美國海軍通信與網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)展分析

朱 榮，魏 玉，喬貝貝，夏文澤

(1. 中國人民解放軍92665部隊，湖南 張家界 427200；2. 國電四川映秀灣電廠，四川 阿壩藏族羌族自治州618853；3. 中國船舶重工集團公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引 言

美國海軍把“部隊網(wǎng)”計劃的總體發(fā)展劃分為4個階段，分別為：第1階段（2002-2007年），實現(xiàn)海上的網(wǎng)絡連通；第2階段（2007-2009年），實現(xiàn)海上和陸地的連通，即改進決策能力；第3階段（2010-2014年），實現(xiàn)網(wǎng)絡的使能化，即實現(xiàn)基于網(wǎng)絡的指揮與控制；第4階段（2015-2020年）實現(xiàn)完全的網(wǎng)絡化，即保證惡劣條件下的決策能力。

目前已經(jīng)完成前3階段，正在開展最后一階段的能力建設。本文以美國海軍通信與網(wǎng)絡系統(tǒng)建設情況為抓手，分析美國海軍電子信息系統(tǒng)能力情況及發(fā)展趨勢，主要從天基網(wǎng)、作戰(zhàn)群網(wǎng)、艦載網(wǎng)絡和陸上網(wǎng)四方面入手分析。

1 天基通信

1.1 窄帶衛(wèi)星通信

窄帶通信衛(wèi)星主要使用特高頻（UHF）頻段，主要支持需要語音或低數(shù)據(jù)率戰(zhàn)術移動通信的用戶，支持小型便攜終端話音與低速率數(shù)據(jù)業(yè)務。美國先后發(fā)展了艦隊衛(wèi)星通信（FLTSATCOM）、特高頻后繼衛(wèi)星（UHF UFO）、移動用戶目標系統(tǒng)（MUOS）窄帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

最新的MUOS在通信能力方面超過了特高頻后繼衛(wèi)星和艦隊衛(wèi)星。MUOS改變了美國海軍30多年來的特高頻窄帶戰(zhàn)術通信的網(wǎng)絡體系、通信波形和使用方式，提供網(wǎng)絡化戰(zhàn)術移動通信能力，更好地支持網(wǎng)絡中心戰(zhàn)：采用WCDMA的3G移動通信體制，單星容量大幅提升，可同時接入4 198個用戶，總通信容量40 Mbps，是特高頻后繼衛(wèi)星的10倍；能夠為所有作戰(zhàn)環(huán)境中高機動部隊的指揮人員提供更大的窄帶通信容量；具有“動中通”能力，解決了原有衛(wèi)星通信系統(tǒng)必須暫停下來使天線向上指向衛(wèi)星通信的弊端；提高了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的抗干擾和抗毀能力，通過星地一體化傳輸設計，多個點波束可以避免特高頻后繼衛(wèi)星采用全球波束容易遭受任何地區(qū)上行干擾的問題。

1.2 寬帶衛(wèi)星通信

寬帶衛(wèi)星提供大容量干線傳輸，用于戰(zhàn)略和戰(zhàn)術通信，支持雙向?qū)拵ㄐ?、單向信息廣播等服務。美國先后發(fā)展了國防衛(wèi)星（DSCS）、寬帶全球衛(wèi)星（WGS）寬帶衛(wèi)星通信系統(tǒng)。

最新的寬帶全球通信衛(wèi)星2007年開始發(fā)射，美軍將至少發(fā)射10顆寬帶全球衛(wèi)星（目前已經(jīng)發(fā)射9顆），將代替國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)，提供語音、數(shù)據(jù)、圖像通信，可覆蓋南北緯65°范圍內(nèi)的19個獨立的地區(qū)。寬帶全球衛(wèi)星根據(jù)不同的用戶終端、數(shù)據(jù)率和調(diào)制方式單星總通信容量可達1.2-3.6 Gbps，是第3代國防衛(wèi)星通信系統(tǒng)的10倍。

