水下综合通信定位识别一体化技术研究

周磊，张锴

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

0 概述

水下综合通信定位识别一体化技术是利用水声信道和卫星信道将水上/水下的作战平台链接成一体化作战网络，通过水声信息传输控制与交换处理，实现水下链路通信、定位与识别等多个功能，通过水下信息与指控信息综合处理与集成应用，实现水下作战平台与水面、陆地、空中的各种作战平台融为一体，支撑构建覆盖水下作战信息系统的全集成、大立体网络作战信息系统。

水下综合通信定位识别一体化系统是以满足未来水下一体化作战军事需求为牵引，集水下定位、信息传输与交互、目标识别以及水下信息与指控信息综合处理与集成应用为一体的综合信息系统。它采用组网技术实现水下多平台以及水下平台与水面平台间的信息交互、网内成员间的精确定位与识别。

1 国外研究现状

美国是最早提出水下网络应用概念的国家，其研究成果处于世界领先水平。为了构建水下作战网络，20世纪90年代中期，美国空间与海上作战系统司令部提出“飞行插入”（Flying Plug）概念并进行了试验；1998年开展了称为“海网”（Seaweb）的年度实验，取得了很多实用成果；2004年成功进行了“海鹰”（Seaeagle）先进概念技术实验；在美国海军潜艇联合会举行的2006年潜艇技术论坛上，披露了当今世界上最先进的水下网络计划之一——美国“近海水下持续监视网”（PLUSNet）。

美国海军指挥、控制、通信、计算机和情报的项目执行办公室（PEO C4I）下属的潜艇整合计划办公室发起了“一定速度和深度通信（CSD）”项目。这个项目将开发整合一系列先进的技术。这些技术可以让潜艇指挥官与航母打击大队之间建立并保持对作战来说非常重要的指挥控制联系。该项目将把水下潜艇、无人潜航器和水下传感器连接起来。目前，美国海军的“一定速度和深度通信（CSD）”项目有三个增量计划，分别是增量0、增量1和增量2。

（1）CSD增量0计划

海军已经在增量0计划部分测试了两种比较成熟的CSD技术。

第一种技术的测试是在2007年12月。当时，“哈里·S·杜鲁门”号航母打击大队成功试验了一种在潜艇的标准拖曳式通信天线和使用高频互联网协议（HFIP）的水面舰船之间进行双向数据交换的技术。海军航天和海上作战系统司令部发言人Steven Davis称，HFIP可以提供扩展的视线、窄带宽、高频网络化能力，以支援海域感知。

增量0计划中的正在评估的第二种技术体现在一种战术记录系统上，海军称之为“深层警报寻呼系统”。这种系统由雷神公司自筹经费研发而成。“深层警报寻呼系统”整合了现有的多项技术成果，包括主动声纳浮标、水下声学通信以及全球卫星通信等，来传送小型数据包穿过水体到达潜艇，比如说任务分配、跟踪分配或者其它任务信息。

这种系统可以由舰船和飞机投入水中，也可以由潜艇发射。它在一颗通信卫星和一个舰队通信站之间建立了通信节点。当潜艇指挥官发出信息之后，这条信息就会和“深层警报寻呼系统”的声纳浮标链结上，通过该浮标向外传递。这种声纳浮标有30min的通信工作寿命，如果不主动发射信息，那么它可以以低能源消耗维持3天的时间。

这种声纳浮标还可以接收外来信息，交以该系统的声学通信协议将信息进行编码，然后通过多单元主动声学发射器系统传送给潜艇。这种系统悬浮在一定的深度，主要是为了远程通信传输服务。潜艇上的传感器接收这些信息，并将其解码，在显示器上显示出来。

“深层警报寻呼系统”已经在 2006年度的环太平洋演习中进行了首次验证。

（2）CSD增量1计划

2008年4月9日，海军发出了一份CSD增量1计划建议的申请，希望能够在9月15日前签署一份开发合同。海军于9月份提出了它的CSD增量1计划的方案。该计划的目的在于让水下高速行驶的潜艇拥有反应式战术通信能力。

（3）CSD增量2计划

根据CSD增量2计划，海军要求三种类型的声纳浮标系统要按照计划在 2012财政年度形成初始作战能力。A2RF通路浮标（A2RF Gateway Buoy）、范围可扩展通信浮标－铱（TECB-Iridium）以及范围可扩展通信浮标－超高频（TECB-UHF）。

A2RF通路浮标将是一种范围可扩展的声学通信浮标。它有两种作战模式。一种是短程、中等数据传输速度、双向通讯模式的信息传递和数据传输；另外一种是远程、低数据传输速度、单向声学模式，用于远程警告、通知和记录。A2RF通路浮标将从一艘潜艇上发射，并使用铱星。

“范围可扩展通信浮标－铱”和“范围可扩展通信浮标－超高频”都是从潜艇上发射的，通过一条光纤缠绕在线轴上，使得潜艇在远离发射点进行机动的时候不会脱离浮标的通信范围。这种声纳浮标将可以提供30min的双向通信。

“范围可扩展通信浮标－铱”的数据传输速度将到 2.4 kbit/s，“范围可扩展通信浮标－超高频”将通过UHF Follow-On（窄带卫星通信）进行通信，速度将接近于32 kbit/s。

此外，海军希望通过CSD增量2计划，可以使潜艇的轻浮拖曳式天线拥有高数据传输速度能力。

2 国内研究现状

国内对水下通信的研究起步较晚，主要集中在点对点通信，侧重于水声通信中信号的传输编码、解码及信道的均衡方面。在集水下相对定位、信息交互、目标识别一体化技术的体系结构、组网、信息处理等技术方面研究较少，总的来说，我国对水下通信定位识别一体化技术的研究还停留在起步阶段，仍有许多问题亟待深入研究和解决。

3 下一步研究方向

3.1 水下综合通信定位识别一体化总体技术

从水下作战信息应用实际出发，研究水下综合通信定位识别一体化技术体制，建立开放式水下综合通信定位识别一体化体系架构，研究水下信息与水面指控信息的综合处理与集成应用方法，实现具有覆盖水下网络作战信息的全维体系作战能力。

3.2 水下组网技术

水声通信距离短、带宽低，且在工作过程中，节点数目和相对位置不断变化。基于此，研究水下组网技术、水下通信资源分配与管理技术以及水下通信路由技术等。

3.3 水声信息传输控制与交换处理技术

针对水声信息传输速率低、信息容量小的特点，根据水下作战任务对信息传输与分发的要求，研究水下信息按需分发与处理技术、水声信息传输和分发策略、水声信号的抗干扰波形设计等。

3.4 水下定位与识别技术

研究水下源选择算法、水下精确时间同步算法、水下相对定位滤波算法、水下相对坐标系漂移跟踪算法、水下目标识别方法等。

3.5 面向水下作战任务的消息标准

针对水下信息传输速率低的特点，研究面向比特的水下数据元素字典、基于比特的最小特定功能水下消息字集合、统一的水下数据描述语言和交换协议，面向水下作战任务的消息发送、传输和应答机制。

4 结束语

我国目前水下平台网络化信息保障能力较弱，为了相关空白，必须结合实际部署，研究水下通信定位识别一体化技术体制，突破水下定位与识别、水下组网、水声信息传输控制与交换处理、面向水下作战任务的消息标准等关键技术，提出水下综合通信定位识别一体化体系框架，研制原理样机，构建原型系统，对水下综合通信定位识别关键技术和功能性能进行验证。

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