基于海底光纜通信網(wǎng)的海底觀測網(wǎng)拓?fù)鋺?yīng)用研究*

何成波，吳學(xué)智

（海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033）

0 引 言

隨著光通信技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，光纖通信已經(jīng)成為有線通信領(lǐng)域最重要的通信方式，在全世界被廣泛應(yīng)用。自1988年，世界第一條跨洋海底光纜建成以來，截至2018年初，全球已投入使用的海底光纜超過448條，總長度達(dá)120萬公里[1]，2018-2020年還有26條，總長度超過26萬公里的國際海纜在建或計劃建設(shè)。海底光纜通信系統(tǒng)的發(fā)展給海底觀測網(wǎng)帶來了新的活力。2005年-2015年，人們加強(qiáng)了位于英屬哥倫比亞的加拿大NEPTUNE，美國俄勒岡州和華盛頓州的海洋觀測計劃區(qū)域范圍節(jié)點（OOI RSN），以及日本東海岸的DONET系統(tǒng)的建設(shè)。海底蘊(yùn)藏了豐富的礦物和油氣資源，海洋是各國海軍角逐的主戰(zhàn)場，所以海底觀測網(wǎng)在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都意義重大，其發(fā)展水平是一個國家綜合實力的重要標(biāo)志。世界各主要國家都非常重視海底觀測網(wǎng)的建設(shè)。我國具有內(nèi)海和邊海共約470萬平方公里的水域面積，一萬八千多公里的海岸線，海底觀測網(wǎng)建設(shè)對我國家發(fā)展意義非凡，國家《“十三五”國家信息化規(guī)劃》在 “陸?？仗煲惑w化信息網(wǎng)絡(luò)工程”中提出“推動海洋綜合觀測網(wǎng)絡(luò)由水面向水下和海底延伸”，明確要求推進(jìn)?；W(wǎng)絡(luò)設(shè)施建設(shè)[2]。

1 纜系海底科學(xué)觀測網(wǎng)簡介

1.1 纜系海底科學(xué)觀測網(wǎng)簡介

海底觀測網(wǎng)是指通過安裝在海底光纜通信系統(tǒng)的各類觀測傳感器/儀器來監(jiān)測海底物理、化學(xué)、地質(zhì)等參量以及生物過程的?；W(wǎng)絡(luò)設(shè)施，主要由岸基遠(yuǎn)程控制中心、海底光電復(fù)合纜（即有中繼海底光纜通信系統(tǒng)）、海底觀測傳感器/儀器及相應(yīng)適配器組成。海底觀測網(wǎng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]。通常按照主要基礎(chǔ)設(shè)施的功能把海底觀測網(wǎng)劃分為通信系統(tǒng)和電力系統(tǒng)，提供了通信、監(jiān)控、授時和供電的主要功能。

圖1 海底觀測網(wǎng)總體物理結(jié)構(gòu)

1.2 國內(nèi)外典型海底觀測網(wǎng)簡介

1.2.1 國外觀測網(wǎng)簡介

自20世紀(jì)90年代，世界上主要海洋強(qiáng)國開始建設(shè)了海底觀測站，到本世紀(jì)初進(jìn)一步發(fā)展為海底科學(xué)觀測網(wǎng)。

（1）美國

20世紀(jì)末期美國開始建設(shè)基于海底光纜的海底科學(xué)觀測站。1996年美國建設(shè)了長期生態(tài)觀測站（Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters，LEO-15）[4]，并于2005年進(jìn)行了重大升級[5]。1997年又建設(shè)了夏威夷水下地學(xué)觀測站（Hawaii Undersea Geo Observatory，HUGO）[6]。2000 年在埃德加頓南岸建立了馬薩葡萄園島海岸觀測站（Martha’s Vineyard Coastal Observatory，MVCO）[7]。隨后21世紀(jì)初又建立蒙特利灣海底長期三分量地震臺站（MOBB），燈塔海洋研究計劃Ⅰ期錨系觀測網(wǎng)（LORI-Ⅰ），MARS（Monterey Accele-rated Research System）系統(tǒng)[8]，LORI-Ⅱ有纜觀測網(wǎng)等規(guī)模比較小的觀測設(shè)施。2011年美國開始建設(shè)安裝OOI海底觀測網(wǎng)（Ocean Observatories Initiative）[9]，并于2016建成使用。美國OOI觀測網(wǎng)作為世界上最先進(jìn)的海洋觀測網(wǎng)，擁有共有47類傳感器構(gòu)成了759個傳感器，分布在大西洋和太平洋的南北半球[10]，總體上可分為分為區(qū)域網(wǎng)（Regional Scale Nodes，RSN）、 近 岸 網(wǎng)（Coastal Scale Nodes，CSN）和全球網(wǎng)（Global Scale Nodes，GSN）三大部分。其中區(qū)域網(wǎng)RSN是基于海底光纜的觀測網(wǎng)，海底光纜總長度為900 km，敷設(shè)最大深度為3 000 m，提供了最大200 kW的總功率和240 Gbit/s的通信總帶寬，近岸網(wǎng)CSN和全球網(wǎng)GSN主要是采用錨系和水下機(jī)器人等檢測方式。

