对潜通信技术的发展动向与分析*

张　巍

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室　葫芦岛　125004)

对潜通信技术的发展动向与分析*

张巍

(海军驻葫芦岛431厂军事代表室葫芦岛125004)

摘要潜艇通信是利用声呐设备和无线电波来实现的。声呐能向水中发射长短不一的声波信号,组成电报的密码,或将语言和声波相互转换来通话;采用浮标天线或浮力天线,使潜艇在水下也可发射信号。最后论述了潜艇通信技术的发展动向与分析。

关键词潜艇通信; 发展分析

Class NumberTN97

1引言

潜艇通信是利用声呐设备和无线电波来实现的。一是利用声呐设备。声呐能向水中发射长短不一的声波信号,组成电报的密码,或将语言和声波相互转换来通话,它的任务是保证潜艇的集群活动或配合其它兵力通讯联络需要;敌我识别声呐是在水下偶然发现水面或水下潜艇时,用对口令的方式判断敌我,这种声呐发出一个特殊的信号(口令)询问对方,对方若是自己的潜艇,就回答一个信号,若不是就收不到信号,即使收到也不能正确回话。二是利用无线电波。采用浮标天线或浮力天线,即把天线通过一根长长的绳索施放到水面,这样潜艇在水下也可发射信号。本文就潜艇通信技术、发展动向、发展分析等,作进一步的探讨[1]。

2潜艇通信技术

2.1通信对象

潜艇的通信对象主要有:舰对潜通信、潜对舰通信、飞机对潜通信、潜艇对飞机通信、潜艇对潜艇通信、潜艇作战及遇险网[2]。

1) 舰对潜通信。舰艇对潜艇的通信联络,主要是为支持战斗群中的某一舰艇与直接支援战斗群作战的潜艇间的信息交换,较常使用潜艇数据链。因其基本上在近程线路上进行,所以可采用HF/VHF/UHF无线电路和卫星通信。

2) 潜对舰通信。潜艇对舰艇的通信联络通常使用近程通信线路,支援潜艇到战斗群中某一舰艇间的信息交换,主要使用HF/VHF/UHF无线通信线路以及卫星通信。

3) 飞机对潜通信。飞机对潜艇的通信联络,主要是为舰载机与直接支援战斗群作战的潜艇之间提供信息交换线路以确保其间的战术协同。

4) 潜艇对飞机通信。潜艇对飞机的通信联络是为战斗群中的直接支援潜艇与舰载战斗巡逻机和观察监视飞机间提供信息交换,它类似于潜艇对舰艇的通信联络。使用HF/VHF/UHF近程、低截获率的通信线路。

5) 潜艇对潜艇通信。潜艇对潜艇的通信联络,是通过HF/VHF/UHF无线电线路、卫星通信和声学电话直接为两艘潜艇之间提供信息交换线路。

6) 潜艇作战及遇险网。这个通信网主要用于在作战指挥机关、潜艇和有关舰艇之间交换作战信息,它主要使用HF和UHF频段。

2.2通信方式

潜艇通信的方式主要有:无线电通信、浮标通信、SSB水声通信、激光通信。

2.2.1无线电通信

1) VLF无线电通信。VLF频段通常规定在3kHz～30kHz之间,一般认为这个频段的无线电信号可以在水下15m以内的深度接收到。大多数潜艇常装有两种天线来接收VLF信号。第一种是使用很长的拖曳天线,其拖曳天线长度为500m左右。

2) ELF无线电通信。ELF频段被定义在3kHz以下的频率范围内,潜艇能在100m～400m的深度上接收ELF无线电信号。

3) 机载对潜中继通信系统。为了保证与战略核潜艇的联络,采用机载VLF通讯系统。VLF通讯采用一台200kW发信机和一根约10km的拖曳天线,天线端部带一具稳定伞。需要发射信号时,飞机沿小半径圆圈连续飞行,使天线的垂直方向有效长度达到实际长度的70%。

4) 潜艇HF/VHF/UHF通信。潜艇的生存能力完全维系于自身的隐蔽性上,潜艇在海上一旦被敌人水面舰艇或飞机发现便很难逃脱被攻击的厄运。为了安全,潜艇原则上要尽量少发射或不发射任何无线电波。目前比较有效的办法是尽量缩短通讯时间和提高信息传输速率,无线电波在空中总的发射时间限制在无线电侦察定位系统的反应时间内。

