國外海軍無人平臺及其通信技術發(fā)展研究?

祝 祥 費 禮

（1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)第五軍事代表室 武漢 430205）（2.中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430205）

1 引言

近年來，全球海域局勢發(fā)生了深刻而復雜的變化。為了在未來信息化條件下的海上局部對抗中取得主動和先機，世界各國爭相發(fā)展新型海上力量。其中，隨著海軍裝備向信息化、智能化方向發(fā)展步伐的加快，無人平臺逐漸在海戰(zhàn)場環(huán)境中嶄露頭角。無人平臺具有隱蔽性好、生命力強、造價低廉、不懼傷亡、收發(fā)簡單和操作靈活等優(yōu)勢，可深入惡劣、危險環(huán)境執(zhí)行任務，可擔負多種軍事作戰(zhàn)任務，將深刻影響和改變未來海上作戰(zhàn)方式，已成為國際強國爭相發(fā)展的海上軍用裝備[1～2]。

海軍無人平臺以無人潛航器、水面無人艇、空中無人機為主要代表。其中，無人潛航器能夠承擔水下偵察/探測、反潛作戰(zhàn)、反水雷等任務；水面無人艇能夠承擔情報收集、海上攔截/封鎖、對艦攻擊、電子戰(zhàn)等任務；空中無人機能夠完成空中偵察、目標識別定位、通信中繼、戰(zhàn)場評估等任務[3～5]。在未來海戰(zhàn)中，信息是制勝關鍵。同時，隨著執(zhí)行任務復雜度的日益增加，以及反無人平臺的措施越來越多，單一無人平臺執(zhí)行任務將面臨越來越多的困難，迫切需要多平臺協(xié)同作戰(zhàn)。因此，無人平臺、有/無人平臺間信息交互的需求越來越突出，相應的通信技術發(fā)展逐漸被人們關注。

根據(jù)搭載的平臺不同和任務需要，海軍無人平臺的通信載荷需要擔負戰(zhàn)時目標指示、攻擊制導、通信中繼、電子干擾攻擊、戰(zhàn)場評估、信息中繼、抵近精確打擊信息保障與信息防御等多重使命，為無人平臺達成作戰(zhàn)使命任務提供可靠、有效的通信保障。本文圍繞無人潛航器、水面無人艇、空中無人機三種主要海軍無人平臺，在論述平臺發(fā)展情況的基礎上，重點闡述它們通信技術的發(fā)展情況，為我國海軍無人裝備發(fā)展提供借鑒和參考。

2 國外無人平臺發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 無人潛航器

無人潛航器誕生于20世紀50年代末，當時主要用于海洋科學研究。20世紀80年代～90年代，隨著小型化組合導航、遠程水下通信、小型低能耗計算機等技術的突破，無人潛航器具備半自主控制能力，但由于成本達數(shù)百萬美元，未正式裝備。20世紀90年代末，上述技術進一步成熟，成本明顯降低，并在民用領域廣泛應用，反水雷等功能的無人潛航器開始裝備部隊。21世紀以來，無人潛航器的自主水平和動力裝置水平等進一步提高，其任務開始向反潛、水下偵察等領域擴展。

美國于2007年將各類無人系統(tǒng)進行了統(tǒng)籌規(guī)劃，統(tǒng)一發(fā)布了《無人系統(tǒng)路線圖》，每兩年對無人系統(tǒng)發(fā)展規(guī)劃進行滾動修訂并發(fā)布。根據(jù)規(guī)劃，美國海軍將進一步開發(fā)無人潛航器自主能力、能源和推進技術，傳感器和信號處理技術，通信和導航技術以及作戰(zhàn)和人工干預技術等[6]。歐洲防務局于2010年發(fā)布了《海上無人系統(tǒng)方法與協(xié)調(diào)路線圖》，提出重點突破傳感器、平臺、通信、指控、自主控制、反水雷等關鍵技術；采用按需、量力而為的策略，根據(jù)各國需求和能力設定關鍵技術發(fā)展次序。至今大約有數(shù)千艘各種用途的無人潛航器已在軍用和民用領域得到應用，美國、西歐等發(fā)達國家已研制成功數(shù)十型實用化裝備。

2.2 無人水面艇

無人水面艇的歷史最初可追溯到二戰(zhàn)時期，那時它們只是被作為一次性的自殺性武器使用。20世紀90年代以來，隨著計算機、通信和自動化技術的迅速發(fā)展，無人水面艇初步實現(xiàn)了自主控制，其任務系統(tǒng)逐步呈現(xiàn)出多樣化的特點。2000年至今，無人水面艇迎來了真正的活躍期，美國、以色列等發(fā)達國家引領無人艇進入新的發(fā)展階段。