（2）加拿大

2006年2月加拿大在維多利亞和溫哥華附近淺海建立了，水深300 m以內(nèi)的金星海底觀測網(wǎng) （Victoria Experimental Network Under The Sea，VENUS）[11]，主要用于試驗和教學(xué)。加拿大西北太平洋時間序列觀測網(wǎng)（North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment，NEPTUNE）位于胡安·德富卡板塊的北部[12-13]，于2009年12月正式運(yùn)行。該觀測網(wǎng)擁有主干海光纜800 km，分支海光纜120 km，以及5個海底觀測站[14]，提供了60 kW的總功率和10 Gbit/s的通信帶寬，并通過海底光纜網(wǎng)絡(luò)和全深度錨系系統(tǒng)觀測水下17米至2660米深度海洋信息。

（3）日本

2003年日本提出了新型實時海洋觀測網(wǎng)（Advanced Real-Time Earth Monitoring Network in the Area，ARENA）的提案，重點用于海底地震、火山、海嘯以及后期能源開發(fā)的研究，目前也在向海洋生物、水聲監(jiān)測、海洋動力環(huán)境等研究方向擴(kuò)展。2006年日本開始建設(shè)地震海嘯密集海底觀測網(wǎng)絡(luò)（Dense Oceanfloor Network system for Earthquakes and Tsunamis，DONET）[15]，用于日本東南方向海域地震監(jiān)測和海嘯預(yù)警。該觀測網(wǎng)又包括DONET1和 DONET2海底觀測網(wǎng)。DONET1于2011年建設(shè)完成，由5個科學(xué)節(jié)點連接22各觀測點，DONET2于2016年建設(shè)完成，由7個科學(xué)節(jié)點連接29各觀測點。這些觀測節(jié)點平均間距為15到20 km，從而覆蓋了近岸到海槽的廣大區(qū)域[16]。2011年日本東北部太平洋海域強(qiáng)烈地震引發(fā)的海嘯災(zāi)難，促使日本于2013年開始建設(shè)了日本海溝海底地震海嘯觀測網(wǎng)（即S-net網(wǎng)）。S-net網(wǎng)在日本東邊海岸和日本海溝之間，每間隔30 km埋設(shè)了共150個帶有地震儀和海嘯計的傳感觀測節(jié)點，總計覆蓋約25萬平方公里的海域，是迄今為止規(guī)模最大的海底光纜觀測網(wǎng)絡(luò)[17]。

（4）歐洲

20世紀(jì)末，歐洲國家開始建立自己的觀測網(wǎng)。2004年歐洲國家開啟了歐洲海底觀測網(wǎng)（European Sea Observatory NETwork，ESONET）計劃，在大西洋、地中海、北冰洋等海域精選海域建設(shè)了十多個多功能的海底觀測網(wǎng)，使用了約5 000 km的海底光纜。每個觀測子網(wǎng)都有各自方向。迄今為止，有ESONET有英國、德國、法國、意大利等14個歐洲國家，50多家機(jī)構(gòu)和企業(yè)，約300名科學(xué)家、工程師和技術(shù)人員參與其中[18]。ESONET包括2002年至2007年，建成的ESONET-CA計劃， 2007年至2011年建設(shè)的ESONET-NoE計劃，以及2007年開始建設(shè)的EMOS（European Multidisciplinary Seafloor Observatory）計劃[19]，針對不同海域，進(jìn)行多學(xué)科和跨學(xué)科的研究。

1.2.2 國內(nèi)觀測網(wǎng)簡介

我國海底觀測網(wǎng)研究建設(shè)工作起步較晚，總體上可分為三個階段：2006年至2009年是關(guān)鍵技術(shù)驗證階段，2009年至2016年是小范圍建設(shè)試驗階段，自2017年開始進(jìn)入規(guī)模化建設(shè)階段，形成了政府為首、科研機(jī)構(gòu)牽頭，企業(yè)積極參與配合協(xié)作的模式，推動我國海底觀測網(wǎng)快速發(fā)展。2006年，同濟(jì)大學(xué)在上?？莆馁Y助下開始了海底觀測網(wǎng)技術(shù)科研攻關(guān)，2011年，浙江大學(xué)等研制的ZERO系統(tǒng)與美國MARS海底觀測網(wǎng)絡(luò)并網(wǎng)試驗[20]和山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所開展的海底觀測網(wǎng)絡(luò)岸邊實驗[21]，標(biāo)志我國海底觀測網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的已達(dá)實用要求。

