美國水下信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

高琳 張永峰

摘 要：文章介紹了美國水下信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展現(xiàn)狀，簡要闡述了網(wǎng)絡(luò)組成、分布等特點(diǎn)，分析了美國水下信息網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，對比指出了當(dāng)前我國水下信息網(wǎng)絡(luò)發(fā)展存在的差距。

關(guān)鍵詞：水下信息網(wǎng)絡(luò)；目標(biāo)探測；偵察；監(jiān)視

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）19-0084-03

Abstract： This paper introduces the development status of underwater information network in the United States， briefly expounds the characteristics of network composition and distribution， analyzes the development trend of underwater information network in the United States， and finally points out the existing gaps in the development of underwater information network in China.

Keywords： underwater information network； target detection； reconnaissance； surveillance

1 概述

未來戰(zhàn)爭將是向太空和海洋迅速延伸的立體戰(zhàn)爭，水下位勢決定了水上位勢，潛得越深，自身的生存能力越強(qiáng)，信息覆蓋范圍越廣。世界各軍事大國和瀕海發(fā)達(dá)國家正在積極從事深海戰(zhàn)場開發(fā)，海洋空間將成為未來沖突與戰(zhàn)爭的主要場所。各國正投入較多的人力、物力和財(cái)力，加強(qiáng)水下信息網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，加緊對潛艇、魚雷和無人潛航器等水下目標(biāo)的偵察監(jiān)視，以求盡快掌握“制深海戰(zhàn)場權(quán)”。

2 美國水下信息系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

美國是最早提出水下網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用概念的國家，其研究成果處于世界領(lǐng)先水平。在上個世紀(jì)九十年代之前，美軍開展了大量水下網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用研究與試驗(yàn)，水下信息網(wǎng)絡(luò)理論逐漸成熟，先后試驗(yàn)成功的水下信息網(wǎng)絡(luò)功能日益完備，性能更加先進(jìn)，已經(jīng)具備實(shí)際作戰(zhàn)能力，整體能力世界領(lǐng)先，具有代表性的有：

2.1 岸基聲納監(jiān)視系統(tǒng)（SOSUS）

上世紀(jì)70年代初，美國在大西洋和太平洋部署SOSUS遠(yuǎn)程固定水聲監(jiān)視系統(tǒng)，借助于鋪設(shè)在海洋底部的水聽器網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)和確定潛在敵人的導(dǎo)彈核潛艇的位置，查明洋區(qū)和反潛區(qū)的水下情況，為艦隊(duì)提供目標(biāo)信息并引導(dǎo)艦隊(duì)進(jìn)行機(jī)動反潛。位于美國東、西海岸的反潛中心在收到水聽器的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過分析、處理上報司令部，最后由作戰(zhàn)艦隊(duì)情報中心向前沿地區(qū)分發(fā)。SOSUS系統(tǒng)在大西洋、太平洋部署了多個岸基站，如圖1所示，其中大部分處于值守狀態(tài)，隨時準(zhǔn)備投入使用和接收情報。

1996年美國及其盟國重啟一島鏈SOSUS系統(tǒng)，并針對我潛艇改建和擴(kuò)建原有水下探測系統(tǒng)，探測頻段向低頻段延伸，進(jìn)一步提升了水下反潛作戰(zhàn)能力。2005年以來，美國及其盟國于西太平洋海區(qū)初步建成了技術(shù)先進(jìn)、手段復(fù)合、層次分明、縱橫交錯的龐大的反潛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成沖繩島周邊、宮古島至與那國島一線、釣魚島東部至彭佳嶼一線的SOSUS系統(tǒng)建設(shè)，不僅封堵我潛艇前出第一島鏈，而且對我潛艇兵力在西太平洋海區(qū)的作戰(zhàn)行動構(gòu)成了重大威脅。

2.2 廣域海網(wǎng)（Seaweb）

廣域海網(wǎng)（Seaweb）是一種典型的海底水聲傳感器網(wǎng)絡(luò)，將固定節(jié)點(diǎn)、移動節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過水聲通信鏈路連接成網(wǎng)，組成示意圖如圖2。自1998年起，美國海軍多次進(jìn)行了Seaweb水聲通信網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)，旨在推進(jìn)海軍的作戰(zhàn)能力。

Seaweb的設(shè)計(jì)目標(biāo)是能夠進(jìn)行節(jié)點(diǎn)識別、時鐘同步、地理定位、接入新節(jié)點(diǎn)、放棄失效節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)修復(fù)。Seaweb的指控中心部署在艦艇、潛艇、飛機(jī)或岸基站，通過衛(wèi)星鏈路或因特網(wǎng)接入浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。高級別服務(wù)器負(fù)責(zé)管理、控制和配置網(wǎng)絡(luò)，每個服務(wù)器都可以記錄并處理數(shù)據(jù)包，支持訪問節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)。