為了規(guī)范無人艇的發(fā)展和應用，美國發(fā)布了《海軍無人艇主計劃》等指導性文件?！逗＼姛o人艇主計劃》中確定了無人艇的任務和角色，重點集中在反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、海上安全、反艦戰(zhàn)、支持特種作戰(zhàn)部隊、電子戰(zhàn)、支持海上封鎖戰(zhàn)等七大任務上，計劃解決自主、避障與避碰、威脅規(guī)避、自動目標識別、載荷自主部署與回收、通用控制、武器投送、無人艇從母艇上布放與回收等技術與工程問題，為無人艇的應用打下基礎[4]。世界各國或是參照美國或是自主制定，均形成了各自的發(fā)展計劃或路線。目前，各國發(fā)展并裝備的無人艇多為集反水雷戰(zhàn)、反潛戰(zhàn)、信息/電子戰(zhàn)等多種能力于一體的多功能無人艇。例如：美國的遙控獵雷系統(tǒng)（RMS）、“海狐”和“斯巴達偵察兵”等，以色列的“保護者”、“黃貂魚”、“銀色馬林魚”、“海星”等。

2.3 空中無人機

無人機的誕生要追溯到第一次世界大戰(zhàn)，用于在敵方目標區(qū)投放炸彈。20世紀90年代，由于航空技術的迅猛發(fā)展，無人作戰(zhàn)飛機引來了難得的發(fā)展機遇。美國先后啟動了空軍的無人作戰(zhàn)飛機計劃、海軍的艦載無人作戰(zhàn)飛機先進技術計劃以及由這兩個計劃綜合的聯(lián)合無人空戰(zhàn)系統(tǒng)（J-UCAS）計劃，在無人作戰(zhàn)飛機的研制方面，遠遠走在了各國的前面。

2005年，美國國防部簽署了《2005～2030年美國無人機系統(tǒng)發(fā)展路線圖》，《路線圖》對無人機的任務等級需求進行了探討，給出了常用4型無人機系統(tǒng)（小型、戰(zhàn)術、戰(zhàn)區(qū)、作戰(zhàn)）必須能夠遂行的18項任務（如：偵察、信號處理、水雷探測/反水雷、目標精確定位、通信中繼、武器攻擊、戰(zhàn)場搜索與救援等），并對無人機在未來戰(zhàn)爭中的作用進行了專門論述。

美軍已經(jīng)研制的無人機型號有近60種，最具代表性的是空軍“捕食者”、“全球鷹”等無人機。近年來，美海軍研制了MQ-4C廣域海上監(jiān)視無人機、X-47B無人作戰(zhàn)飛機、鸕鶿潛射無人機等適應海戰(zhàn)需要的新型無人機[5，7]。其中，X-47B無人作戰(zhàn)飛機是第一款能夠實現(xiàn)在航母上起降的全新無人機，航程接近F-35戰(zhàn)機兩倍，時速達到800km，最大飛行高度約為12000m，具備空中加油能力和高隱身性能，2013年7月在“喬治·布什”號航空母艦上成功實現(xiàn)了該型無人機的起降飛行驗證。

3 國外無人平臺通信技術發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 無人潛航器通信現(xiàn)狀

無人潛航器需重點發(fā)展水下通信技術，主要采用光纖有線通信、低頻通信、水聲通信，同時也采用無線電通信及衛(wèi)星通信等通信手段，一般配置光纖信號電纜、低頻接收機、水聲調(diào)制解調(diào)器、無線電高頻調(diào)制解調(diào)器、衛(wèi)星通信接收機等通信設備。例如：美國遠期水雷偵察系統(tǒng)配有水聲通信、衛(wèi)星通信和無線電通信手段，可將它探測到的所有與水雷相似的物體圖像通過水聲或無線電通信設備發(fā)送回母艇；美國“海馬”無人潛航器配有無線電通信、衛(wèi)星通信和水聲通信系統(tǒng)，保證其與潛艇的通信聯(lián)絡；俄羅斯MT-88型航行器配備超短波電臺和衛(wèi)星通信終端，以保障無人潛航器完成通信任務[8]。