東海方向，同濟(jì)大學(xué)于2009年，在洋山國際深水港東南約20 km的小衢山島附近建成了東海海底聯(lián)網(wǎng)觀測小衢山試驗站[22]。2011年，在小衢山試驗站的基礎(chǔ)上，又布設(shè)了總長度約750 km的環(huán)型觀測網(wǎng)，主要以多普勒聲學(xué)海流儀、濁度儀監(jiān)測海洋信息用于科學(xué)研究[23]。2015年，牽頭實施的十二五“863”計劃組成東海淺海海底觀測網(wǎng)[24]。

南海方向，2009年10月，在海南陵水附近海域開始布設(shè)了我國第一條海底光纖探測系統(tǒng)。2012年，科技部依托陵水基地建設(shè)我國首個“南海海底觀測網(wǎng)試驗系統(tǒng)”[25]。目前該海底觀測網(wǎng)已經(jīng)完成100 km左右的建設(shè)，最大水深1700 m。2013年，南海首個海底觀測示范系統(tǒng)在三亞建成[24]。該系統(tǒng)主要由2 km的海底光纜連接3套觀測設(shè)備構(gòu)成，規(guī)模較小，但功能相對完整。

2017年3月，國家發(fā)改委正式批復(fù)了《海底科學(xué)觀測網(wǎng)國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項目建議書》。同濟(jì)大學(xué)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，在我國東海和南海關(guān)鍵海域建設(shè)基于海底光纜連接的海底科學(xué)觀測網(wǎng)，實現(xiàn)全天候、實時和高分辨率的多維度立體綜合觀測，用以開展科學(xué)研究和國內(nèi)外交流[26]。

2 海底科學(xué)觀測網(wǎng)拓?fù)鋺?yīng)用研究

2.1 國內(nèi)外海底科學(xué)觀測網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

海底觀測網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)根據(jù)其主干海底光纜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般分為線型、環(huán)型、總線型、樹型等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。美國OOI觀測網(wǎng)為線型結(jié)構(gòu)[27]，加拿大的NEPTUNE[13]和日本的DONET[15]和S-net[28]為環(huán)型結(jié)構(gòu)，而日本的ARENA[29]為網(wǎng)型結(jié)構(gòu)。歐洲ESONET是由不同海域的區(qū)域網(wǎng)組成，并非完整的區(qū)域性觀測網(wǎng)絡(luò)[18]。國內(nèi)同濟(jì)大學(xué)建設(shè)的小衢山試驗站為單點系統(tǒng)[22]，東海海底觀測網(wǎng)為環(huán)型結(jié)構(gòu)[23]。南海的早期建設(shè)的觀測系統(tǒng)為線型結(jié)構(gòu)[24-25]。國內(nèi)外普遍采用了線型和環(huán)型，基本滿足了科學(xué)觀測網(wǎng)絡(luò)的需求，但隨著海洋資源進(jìn)一步開發(fā)，人為因素造成海底光纜阻斷事件逐年增加，簡單拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的海底光纜通信可靠性已經(jīng)大不如前，更加自愈性更強(qiáng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是下一步發(fā)展的重點。2018年12月25日，據(jù)《俄羅斯報》報道，俄羅斯已經(jīng)開始測試“狀態(tài)-6”無人核潛艇（海洋多用途武器系統(tǒng)，俄羅斯軍隊稱之為“波塞冬”核動力水下無人潛航器）。這無疑又開啟了水下戰(zhàn)場軍備競賽，海洋觀測網(wǎng)絡(luò)必然在“矛”與“盾”的較量中得到大力發(fā)展。水聲通信是當(dāng)前觀測海洋深處的水下無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要通信手段[30]。水聲通信的衰減是隨頻率指數(shù)上升，且?guī)捳俾实?，距離有限。聲波的頻率在可1 kHz時可以傳幾十甚至上百公里，10 kHz時可傳十多公里，100 kHz時只能傳幾百米，1 MHz時就只能傳幾米[31]。因此我們需要柵格化的海底光纜通信系統(tǒng)，支撐海底觀測網(wǎng)絡(luò)。

