潛艇水下巡航狀態(tài)通信（CSD）相關(guān)技術(shù)發(fā)展綜述?

溫東??，楊曉舟，劉翠海

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島266042）

潛艇水下巡航狀態(tài)通信（CSD）相關(guān)技術(shù)發(fā)展綜述?

溫東??，楊曉舟，劉翠海

（海軍潛艇學(xué)院，山東青島266042）

雖然潛艇水下巡航狀態(tài)通信（CSD）從概念的提出至今已近30年，但其依然是現(xiàn)代和未來潛艇通信技術(shù)發(fā)展的重要方向。介紹了CSD概念的定義，較為深度地研究了潛艇水下巡航狀態(tài)通信發(fā)展的軍事需求背景；歸納了迎合潛艇水下巡航狀態(tài)通信需求的三大類技術(shù)，并對(duì)它們的軍事應(yīng)用前景進(jìn)行了探討；對(duì)現(xiàn)代潛艇水下巡航狀態(tài)通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了分析。這些工作對(duì)于推動(dòng)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展有著重要意義。

水下巡航狀態(tài)通信；潛艇通信技術(shù)；發(fā)展與現(xiàn)狀

1 引言

潛艇通信作為一種兵種通信在軍事通信領(lǐng)域中具有極其特殊的地位，這種特殊性體現(xiàn)在潛艇通信的特殊需求、特殊頻段、特殊技術(shù)和特殊裝備等。在軍事通信中普遍應(yīng)用的許多無線電通信手段并不能直接滿足現(xiàn)代潛艇作戰(zhàn)的需求，而迎合潛艇作戰(zhàn)需求相關(guān)通信技術(shù)也隨著潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)的作戰(zhàn)樣式變化而不斷發(fā)展。

冷戰(zhàn)結(jié)束后，以美國為首的西方軍事發(fā)達(dá)國重新審視了潛艇作戰(zhàn)的任務(wù)變化和相關(guān)技術(shù)需求，針對(duì)潛艇通信技術(shù)和裝備的發(fā)展，提出了更加適應(yīng)于現(xiàn)代潛艇作戰(zhàn)的潛艇通信發(fā)展需求［1］，如何滿足潛艇CSD（Communication at Speed and Depth）需求是現(xiàn)代潛艇通信優(yōu)先發(fā)展方向之一。近些年，圍繞著CSD需求相關(guān)技術(shù)和裝備發(fā)展已成為潛艇通信技術(shù)發(fā)展中的熱點(diǎn)領(lǐng)域之一［2］。

本文將從CSD概念的形成、對(duì)潛艇作戰(zhàn)的影響，以及CSD相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和趨勢等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合論述。

2 CSD概念的形成及軍事需求背景

從概念上看，CSD實(shí)質(zhì)是對(duì)現(xiàn)代潛艇通信能力或者是軍事需求的一種描述，國內(nèi)一些文獻(xiàn)意譯為“大深度、高航速通信”、“深?？焖偻ㄐ拧被蛑弊g為“一定航速和深度下的通信”。當(dāng)然對(duì)于多數(shù)情況，這一概念的提出是為了解決潛艇高航速、大深度條件下的通信問題，但有些特殊情況下也需要滿足潛艇在淺海作戰(zhàn)時(shí)的通信問題，如美國發(fā)展的超低頻艇殼天線（ELF on-hull Antennas）就是解決淺海作戰(zhàn)時(shí)潛艇超低頻通信收信問題［3］。因此，本文還是將CSD意譯為“保持巡航航速和深度狀態(tài)下通信”，簡稱為“水下巡航狀態(tài)通信”。因此，CSD實(shí)質(zhì)是一種能更廣泛適應(yīng)于潛艇不同巡航深度和速度，特別是在潛艇高航速、大深度條件下，不需要改變潛艇戰(zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)狀態(tài)（航速和深度），對(duì)潛艇當(dāng)前作戰(zhàn)行動(dòng)干擾小，兼顧潛艇機(jī)動(dòng)性、隱蔽性和實(shí)時(shí)性的不間斷通信能力。

