對潛通信技術的發(fā)展動向與分析*

張　巍

(海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室　葫蘆島　125004)

對潛通信技術的發(fā)展動向與分析*

張巍

(海軍駐葫蘆島431廠軍事代表室葫蘆島125004)

摘要潛艇通信是利用聲吶設備和無線電波來實現(xiàn)的。聲吶能向水中發(fā)射長短不一的聲波信號,組成電報的密碼,或將語言和聲波相互轉換來通話;采用浮標天線或浮力天線,使?jié)撏г谒乱部砂l(fā)射信號。最后論述了潛艇通信技術的發(fā)展動向與分析。

關鍵詞潛艇通信; 發(fā)展分析

Class NumberTN97

1引言

潛艇通信是利用聲吶設備和無線電波來實現(xiàn)的。一是利用聲吶設備。聲吶能向水中發(fā)射長短不一的聲波信號,組成電報的密碼,或將語言和聲波相互轉換來通話,它的任務是保證潛艇的集群活動或配合其它兵力通訊聯(lián)絡需要;敵我識別聲吶是在水下偶然發(fā)現(xiàn)水面或水下潛艇時,用對口令的方式判斷敵我,這種聲吶發(fā)出一個特殊的信號(口令)詢問對方,對方若是自己的潛艇,就回答一個信號,若不是就收不到信號,即使收到也不能正確回話。二是利用無線電波。采用浮標天線或浮力天線,即把天線通過一根長長的繩索施放到水面,這樣潛艇在水下也可發(fā)射信號。本文就潛艇通信技術、發(fā)展動向、發(fā)展分析等,作進一步的探討[1]。

2潛艇通信技術

2.1通信對象

潛艇的通信對象主要有:艦對潛通信、潛對艦通信、飛機對潛通信、潛艇對飛機通信、潛艇對潛艇通信、潛艇作戰(zhàn)及遇險網(wǎng)[2]。

1) 艦對潛通信。艦艇對潛艇的通信聯(lián)絡,主要是為支持戰(zhàn)斗群中的某一艦艇與直接支援戰(zhàn)斗群作戰(zhàn)的潛艇間的信息交換,較常使用潛艇數(shù)據(jù)鏈。因其基本上在近程線路上進行,所以可采用HF/VHF/UHF無線電路和衛(wèi)星通信。

2) 潛對艦通信。潛艇對艦艇的通信聯(lián)絡通常使用近程通信線路,支援潛艇到戰(zhàn)斗群中某一艦艇間的信息交換,主要使用HF/VHF/UHF無線通信線路以及衛(wèi)星通信。

3) 飛機對潛通信。飛機對潛艇的通信聯(lián)絡,主要是為艦載機與直接支援戰(zhàn)斗群作戰(zhàn)的潛艇之間提供信息交換線路以確保其間的戰(zhàn)術協(xié)同。

4) 潛艇對飛機通信。潛艇對飛機的通信聯(lián)絡是為戰(zhàn)斗群中的直接支援潛艇與艦載戰(zhàn)斗巡邏機和觀察監(jiān)視飛機間提供信息交換,它類似于潛艇對艦艇的通信聯(lián)絡。使用HF/VHF/UHF近程、低截獲率的通信線路。

5) 潛艇對潛艇通信。潛艇對潛艇的通信聯(lián)絡,是通過HF/VHF/UHF無線電線路、衛(wèi)星通信和聲學電話直接為兩艘潛艇之間提供信息交換線路。

6) 潛艇作戰(zhàn)及遇險網(wǎng)。這個通信網(wǎng)主要用于在作戰(zhàn)指揮機關、潛艇和有關艦艇之間交換作戰(zhàn)信息,它主要使用HF和UHF頻段。

2.2通信方式

潛艇通信的方式主要有:無線電通信、浮標通信、SSB水聲通信、激光通信。

2.2.1無線電通信

1) VLF無線電通信。VLF頻段通常規(guī)定在3kHz～30kHz之間,一般認為這個頻段的無線電信號可以在水下15m以內(nèi)的深度接收到。大多數(shù)潛艇常裝有兩種天線來接收VLF信號。第一種是使用很長的拖曳天線,其拖曳天線長度為500m左右。