2.2 海底科學(xué)觀測網(wǎng)的拓?fù)湓O(shè)計

柵格是指將空間分割成有規(guī)律的，大小均勻緊密相鄰的網(wǎng)格陣列。文獻(xiàn)[32]提出了正三角形和正方形單元格的柵格化方案，通過仿真，當(dāng)觀測區(qū)域?qū)挾却笥?00 km時，正方形單元格柵格具有更優(yōu)秀覆蓋效率[33]。本文提出基于正方形單元格柵格化海底光通信的科學(xué)觀測網(wǎng)拓?fù)洌鐖D2所示。這種拓?fù)湟詵鸥窕暮５坠饫|通信網(wǎng)為基礎(chǔ)，在一級節(jié)點上接駁二級節(jié)點和無線接入節(jié)點，其中一級節(jié)點布設(shè)在海底，二級節(jié)點布設(shè)在海底地面之下，海底，或者和無線接入節(jié)點一起根據(jù)需要在不同水深布設(shè)。由二級節(jié)點接駁觀測設(shè)備，實現(xiàn)海底光纜通信網(wǎng)區(qū)域內(nèi)觀測的全覆蓋，無線接入節(jié)點實現(xiàn)水下潛航器、移動觀測設(shè)備等接入從而實現(xiàn)海底地下到海洋水面之間的立體水體觀測，根據(jù)布設(shè)的觀測設(shè)備實現(xiàn)對海洋物理、地質(zhì)、化學(xué)、生物等信息的觀測，在軍事領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)警戒網(wǎng)。本文提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢有：

（1）柵格化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使海底觀測網(wǎng)設(shè)備節(jié)點有冗余的接入線路，從而大幅提高海底觀測網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

（2）在一級節(jié)點上接駁水聲無線接入節(jié)點可以滿足移動觀測設(shè)備和無人潛航器等水下移動單元的通信需求，擴(kuò)大移動觀測節(jié)點布放和觀測范圍，擴(kuò)展了海底觀測網(wǎng)絡(luò)的功能。

（3）參照陸上光纜通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，可以預(yù)見海底光纜通信網(wǎng)必然作為基礎(chǔ)設(shè)施得到大力發(fā)展，柵格化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的海底光纜通信網(wǎng)為海底通信提供寶貴的路由資源。

（4）以海底光纜通信網(wǎng)為基礎(chǔ)為海底科學(xué)觀測網(wǎng)和水聲通信網(wǎng)提供高通信帶寬、遠(yuǎn)程供電能源、水下設(shè)備接駁技術(shù)。符合信息傳輸網(wǎng)、預(yù)警探測網(wǎng)和傳感器網(wǎng)絡(luò)的“三網(wǎng)合一”發(fā)展要求[34]，具有較大的發(fā)展升級空間。

圖2 基于柵格化海底光通信網(wǎng)的海底觀測網(wǎng)拓?fù)涫疽鈭D

3 總結(jié)與展望

海底觀測技術(shù)是人類研究探索和開發(fā)利用海洋的關(guān)鍵技術(shù)，是一個國家綜合實力的重要體現(xiàn)。近年來，美國、日本、加拿大和歐洲等國都建立了自己的海洋監(jiān)測系統(tǒng)。我國的海底觀測技術(shù)起步較晚，經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前我國已經(jīng)初步具備了從海底觀測網(wǎng)基礎(chǔ)材料研究到海底觀測的接駁技術(shù)、信息傳輸技術(shù)、控制技術(shù)的工程應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)已達(dá)到國際先進(jìn)水平。

海底科學(xué)觀測技術(shù)是海洋科學(xué)發(fā)展的新興技術(shù)，雖然已經(jīng)實際應(yīng)用多年，但仍然是各國研究的熱門技術(shù)，發(fā)展前景依然廣闊。

（1）隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，海底光纜工程建設(shè)技術(shù)進(jìn)一步成熟，海底觀測網(wǎng)絡(luò)將向網(wǎng)格化發(fā)展，其通信能力、規(guī)模、以及健壯性都將進(jìn)一步提升。

（2）光纖傳感技術(shù)具備容量大、傳輸距離遠(yuǎn)、低能耗傳感、多參數(shù)傳感等優(yōu)點成為今年來研究應(yīng)用的熱門傳感技術(shù)，可以預(yù)見，下一步分布式光纖傳感技術(shù)也將廣泛應(yīng)用于海底觀測網(wǎng)絡(luò)。

（3）海底觀測技術(shù)在海洋科學(xué)研究，海洋開發(fā)利用，防災(zāi)減災(zāi)，國防安全等領(lǐng)域發(fā)揮著極大的作用。我國作為一個擁有約470萬平方公里水域面積海洋大國，海上國土安全防御對于海底觀測網(wǎng)的需求十分迫切。加之，海底觀測網(wǎng)絡(luò)前期建設(shè)投入巨大，軍民融合是我國海底觀測網(wǎng)發(fā)展的必然趨勢。