美蘇冷戰(zhàn)早期，潛艇通信基本需求之一就是應(yīng)具備大深度通信能力，這種早期潛艇通信發(fā)展需求一直被認(rèn)為是符合潛艇隱蔽性和安全性的必然需要。從潛艇通信技術(shù)發(fā)展歷史看，這一需求在一定程度上推動(dòng)了超低頻通信和藍(lán)綠激光通信等大深度對(duì)潛通信技術(shù)的發(fā)展。此外，還出現(xiàn)了一種更被人們所關(guān)注的潛艇水下通信方式——拖曳浮標(biāo)通信（Towed Buoy Communications，TBC），在浮標(biāo)內(nèi)加裝超短波、短波或衛(wèi)星等無線電通信設(shè)備，利用普遍使用無線電通信手段進(jìn)行潛艇大深度狀態(tài)下通信。人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到，潛艇拖曳通信浮標(biāo)的出現(xiàn)，將大大縮小潛艇與其他海軍兵種在無線電通信手段上的差別。但是，拖曳通信浮標(biāo)使用與潛艇狀態(tài)緊密關(guān)聯(lián)。當(dāng)懸停在深海中的潛艇釋放通信浮標(biāo)，如果線纜足夠長，這時(shí)通信深度基本沒有限制（圖1（a）），但嚴(yán)重制約潛艇航行狀態(tài)；當(dāng)潛艇處于航行狀態(tài)使用拖曳通信浮標(biāo)，則必須降低潛艇航行速度或深度，以避免浮標(biāo)被拉入水中（圖1（b））。為此，甚至研制了帶水翼的拖曳通信浮標(biāo)，以增加高速拖曳時(shí)浮標(biāo)的上浮力［4］。即便如此，高速拖曳浮標(biāo)也需要較大的牽引力，依然限制潛艇水下航行速度，更重要的是浮標(biāo)會(huì)在海面產(chǎn)生明顯尾跡，而這些尾跡易被現(xiàn)代遙感反潛手段所探測。而近些年發(fā)展的零牽引力、無尾跡的系留（tethered）浮標(biāo)通信技術(shù)的發(fā)展（圖1（c））就迎合了無尾跡浮標(biāo)通信的需要。因此，現(xiàn)代潛艇通信技術(shù)不僅僅是解決大深度通信問題，而是把解決潛艇在正常巡航狀態(tài)下保持當(dāng)前所處深度、航速的通信能力作為優(yōu)先發(fā)展的方向。而這種保持巡航狀態(tài)下的通信能力時(shí)迎合現(xiàn)代潛艇在潛艇戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)中多方面的軍事需求，歸納起來具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）改變航行深度，可能會(huì)破壞潛艇自身所處的隱蔽水聲環(huán)境，還有可能增加相關(guān)尾跡暴露，不利于保持潛艇自身隱蔽性；航行深度的降低也會(huì)危及潛艇水下航行的安全性；

（2）改變航行深度，還可能會(huì)破壞潛艇水聲探測所需有利水聲環(huán)境，造成探測目標(biāo)的丟失；

（3）改變潛艇水下航行深度和速度，通常會(huì)額外產(chǎn)生潛艇機(jī)械噪聲，也不利于潛艇水聲隱蔽性；

（4）現(xiàn)代潛艇作戰(zhàn)需要更為頻繁地與外界通信，采用傳統(tǒng)通信方式就需要潛艇頻繁上浮和降低航速，會(huì)影響或干擾潛艇在編隊(duì)內(nèi)統(tǒng)一行動(dòng)和目標(biāo)跟蹤等軍事行動(dòng)，這一點(diǎn)對(duì)于可以長時(shí)間在水下潛航的核潛艇而言，問題更為突出。

綜上所述，滿足潛艇“水下巡航狀態(tài)通信（CSD）”逐步替代單一的潛艇“大深度”通信需求，成為世界各海軍強(qiáng)國潛艇通信技術(shù)和裝備發(fā)展的方向。

圖1 潛艇通信浮標(biāo)的不同狀態(tài)Fig.1 Submarine communication buoys in different states

3 CSD相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)

圍繞潛艇CSD需求，美國海軍C4I項(xiàng)目執(zhí)行辦公室（PEO C4I）下屬的潛艇集成項(xiàng)目辦公室（Submarine Integration Program Office，SIPO）最早發(fā)起相關(guān)技術(shù)需求，2004年美國及相關(guān)國家的工業(yè)部門、研究機(jī)構(gòu)等單位，一共提出了58種用于解決潛艇CSD相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和80個(gè)相關(guān)概念［2］，并形成了圍繞解決CSD問題一系列技術(shù)。結(jié)合近些年CSD相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，我們大致可以把解決CSD問題的關(guān)鍵技術(shù)歸納為三大類。

