水下信息體系發(fā)展及運用探討

宗思光，吳榮華，張顯峰

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

水下信息體系發(fā)展及運用探討

宗思光，吳榮華，張顯峰

(海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院，湖北武漢 430033）

水下空間是信息透明差的空間，水下信息作戰(zhàn)起步滯后。隨著水下潛艇和水中兵器威脅的不斷加大，以及水下通信、水下遠(yuǎn)程預(yù)警、信息融合及其他現(xiàn)代化技術(shù)的不斷提高，水下信息戰(zhàn)日漸成熟并將進(jìn)入現(xiàn)代海戰(zhàn)。本文分析外軍典型的水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并對水下信息作戰(zhàn)體系框架及AUV在水下信息作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的運用特性進(jìn)行探討，研究結(jié)果有助于推動水下信息體系的發(fā)展。

信息系統(tǒng);信息作戰(zhàn);海網(wǎng);水聲網(wǎng)絡(luò)

0 引言

信息作戰(zhàn)是作戰(zhàn)體系、作戰(zhàn)行動和指揮控制的一體化。大空間、多方位、精確直達(dá)成為信息作戰(zhàn)的基本模式。雖然水下空間是信息透明差的空間，水下信息作戰(zhàn)起步滯后，但隨著水下潛艇和水中兵器威脅的不斷加大，以及水下通信、水下遠(yuǎn)程預(yù)警、信息融合及其他現(xiàn)代化技術(shù)的不斷提高，水下信息戰(zhàn)日漸成熟并將進(jìn)入現(xiàn)代海戰(zhàn)。水下信息作戰(zhàn)應(yīng)具備有限支援下的相對獨立作戰(zhàn)能力、與強敵水下兵力信息對抗的能力、高效作戰(zhàn)資源組織運用能力、輔助指揮決策能力和遠(yuǎn)海信息保障能力?？傊滦畔⒕W(wǎng)路體系作戰(zhàn)將傳感器、武器、平臺和指控系統(tǒng)集成成為巨大網(wǎng)絡(luò)，將傳感器網(wǎng)、信息網(wǎng)、作戰(zhàn)網(wǎng)三網(wǎng)合一，可增強信息水下獲取、共享和利用信息的能力，滿足水下網(wǎng)絡(luò)化體系作戰(zhàn)需求。

傳統(tǒng)的水下信息獲取主要依靠單個傳感器，這種方式的探測效率低，很難滿足對大范圍、長時間的水下信息獲取的需求，通過網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將警戒監(jiān)視海域內(nèi)多個不同位置布放傳感器 (節(jié)點）進(jìn)行互連，各節(jié)點間通過可靠的通信手段實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換、分發(fā)和匯聚，采用集中或分布式數(shù)據(jù)處理實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)目標(biāo)的探測、定位、跟蹤和分類識別等功能，可以形成分布式網(wǎng)絡(luò)化水下警戒探測系統(tǒng)。分布式網(wǎng)絡(luò)化水下警戒探測系統(tǒng)具有機動靈活、成本低廉、效費比高等優(yōu)點，擴(kuò)大了水下預(yù)警的探測范圍和持續(xù)時間，有效增強了水下戰(zhàn)場信息的感知能力。

本文分析外軍典型的水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并對水下信息作戰(zhàn)體系框架及水下信息作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的運用特性進(jìn)行探討，研究結(jié)果有助于推動水下信息體系的發(fā)展。

1 典型水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

美國是最早提出水下信息網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)應(yīng)用的國家。目前，美國正實施多個水下網(wǎng)絡(luò)發(fā)展計劃，其中比較典型的有Seaweb(海網(wǎng)）、近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)計劃及深海汽笛戰(zhàn)術(shù)尋呼系統(tǒng)等。

Seaweb是目前規(guī)模最大、最成功的在研水下網(wǎng)絡(luò)項目，由美海軍研究辦公室 (ONR）、空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部 (SPAWAR）負(fù)責(zé)研制 (見圖1）。該系統(tǒng)是一種典型的海底水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過水聲通信鏈路把固定節(jié)點、移動節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點連接成網(wǎng)。系統(tǒng)使用水下遙測聲吶的聲Modem互連固定和移動節(jié)點，并采用先進(jìn)的組網(wǎng)協(xié)議來完成給定的任務(wù)，可通過浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)與Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)無縫連接。該網(wǎng)的節(jié)點數(shù)量已達(dá)17個，單個節(jié)點空間距離1～5 km，深度50～300 m。固定節(jié)點包括可部署傳感器節(jié)點和水聲中繼節(jié)點。移動節(jié)點由潛艇、自主潛航器 (AUV）、蛙人或海底爬行車組成，2004年 Seaweb試驗示意圖如圖2所示。目前，Seaweb－3和Seaweb－4系統(tǒng)已投入應(yīng)用。