寬帶全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)將大幅提高目前軍事通信的帶寬，將大幅提高國防部軍事行動能力，加強情報收集和后勤保障能力，提高遠程視頻電話和話音服務能力，改善地理空間圖像和戰(zhàn)場管理系統(tǒng)，是美軍軍事通信衛(wèi)星能力實現(xiàn)數(shù)量級躍升的重要系統(tǒng)；具有可重新配置的覆蓋區(qū)，可向不同覆蓋區(qū)進行廣播和多點廣播，寬帶全球衛(wèi)星天線數(shù)量，19副天線可形成19個覆蓋波束，提供覆蓋區(qū)域的形成和調(diào)整能力、全球覆蓋能力；全球廣播服務（GBS）將由全球全帶衛(wèi)星提供，帶寬將翻倍，特高頻后繼衛(wèi)星系統(tǒng)每條信道的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達23.5 Mbps。全球?qū)拵l(wèi)星每條信道的數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達45 Mbps。在輻射控制（EMCON）或反介入/區(qū)域拒止環(huán)境中，全球衛(wèi)星服務系統(tǒng)還能完成關鍵信息的傳輸。

1.3 受保護的衛(wèi)星通信

美國海軍受保護衛(wèi)星通信系統(tǒng)具有抗干擾性、保密性及核生存能力，通常使用極高頻頻段，能夠滿足現(xiàn)在戰(zhàn)爭對實時戰(zhàn)術影像、戰(zhàn)場態(tài)勢和目標跟蹤數(shù)據(jù)等戰(zhàn)術通信的需求，并且安全性高、抗干擾性好、不易截獲、不易探測。美國海軍先后發(fā)展了“軍事星”（MILSTAR）一、二、三代，第3代也被稱為先進極高頻衛(wèi)星（AEHF）。

最新的AEHF已經(jīng)投入使用，形成初始作戰(zhàn)能力。AEHF將發(fā)射6顆衛(wèi)星（目前已發(fā)射3顆），系統(tǒng)覆蓋南北緯65°之間的廣大地區(qū)，單星通信總容量為430 Mbps（第 2代軍事星為43 Mbps），可同時支持 6 000個通信終端、4 000個通信網(wǎng)絡，系統(tǒng)具有高數(shù)據(jù)傳輸率。AEHF比上兩代“軍事星”通信性能更高，業(yè)務容量和數(shù)據(jù)率有了很大提升，用于戰(zhàn)術通信的數(shù)據(jù)率是8.192 Mbps，用于戰(zhàn)略通信數(shù)據(jù)率是19.2 kbps，遠超過上一代衛(wèi)星系統(tǒng)（數(shù)據(jù)傳輸率增加25倍，信道數(shù)量增加2～3倍），可為戰(zhàn)術部隊提供高質(zhì)量、實時信息，包括實時視頻、戰(zhàn)場地圖和目標跟蹤數(shù)據(jù)。AEHF大幅提升了衛(wèi)星通信的抗干擾能力和靈活性。AEHF采用可抗核加固技術，突破了核武器造成的電磁干擾，是國家領導人與軍事指揮官在沖突區(qū)域建立傳輸敏感信息的安全通信鏈路，是唯一一個可抵抗全頻譜威脅的系統(tǒng)，可對抗高技術干擾機、竊聽和網(wǎng)絡攻擊，即使地面控制系統(tǒng)被摧毀，系統(tǒng)還能夠自主正常工作約6個月?？稍谔胤N作戰(zhàn)、核戰(zhàn)爭、打擊海盜和人道主義救援任務中，向兼容飛機、艦艇和機動部隊安全發(fā)送圖像、視頻和其他任務數(shù)據(jù)。AEHF采用星上處理，提供重建網(wǎng)絡的靈活性。星上處理技術把戰(zhàn)場上所有梯隊連接成具有太空路由的虛擬網(wǎng)絡，以滿足動態(tài)的指控要求，還能為需要快速、精確信息的用戶提供實時地圖、目標信息和先進的智能監(jiān)視及偵查圖像，也可直接對來自用戶終端的請求做回答，并根據(jù)優(yōu)先級提供點對點通信和網(wǎng)絡服務（見圖1）。