（1）跨大氣／海水介質(zhì)對(duì)潛通信技術(shù)

在大氣中遠(yuǎn)距離傳輸最有效信息載體依然是電磁波，但海水會(huì)對(duì)絕大部分頻率對(duì)應(yīng)電磁波都會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的衰減作用（見圖2），僅僅有兩個(gè)顯著的“穿透窗口”，一個(gè)是位于無線電頻譜最低端，即300 Hz下頻段（如超低頻）；另一個(gè)是可見光的藍(lán)綠光頻段（波長約為0.45～0.54μm）。

圖2 海水對(duì)不同頻率電磁波的衰減曲線（海水電導(dǎo)率：4 s／m，透明度：I級(jí)）Fig.2 Propagation loss in seawater

因此，人們把超低頻電波和藍(lán)綠光看成跨大氣／海水介質(zhì)的有效信息載體，利用它們發(fā)展了大深度對(duì)潛通信技術(shù)。遺憾的是，超低頻通信容量極小，岸臺(tái)易被毀傷，軍事應(yīng)用存在一定的局限性。而藍(lán)綠激光通信依然沒有實(shí)現(xiàn)面向廣闊海洋通信所需的實(shí)用化星潛通信系統(tǒng)。此外，中微子也是理想的跨大氣／海水介質(zhì)信息載體，但突破中微子通信技術(shù)壁壘更為困難，應(yīng)用還很遙遠(yuǎn)。

（2）潛艇離舷通信技術(shù)

潛艇離舷通信技術(shù)是指利用處于水面（或近水面）狀態(tài)的浮標(biāo)或天線等裝置實(shí)現(xiàn)水下潛艇通信的一類相關(guān)技術(shù)。這類技術(shù)突出特點(diǎn)是，利用通信裝置與潛艇艇體分離且不存在剛性連接，借助自身浮力或升力處于水面（或近水面）狀態(tài)，再利用廣泛使用的通用無線電通信手段進(jìn)行通信。

這類潛艇通信技術(shù)涉及裝備的范圍很寬，如早期潛艇發(fā)展和裝備的拖曳天線、拖曳通信浮標(biāo)和消耗性浮標(biāo)，以及近些年發(fā)展的各種系留通信浮標(biāo)、水聲通信浮標(biāo)以及具有輔助潛艇通信功能的水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）等（見表1）。

表1 各種潛艇通信浮標(biāo)分類表Table 1 The classification of submarine communication buoys

潛艇離舷通信技術(shù)最為顯著的優(yōu)勢是利用了通用軍事通信手段（例如軍用衛(wèi)星通信）來解決潛艇通信問題，有利于潛艇通信更好地融入滿足各軍兵種通信需求的國防通信體系中。因此，該技術(shù)已成為目前解決潛艇水下巡航通信問題最值得關(guān)注的技術(shù)途徑。

（3）水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

聲波是水中通信的首選信息載體。依托水聲通信和各種浮標(biāo)、潛標(biāo)建立的水下通信網(wǎng)絡(luò)也是解決潛艇水下巡航通信需求的主要技術(shù)途徑之一。水下網(wǎng)絡(luò)主要分為兩大類：一類是服務(wù)區(qū)域和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)位置相對(duì)固定的水下局域網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接往往采用有線方式，這類水下網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建復(fù)雜，但僅僅為潛艇提供某些特定預(yù)設(shè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)；另一類服務(wù)區(qū)域是不確定的，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是臨時(shí)布設(shè)的，例如美國海軍潛艇、飛機(jī)布設(shè)的水聲轉(zhuǎn)射頻網(wǎng)關(guān)（Acoustic to RF Gateway，A2RF Gateway）浮標(biāo)構(gòu)成的水下網(wǎng)絡(luò)就屬這一類。后一類水下網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（通常是浮標(biāo)或潛標(biāo)）往往受到供電等因素的限制，使用周期較短，通常只能支持?jǐn)?shù)天，但是這類水下網(wǎng)絡(luò)部署靈活、快速，更能迎合潛艇水下巡航通信的需求。