5) UHF/SHF/EHF卫星通信。由于卫星通讯的许多优点,特别是它的全天候通讯能力,使它成为潜艇通讯的一种主要手段。现在,大多数潜艇都在升降桅杆上装有卫星通讯天线,这种天线能在潜艇贴近水面或在潜望镜深度航行时使用,在一定程度上增加了敌方的侦察探测难度。

2.2.2浮标通信

对潜通信浮标是指在与潜艇进行通信时,可利用飞机或水面舰艇向潜艇投放的通信浮标;潜艇向外(岸基、水面舰艇或飞机)通信时,可由潜艇发射通信浮标,如需发送的信息对实时性要求不高时,可使用一种装有盒式录音机和无线电发射机的浮标从水下潜艇发射出去。

1) 综合通信浮标。浮标内装有四通道的短波发信机和超短波发信机,用来向指挥中心发送信息,报告有关军事情报;另外还装备超长波前置放大器,用来放大指挥部门发给潜艇的微弱信号;在浮标上还装有与海水绝缘的各波段收、发天线,以提高通信性能。这种浮标通常用几百米长的电缆和潜艇的控制台连接,潜艇的通信控制台可以通过电缆遥控浮标上的各种通信设备。潜艇内装有电缆绞盘,通信时把浮标放出海面,不用时用绞盘快速收回浮标。

2) 高速曳航浮标。这种浮标由一个流线型玻璃钢外壳和可以折叠的天线组成。浮标尾部带有昆翼,它包括一个水平舵和一个垂直舵,形似一架倒悬的飞机,有很好的水动力特性和拖曳航行性能。它可以贴近水面随潜艇高速航行,能保障潜艇在快速潜航时实现对外通信。

3) 应急通信浮标。浮标内装有短波信标、氖灯信号器和水声定位信号发生器等各种报警通信装置。水面舰艇收到应急浮标发出的各种求救报警信号后,即可根据水声定位信号迅速确定遇难潜艇方位,立即快速前往抢救。

4) 消耗型无线电浮标。浮标内装有一部无线电发射机和预编好程序的报文。在潜艇下潜时它可以弹出并浮至水面,天线能马上或在设定的延迟时间之后竖立起来进行通信。通信结束后,浮标自动引爆并下沉。这种装置可向潜艇提供有效的发射手段而不限制潜艇作战的机动性,可用于除VLF和LF以外的任一频段。

5) 潜艇卫星终端浮标。潜艇通过浮标天线,向通信卫星定向发射信息,通信卫星再把信息放大转发给地面站、水面舰艇或飞机。同样,这种浮标也可以接收通信卫星转发来的信息,然后由潜艇计算机进行信息处理。这种通信方式速度快、容量大、方向性强、保密性能好,敌方难于察觉潜艇的行踪。

2.2.3SSB水声通信

水声通信信号(话音、电报)的传输采用单边带(SSB)调幅技术。水声通信往往都是单程传输信号,传播损失比主动声呐小得多,最大通信距离可达约100nmile。发信机把从用户终端送来的话音或电报信号(300Hz～3000Hz或800Hz单音)和一个8.078kHz的载波混频后,只留下上边声带经换能器送出。

2.2.4激光通信

蓝绿激光对潜通信。对潜蓝绿激光通信是指利用在海水低损耗窗口波长上的篮绿激光,通过卫星或飞机与深水中潜行潜艇的通信,也包括水面舰只与潜艇之间的通信。一般来讲,蓝绿激光对潜通信系统可分为陆基、天基和空基三种方案:

1) 陆基系统。由陆上基地台发出强脉冲激光束,经卫星上的反射镜,将激光束反射至所需照射的海域,实现与水下潜艇的通信。

2) 天基系统。与陆基方案不同的是,把大功率激光器置于卫星上完成上述通信功能,地面通过电通信系统对星上设备实施控制和联络。还可以借助一颗卫星与另一颗卫星的星际之间的通信,让位置最佳的一颗卫星实现与指定海域的潜艇通信。