圖1 AEHF衛(wèi)星通信系統(tǒng)可以在任何時候為美軍提供全球范圍的安全軍事通信服務Fig.1 AEHF communications satellite system can provide secure military communications services for the U.S.military worldwide at any time

2 數(shù)據(jù)鏈

2.1 指揮控制數(shù)據(jù)鏈

指揮控制數(shù)據(jù)鏈是傳送指揮控制命令和態(tài)勢信息的數(shù)據(jù)鏈，主要用于作戰(zhàn)指揮控制和武器控制系統(tǒng)的命令傳遞、戰(zhàn)情匯報和請示、勤務通信及戰(zhàn)術行動的指揮引導。

經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，用于指揮控制的數(shù)據(jù)鏈技術已經(jīng)比較成熟，近年來沒有重大發(fā)展。美軍主要的指揮控制數(shù)據(jù)鏈包括Link 4（艦-空；指令）、Link 11（艦-艦，艦-岸，艦-空，空-岸；戰(zhàn)術數(shù)字信息）、Link 16（綜合數(shù)據(jù)鏈 4 和數(shù)據(jù)鏈 11）、Link 22，均比較成熟，能夠?qū)崿F(xiàn)艦艇、飛機、岸基指揮所之間的視距和超視距戰(zhàn)術通信，通信速率在5～238 kbps。

除了數(shù)據(jù)鏈之外，美國海軍正在發(fā)展作戰(zhàn)部隊戰(zhàn)術網(wǎng)絡（BFTN），通過傳統(tǒng)的特高頻（UHF）和高頻（HF）無線電，為艦船、潛艇和飛機之間提供直接的“平臺-平臺”的高頻互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（HFIP）和子網(wǎng)中繼（SNR）數(shù)據(jù)傳輸能力，使海軍相關作戰(zhàn)人員能夠在實時戰(zhàn)術環(huán)境中制定和執(zhí)行計劃。作戰(zhàn)部隊戰(zhàn)術網(wǎng)絡高頻互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議工作在高頻頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率可達9.6 kbps/19.2 kbps；子網(wǎng)中繼工作在特高頻頻段，其數(shù)據(jù)傳輸速率可達64 kbps。美國海軍計劃在2020財年之前對約213艘（架）艦船、潛艇和飛機部署B(yǎng)FTN，并實現(xiàn)全面作戰(zhàn)能力。

作戰(zhàn)部隊戰(zhàn)術網(wǎng)絡的主要特點包括：支持聯(lián)盟、同盟和聯(lián)合互操作能力和信息交換，提供電子郵件、網(wǎng)絡服務、協(xié)作、全球指揮與控制系統(tǒng)綜合成像和情報（GCCS-I3）、通用戰(zhàn)役圖（COP）和通用情報圖（CIP）、同盟/聯(lián)盟伙伴進行艦-艦和艦-岸WEB復制、電子郵件等功能；實現(xiàn)編隊內(nèi)部視距/超視距數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)美軍及聯(lián)盟艦船、潛艇和飛機在打擊群中的聯(lián)通性；可作為部分衛(wèi)星通信業(yè)務的備份，水面平臺利用作戰(zhàn)部隊戰(zhàn)術網(wǎng)絡，可共享衛(wèi)星通信資源擁有發(fā)送和接受信息的能力，在SIPRNET網(wǎng)絡無法進行衛(wèi)星通信時，作戰(zhàn)部隊戰(zhàn)術網(wǎng)絡可作為備份，是對抗A2/AD能力的重要保證。

2.2 情報監(jiān)視偵察數(shù)據(jù)鏈

情報監(jiān)視偵察數(shù)據(jù)鏈主要用于傳輸偵察圖像、視頻等寬帶信息，解決網(wǎng)絡中心戰(zhàn)中圖像、視頻等大容量偵察情報高速傳輸?shù)碾y題。

