無人水下長波通信技術的應用與發(fā)展

譚亞輝

摘 要：無線通信技術應用于水下環(huán)境將會是一個不在新穎的課題，但對其研究卻有重要意義。目前，水下通信主要應用于軍事，地下等，在軍用中有岸對潛通信、潛對潛通信、水下傳感器網(wǎng)絡和水下遙感機器人等有著重要的應用。而水下無線傳輸?shù)膫鬏斔俾适艿剿橘|(zhì)的影響，對其發(fā)出的電磁波影響很大。而甚長波的電磁波的波長很長，受到地理環(huán)境和介質(zhì)環(huán)境的影響較小，衰減慢，可以使通信距離達到很遠，且通信穩(wěn)定。因此將甚長波作為水下無線傳輸?shù)妮d波是一個新的技術，將會在水下通信起到重要的作用。

關鍵詞：水下；甚長波；無線通信

前言

水下無線通信是指其在水下運用無線方式將數(shù)據(jù)、語言文字、圖像、指令信息等重要信息進行準確的傳遞，其應用主要是在淡水和海水中。在陸地和天空通信，人類已經(jīng)將技術發(fā)展到相當高的地步，能夠?qū)崿F(xiàn)自由的通信和交流，但在水中，以同樣的技術則無法實現(xiàn)或者不能有效傳輸。而甚長波通信是以長波波段的電磁波作為傳輸?shù)拿浇?，將重要的信息傳輸?shù)搅硪粋€地方的無線通信方式。甚長波的頻率范圍是波段在30～3千赫的電磁波，主要傳播形式以表面波的形式沿地球表面?zhèn)鞑ィ洳ㄩL很長，受到地形地物等影響小，衰減慢，通信距離遠，通信很穩(wěn)定。因此，將甚長波波段的電磁波應用于水下無線通信具有極大的可行性，能夠解決水下特殊環(huán)境所帶來的諸多問題，有利于軍事等行業(yè)的發(fā)展和應用。

一、水下無線通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

長波通信是以甚低頻或者超低頻的頻率的一種以低頻為主的電磁波。其特點波長很長，衍射能力強、通信距離遠；能穿過電離層繞過空間星體，其透入海水能力較強，在地下傳播時吸收損耗也較小，且不受核爆炸、太陽活動等外界的影響。在冷戰(zhàn)時期，美蘇對峙，使世界各個國家對于海軍核潛艇的戰(zhàn)略的地位進行了新的審視，其中對潛通信的“隱蔽、實時、完備、穩(wěn)定”的需求越來越緊迫。隨著美蘇制衡的加劇以及科學的不斷發(fā)展，美蘇不斷使用新的潛艇通信技術，如甚低頻和超低頻的研發(fā)與建設，使其發(fā)展成為對潛通信技術最基本的通信技術手段。根據(jù)長波的特點，能夠?qū)崿F(xiàn)水下穩(wěn)定、安全的通信要求，而且隱蔽性好。同時甚長波受到晝夜、季節(jié)、氣候、電離層等影響較小，又不會受核爆炸影響，因此傳輸?shù)男盘柗€(wěn)定可靠。當然，甚長波的頻帶很窄、傳輸速率極低，那么一般只能用于發(fā)送短報文或通知收報用的“振鈴”，限制其發(fā)展。同時發(fā)射信息設備龐大，潛艇只能在約定時間進行單向收信，因此實時通信較差。

二、長波通信技術在無人水下航行器上的應用方式

1、長波通信與衛(wèi)星通信相結合

該方案依據(jù)甚長波的傳輸距離遠和透入海水能力強的特點，來實現(xiàn)岸臺與水下的無人潛航器的實時通信。但因為長波通信系統(tǒng)的信息傳輸速率較低，難以實現(xiàn)高速的實時通信。因此，只能將長波信號作為振鈴的功用，岸臺通過長波信號呼叫水下潛航器浮出水面，再通過通信衛(wèi)星與其進行通信。