3) 空基系统。将大功率激光器置于飞机上,飞机飞越预定海域时,激光束以一定形状的波束(如15km长1km宽的矩形)扫过目标海域,完成对水下潜艇的广播式通讯。

3发展动向

1) 美国国防公司ITT公司利用量子技术使潜艇通信更加安全。印度《每日新闻与分析》2011年10月30日报道:美国国防公司ITT公司提出了一项被称为量子密钥分发(QKD)的技术,主要用于处理美国海军在建立潜艇安全通信连接方面遇到的技术挑战[3]。

该技术利用了光子的量子特性,它能够以0和1进行编码,从而产生和交换密钥。如果外部力量试图拦截光子,那么这种属性就会遭到破坏,警报就会发出。ITT公司的量子技术负责人表示,该技术将使潜艇在几周内都无法被探测到。采用QKD,潜艇能够在水下100m建立安全连接,并将激光光子传输到卫星,从而转播到基地。在进行密钥交换后,潜艇能够在保证安全的情况下通过激光脉冲进行通信。

ITT公司的仿真显示该技术能够以每秒170兆比特的速度传输和接收数据,这足以支持视频通信。该公司量子技术负责人将在下月在位于马里兰的国家标准与技术学院的密码技术工作组中提出他的观点。目前的潜艇通信系统,使用被称为一次加密器(one-time pads)的密钥来加密信息,由于系统存在漏洞从而阻碍了潜艇安全通信。

2) Babcock公司参与美国国防部潜艇通信浮标项目第一阶段研发工作。Babcock公司网站2012年5月29日报道:Babcock公司已经获得一份研发合同,作为被美国国防部选定的两支团队之一,与其合作伙伴SEA公司一起进行潜艇通信浮标(SCB)技术演示项目(TDP)第一阶段工作[4]。

该TDP项目旨在降低拖曳通信浮标技术风险,以满足未来的通信需求。第一阶段是一个为期14个月的模拟和测试合同,被选中团队将研发一种有效的SCB系统,并通过模型测试进行验证。

美国国防部将基于第一阶段的成果,选择一支团队开展第二阶段,内容涉及交付一个完整的原型系统以及操作环境演示。

SCB是一种拖曳通信浮标,可以接收甚低频(VLF)无线电,并在各种天气条件下操作,而潜艇仍然处于安全深水区域。因此,该系统运行在一个复杂的动态环境,系统设计必须强大可靠,足以应对各种海流条件下,包括来自任何方向的大振幅不规则波。

3) 美国海军寻求升级综合潜艇通信系统软件。美国《军事与航空航天电子学》网站2012年12月9日报道:美国海军空间和海战系统司令部(SPAWAR)在12月初发布了一份关于通用潜艇无线电室(CSRR)控制和管理(C&M)软件的设计和维护项目的征求建议书(N00039-13-R-0001),向行业寻求持续开发、维持和维护CSRR的C&M软件[5]。

美国海军研制的CSRR将取代俄亥俄级潜艇现有的综合无线电室(IRR),其设备已经安装到“俄亥俄”级弹道导弹潜艇,以及弗吉尼亚级、海狼级和洛杉矶级快速攻击潜艇。

洛克希德·马丁公司海上系统和传感器(MS2)部门作为CSRR项目的原承包商,被认为是此次竞标的热门候选。其他潜在竞争对手包括BAE系统公司、通用动力电船公司、L-3通信公司、诺斯罗普·格鲁门公司、ViaSat公司、Scientific研究公司和Battelle公司。

CSRR将各种组件及配套设备集成到一个通用架构,包括海军自动化数字网络系统(ADNS)、数字模块化电台(DMR)、极高频组件/后续终端(EHF/FOT)、全球广播服务(GBS)、超高频(SHF)、潜艇单向消息系统(SubSMS)。CSRR的控制和管理软件负责管理这些组件,并控制、处理和传输C4ISR信息,为潜艇舰队提供安全隐蔽通信。

该项目的技术方法基于一个通用开放式系统架构、通用软件、通用技术文档和统一软件支持(SSA)。通用软件配置包括代码结构、数据库跟踪需求、软件源文件、基线文件、主机设备和处理器以及审核验证。