對于無人潛航器衛(wèi)星和無線電通信，美國國防部的一項研究報告指出，高軌衛(wèi)星可應用于對無人潛航器的通信。通信頻段主要采用225MHz～400MHz的UHF頻段，通信速率為每秒傳輸幾十至幾千比特，調(diào)制方式采用正交相移鍵控（QPSK），并確定時分多址（TDMA）技術是在不利的海洋射頻環(huán)境中最適合的通信方式。同時，軍用標準MIL-STD-188-182B/183B/184（1）/185（2）等對終端接入模式、幀結構、時序要求、協(xié)議、空中服務和接口等方面做了規(guī)定。

此外，受限于無人潛航器的載荷體積，其搭載的通信設備應最大程度地做到小型化設計。綜合網(wǎng)絡報道，美國Pharad公司研發(fā)了一種寬帶、小體積的緊湊型天線，可以直接安裝在無人潛航器通信桅桿上（如圖1所示）。這種天線系統(tǒng)支持超高頻視距通信 UHF LOS（225MHz～400MHz）、按需分配多址衛(wèi)星通信DAMA SATCOM（240MHz～320MHz）和移動用戶目標系統(tǒng)衛(wèi)星通信MUOS SATCOM（280MHz～380MHz），天線高度集成，其形狀很適合裝載到無人潛航器上。

圖1 美國Pharad公司研發(fā)的無人潛航器桅桿天線

近年來，隨著水下信息網(wǎng)的快速發(fā)展，為了滿足高速水下信息互聯(lián)需求，藍綠光通信技術逐漸應用于無人潛航器通信[9]。2017年10月，日本報道其研究出了通信距離120m、雙向傳輸速率為20Mbit/s的水下光通信產(chǎn)品[10]。可以看出，國外無人潛航器通過多種手段可與水下固定設施、艦機平臺、衛(wèi)星等實現(xiàn)通信鏈接，進行數(shù)據(jù)交換，并作為水下信息網(wǎng)格的重要節(jié)點，支持“互聯(lián)、互通、互操作”的水下網(wǎng)絡鏈接能力，并以此實現(xiàn)與潛艇、特種作戰(zhàn)兵力、其他無人潛航器、水面艦等的通信聯(lián)絡。

3.2 無人水面艇通信現(xiàn)狀

從國外公開的水面無人艇資料分析，無人水面艇基本上配備了衛(wèi)星天線、超短波天線和GPS天線，可以推測主要通過衛(wèi)星和超短波進行控制和通信。超短波主要用于視距高速數(shù)據(jù)傳輸，衛(wèi)星通信用于遠距離數(shù)據(jù)傳輸。

依靠高效的通信手段，無人水面艇協(xié)同作戰(zhàn)逐漸被世界各國關注。美國國防高級研究計劃局從2000年開始啟動了“無人集群戰(zhàn)役研究”計劃，進行集群作戰(zhàn)研究，并于2014年8月在弗吉尼亞州詹姆士河上進行了13艘無人水面艇（8艘遙控、5艘自主控制）組成的集群作戰(zhàn)演示[11]。2016年10月，美國海軍研究署再次開展了無人水面艇集群試驗，在16平方海里海域內(nèi)，4艘無人水面艇成功集群實現(xiàn)自主目標探測與識別、跟蹤、巡邏，整個控制回路無需人工參與，首次真正實現(xiàn)了集群作戰(zhàn)。

3.3 空中無人機通信現(xiàn)狀

國外無人機重點采用衛(wèi)星、微波、超短波等通信手段，并發(fā)展綜合化通信中繼載荷，適應多種作戰(zhàn)通信保障需要[12]。

“捕食者”無人機上配備的主要通信手段包括5.25GHz～5.85GHz的C頻段的視距數(shù)據(jù)鏈和12.5GHz～18GHz的Ku頻段衛(wèi)通數(shù)據(jù)鏈，并配有30MHz～512MHz頻段的ARC－210超短波電臺，用于空管話音中繼通信和指控備份。其中C波段下行速率4.5Mbps，Ku衛(wèi)通下行速率最高可達50Mbps。“全球鷹”的機載綜合化通信系統(tǒng)可為“全球鷹”無人機提供5條通信鏈路，包括3條窄帶鏈路和2條寬帶鏈路。MQ-4C廣域海上監(jiān)視無人機配置多體制通信手段，可實現(xiàn)360°、最大作用半徑540km的空中通信。

由于無人機可較長時間處于高空，通信信號可覆蓋一定范圍，發(fā)達國家已開展無人機戰(zhàn)場中繼通信應用研究，作為衛(wèi)星通信的有效補充，實現(xiàn)特定區(qū)域的信息無縫覆蓋[13]。美軍的4架EQ-4B“全球鷹”無人機搭載“戰(zhàn)場機載通信節(jié)點”設備，具備UHF、L、Ku、Ka多頻段通信中繼能力，支持圖像、視頻、話音和數(shù)字文電的無縫傳輸。以色列Satixfy公司利用無人機平臺實現(xiàn)Ku頻段寬帶中繼通信，載荷采用8幅天線實現(xiàn)下視180°全向覆蓋，具備36Mbps通信能力。