在1998年的Seaweb試驗(yàn)中，采用了樹狀結(jié)構(gòu)的地理位置分布進(jìn)行了Seaweb網(wǎng)絡(luò)配置。網(wǎng)絡(luò)由3個局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)群組成，每個局域網(wǎng)配置1個主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)比其他節(jié)點(diǎn)的智能和權(quán)限更高，負(fù)責(zé)管理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路由和?jié)點(diǎn)訪問通道。主控節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，局域網(wǎng)節(jié)點(diǎn)只接收本地節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。試驗(yàn)驗(yàn)證了采用分布式節(jié)點(diǎn)群組成廣域海網(wǎng)的可行性，遠(yuǎn)程自主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包在4次水聲中繼和1次無線通信中繼后，能夠高質(zhì)量、可靠地到達(dá)岸基指控中心。

1999年的Seaweb試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化了1998年試驗(yàn)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)是多路徑訪問結(jié)構(gòu)。Seaweb服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程配置路由拓?fù)?，?shí)現(xiàn)Seaweb網(wǎng)絡(luò)自動配置和動態(tài)控制。此次試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)對節(jié)點(diǎn)的測距定位和服務(wù)器與網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的雙向通信，服務(wù)器在給節(jié)點(diǎn)下發(fā)指控報文的同時也能夠接收節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)膫鞲衅鲾?shù)據(jù)包。

2000年的Seaweb試驗(yàn)采用了第三代遙控聲納調(diào)制解調(diào)器ATM885，進(jìn)一步提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

2001年的Seaweb試驗(yàn)布設(shè)了40個通信節(jié)點(diǎn)，并利用潛艇“USS Dolphin”號在布網(wǎng)區(qū)域進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)性能測試。

之后進(jìn)行的Seaweb試驗(yàn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋、網(wǎng)絡(luò)容量、質(zhì)量服務(wù)和資源優(yōu)化等指標(biāo)均有了進(jìn)一步提高，并采用了隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點(diǎn)測距與定位、擴(kuò)展頻譜信號、定向水聲換能器、信道實(shí)時評估、自適應(yīng)調(diào)制等新技術(shù)。

2.3 可部署自主分布系統(tǒng)（Deployable Autonomous Distributed System， DADS）

DADS是美國海軍研究辦公室（ONR）和空間與海戰(zhàn)系統(tǒng)司令部（SPAWAR）聯(lián)合研發(fā)的未來海軍瀕海防雷反潛作戰(zhàn)研究項(xiàng)目。該系統(tǒng)由14個固定節(jié)點(diǎn)及數(shù)個移動節(jié)點(diǎn)組成，包括2個傳感器節(jié)點(diǎn)、2個浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和10個遙控聲吶中繼節(jié)點(diǎn)，潛艇、AUV、蛙人等作為移動節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，服務(wù)器部署在岸基指揮中心。

傳感器節(jié)點(diǎn)和聲吶中繼節(jié)點(diǎn)是可部署的自主節(jié)點(diǎn)，浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是無線-水聲通信節(jié)點(diǎn)，具有水聲通信接口和無線通信接口功能。水聲通信接口實(shí)現(xiàn)與整個網(wǎng)絡(luò)的水聲通信鏈接，無線通信接口實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與岸基、飛機(jī)或衛(wèi)星的無線鏈接，為衛(wèi)星或飛機(jī)訪問水下節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包括固定浮標(biāo)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和AUV移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。移動網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在水下運(yùn)動中采集傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，然后適時浮出水面與岸基或艦基指控中心進(jìn)行無線通信。

2.4 近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)（PLUSNet）

PLUSNet計(jì)劃由美國賓夕法尼亞大學(xué)研發(fā)的一種半自主控制的海底固定和水中機(jī)動的網(wǎng)絡(luò)化設(shè)施。該系統(tǒng)以核潛艇為母節(jié)點(diǎn)，核潛艇攜帶的UUV為移動子節(jié)點(diǎn)，潛標(biāo)、浮標(biāo)、水聲探測陣為固定子節(jié)點(diǎn)，如圖4所示，可獲取海洋環(huán)境信息，進(jìn)行水下目標(biāo)探測。

在“蒙特利灣2006”試驗(yàn)期間進(jìn)行的4個項(xiàng)目試驗(yàn)中，PLUSNet進(jìn)行了該項(xiàng)目有史以來規(guī)模最大的試驗(yàn)，十多艘艦艇、三十多個UUV以及各種浮標(biāo)、潛標(biāo)參加。UUV編隊(duì)每天更改路徑，研究怎樣的編隊(duì)形式才能夠覆蓋最大的水下監(jiān)視區(qū)域，在無人潛航器與傳感器之間建立聯(lián)系，并提高網(wǎng)絡(luò)通信與自主能力。

2.5 深海對抗項(xiàng)目（DSOP）

美國國防高級研究計(jì)劃局（DARPA）在2010年啟動了深海對抗（Deep Sea Operations Program）項(xiàng)目，該項(xiàng)目目標(biāo)是開發(fā)一種具有反潛戰(zhàn)監(jiān)視能力的深海預(yù)警系統(tǒng)，通過部署在深海底部的分布式聲學(xué)和非聲傳感器節(jié)點(diǎn)探測安靜型潛艇，保護(hù)美國航母編隊(duì)免遭潛艇的攻擊，同時保持與水面艦艇之間的聯(lián)系，提高反潛部隊(duì)對作戰(zhàn)環(huán)境的熟悉程度。該系統(tǒng)能夠適應(yīng)各種作戰(zhàn)環(huán)境，可隨編隊(duì)移動，并能在敵方深海區(qū)域長期工作。