圖1 Seaweb原理及網(wǎng)絡(luò)信息拓?fù)鋱DFig.1 Principle of Seaweb acoustic wide-area networks

圖2 Seaweb 2004示意圖Fig.2 Seaweb 2004 grid postmortem

美國海軍自1998年起，平均每2年進(jìn)行1次海網(wǎng)的海底水聲通信試驗。多次試驗結(jié)果證明，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)傳輸可行。潛艇和水面艦艇利用Seaweb實現(xiàn)水聲通信。在Seaweb網(wǎng)絡(luò)支持下，潛艇子數(shù)據(jù)鏈提供給潛艇隱蔽通信的新手段，克服了傳統(tǒng)通信手段隱蔽性差的弱點。2003年，水下無人航行器作為Seaweb網(wǎng)絡(luò)移動節(jié)點，累計工作了300 h;由6個重發(fā)器節(jié)點、2個網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成Seaweb網(wǎng)絡(luò)，支持與水下無人潛航器的通信與導(dǎo)航。試驗證明水下無人潛航器在固定自主水下網(wǎng)絡(luò)的支持下，可以組成自主的移動艦隊 (見圖3）。

圖3 Seaweb網(wǎng)絡(luò)與水下無人航行器試驗Fig.3 Seaweb network with UUVs

潛艇平臺接入水下網(wǎng)絡(luò)后，能在保持隱蔽性的情況下，利用水聲信道，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與其他海、陸、空、天及水下平臺的網(wǎng)絡(luò)化信息連接，極大提高反潛作戰(zhàn)能力。美國“海豚”級潛艇使用ATM885進(jìn)行了一系列中繼通信試驗。據(jù)報道，該艇在水深約122 m處航行時，克服了傳統(tǒng)通信手段隱蔽性差的弱點，通過浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點中繼，向岸基Internet發(fā)送了包含文字、圖像、圖表和其他信息在內(nèi)的E－mail報文 (見圖4）。盡管 Sublink技術(shù)還有待進(jìn)一步完善，但比潛艇現(xiàn)有的單向低數(shù)據(jù)率超低頻 (ELF）無線通信優(yōu)越。

圖4 利用Seaweb網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)潛艇對外雙向通信Fig.4 Seawebmessage Multi－Access Collision Avoidance(MACA）Internet Protocol(IP）

美國海軍在研制Seaweb網(wǎng)過程中，不斷試驗加入預(yù)置的帶有移動彈頭的武器系統(tǒng)，以提供有效、低成本的作戰(zhàn)功能。預(yù)置的武器系統(tǒng)由飛機、艦艇或潛艇布防在Seaweb網(wǎng)有效區(qū)域內(nèi)，由Seaweb網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行指控，形成水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)。采用分布多種傳感器探測空中及水下目標(biāo)，如采用綜合浮標(biāo)探測來自空中直升機、固定翼飛機的威脅，探測信息通過無線水聲通信技術(shù)傳輸至水下潛伏式武器平臺。在淺水區(qū)域，采用潛射導(dǎo)彈對威脅目標(biāo)進(jìn)行打擊;在深水區(qū)域，采用水聽器陣列實現(xiàn)對潛艇目標(biāo)的偵測，并采用魚雷進(jìn)行打擊，如圖5所示。水下傳感器網(wǎng)絡(luò)是對威脅目標(biāo)進(jìn)行自主攻擊的主要技術(shù)支撐。