4 無人平臺通信關鍵技術

從國外發(fā)展情況可以看出，國外軍事強國在制定其無人平臺發(fā)展戰(zhàn)略時，均將通信技術發(fā)展放在重要位置，以保障無人平臺順利完成作戰(zhàn)任務。結合工程實踐，總結國外技術發(fā)展現(xiàn)狀，梳理分析無人平臺通信關鍵技術主要有以下幾種。

4.1 衛(wèi)星通信技術

衛(wèi)星通信技術被廣泛應用于水下、水面、空中各種無人平臺中，是目前及今后一個時期無人平臺主要的遠程高速通信手段。根據(jù)平臺類型不同，具體技術有所不同。無人潛航器上，多采用小型化全向衛(wèi)星天線并與其它頻段天線集成，通信頻段和通信速率相對較低（如：UHF頻段、速率幾十至幾千比特/秒），僅在平臺浮出水面時短時間使用；無人水面艇上，可采用帶伺服機構的較大尺寸高增益天線，通信頻段有S/Ku/Ka等多種更高頻段，通信速率也較高，需保證隨時對外通信；空中無人機上，衛(wèi)星通信天線多采用相控陣共形設計，保證無人機的流線外形，通信速率較高（可達數(shù)十兆比特/秒），并通常應用于數(shù)據(jù)鏈通信，保障各種戰(zhàn)術數(shù)據(jù)信息傳輸。

4.2 無線電通信技術

除了衛(wèi)星通信，各種無人平臺還廣泛采用短波、超短波、微波等無線電通信手段。短波通信主要保障遠程通信，與衛(wèi)星通信不同，它利用電離層反射實現(xiàn)天波遠距離傳輸，不依賴信號中轉，抗毀性較強，但為保證通信性能，需較長天線和較大功率，在重要且空間充足的無人平臺上可以配置。超短波和微波通信手段主要保障近距離高速通信，其中空中無人機還常配置有微波數(shù)據(jù)鏈，從而實現(xiàn)戰(zhàn)術信息互聯(lián)。

此外，無人潛航器還可能采用一類特殊的無線電通信——低頻通信。低頻通信采用頻率低于300kHz的電磁波進行無線通信，目前主要有甚低頻和超低頻兩種手段[8]。由于低頻電波發(fā)射需采用大功率發(fā)射機和超大尺寸天線，因此無人潛航器上不安裝發(fā)射設備，僅單向接收低頻信號。同時，由于低頻通信頻帶較窄、速率較低，主要用于向無人潛航器發(fā)送簡短指揮信息或振鈴喚醒信息等。

4.3 水聲通信技術

水聲通信可用于完成水下目標之間、水下目標與水面目標之間的雙向通信，因此被配置于幾乎所有的無人潛航器和部分無人水面艇上。水下聲信道與無線電信道不同，水下聲波的傳播速率比電磁波的速率低五個數(shù)量級，導致水環(huán)境中的數(shù)據(jù)傳播速率較低，從而增加了傳播時延[8]。此外，傳統(tǒng)水聲通信在海洋環(huán)境中受水體對聲能的吸收衰減、海洋環(huán)境噪聲、海水信道隨機多徑干擾等影響，通信效果一直不佳。研究發(fā)現(xiàn)，海面下600m～2000m之間存在一個聲道，在該聲道中，聲波可傳輸?shù)綌?shù)千公里之外[14]。針對無人潛航器通信需求，結合超深聲道遠程傳播特點，研究聲波在特定聲道下的傳播機理，采用擴頻、多元信號并行、混沌序列等技術克服海浪、海涌、溫度、密度等對聲波有效傳播的影響，將能實現(xiàn)水聲通信性能的提升。

4.4 光通信技術

光通信由于頻帶寬、速率高，可以滿足無人平臺高速數(shù)據(jù)傳輸需要，特別是，近年來水下光通信技術的發(fā)展給無人潛航器水下近距離高速通信提供了一種手段。海水對藍綠光（波長450nm～550nm）存在低損耗窗口，從而使藍綠光穿透海水數(shù)百米，但惡劣環(huán)境中海水雜質(zhì)粒子會對藍綠光產(chǎn)生散射及吸收作用，光通信的兩端還需進行較好的對準捕獲方能高速通信。上述技術問題的進一步攻克，將有助于水下光通信技術向實用化推進。