2) ELF無線電通信。ELF頻段被定義在3kHz以下的頻率范圍內(nèi),潛艇能在100m～400m的深度上接收ELF無線電信號。

3) 機載對潛中繼通信系統(tǒng)。為了保證與戰(zhàn)略核潛艇的聯(lián)絡,采用機載VLF通訊系統(tǒng)。VLF通訊采用一臺200kW發(fā)信機和一根約10km的拖曳天線,天線端部帶一具穩(wěn)定傘。需要發(fā)射信號時,飛機沿小半徑圓圈連續(xù)飛行,使天線的垂直方向有效長度達到實際長度的70%。

4) 潛艇HF/VHF/UHF通信。潛艇的生存能力完全維系于自身的隱蔽性上,潛艇在海上一旦被敵人水面艦艇或飛機發(fā)現(xiàn)便很難逃脫被攻擊的厄運。為了安全,潛艇原則上要盡量少發(fā)射或不發(fā)射任何無線電波。目前比較有效的辦法是盡量縮短通訊時間和提高信息傳輸速率,無線電波在空中總的發(fā)射時間限制在無線電偵察定位系統(tǒng)的反應時間內(nèi)。

5) UHF/SHF/EHF衛(wèi)星通信。由于衛(wèi)星通訊的許多優(yōu)點,特別是它的全天候通訊能力,使它成為潛艇通訊的一種主要手段。現(xiàn)在,大多數(shù)潛艇都在升降桅桿上裝有衛(wèi)星通訊天線,這種天線能在潛艇貼近水面或在潛望鏡深度航行時使用,在一定程度上增加了敵方的偵察探測難度。

2.2.2浮標通信

對潛通信浮標是指在與潛艇進行通信時,可利用飛機或水面艦艇向潛艇投放的通信浮標;潛艇向外(岸基、水面艦艇或飛機)通信時,可由潛艇發(fā)射通信浮標,如需發(fā)送的信息對實時性要求不高時,可使用一種裝有盒式錄音機和無線電發(fā)射機的浮標從水下潛艇發(fā)射出去。

1) 綜合通信浮標。浮標內(nèi)裝有四通道的短波發(fā)信機和超短波發(fā)信機,用來向指揮中心發(fā)送信息,報告有關軍事情報;另外還裝備超長波前置放大器,用來放大指揮部門發(fā)給潛艇的微弱信號;在浮標上還裝有與海水絕緣的各波段收、發(fā)天線,以提高通信性能。這種浮標通常用幾百米長的電纜和潛艇的控制臺連接,潛艇的通信控制臺可以通過電纜遙控浮標上的各種通信設備。潛艇內(nèi)裝有電纜絞盤,通信時把浮標放出海面,不用時用絞盤快速收回浮標。

2) 高速曳航浮標。這種浮標由一個流線型玻璃鋼外殼和可以折疊的天線組成。浮標尾部帶有昆翼,它包括一個水平舵和一個垂直舵,形似一架倒懸的飛機,有很好的水動力特性和拖曳航行性能。它可以貼近水面隨潛艇高速航行,能保障潛艇在快速潛航時實現(xiàn)對外通信。

3) 應急通信浮標。浮標內(nèi)裝有短波信標、氖燈信號器和水聲定位信號發(fā)生器等各種報警通信裝置。水面艦艇收到應急浮標發(fā)出的各種求救報警信號后,即可根據(jù)水聲定位信號迅速確定遇難潛艇方位,立即快速前往搶救。

4) 消耗型無線電浮標。浮標內(nèi)裝有一部無線電發(fā)射機和預編好程序的報文。在潛艇下潛時它可以彈出并浮至水面,天線能馬上或在設定的延遲時間之后豎立起來進行通信。通信結束后,浮標自動引爆并下沉。這種裝置可向潛艇提供有效的發(fā)射手段而不限制潛艇作戰(zhàn)的機動性,可用于除VLF和LF以外的任一頻段。

5) 潛艇衛(wèi)星終端浮標。潛艇通過浮標天線,向通信衛(wèi)星定向發(fā)射信息,通信衛(wèi)星再把信息放大轉發(fā)給地面站、水面艦艇或飛機。同樣,這種浮標也可以接收通信衛(wèi)星轉發(fā)來的信息,然后由潛艇計算機進行信息處理。這種通信方式速度快、容量大、方向性強、保密性能好,敵方難于察覺潛艇的行蹤。