圖5 水下信息體系中水中兵器平臺Fig.5 Weapon system in the networked undersea information system

近年來，美國水下信息作戰(zhàn)技術(shù)的一個重要趨勢是注重利用UUV移動節(jié)點進(jìn)行水下分布式組網(wǎng)探測。研究表明在未來水下作戰(zhàn)中，為了最大程度地提高潛艇的隱蔽性，潛艇部隊將越來越依靠UUV來執(zhí)行各種任務(wù)。潛艇可通過釋放UUV對水下目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和攻擊;潛艇通過危險海區(qū)時，釋放UUV誘使敵方反潛裝備和潛艇暴露。目前，美國海軍正在開發(fā)最先進(jìn)的水下網(wǎng)絡(luò)——近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng) (Multi－Institution Effort in Persistent Littoral Undersea Surveillance Network，PLUSnet）。PLUSnet是一種半自主控制的海底固+水中機動的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施，由攜帶半自主傳感器的多個UUV組成，這些UUV能相互通信，自行履行多種功能，包括對海洋元素進(jìn)行取樣、監(jiān)視并預(yù)測海洋環(huán)境。PLUSnet作戰(zhàn)使用及關(guān)鍵設(shè)備如圖6所示。

圖6 PLUSnet作戰(zhàn)使用及關(guān)鍵設(shè)備示意圖Fig.6 PLUSNet concept and subsystem

水下信息體系運用關(guān)系到國家海洋和軍事戰(zhàn)略，對維護(hù)領(lǐng)海安全具有重要的軍事戰(zhàn)略價值。從外軍裝備體系發(fā)展來看，水下信息作戰(zhàn)也必將走向網(wǎng)絡(luò)化信息作戰(zhàn)。通過網(wǎng)絡(luò)化水下信息體系建設(shè)，可在相關(guān)海域形成對己方相對“透明”的水下戰(zhàn)場，為局部水下戰(zhàn)場的信息獲取、目標(biāo)識別、作戰(zhàn)指揮、武器協(xié)同、作戰(zhàn)效果評估等構(gòu)成的作戰(zhàn)體系提供水下預(yù)警信息支持和保障，以奪取局部水下戰(zhàn)場的信息優(yōu)勢，可有效提高水下戰(zhàn)略威懾、潛艇作戰(zhàn)和反潛戰(zhàn)、水下信息對抗等海上聯(lián)合戰(zhàn)略、戰(zhàn)役的實戰(zhàn)能力。

2 水下信息作戰(zhàn)體系框架分析

水下信息作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)的目的是通過把網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展至水下實現(xiàn)水下作戰(zhàn)的革命，系統(tǒng)把傳感器、網(wǎng)絡(luò)、指控、平臺、武器系統(tǒng)和作戰(zhàn)人員集成為網(wǎng)絡(luò)化的分散布局的作戰(zhàn)體系，可靈活應(yīng)對從海底到空間各種威脅，形成近海水域偵察、警戒、指揮、控制、通信、導(dǎo)航、定位和目標(biāo)攻擊的綜合作戰(zhàn)系統(tǒng)，還可實現(xiàn)相關(guān)海域的高危區(qū)域兵器防衛(wèi)。在水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建設(shè)上應(yīng)遵循的總體設(shè)計原則應(yīng)是簡單、有效、可靠、安全。水下信息網(wǎng)絡(luò)可使用水下遙測聲吶的聲Modem互連固定和移動節(jié)點，并采用先進(jìn)的組網(wǎng)協(xié)議來完成給定的任務(wù)，并可通過浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)與Internet、移動通信網(wǎng)絡(luò)及衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)等實現(xiàn)無縫連接。

水下信息作戰(zhàn)系統(tǒng)是一個跨環(huán)境、跨系統(tǒng)、多任務(wù)的作戰(zhàn)體系，通過通信網(wǎng)關(guān)可以和水上空間的信息網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)平臺、指控系統(tǒng)連接起來，從而實現(xiàn)水下、水面、航天的多任務(wù)信息獲取、預(yù)警和武器攻擊。系統(tǒng)應(yīng)采用靈活機動、快速布防的技術(shù)，允許系統(tǒng)與艦船編隊遂行作戰(zhàn)，在發(fā)生沖突的地區(qū)，迅速布放水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，克服淺海地區(qū)捕魚拖網(wǎng)的破壞和其他不安全因素。同時采用自組網(wǎng)和嚴(yán)格的能量管理技術(shù)，采取休眠狀態(tài)和低功耗設(shè)計技術(shù)來解決能量長期供應(yīng)問題。

圍繞海戰(zhàn)場水下作戰(zhàn)應(yīng)用，通過外軍典型水下信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展歷程及技術(shù)狀態(tài)分析，可知水下信息體系作戰(zhàn)應(yīng)具有以下能力:

1）全域感知。需具備水聲、光學(xué)、電場、磁場等多頻段的信息偵察能力，同時應(yīng)具備平時水下戰(zhàn)場環(huán)境態(tài)勢信息收集和戰(zhàn)時水下偵聽、通信、水下無人平臺攻擊等手段，滿足水下全天候、全頻域信息感知需求。

2）全程管控。針對復(fù)雜水下戰(zhàn)場態(tài)勢的動態(tài)變化，需具有相應(yīng)的資源動態(tài)管理和運用能力，實現(xiàn)態(tài)勢從初始態(tài)勢朝目標(biāo)態(tài)勢的發(fā)展，全面掌控水下預(yù)警、通信、測控、武器平臺攻擊作戰(zhàn)過程的主動權(quán)。

3）多域進(jìn)攻。針對敵方水下信息系統(tǒng)和作戰(zhàn)人員，分別從物理域、信息域和認(rèn)知域進(jìn)行進(jìn)攻作戰(zhàn)，取得綜合信息優(yōu)勢。

4）多層防護(hù)。針對敵方水下平臺的信息偵察和信息進(jìn)攻，需要通過偽裝和干擾進(jìn)行反偵察，同時需要采取多層次多手段的信息防御。

水下信息作戰(zhàn)體系主要由基礎(chǔ)層、功能層和應(yīng)用層構(gòu)成?；A(chǔ)層主要包括水下預(yù)警設(shè)施、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)施、計算基礎(chǔ)設(shè)施、時空基準(zhǔn)設(shè)施、安全保密設(shè)施、水文氣象設(shè)施及能源供給設(shè)施等;功能層分為裝備功能層和節(jié)點功能層。裝備功能層主要包括水聲偵察、水聲對抗設(shè)備、光纖光學(xué)偵察設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)偵察、破襲裝備及新概念武器等;節(jié)點功能層主要包括潛艇、UUV、浮標(biāo)、水面艦艇等平臺。作戰(zhàn)過程中各平臺根據(jù)需要可以構(gòu)成信息偵察監(jiān)視、信息作戰(zhàn)指揮、信息作戰(zhàn)進(jìn)攻、信息作戰(zhàn)防御等功能節(jié)點;應(yīng)用層主要包括協(xié)同偵察、協(xié)同信息進(jìn)攻、協(xié)同信息防御、信息作戰(zhàn)資源管控等系統(tǒng)。海戰(zhàn)場信息作戰(zhàn)的基本流程可以描述為:信息偵察及預(yù)警——指揮決策——信息引導(dǎo)及指示——協(xié)同信息攻防交戰(zhàn)——作戰(zhàn)效果評估。通過體系自身能力閉環(huán)，完成對敵多手段信息作戰(zhàn)過程，實現(xiàn)多元作戰(zhàn)目標(biāo)。

3 AUV在水下信息網(wǎng)絡(luò)中的運用

水下信息網(wǎng)絡(luò)應(yīng)根據(jù)防御需求、單元作戰(zhàn)范圍、水深等，設(shè)置不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?。同時根據(jù)水下信息網(wǎng)絡(luò)布放海域情況，設(shè)置網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)、水下自主武器平臺、傳感器陣列形式等參數(shù)。水下信息網(wǎng)絡(luò)主體線路為系統(tǒng)提供能源、控制、信息傳遞等支撐架構(gòu)。在節(jié)點單元，通過各類型傳感器，獲取水聲、光、電、磁、生物、洋流、水溫等水下信息。通過水下移動UUV平臺、浮標(biāo)、潛標(biāo)構(gòu)成水下GPS系統(tǒng)，實現(xiàn)對水下潛艇、武器平臺的導(dǎo)航及通信。水下移動節(jié)點、固定節(jié)點、浮標(biāo)、潛標(biāo)等共同組成水下信息網(wǎng)絡(luò)對外的通信、指揮控制信息通道。