美國海軍現(xiàn)役的情報監(jiān)視偵察數(shù)據(jù)鏈主要有通用數(shù)據(jù)鏈（CDL）和戰(zhàn)術通用數(shù)據(jù)鏈（TCDL）等寬帶ISR數(shù)據(jù)鏈，連接指控平臺與空中平臺，主要傳輸圖像和情報信息，執(zhí)行偵察任務的空中平臺可通過通用數(shù)據(jù)鏈對合成孔徑雷達、光學照相、紅外照相的圖像進行實時傳輸。NTCDL將在2019年實現(xiàn)初始作戰(zhàn)能力，將滿足航母、兩棲艦艇、飛機、小型艦艇、潛艇和岸基手持式使用裝置及移動平臺的使用要求。

部隊級別艦艇（如航母和兩棲攻擊艦）上的網(wǎng)絡戰(zhàn)術通用數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)包括網(wǎng)絡戰(zhàn)術通用數(shù)據(jù)鏈及其處理器、單位級別（如驅(qū)逐艦和巡洋艦）艦艇上裝備通用數(shù)據(jù)鏈（CDL）。NTCDL將使不同源的ISR信息跨網(wǎng)共享，增強海軍態(tài)勢感知能力與戰(zhàn)場優(yōu)勢。NTCDL可同時實現(xiàn)對不同源的（空中，水面，水下，便攜式）情報、監(jiān)視和偵查（ISR）數(shù)據(jù)的實時傳送和接收，并與各不相同的聯(lián)軍、軍種、盟軍、民用網(wǎng)絡交換指揮控制信息（語音，數(shù)據(jù)，圖像，全運動視頻），支持多項網(wǎng)絡化作戰(zhàn)同步開展。當前配有通用數(shù)據(jù)鏈（CDL）的平臺，以及新一代有人平臺與無人平臺將獲得超視距傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并利用情報、監(jiān)視和偵察聯(lián)網(wǎng)功能支持任務分配、收集、處理、開發(fā)和分發(fā)。

圖2 數(shù)據(jù)鏈 Link11, Link16 和 Link22Fig.2 Data Link11, Link16 and Link22

2.3 武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈

武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈的主要作用是突破單一武器平臺和傳感器資源的局限性，充分利用作戰(zhàn)區(qū)域內(nèi)的各種傳感器及武器資源，在作戰(zhàn)武器平臺間建立實時、高效的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡以及分布式、實時協(xié)同處理機制，實現(xiàn)對戰(zhàn)術目標快速、準確的跟蹤定位和精確打擊控制。

美國海軍目前使用Link 16數(shù)據(jù)鏈作為武器協(xié)同數(shù)據(jù)鏈，用于連接海軍的艦艇、艦載機等裝備。而正在發(fā)展的TTNT數(shù)據(jù)鏈，將在2020年左右形成作戰(zhàn)能力。

TTNT數(shù)據(jù)鏈是解決“從傳感器到射手”的數(shù)據(jù)鏈問題的一種傳輸量大、反應時間短的解決方案，也可以使美軍能夠迅速瞄準移動目標及時間敏感目標，實現(xiàn)快速的目標瞄準與再瞄準，使網(wǎng)絡中心傳感器技術能夠在多種高機動平臺間建立信息聯(lián)系，不但適用于高達8 Ma的戰(zhàn)斗機，也適用于指控平臺和情報偵察平臺；TTNT數(shù)據(jù)鏈基于自組織的Ad-Hoc網(wǎng)絡，能夠組建在跨平臺、跨域戰(zhàn)術網(wǎng)絡，網(wǎng)絡組織結構靈活，支持實時重構和靈活配置，支持動態(tài)網(wǎng)絡容量分配，可很好地滿足動態(tài)應用環(huán)境需求；TTNT數(shù)據(jù)鏈數(shù)據(jù)傳輸速率高、延時小、支持的用戶量多。數(shù)據(jù)鏈吞吐量比 Link 16提高 20倍，信息傳輸速率快 50倍（TTNT每秒可傳輸8幅圖像，Link 16傳輸1幅靜態(tài)圖像需要20～40 s），TTNT可支持200個成員，比Link 16的成員數(shù)量高出一個數(shù)量級。

3 艦載網(wǎng)絡

3.1 海上統(tǒng)一網(wǎng)絡系統(tǒng)