2.2.3SSB水聲通信

水聲通信信號(話音、電報)的傳輸采用單邊帶(SSB)調(diào)幅技術。水聲通信往往都是單程傳輸信號,傳播損失比主動聲吶小得多,最大通信距離可達約100nmile。發(fā)信機把從用戶終端送來的話音或電報信號(300Hz～3000Hz或800Hz單音)和一個8.078kHz的載波混頻后,只留下上邊聲帶經(jīng)換能器送出。

2.2.4激光通信

藍綠激光對潛通信。對潛藍綠激光通信是指利用在海水低損耗窗口波長上的籃綠激光,通過衛(wèi)星或飛機與深水中潛行潛艇的通信,也包括水面艦只與潛艇之間的通信。一般來講,藍綠激光對潛通信系統(tǒng)可分為陸基、天基和空基三種方案:

1) 陸基系統(tǒng)。由陸上基地臺發(fā)出強脈沖激光束,經(jīng)衛(wèi)星上的反射鏡,將激光束反射至所需照射的海域,實現(xiàn)與水下潛艇的通信。

2) 天基系統(tǒng)。與陸基方案不同的是,把大功率激光器置于衛(wèi)星上完成上述通信功能,地面通過電通信系統(tǒng)對星上設備實施控制和聯(lián)絡。還可以借助一顆衛(wèi)星與另一顆衛(wèi)星的星際之間的通信,讓位置最佳的一顆衛(wèi)星實現(xiàn)與指定海域的潛艇通信。

3) 空基系統(tǒng)。將大功率激光器置于飛機上,飛機飛越預定海域時,激光束以一定形狀的波束(如15km長1km寬的矩形)掃過目標海域,完成對水下潛艇的廣播式通訊。

3發(fā)展動向

1) 美國國防公司ITT公司利用量子技術使?jié)撏ㄐ鸥影踩?。印度《每日新聞與分析》2011年10月30日報道:美國國防公司ITT公司提出了一項被稱為量子密鑰分發(fā)(QKD)的技術,主要用于處理美國海軍在建立潛艇安全通信連接方面遇到的技術挑戰(zhàn)[3]。

該技術利用了光子的量子特性,它能夠以0和1進行編碼,從而產(chǎn)生和交換密鑰。如果外部力量試圖攔截光子,那么這種屬性就會遭到破壞,警報就會發(fā)出。ITT公司的量子技術負責人表示,該技術將使?jié)撏г趲字軆?nèi)都無法被探測到。采用QKD,潛艇能夠在水下100m建立安全連接,并將激光光子傳輸?shù)叫l(wèi)星,從而轉播到基地。在進行密鑰交換后,潛艇能夠在保證安全的情況下通過激光脈沖進行通信。

ITT公司的仿真顯示該技術能夠以每秒170兆比特的速度傳輸和接收數(shù)據(jù),這足以支持視頻通信。該公司量子技術負責人將在下月在位于馬里蘭的國家標準與技術學院的密碼技術工作組中提出他的觀點。目前的潛艇通信系統(tǒng),使用被稱為一次加密器(one-time pads)的密鑰來加密信息,由于系統(tǒng)存在漏洞從而阻礙了潛艇安全通信。

2) Babcock公司參與美國國防部潛艇通信浮標項目第一階段研發(fā)工作。Babcock公司網(wǎng)站2012年5月29日報道:Babcock公司已經(jīng)獲得一份研發(fā)合同,作為被美國國防部選定的兩支團隊之一,與其合作伙伴SEA公司一起進行潛艇通信浮標(SCB)技術演示項目(TDP)第一階段工作[4]。

該TDP項目旨在降低拖曳通信浮標技術風險,以滿足未來的通信需求。第一階段是一個為期14個月的模擬和測試合同,被選中團隊將研發(fā)一種有效的SCB系統(tǒng),并通過模型測試進行驗證。

美國國防部將基于第一階段的成果,選擇一支團隊開展第二階段,內(nèi)容涉及交付一個完整的原型系統(tǒng)以及操作環(huán)境演示。

SCB是一種拖曳通信浮標,可以接收甚低頻(VLF)無線電,并在各種天氣條件下操作,而潛艇仍然處于安全深水區(qū)域。因此,該系統(tǒng)運行在一個復雜的動態(tài)環(huán)境,系統(tǒng)設計必須強大可靠,足以應對各種海流條件下,包括來自任何方向的大振幅不規(guī)則波。

