水下綜合通信定位識別一體化技術(shù)研究

周磊，張鍇

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

0 概述

水下綜合通信定位識別一體化技術(shù)是利用水聲信道和衛(wèi)星信道將水上/水下的作戰(zhàn)平臺鏈接成一體化作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，通過水聲信息傳輸控制與交換處理，實現(xiàn)水下鏈路通信、定位與識別等多個功能，通過水下信息與指控信息綜合處理與集成應(yīng)用，實現(xiàn)水下作戰(zhàn)平臺與水面、陸地、空中的各種作戰(zhàn)平臺融為一體，支撐構(gòu)建覆蓋水下作戰(zhàn)信息系統(tǒng)的全集成、大立體網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)信息系統(tǒng)。

水下綜合通信定位識別一體化系統(tǒng)是以滿足未來水下一體化作戰(zhàn)軍事需求為牽引，集水下定位、信息傳輸與交互、目標(biāo)識別以及水下信息與指控信息綜合處理與集成應(yīng)用為一體的綜合信息系統(tǒng)。它采用組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)水下多平臺以及水下平臺與水面平臺間的信息交互、網(wǎng)內(nèi)成員間的精確定位與識別。

1 國外研究現(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。為了構(gòu)建水下作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)，20世紀(jì)90年代中期，美國空間與海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部提出“飛行插入”（Flying Plug）概念并進(jìn)行了試驗；1998年開展了稱為“海網(wǎng)”（Seaweb）的年度實驗，取得了很多實用成果；2004年成功進(jìn)行了“海鷹”（Seaeagle）先進(jìn)概念技術(shù)實驗；在美國海軍潛艇聯(lián)合會舉行的2006年潛艇技術(shù)論壇上，披露了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的水下網(wǎng)絡(luò)計劃之一——美國“近海水下持續(xù)監(jiān)視網(wǎng)”（PLUSNet）。

美國海軍指揮、控制、通信、計算機和情報的項目執(zhí)行辦公室（PEO C4I）下屬的潛艇整合計劃辦公室發(fā)起了“一定速度和深度通信（CSD）”項目。這個項目將開發(fā)整合一系列先進(jìn)的技術(shù)。這些技術(shù)可以讓潛艇指揮官與航母打擊大隊之間建立并保持對作戰(zhàn)來說非常重要的指揮控制聯(lián)系。該項目將把水下潛艇、無人潛航器和水下傳感器連接起來。目前，美國海軍的“一定速度和深度通信（CSD）”項目有三個增量計劃，分別是增量0、增量1和增量2。

（1）CSD增量0計劃

海軍已經(jīng)在增量0計劃部分測試了兩種比較成熟的CSD技術(shù)。

第一種技術(shù)的測試是在2007年12月。當(dāng)時，“哈里·S·杜魯門”號航母打擊大隊成功試驗了一種在潛艇的標(biāo)準(zhǔn)拖曳式通信天線和使用高頻互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（HFIP）的水面艦船之間進(jìn)行雙向數(shù)據(jù)交換的技術(shù)。海軍航天和海上作戰(zhàn)系統(tǒng)司令部發(fā)言人Steven Davis稱，HFIP可以提供擴展的視線、窄帶寬、高頻網(wǎng)絡(luò)化能力，以支援海域感知。

增量0計劃中的正在評估的第二種技術(shù)體現(xiàn)在一種戰(zhàn)術(shù)記錄系統(tǒng)上，海軍稱之為“深層警報尋呼系統(tǒng)”。這種系統(tǒng)由雷神公司自籌經(jīng)費研發(fā)而成?！吧顚泳瘓髮ず粝到y(tǒng)”整合了現(xiàn)有的多項技術(shù)成果，包括主動聲納浮標(biāo)、水下聲學(xué)通信以及全球衛(wèi)星通信等，來傳送小型數(shù)據(jù)包穿過水體到達(dá)潛艇，比如說任務(wù)分配、跟蹤分配或者其它任務(wù)信息。

這種系統(tǒng)可以由艦船和飛機投入水中，也可以由潛艇發(fā)射。它在一顆通信衛(wèi)星和一個艦隊通信站之間建立了通信節(jié)點。當(dāng)潛艇指揮官發(fā)出信息之后，這條信息就會和“深層警報尋呼系統(tǒng)”的聲納浮標(biāo)鏈結(jié)上，通過該浮標(biāo)向外傳遞。這種聲納浮標(biāo)有30min的通信工作壽命，如果不主動發(fā)射信息，那么它可以以低能源消耗維持3天的時間。

這種聲納浮標(biāo)還可以接收外來信息，交以該系統(tǒng)的聲學(xué)通信協(xié)議將信息進(jìn)行編碼，然后通過多單元主動聲學(xué)發(fā)射器系統(tǒng)傳送給潛艇。這種系統(tǒng)懸浮在一定的深度，主要是為了遠(yuǎn)程通信傳輸服務(wù)。潛艇上的傳感器接收這些信息，并將其解碼，在顯示器上顯示出來。