海上統(tǒng)一網(wǎng)絡系統(tǒng)（CANES）是海軍唯一一個替代原有網(wǎng)絡的計劃，為當前和未來的任務派遣、信息收集、處理、利用與傳播的迭代計算和存儲能力提供基礎設施、系統(tǒng)和服務。CANES目前正在部署過程中，將在2023財年實現(xiàn)全面作戰(zhàn)能力。

CANES融合的主要艦載網(wǎng)絡系統(tǒng)有綜合艦載網(wǎng)絡系統(tǒng)（ISNS）、潛艇局域網(wǎng)（SUBLAN）、海上聯(lián)合軍種地區(qū)信息交換系統(tǒng)（CENTRIXS-M）、絕密信息局域網(wǎng)（SCI LAN）以及視頻信息交換系統(tǒng)（VIXS）和艦載視頻分配系統(tǒng)（SVDS）。

圖3 CANES 融合了多個艦載網(wǎng)絡系統(tǒng)Fig.3 CANES integrates multiple shipborne network systems

CANES減少機柜數(shù)量，降低安裝成本。CANES通過通用計算環(huán)境有效地將艦載網(wǎng)絡硬件整合到通用網(wǎng)絡核心中，以取代相似的硬件獨立的操作。CANES將通過高機密專藏專管信息系統(tǒng)為海軍各種水面艦艇、潛艇、海上作戰(zhàn)中心和飛機的所有基礎網(wǎng)絡服務提供完整的基礎設施——硬件、軟件、處理、存儲和終端用戶設備。另外，約有36種支持指揮和控制、情報、監(jiān)視和偵察、信息戰(zhàn)、后勤和業(yè)務領域的應用程序和系統(tǒng)需要CANES基礎設施，以在戰(zhàn)術層面運行。

CANES有效解決航母C4I網(wǎng)絡跨界安全、資源有效管理等問題。當前，美國航母上C4I網(wǎng)絡包含多種特殊的網(wǎng)絡和軟硬件，其中惠普、戴爾、康柏、阿爾卡特、松下等300多種硬件平臺及Windows、Linux、Solaris等操作系統(tǒng)上運行了642種應用軟件型號。這將產(chǎn)生大量的跨界安全問題。另外，還造成了服務器和存儲資源沒有充分使用。CANES部署以后，所有的操作系統(tǒng)和通用軟件都運行在統(tǒng)一的虛擬設備上，并分成各種密級（機密、秘密、內(nèi)部）進行信息處理、存儲與傳輸，可有效解決航母C4I網(wǎng)絡的跨界安全問題，有利于系統(tǒng)資源的有效管理。

圖4 CANES簡化了海軍艦船上的信息技術基礎設施Fig.4 CANES simplifies information technology infrastructure on naval ships

3.2 自動數(shù)字網(wǎng)絡系統(tǒng)

面對海上繁雜的通信資源與手段，多種異構通信網(wǎng)絡，美國海軍自動化數(shù)字網(wǎng)絡系統(tǒng)（ADNS）通過射頻頻譜連接艦上內(nèi)部網(wǎng)絡和外部網(wǎng)絡，靠港時則連接陸上線纜，對海上各種通信網(wǎng)絡資源進行綜合管理、協(xié)調(diào)使用、信息格式轉換，使得海上無線通信資源配置更為靈活、信息聯(lián)通更為流暢。通過ADNS，海軍實現(xiàn)與國防信息系統(tǒng)網(wǎng)絡（DISN）的互聯(lián)，完成各類非保密、機密、絕密的工作以及各類聯(lián)軍、盟軍服務。實質(zhì)上，ADNS相當于聯(lián)軍、盟軍戰(zhàn)術裝備的網(wǎng)關，可確保全球信息柵格（GIG）的連通性。海軍計劃在2020財年實現(xiàn)最新的第3代ADNS的全面作戰(zhàn)能力，并與CANES的部署相配合。

ADNS海上無線通信綜合管理不斷進步。美國海軍海上無線通信管理系統(tǒng)通過增量式發(fā)展在促進通信IP化、大帶寬、高流量方面不斷取得進步，目前，ADNS已經(jīng)成為美國海軍實現(xiàn)可靠、安全、自適應的海上通信網(wǎng)絡中心能力的關鍵。