3) 美國海軍尋求升級綜合潛艇通信系統(tǒng)軟件。美國《軍事與航空航天電子學》網(wǎng)站2012年12月9日報道:美國海軍空間和海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部(SPAWAR)在12月初發(fā)布了一份關于通用潛艇無線電室(CSRR)控制和管理(C&M)軟件的設計和維護項目的征求建議書(N00039-13-R-0001),向行業(yè)尋求持續(xù)開發(fā)、維持和維護CSRR的C&M軟件[5]。

美國海軍研制的CSRR將取代俄亥俄級潛艇現(xiàn)有的綜合無線電室(IRR),其設備已經(jīng)安裝到“俄亥俄”級彈道導彈潛艇,以及弗吉尼亞級、海狼級和洛杉磯級快速攻擊潛艇。

洛克希德·馬丁公司海上系統(tǒng)和傳感器(MS2)部門作為CSRR項目的原承包商,被認為是此次競標的熱門候選。其他潛在競爭對手包括BAE系統(tǒng)公司、通用動力電船公司、L-3通信公司、諾斯羅普·格魯門公司、ViaSat公司、Scientific研究公司和Battelle公司。

CSRR將各種組件及配套設備集成到一個通用架構,包括海軍自動化數(shù)字網(wǎng)絡系統(tǒng)(ADNS)、數(shù)字模塊化電臺(DMR)、極高頻組件/后續(xù)終端(EHF/FOT)、全球廣播服務(GBS)、超高頻(SHF)、潛艇單向消息系統(tǒng)(SubSMS)。CSRR的控制和管理軟件負責管理這些組件,并控制、處理和傳輸C4ISR信息,為潛艇艦隊提供安全隱蔽通信。

該項目的技術方法基于一個通用開放式系統(tǒng)架構、通用軟件、通用技術文檔和統(tǒng)一軟件支持(SSA)。通用軟件配置包括代碼結構、數(shù)據(jù)庫跟蹤需求、軟件源文件、基線文件、主機設備和處理器以及審核驗證。

4) DARPA尋求新一代水下通信技術。美國防務系統(tǒng)網(wǎng)2015年4月22日報道:美國國防高級研究計劃局(DARPA)正在尋求新一代水下通信技術,以建立空海一體化網(wǎng)絡[6]。

DARPA發(fā)布信息征詢書,尋求水下通信的最新突破技術。本質上來講,DARPA希望建立水下網(wǎng)絡,允許水下有人系統(tǒng)與無人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn),并與機載系統(tǒng)構建通信網(wǎng)絡。DARPA在信息征詢書中指出,全球通信與網(wǎng)絡系統(tǒng)有助于作戰(zhàn)部署,促進空中、地面和水面無人平臺開展任務。不依賴電纜的水下監(jiān)視與武器網(wǎng)絡系統(tǒng)受到高度重視,已成為長期以來攻克的目標,但對其作戰(zhàn)能力仍未形成明確的認識。

水可以干擾無線電波,對無線通信造成困擾。因此,美海軍、研究人員或工業(yè)界使用的水下通信系統(tǒng)通常依賴聲波,或較低數(shù)據(jù)傳輸速度的低頻通信,如潛艇通信使用的頻率為3kHz～30kHz的無線電通信。因此DARPA尋求的是在水下環(huán)境擴展無線電射頻和光電通信網(wǎng)絡的技術。

5) 洛·馬公司為美海軍水下監(jiān)視系統(tǒng)升級聲納信號處理計算機。軍事航空航天電子學網(wǎng)站2015年8月3日報道:洛克希德·馬丁公司的水下監(jiān)視團隊正在推進能夠對敵人位于淺海水域安靜的柴動力攻擊潛艇進行探測、分類和跟蹤的技術[7]。

位于圣地亞哥的美國空間和海軍作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部官員于7月30日表示,將向洛克希德·馬丁公司系統(tǒng)和訓練分部授予一份價值840萬美元的修訂合同,用于集成通用處理器(ICP)項目。