“深層警報尋呼系統(tǒng)”已經(jīng)在 2006年度的環(huán)太平洋演習(xí)中進(jìn)行了首次驗證。

（2）CSD增量1計劃

2008年4月9日，海軍發(fā)出了一份CSD增量1計劃建議的申請，希望能夠在9月15日前簽署一份開發(fā)合同。海軍于9月份提出了它的CSD增量1計劃的方案。該計劃的目的在于讓水下高速行駛的潛艇擁有反應(yīng)式戰(zhàn)術(shù)通信能力。

（3）CSD增量2計劃

根據(jù)CSD增量2計劃，海軍要求三種類型的聲納浮標(biāo)系統(tǒng)要按照計劃在 2012財政年度形成初始作戰(zhàn)能力。A2RF通路浮標(biāo)（A2RF Gateway Buoy）、范圍可擴展通信浮標(biāo)－銥（TECB-Iridium）以及范圍可擴展通信浮標(biāo)－超高頻（TECB-UHF）。

A2RF通路浮標(biāo)將是一種范圍可擴展的聲學(xué)通信浮標(biāo)。它有兩種作戰(zhàn)模式。一種是短程、中等數(shù)據(jù)傳輸速度、雙向通訊模式的信息傳遞和數(shù)據(jù)傳輸；另外一種是遠(yuǎn)程、低數(shù)據(jù)傳輸速度、單向聲學(xué)模式，用于遠(yuǎn)程警告、通知和記錄。A2RF通路浮標(biāo)將從一艘潛艇上發(fā)射，并使用銥星。

“范圍可擴展通信浮標(biāo)－銥”和“范圍可擴展通信浮標(biāo)－超高頻”都是從潛艇上發(fā)射的，通過一條光纖纏繞在線軸上，使得潛艇在遠(yuǎn)離發(fā)射點進(jìn)行機動的時候不會脫離浮標(biāo)的通信范圍。這種聲納浮標(biāo)將可以提供30min的雙向通信。

“范圍可擴展通信浮標(biāo)－銥”的數(shù)據(jù)傳輸速度將到 2.4 kbit/s，“范圍可擴展通信浮標(biāo)－超高頻”將通過UHF Follow-On（窄帶衛(wèi)星通信）進(jìn)行通信，速度將接近于32 kbit/s。

此外，海軍希望通過CSD增量2計劃，可以使?jié)撏У妮p浮拖曳式天線擁有高數(shù)據(jù)傳輸速度能力。

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對水下通信的研究起步較晚，主要集中在點對點通信，側(cè)重于水聲通信中信號的傳輸編碼、解碼及信道的均衡方面。在集水下相對定位、信息交互、目標(biāo)識別一體化技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)、信息處理等技術(shù)方面研究較少，總的來說，我國對水下通信定位識別一體化技術(shù)的研究還停留在起步階段，仍有許多問題亟待深入研究和解決。

3 下一步研究方向

3.1 水下綜合通信定位識別一體化總體技術(shù)

從水下作戰(zhàn)信息應(yīng)用實際出發(fā)，研究水下綜合通信定位識別一體化技術(shù)體制，建立開放式水下綜合通信定位識別一體化體系架構(gòu)，研究水下信息與水面指控信息的綜合處理與集成應(yīng)用方法，實現(xiàn)具有覆蓋水下網(wǎng)絡(luò)作戰(zhàn)信息的全維體系作戰(zhàn)能力。

3.2 水下組網(wǎng)技術(shù)

水聲通信距離短、帶寬低，且在工作過程中，節(jié)點數(shù)目和相對位置不斷變化?；诖?，研究水下組網(wǎng)技術(shù)、水下通信資源分配與管理技術(shù)以及水下通信路由技術(shù)等。

3.3 水聲信息傳輸控制與交換處理技術(shù)

針對水聲信息傳輸速率低、信息容量小的特點，根據(jù)水下作戰(zhàn)任務(wù)對信息傳輸與分發(fā)的要求，研究水下信息按需分發(fā)與處理技術(shù)、水聲信息傳輸和分發(fā)策略、水聲信號的抗干擾波形設(shè)計等。

3.4 水下定位與識別技術(shù)

研究水下源選擇算法、水下精確時間同步算法、水下相對定位濾波算法、水下相對坐標(biāo)系漂移跟蹤算法、水下目標(biāo)識別方法等。

3.5 面向水下作戰(zhàn)任務(wù)的消息標(biāo)準(zhǔn)

針對水下信息傳輸速率低的特點，研究面向比特的水下數(shù)據(jù)元素字典、基于比特的最小特定功能水下消息字集合、統(tǒng)一的水下數(shù)據(jù)描述語言和交換協(xié)議，面向水下作戰(zhàn)任務(wù)的消息發(fā)送、傳輸和應(yīng)答機制。

4 結(jié)束語

我國目前水下平臺網(wǎng)絡(luò)化信息保障能力較弱，為了相關(guān)空白，必須結(jié)合實際部署，研究水下通信定位識別一體化技術(shù)體制，突破水下定位與識別、水下組網(wǎng)、水聲信息傳輸控制與交換處理、面向水下作戰(zhàn)任務(wù)的消息標(biāo)準(zhǔn)等關(guān)鍵技術(shù)，提出水下綜合通信定位識別一體化體系框架，研制原理樣機，構(gòu)建原型系統(tǒng)，對水下綜合通信定位識別關(guān)鍵技術(shù)和功能性能進(jìn)行驗證。

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