ADNS實現(xiàn)海上無線通信動態(tài)分配帶寬。ADNS能夠自動發(fā)現(xiàn)海上空閑無線通信帶寬并充分利用起來，實現(xiàn)通信流量的最大化。由于去除了人為操作，實現(xiàn)動態(tài)帶寬分配，使得在不增加發(fā)射機數(shù)量的前提下通信流量增長至少10倍以上。系統(tǒng)能夠在任意2個路由器之間傳輸各類IP數(shù)據(jù)報，包括文本、圖形、語音或視頻應用，無需另外開發(fā)新型昂貴的煙囪式系統(tǒng)用于支持新應用。

4 陸上網(wǎng)絡

美國海軍原使用海軍/海軍陸戰(zhàn)隊內(nèi)網(wǎng)（NMCI）作為本土基礎網(wǎng)絡，使用境外美國海軍企業(yè)網(wǎng)（ONENET）作為境外基礎網(wǎng)絡，目前二者均已經(jīng)過渡到下一代企業(yè)網(wǎng)（NGEN）。

海軍/海軍陸戰(zhàn)隊內(nèi)網(wǎng)整合了海軍本土岸基網(wǎng)絡。1998年，美國海軍部開始建立起海軍/海軍陸戰(zhàn)隊內(nèi)網(wǎng)（NMCI），它將計劃、協(xié)調(diào)和整合海軍信息基礎設施，以取代當時在役的多種各自為陣的海軍岸基網(wǎng)絡。該網(wǎng)絡一直使用到2014年，美國國防部通過NMCI為整個軍種提供信息服務，并在美國本土內(nèi)為“部隊網(wǎng)”提供岸上網(wǎng)絡基礎設施。

境外美國海軍企業(yè)網(wǎng)充當美國海軍境外一體化基礎網(wǎng)絡。2010年之前，美國大陸外的海軍站點使用境外美國海軍企業(yè)網(wǎng)（ONE-NET）作為通用和安全的信息技術基礎架構。ONE-NET基于美國海軍和海軍陸戰(zhàn)隊內(nèi)聯(lián)網(wǎng)（NMCI）架構，綜合了新的網(wǎng)絡基礎設施。提供標準化的硬件和軟件服務、綜合平臺服務、境外的電子郵件服務、信息安全服務、秘密因特網(wǎng)協(xié)議路由器網(wǎng)（SIPRNET）服務、遠程訪問服務等。ONENET支持超過數(shù)萬個前沿部署用戶和2 500個海軍站點。

圖5 美國全集成海軍網(wǎng)絡環(huán)境主要包括：海上統(tǒng)一網(wǎng)絡系統(tǒng)（CANES）、下一代企業(yè)網(wǎng)（NGEN）、美國海軍企業(yè)網(wǎng)（ONE-NET）、海軍陸戰(zhàn)隊企業(yè)網(wǎng)（MCEN）Fig.5 The U.S. naval network environment contain: CANES,NGEN, ONE-NET, MCEN

5 結 語

美國海軍網(wǎng)絡正由多個網(wǎng)絡環(huán)境組成的復雜網(wǎng)絡向一個統(tǒng)一的完全集成的海軍網(wǎng)絡環(huán)境發(fā)展。2010年之后，NMCI和ONE-NET先后過渡下一代企業(yè)網(wǎng)（NGEN），進入了全集成海軍網(wǎng)絡環(huán)境（NNE）的第1階段。NGEN為海軍提安全可靠的語音、視頻與數(shù)據(jù)網(wǎng)絡環(huán)境，提供在世界任何位置獲得數(shù)據(jù)、服務與應用的能力，能夠滿足作戰(zhàn)艦隊的需求，還能夠使指揮控制與CANES協(xié)同。隨著技術的發(fā)展和更新，分散的網(wǎng)絡會進一步融合，服務也將共享，最終形成一個完全集成的海軍網(wǎng)絡環(huán)境（NNE）。