DARPA認(rèn)為該項(xiàng)目的主要挑戰(zhàn)在于：如何實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探測和分類、如何進(jìn)行遠(yuǎn)程水下通信、如何實(shí)現(xiàn)持久的能源供應(yīng)，同時還要考慮到深海壓力和溫度等極端條件的影響。

在探測方面，DSOP利用深海聲信號傳播優(yōu)勢探測安靜型潛艇。在能源方面，根據(jù)華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室的研究結(jié)果，目前最佳的能源方式是燃料電池。在部署應(yīng)用方面，美軍依托于其制空、制海權(quán)，采用水面艦艇和空基等多種方式進(jìn)行布放，系統(tǒng)與外界通過浮標(biāo)天線進(jìn)行通信，并接入空海一體戰(zhàn)系統(tǒng)。2013年4月3日，為該項(xiàng)目訂制的UUV攜帶傳感器完成了深海測試試驗(yàn)，試驗(yàn)為期6天，期間進(jìn)行了2次4450米共計(jì)11小時的潛航。目前該項(xiàng)目正計(jì)劃生產(chǎn)第二具配備聲納的無人潛航器進(jìn)行后續(xù)組網(wǎng)行動。

3 我國水下信息系統(tǒng)發(fā)展存在的問題

美軍目前的水下信息系統(tǒng)建設(shè)已由原來的磁探儀等原始單一手段，發(fā)展為中水區(qū)懸浮聲納陣列、深水系留半懸浮水中聲納陣列、超深水系留水中聲納陣列、低頻主動拖曳式聲納等多元化網(wǎng)絡(luò)化的體系建設(shè)。在保持傳統(tǒng)海底聲納基陣優(yōu)勢的同時，不斷拓展移動式、可部署式、分布式、傳感器式等新型技術(shù)和模式，通過將廣闊海域范圍內(nèi)的各種平臺、系統(tǒng)和岸基基站、戰(zhàn)術(shù)作戰(zhàn)中心等相對獨(dú)立的單位通過基于信息網(wǎng)絡(luò)的作戰(zhàn)體系進(jìn)行整合，形成了多平臺、多手段、多元化、網(wǎng)絡(luò)化、體系化的完整水下信息系統(tǒng)。積累了大量的全球海洋聲場分布數(shù)據(jù)，再加上其在水下無人平臺、聲吶系統(tǒng)裝備上的世界領(lǐng)先技術(shù)，為其水下信息系統(tǒng)的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。和美國相比，我國水下信息系統(tǒng)的發(fā)展存在以下差距：

3.1 水下目標(biāo)探測能力亟待提高

我國在近海海域布設(shè)有少量的岸基光纖水聲被動探測陣，主要停留在試驗(yàn)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)積累階段，離實(shí)際作戰(zhàn)部署還有很長一段路要走，在深遠(yuǎn)海水下目標(biāo)監(jiān)視方面，僅有少量潛、浮標(biāo)用于水聲數(shù)據(jù)收集，系統(tǒng)構(gòu)建目前僅停留在理論研究、前期規(guī)劃階段，離實(shí)際建設(shè)與應(yīng)用部署還有一段距離。

我國水下目標(biāo)監(jiān)視作戰(zhàn)力量非常有限，水面作戰(zhàn)艦艇、潛艇、反潛直升機(jī)及反潛巡邏機(jī)對安靜型潛艇、小型UUV的探測能力遠(yuǎn)不能滿足作戰(zhàn)需求，我國需要盡快建設(shè)水下目標(biāo)監(jiān)視作戰(zhàn)力量，彌補(bǔ)反潛作戰(zhàn)體系的短板，為我海軍提供清晰透明的水下戰(zhàn)場態(tài)勢，協(xié)助我軍掌握未來周邊海上沖突與戰(zhàn)爭的主動權(quán)。

3.2 作戰(zhàn)意圖判斷與威脅評估能力有待提升

受限于對敵攻擊潛艇與彈道導(dǎo)彈潛艇探測跟蹤的欠缺，我國對敵潛艇的活動規(guī)律掌握不多，目標(biāo)識別能力較低，作戰(zhàn)意圖分析、威脅評估分級能力尚不構(gòu)成有效作戰(zhàn)體系。

3.3 深遠(yuǎn)海域水文信息大數(shù)據(jù)支持能力有待形成

在未來可能發(fā)生沖突的深遠(yuǎn)海域，我國還未建設(shè)可提供有效支持的水文環(huán)境資料大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，無法為未來對敵攻擊潛艇探測跟蹤、對敵彈道導(dǎo)彈潛艇遠(yuǎn)程預(yù)警提供海洋水文信息支持，需要盡快建立我國的深淵海域水文信息大數(shù)據(jù)系統(tǒng)，為未來可能爆發(fā)的沖突與戰(zhàn)爭提供準(zhǔn)確詳細(xì)的水文信息支持。

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