4.5 集群組網(wǎng)技術

針對無人平臺各通信手段在鏈路質(zhì)量、時延、網(wǎng)絡拓撲變化方面的差異，借鑒傳統(tǒng)的自組織網(wǎng)絡技術，可以實現(xiàn)同類型無人平臺的集群組網(wǎng)或跨介質(zhì)的異構組網(wǎng)。目前，國外無人艇、無人機等依托面向超短波/微波通信的組網(wǎng)技術，已經(jīng)開展了無人平臺集群無線自組織網(wǎng)絡構建和作戰(zhàn)演示。未來，無人潛航器的水聲組網(wǎng)或其他手段組網(wǎng)，以及跨介質(zhì)異構組網(wǎng)將成為發(fā)展方向，還需重點開展技術研究。

5 對我國裝備技術發(fā)展的啟示

國外軍事強國十分重視發(fā)展無人裝備及其通信技術，在其發(fā)展過程中形成的經(jīng)驗做法以及技術趨勢值得我國借鑒，可用作我海軍無人裝備發(fā)展的參考和對照?？偨Y國外發(fā)展情況，我海軍無人平臺及其通信技術的發(fā)展有如下啟示。

一是制定專門的發(fā)展計劃或路線圖。無人平臺是一類特殊的裝備，有其自身的特點和發(fā)展規(guī)律，需要專門研究和制定發(fā)展計劃。美國等軍事強國針對無人平臺或系統(tǒng)制定專門的發(fā)展計劃或路線圖，并且分軍兵種、分平臺類型、分作戰(zhàn)使用、分不同載荷制定更加細化的計劃，用以指導相關研制工作的開展。目前，無人平臺尚屬于新興領域，我國具備與國外軍事強國一較高下、彎道超車的可能。我海軍需要提前謀劃、整體梳理，形成具備指導作用的發(fā)展計劃并將其貫徹執(zhí)行。

二是重點發(fā)展高速數(shù)據(jù)傳輸技術。海軍無人平臺成功遂行各項任務需要強有力的通信技術作為保障。根據(jù)無人平臺的任務類型，數(shù)據(jù)通信是其主要方式，并且隨著聯(lián)合作戰(zhàn)體系的發(fā)展，高速實時的數(shù)據(jù)傳輸將成為無人平臺的突出通信需求。國外大力發(fā)展并依靠衛(wèi)星通信、微波通信、激光通信等手段實現(xiàn)海上、空中、水下的無人平臺高速數(shù)據(jù)傳輸。我軍應加強相關通信手段的研究以及衛(wèi)星網(wǎng)絡、水下信息網(wǎng)等基礎設施的建設，海軍無人平臺應著重利用好上述通信手段實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。

三是通信載荷向著小型化、模塊化方向發(fā)展。無人平臺通常體積小、重量輕、搭載能力有限，而其一般需配置多種通信手段綜合保障任務達成。這就要求通信載荷在滿足各方面功能性能要求的同時，最大程度地開展小型化、綜合化設計，一款設備具備多種功能并滿足適裝性要求。同時，不同平臺通信需求有所不同，同一平臺也需搭載不同手段，通信載荷應做到模塊化、標準化，可適配多種無人平臺，實現(xiàn)通用化。

四是采用多種手段突破水下通信瓶頸。海軍無人平臺的重要特色在于水下的無人潛航器。水下通信一直是困擾各國海軍的難題，無人潛航器又需要在水下實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，對通信技術提出了更高要求。為此，世界各國海軍研究利用低頻通信、水聲通信、激光通信、衛(wèi)星通信等多種手段滿足其水下通信需求，并結合水下信息網(wǎng)建設提供更高速快捷的通信接入。我海軍發(fā)展無人平臺應將水下通信作為一個專門課題進行研究，實現(xiàn)水下通信瓶頸的突破。

6 結語

無人平臺是海軍一類特殊的作戰(zhàn)平臺，是未來海戰(zhàn)的“力量倍增器”，已成為國外軍事強國爭相發(fā)展的新型裝備。無人平臺的通信傳輸主要根據(jù)任務需求，為無人－有人平臺間、無人－無人平臺、無人－固定節(jié)點間提供可靠、有效的通信保障，支撐無人平臺或其群組履行多重使命任務。國外軍事強國已經(jīng)在無人平臺及其通信技術方面取得了長足的進步，通過分析其發(fā)展情況，總結梳理了對我國裝備發(fā)展的啟示，為我國海軍無人裝備發(fā)展提供借鑒和參考。