ICP是美海軍海上監(jiān)視系統(tǒng)(MSS)項目的一個組成部分。海上監(jiān)視系統(tǒng)是一個可固定也可移動的可展開的聲學陣列,能幫助探測、定位、跟蹤安靜的柴動力和核動力潛艇。

海軍反潛戰(zhàn)專家也正在細化海上監(jiān)視系統(tǒng)技術,使其更有效地應對活動在局部地區(qū)、近海和廣闊的海上利益區(qū)域的現(xiàn)代化的柴動力和核動力潛艇,這也正是ICP項目要解決的問題。

目前,ICP項目正在利用提高的自動化技術、陣列技術、硬件插入件以及潛艇與水下作戰(zhàn)系統(tǒng)的普通軟件元件來研制一種可處理和顯示來自固定的和移動的水下系統(tǒng)數(shù)據(jù)的能力。

ICP項目的最終目的是提供處理能力,即通過利用洛克希德·馬丁公司用于監(jiān)視拖曳陣列傳感器系統(tǒng)(SURTASS)獵潛系統(tǒng)的雙線29A拖曳式陣列聲納為海軍低頻主動反潛戰(zhàn)雙基地聲納處理提供支持。

為優(yōu)化聲納信號處理能力,使其盡可能具有經(jīng)濟可承受性,ICP項目也正在利用海軍聲學流行技術快速嵌入計劃(A-RCI)。該項目將商業(yè)上已有的最新一代計算機服務器技術用于海軍潛艇和水面艦船上的聲納信號處理。

ICP將被安裝于所有的新系統(tǒng)中。在原有系統(tǒng)達到使用壽命或需要升級時,這些新系統(tǒng)將予以替換。

6) 美海軍提出加強水下情報能力研發(fā)的具體領域。美國防務系統(tǒng)網(wǎng)2015年11月18日報道:美國海軍研究局(ONR)繼續(xù)推動無人水下能力發(fā)展,呼吁科技界提供促成先進海上監(jiān)視及響應能力的技術白皮書和提案,于2016年3月22日之前做出回復[8]。

海軍研究局的主要目標是,開展無人水下系統(tǒng)自主目標探測及通信相關應用和先進技術研究,尋求能以較高可信度自主探測、追蹤、定位及識別輻射源的能力,以及可在復雜、現(xiàn)實環(huán)境中(包括雜亂的開放海洋海床和港口或港灣區(qū)域)執(zhí)行的算法及方法。具體來說,在此方面的關切研究領域包括多模態(tài)傳感器融合、特征提取、特征聚集、探測、分類,以及戰(zhàn)術網(wǎng)絡范圍內(nèi)的語義推斷和運算效能應用。

海軍研究局主張,水下指揮、控制與通信(C3)是富有挑戰(zhàn)性的領域。研究戰(zhàn)術節(jié)點及岸上站點之間的信息移動,從水下到空海接口(air-sea interface)的信息傳輸,以及C3的自主優(yōu)化,將幫助海軍研究局克服這一領域的有關挑戰(zhàn)。在C3以內(nèi),海軍研究局列出如下關切領域:(1)在多個水下節(jié)點之間實現(xiàn)實時或近實時通信的水下聯(lián)網(wǎng)技術,包括聲學、電子光學或其他方法;(2)能使以戰(zhàn)場感知、管理及戰(zhàn)場信息匯聚為目的的水下、節(jié)點對節(jié)點通信成為可能的技術、方法或專用協(xié)議;(3)能促成遠程、 人機接口(human interface)以及實時或近實時水下節(jié)點控制的技術和/或方案;(4)能使相關數(shù)據(jù)類型從水下節(jié)點向遠程站點直接或利用網(wǎng)關滲漏的技術;(5)能使信息從水下節(jié)點到空海接口(air-sea interface)直接或利用網(wǎng)關轉移的技術;(6)能促成水下節(jié)點的自主化以形成一個網(wǎng)絡的技術;(7)對于以上所有6個關注領域,額外關注以下方面: 信息安全(包含靜態(tài)數(shù)據(jù)及通信安全); 低功

率、高效率通信技術及方案;小型架構通信(small form factor communications)及技術方案;擴展的耐久性通信(Extended endurance communications)和技術方案;低檢測概率(LPD)通信及技術方案。

