通信試驗，潛航的美海軍“洛杉磯”級“蒙特培利爾”號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艘水面艦艇進行了雙向信息交換，數(shù)據(jù)率為9.6 kbps。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。目前，美國已研制出可回收系留光纖浮標，該浮標能使?jié)撏г谒?43.84 m（800 ft）航速為8 kn的狀態(tài)下，通信數(shù)據(jù)率達到32 kbps。2012年洛克希德·馬丁公司聲稱整個“巡航狀態(tài)下潛艇雙向通信”項目能使?jié)撏г谌我馍疃群退俣认逻_到2.4 kbps的通信速率；在低于15 kn航速時通信速率可達到2.4～9.6 kbps；低于8 kn航速潛深小于100m通信速率可達到9.6～128 kbps。

2）德國已裝備的“木衛(wèi)四”（Callisto）潛艇浮標通信系統(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)潛艇上裝備了“木衛(wèi)四”（CALLISTO）潛艇水下通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用可重復使用的拖曳通信浮標與外界通信，該浮標能發(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 8 212A級U34號潛艇上安裝“木衛(wèi)四”通信系統(tǒng)及示意圖Fig. 8 212A-class U34 submarine installed Callisto communication system and schematic

浮標通信由于通信速率高、距離遠受到國外海軍強國的廣泛關(guān)注，成為未來潛艇水下通信方式的發(fā)展熱點之一。然而，浮標通信在一定程度上增加了潛艇暴露概率（特別是系留浮標），同時并未解決潛艇之間的遠程通信問題，為了既滿足潛艇隱身要求，又使?jié)撏峦ㄐ潘俣瓤?、距離遠，美國開始構(gòu)建基于水下網(wǎng)絡(luò)的潛艇網(wǎng)絡(luò)通信能力。

2.3 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)點交互，然后由預(yù)置水下網(wǎng)絡(luò)將信息傳遞到遠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，如圖 9所示。

圖 9 潛艇水下無線、有線網(wǎng)絡(luò)通信示意Fig. 9 Submarine underwater wireless, wired network communication shows

美國海軍自1998年起多次進行“海網(wǎng)”（Seaweb）項目的水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗，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、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接成網(wǎng)，采用電池智能供電，覆蓋范圍可達100～10 000 km2，除通信外其功能還包括測距、定位和導航。如圖 10所示。

圖 10 “海網(wǎng)”網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及通信鏈路Fig. 10 Seaweb network topology and communication links

此外，美國還在1996–2000年之間對潛艇利用UUV連接海底光纜的水下有線網(wǎng)絡(luò)通信方式進行了研究，但目前項目處于停滯狀態(tài)，項目作用原理示意如圖 11所示。

該方式的主要缺點是水下網(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)點才能進行通信，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)點由潛艇自身攜帶，根據(jù)作戰(zhàn)需要進行布放，將遠方信息傳遞至潛艇。該項目已于2013年10月完成海上測試，目前正處于小規(guī)模部署進行作戰(zhàn)評估階段。

圖 11 潛艇利用UUV連接海光纜進行水下有線網(wǎng)絡(luò)通信Fig. 11 Submarines use UUV to connect underwater fiber optic cable for underwater wired network communication

3 總 結(jié)

總的來說，戰(zhàn)略通信目前基本維持現(xiàn)有技術(shù)水平；戰(zhàn)術(shù)通信中聲吶通信仍保持40 km·kbps的水聲通信距離與速率乘積，作戰(zhàn)中易暴露自身位置，僅在確保安全情況下近距離水下通信使用；浮標通信使?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程通信的解決方案，可實現(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。

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