該方案是通過間接的方式實現(xiàn)岸臺與無人潛航器間的不間斷通信，雖然岸臺可以隨時向無人潛航器發(fā)送和接受命令，不需要按照原有的約定時間，定時上浮至水面，這樣可以節(jié)省大量燃料和資源，降低了一定的風險性。但該方案仍然有不足之處，如衛(wèi)星通信存在抗毀性差的問題沒有解決，無人潛航器需要上浮之水面通信，同時存在暴露自身目標的可能。

2、長波通信與短波通信相結合

在無人潛航器上浮至水面后可以通過使用短波通信的范式與岸臺經(jīng)通信，這就解決了衛(wèi)星通信抗毀性差的問題。雖然可以同短波通信代替衛(wèi)星通信，但是仍存在隱蔽性不佳的問題。

3、長波通信獨立工作

在上述方案中都是間接的方式來實現(xiàn)信號傳輸，那么可將長波信號作為與無人潛航器間的通信信號，這樣就可保證無人潛航器的隱蔽性，無需上潛至水面。但由于通信信息只能進行單向傳輸，而且通信的傳輸速率較低。

三、水下無線中長波通信的優(yōu)點

甚長波通信是指利用其波段的電磁波為媒介進行傳輸，將信息從水下傳輸?shù)搅硪粋€地方的方式，其波的頻率范圍是 30 ～3 000 kHz。發(fā)送甚長波的發(fā)信機的輸出功率可以大到達數(shù)兆瓦，發(fā)射天線的高度也要在200米以上，發(fā)射系統(tǒng)的通頻帶窄，是限制甚長波通信傳輸速率的主要原因。甚長波通信可以采用幅報、移頻報等多種方式調(diào)制，但采用相位連續(xù)的移頻鍵控，其中最小移頻鍵控會使頻域上能量集中、頻帶利用率高、抗噪聲性能好等優(yōu)點。。

1.通信頻率利用率高

通過采用相位連續(xù)的移頻鍵控的方式，能夠使頻帶利用率增高，能量更加集中。

2.抗干擾能力強

通過采用擴頻技術可以將淹沒在噪聲中的信息解讀出來，實現(xiàn)準確的通信過程，同時不會受到水質(zhì)優(yōu)劣和海浪等因素的影響，這樣不會被水吸收衰減，優(yōu)于一般的水下通信。

3.傳輸速度快，傳輸時延小

發(fā)射信號機在水下可采用密封方式，數(shù)據(jù)通過傳輸線傳到發(fā)射機發(fā)射到水中。電磁波頻率越高，水下傳播速率越快。

4.功耗低，供電方便

5. 安全系數(shù)高，對水中的環(huán)境無影響。

四、水下長波通信技術面臨的問題

目前，甚低頻、超低頻、極低頻通信以及正在發(fā)展的中長波的通信，都是同過電磁波的方式進行水下通信，只不過他們的頻率不一樣，波長不同。但由于海水存在趨膚效應，會使得無線電磁波在海水傳輸過程中受到嚴重的影響。因此，當前要解決的技術問題有：一是水下的通信深度，正常情況下，極低頻通信也只能對水下幾百米的深度進行通信。因此解決通信深度還需研究。二是發(fā)射的設備較大，占地面積廣，耗資巨大，需要能量多，性價比不足。三是通信數(shù)據(jù)傳輸率低通信信息容量小，智能單向接受，不能雙向通信，難以實現(xiàn)真正的應用。四是系統(tǒng)體積龐大，不利于隱藏，尤其是天線系統(tǒng)易受敵人活力打擊。

結語

長波通信在水下的應用具有一定的研究意義，具有巨大的潛力，依據(jù)其特點足以說明這項技術在水下應用的重要性。本文討論了將長波通信技術應用于水下無人的通信方式，分析了長波通信技術在水下應用的不足以及相應的特點，同時，還指出其系統(tǒng)應研究的方向。尤其是系統(tǒng)設備的問題，更應努力去改善，以便其發(fā)揮真正的功能。

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