4發(fā)展分析

對潛通信技術的發(fā)展趨勢:浮標通信、量子通信、激光通信[9]。

1) 發(fā)展浮標通信技術。潛艇通信浮標主要有六種,其中綜合通信浮標可通過短波發(fā)信機和超短波發(fā)信機向指揮中心發(fā)送信息;高速曳航浮標是一種可減小海水阻力、增強潛艇穩(wěn)定性和隱蔽性的通信浮標;應急通信浮標是用于潛艇遇險救生、發(fā)射報警信號的通信浮標;消耗型無線電浮標是一種消耗型無線電系統(tǒng),通信結束后會自動引爆并下沉;潛艇衛(wèi)星終端浮標可以通過天線,向通信衛(wèi)星定向發(fā)射和接收信息,然后由計算機進行信息處理。該方式速度快、容量大、方向性強、保密性能好;此外還有可回收系留光線浮標,可在水面特混編隊與深潛潛艇間建立起穩(wěn)定的雙向通信。

2) 發(fā)展量子通信。量子通信具有高速和安全數(shù)據(jù)傳輸,為潛艇融入網(wǎng)絡中心戰(zhàn)開辟了廣闊前景。

3) 發(fā)展激光通信。由于激光的頻率高、方向性好、傳送信息量大,且不受干擾,尤其是藍綠激光對海水具用極佳的穿透能力,可廣泛用于水下一定范圍內(nèi)的測距、照明、電視、軍事目標探測、通信等技術。

5結語

隨著激光技術的發(fā)展,人們又把目光投向衛(wèi)星對潛激光通信。激光是極高頻、頻段在10千千赫以上(波長3μm～30μm)的電磁波,通過衛(wèi)星將信息發(fā)送或反射至潛艇。激光通信傳輸速率快,比極長波系統(tǒng)快幾十萬倍,具有方向性好、亮度高、能量集中、保密性強和有很強的抗核破壞能力等特性。激光通信設備可以做得輕便而經(jīng)濟,尤其天線小,一般天線僅幾十厘米,重量不過幾千克。激光通信的這些特點,可使?jié)撏г谒伦罴寻踩埠綘顟B(tài)完成通訊任務[10]。

參 考 文 獻

[1] 晨維.地面-潛艇通訊使用蘭-綠激光[J].激光與光電子學進展,1980,17(11):46-47.

[2] 宇飛.海軍為水下潛艇通訊研究纖維光學途徑[J].激光與光電子學進展，1979(12).

[3] 美國國防公司ITT公司利用量子技術使?jié)撏ㄐ鸥影踩玔N].每日防務快訊,2011-11-07.

[4] Babcock公司參與美國國防部潛艇通信浮標項目第一階段研發(fā)工作[N].每日防務快訊,2012-06-01.

[5] 美國海軍尋求升級綜合潛艇通信系統(tǒng)軟件[N].每日防務快訊,2015.

[6] DARPA尋求新一代水下通信技術[N].每日防務快訊,2015.

[7] 洛·馬公司為美海軍水下監(jiān)視系統(tǒng)升級聲納信號處理計算機[N].每日防務快訊,2015-08-07.

[8] 美海軍提出加強水下情報能力研發(fā)的具體領域[N].每日防務快訊,2015-11-23.

[9] 羅山.潛艇激光通信取得突破[J].激光與光電子學進展,1985,22(9):40.

[10] 尹憲華.衛(wèi)星激光潛艇通訊缺少研究經(jīng)費[J].激光與光電子學進展,1987,24(12):34.

Development Trend and Analysis of Submarine Communication Technology

ZHANG Wei

(Navy Representative Office in Huludao 431 Factory, Huludao125004)

AbstractSubmarine communication is the use of sonar equipment and radio waves to achieve. Sonar can emit into the water of varying lengths of acoustic signal and telegraph the password or language and acoustic conversion to call. The buoy or buoyancy antenna, the submarine under water can also be transmitted signal. At last, the development trend and analysis of submarine communication technology are discussed.

Key Wordssubmarine communication, development analysis

*收稿日期:2015年12月7日,修回日期:2016年1月14日

作者簡介:張巍,男,工程師,研究方向:艦船監(jiān)造。

中圖分類號TN97

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.004