對(duì)于潛艇作戰(zhàn)而言，水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提供的潛艇水下巡航通信服務(wù)存在的缺點(diǎn)也是明顯的，只能提供一定區(qū)域的通信服務(wù)，僅能滿足潛艇水下待機(jī)、局部區(qū)域游獵等作戰(zhàn)時(shí)的通信保障需求。

4 CSD相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展

以美國為首的西方發(fā)達(dá)國家，近些年圍繞潛艇水下巡航通信需求，開展了較為廣泛的技術(shù)研究和裝備研制，圖3給出了相關(guān)CSD技術(shù)的性能對(duì)比。

圖3CSD技術(shù)的對(duì)比［2］Fig.3 The comparison of CSD technology

值得我們關(guān)注的是，各種具體技術(shù)發(fā)展也不均衡，有些技術(shù)可行性、適用性等方面有優(yōu)勢，得到了優(yōu)先的發(fā)展和應(yīng)用，下面我們具體介紹近些年幾種優(yōu)先發(fā)展和應(yīng)用的CSD技術(shù)。

（1）拖曳天線相關(guān)技術(shù)

國外把拖曳天線稱為浮力電纜天線（Buoyant Cable Antenna，BCA），從20世紀(jì)50年代開始，美國就一直在不斷改進(jìn)和發(fā)展拖曳天線相關(guān)技術(shù)［5］，不斷追求大深度、高航速、多頻段、高數(shù)據(jù)率和雙向通信等性能提高和改進(jìn)。典型發(fā)展的技術(shù)包括麻省理工林肯實(shí)驗(yàn)室（MIT Lincoln Laboratory）開展的多元浮力電纜陣列天線（Multi-element Buoyant Cable Array Antenna，MBCA）項(xiàng)目［6］，以及霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室（Johns Hopkins APL）開展的浮力電纜天線陣（Buoyant Cable Antenna Array，BCAA）項(xiàng)目［7］。此外。改進(jìn)浮標(biāo)電纜材料更輕，強(qiáng)度更高，更適合大深度、高速條件下使用。

（2）系留通信浮標(biāo)技術(shù)

隨著遙感探潛技術(shù)的發(fā)展和普遍應(yīng)用，人們開始重視潛艇通信浮標(biāo)尾跡的低探測性，從拖曳式向系留式發(fā)展成為現(xiàn)代潛艇通信浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展的趨勢。典型系留通信浮標(biāo)有美、英聯(lián)合研發(fā)可回收型光纖系留（Recoverable Tethered Optical Fibre，RTOF）浮標(biāo)［8］（圖4），美國研發(fā)的消耗型系留浮標(biāo)（Tethered Expendable Communications Buoy，TECB），如基于銥星的消耗型系留浮標(biāo)（TECBIridium）和UHF頻段消耗型系留浮標(biāo)（TECBUHF）等［9］。目前這些成熟的系留通信浮標(biāo)產(chǎn)品已在現(xiàn)代潛艇上得到應(yīng)用。

圖4RTOF浮標(biāo)機(jī)械構(gòu)造［10］Fig.4 RTOF buoy mechanical construction

（3）與無線電通信相結(jié)合的水聲通信和水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

冷戰(zhàn)結(jié)束后，隨著現(xiàn)代數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，水聲通信與無線電通信的結(jié)合進(jìn)一步促進(jìn)了水聲通信的發(fā)展。2000年5月，美國海軍在被稱為“Sublink2000”的演示實(shí)驗(yàn)中完成了歷史上第一次潛航狀態(tài)下潛艇發(fā)送E-Mail的演示實(shí)驗(yàn)［11］。近些年來，美海軍還發(fā)展了一系列水聲通信與衛(wèi)星通信相結(jié)合的通信浮標(biāo)，如深水海妖戰(zhàn)術(shù)尋呼（Deep Siren Tactical Paging，DSTP）浮標(biāo)［12］和水聲轉(zhuǎn)射頻網(wǎng)關(guān)（A2RF Gateway）浮標(biāo)［13］等。水聲通信與無線電通信的結(jié)合也促進(jìn)了分布式水下通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的概念，如SeaWeb、水下FORCEnet等。這些通信浮標(biāo)和水下網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，為未來潛艇作戰(zhàn)提供了全新的信息化作戰(zhàn)保障樣式。