在水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中通過水下移動AUV平臺、浮標(biāo)、潛標(biāo)構(gòu)成的水下GPS系統(tǒng)主要由相關(guān)節(jié)點智能聯(lián)網(wǎng)組成，每個浮標(biāo)上裝有GPS或DGPS以及水聲換能器，水下載體與浮標(biāo)間采用低波特率的擴(kuò)頻信號進(jìn)行通信及定位。系統(tǒng)主要由浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)、主動發(fā)射陣、浮標(biāo)信號處理機、浮標(biāo)電源及GPS接收系統(tǒng)組成。其中關(guān)鍵部分為浮標(biāo)錨泊系統(tǒng)、基陣和浮標(biāo)電源。利用水下信息網(wǎng)絡(luò)，通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間接力形式可實現(xiàn)潛艇對外雙向隱蔽通信。通過浮標(biāo)、AUV、潛標(biāo)形成的水下GPS系統(tǒng)，也可實現(xiàn)水下信息網(wǎng)絡(luò)中潛艇平臺的導(dǎo)航。

由于海洋水下觀測在海域受限，完整地描述水下物理場，全方位布置觀測傳感器，代價極高。對此，可借鑒人造衛(wèi)星的概念，通過多個AUV分布在水下信息網(wǎng)中的各個部分，各自勘測自己的水域，然后將數(shù)據(jù)發(fā)回信息網(wǎng)節(jié)點。采用AUV機動的自主勘測平臺和泊具及遠(yuǎn)距離自動檢測裝置協(xié)調(diào)工作，要從動力、通信和整體任務(wù)規(guī)劃及擴(kuò)展AUV的運行框架。AUV的任務(wù)是勘測信息網(wǎng)主體難以覆蓋的海域信息，當(dāng)多條AUV執(zhí)行任務(wù)時，可共用一個帶能源的漂浮泊具，這樣一來，當(dāng)AUV能源不足時，可返回漂浮具充電，并把勘測數(shù)據(jù)傳給漂浮具，漂浮具按一定的模式將數(shù)據(jù)發(fā)回控制中心，控制中心也可以向漂浮具發(fā)送AUV任務(wù)。水下AUV的角色就如同太空中的人造衛(wèi)星，因此，AUV也可稱為水下信息網(wǎng)中的“海洋衛(wèi)星”。海洋衛(wèi)星“AUV”也可擔(dān)當(dāng)危險水域 (目標(biāo)）勘測、通信網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能。

4 結(jié)語

隨著國家海洋戰(zhàn)略的實施，海洋權(quán)益日益受到高度重視，水下信息體系運用關(guān)系到國家海洋和軍事戰(zhàn)略，對維護(hù)領(lǐng)海安全具有重要的軍事戰(zhàn)略價值。由于水下信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個跨環(huán)境、跨系統(tǒng)、多任務(wù)的作戰(zhàn)體系，針對不同的戰(zhàn)略要害區(qū)、戰(zhàn)略敏感區(qū)、潛在戰(zhàn)略作戰(zhàn)區(qū)的當(dāng)前和未來復(fù)雜水下戰(zhàn)場態(tài)勢，水下信息網(wǎng)絡(luò)涉及的使命任務(wù)、關(guān)鍵技術(shù)及作戰(zhàn)運用特性差異性很大，水下信息體系涉及的技術(shù)、戰(zhàn)術(shù)及作戰(zhàn)運用值得相關(guān)學(xué)者深入研究。

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［22］韓樹平，程玉勝.美國水下探測系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.當(dāng)代海軍，2011(7）:24－29.

［23］無人水下航行器進(jìn)展［M］.任志良，張剛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［24］許肖梅.水聲通信與水聲網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.聲學(xué)技術(shù)，2009，28(6）:811 －816.

Latest development and warfare app ly of networked undersea information system

ZONG Si-guang，WU Rong-hua，ZHANG Xian-feng
(Department of Electron Engineeving，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

The underwater space is a transparent bad information space，the underwater information battle develops slowly before.Along with the threat enlargement of the submarine and underwater weapon，the technology developing of underwater detecting，communications，information fusion，undersea information warfare will developing quick and become important parts of themodern seawarfare.The paper analyses the characteristic of America networked undersea information system.And the frame and apply of undersea information warfare is discussed.This makes a stride for pursing the developing of networked undersea information system.

information system;information warfare;seaweb;underwater acoustics network

TB567

A

1672－7649(2014）05－0001－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.001

2013－03－05;

2013－05－08

宗思光(1979－），男，博士，講師，主要從事激光與物質(zhì)相互作用、光電對抗領(lǐng)域的研究。