（4）其他技術(shù)

雖然2004年美國無限期地關(guān)閉了超低頻發(fā)信臺(tái)［14］，但是冷戰(zhàn)后相當(dāng)長時(shí)間內(nèi)美海軍依然把超低頻通信看作是解決潛艇CSD能力的主要技術(shù)手段之一，先后開展了提高數(shù)據(jù)率（Enhanced Data Rate，EDR）技術(shù)、超低頻艇殼天線（ELF On-hull Antennas）技術(shù)等研究，進(jìn)一步改善超低頻通信性能，提高收信時(shí)潛艇的機(jī)動(dòng)性［15］。

冷戰(zhàn)后，美國雖然放慢了藍(lán)綠激光通信技術(shù)的發(fā)展，但是也在積極探索這種技術(shù)在潛艇上的應(yīng)用，如美國APOGEN技術(shù)公司研究的潛－機(jī)數(shù)據(jù)交換和性能提升項(xiàng)目（Submarine-Enabling Airborne Data Exchange and Enhancement Program，SEADEEP）項(xiàng)目，其核心就是滿足CSD能力的潛艇與無人飛行器之間雙向藍(lán)綠激光通信技術(shù)的研究［16］。

5 結(jié)束語

本文介紹了潛艇CSD概念提出的軍事背景，并深入分析了現(xiàn)代潛艇作戰(zhàn)對(duì)CSD的需要，歸納了解決潛艇CSD需求的三大類技術(shù)，即跨大氣／海水介質(zhì)通信技術(shù)、潛艇離舷通信技術(shù)和水下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。此外，還對(duì)現(xiàn)代潛艇通信CSD技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，以及未來潛艇相關(guān)技術(shù)發(fā)展及趨勢進(jìn)行了分析。

CSD技術(shù)及相關(guān)裝備是現(xiàn)代潛艇通信熱點(diǎn)領(lǐng)域和重要發(fā)展方向，關(guān)注這一類技術(shù)，加強(qiáng)相關(guān)技術(shù)和裝備發(fā)展，對(duì)于提高潛艇通信技術(shù)水平，促進(jìn)潛艇戰(zhàn)斗力形成有著重要的軍事意義。

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WEN Dong was born in Zhangjiakou，Hebei Province，in 1971.He received the Ph.D.degree from Harbin Engineering University in 2006.He is now an associate professor.His research concerns submarine communications.

Email：wendongcm＠163.com

楊曉舟（1987—），女，山東青島人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闈撏ㄐ牛?/p>

YANG Xiao-zhou was born in Qingdao，Shandong Province，in 1987.She is now a graduate student.Her research concerns submarine communications.

劉翠海（1963—），男，河北唐山人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)檐娛峦ㄐ偶捌浞抡妗?/p>

LIU Cui-hai was born in Tangshan，Hebei Province，in 1963. He is now an associate professor with the M.S.degree.His research concerns military communication and simulation.

Survey on Technological Development of Submarine Communication at Speed and Depth（CSD）

WEN Dong，YANG Xiao-zhou，LIU Cui-hai
（Naval Submarine Academy，Qingdao 266042，China）

Although the concept of submarine communication at speed and depth（CSD）has been put forward for nearly three decades，it is still the important development direction of submarine communication technology at present and in the future.This paper explains the concept of CSD，makes deep study of the military needs of the development of CSD，summarizes three categories of technology that meet the communication needs of CSD，discusses the prospects of their military applications，and analyzes the status of modern CSD technological development and future development trends.Studies in this paper are of great significance in promoting the domestic technology in related fields.

communication at speed and depth（CSD）；submarine communication technology；development and current status

date：2013－02－07；Revised date：2013－06－09

武器裝備預(yù)研基金項(xiàng)目（9140A06050610JB15）

Fundation Item：Weapon Equipment Pre-research Fund（9140A06050610JB15）

??通訊作者：wendongcm＠163.comCorresponding author：wendongcm＠163.com

TN929.3；E967.3

A

1001－893X（2013）07－0961－05

溫東（1971—），男，河北張家口人，2006年于哈爾濱工程大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授，主要研究方向?yàn)闈撏ㄐ牛?/p>

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.027

2013－02－07；

2013－06－09