4) DARPA寻求新一代水下通信技术。美国防务系统网2015年4月22日报道:美国国防高级研究计划局(DARPA)正在寻求新一代水下通信技术,以建立空海一体化网络[6]。

DARPA发布信息征询书,寻求水下通信的最新突破技术。本质上来讲,DARPA希望建立水下网络,允许水下有人系统与无人系统协同作战,并与机载系统构建通信网络。DARPA在信息征询书中指出,全球通信与网络系统有助于作战部署,促进空中、地面和水面无人平台开展任务。不依赖电缆的水下监视与武器网络系统受到高度重视,已成为长期以来攻克的目标,但对其作战能力仍未形成明确的认识。

水可以干扰无线电波,对无线通信造成困扰。因此,美海军、研究人员或工业界使用的水下通信系统通常依赖声波,或较低数据传输速度的低频通信,如潜艇通信使用的频率为3kHz～30kHz的无线电通信。因此DARPA寻求的是在水下环境扩展无线电射频和光电通信网络的技术。

5) 洛·马公司为美海军水下监视系统升级声纳信号处理计算机。军事航空航天电子学网站2015年8月3日报道:洛克希德·马丁公司的水下监视团队正在推进能够对敌人位于浅海水域安静的柴动力攻击潜艇进行探测、分类和跟踪的技术[7]。

位于圣地亚哥的美国空间和海军作战系统司令部官员于7月30日表示,将向洛克希德·马丁公司系统和训练分部授予一份价值840万美元的修订合同,用于集成通用处理器(ICP)项目。

ICP是美海军海上监视系统(MSS)项目的一个组成部分。海上监视系统是一个可固定也可移动的可展开的声学阵列,能帮助探测、定位、跟踪安静的柴动力和核动力潜艇。

海军反潜战专家也正在细化海上监视系统技术,使其更有效地应对活动在局部地区、近海和广阔的海上利益区域的现代化的柴动力和核动力潜艇,这也正是ICP项目要解决的问题。

目前,ICP项目正在利用提高的自动化技术、阵列技术、硬件插入件以及潜艇与水下作战系统的普通软件元件来研制一种可处理和显示来自固定的和移动的水下系统数据的能力。

ICP项目的最终目的是提供处理能力,即通过利用洛克希德·马丁公司用于监视拖曳阵列传感器系统(SURTASS)猎潜系统的双线29A拖曳式阵列声纳为海军低频主动反潜战双基地声纳处理提供支持。

为优化声纳信号处理能力,使其尽可能具有经济可承受性,ICP项目也正在利用海军声学流行技术快速嵌入计划(A-RCI)。该项目将商业上已有的最新一代计算机服务器技术用于海军潜艇和水面舰船上的声纳信号处理。

ICP将被安装于所有的新系统中。在原有系统达到使用寿命或需要升级时,这些新系统将予以替换。

6) 美海军提出加强水下情报能力研发的具体领域。美国防务系统网2015年11月18日报道:美国海军研究局(ONR)继续推动无人水下能力发展,呼吁科技界提供促成先进海上监视及响应能力的技术白皮书和提案,于2016年3月22日之前做出回复[8]。

海军研究局的主要目标是,开展无人水下系统自主目标探测及通信相关应用和先进技术研究,寻求能以较高可信度自主探测、追踪、定位及识别辐射源的能力,以及可在复杂、现实环境中(包括杂乱的开放海洋海床和港口或港湾区域)执行的算法及方法。具体来说,在此方面的关切研究领域包括多模态传感器融合、特征提取、特征聚集、探测、分类,以及战术网络范围内的语义推断和运算效能应用。

海军研究局主张,水下指挥、控制与通信(C3)是富有挑战性的领域。研究战术节点及岸上站点之间的信息移动,从水下到空海接口(air-sea interface)的信息传输,以及C3的自主优化,将帮助海军研究局克服这一领域的有关挑战。在C3以内,海军研究局列出如下关切领域:(1)在多个水下节点之间实现实时或近实时通信的水下联网技术,包括声学、电子光学或其他方法;(2)能使以战场感知、管理及战场信息汇聚为目的的水下、节点对节点通信成为可能的技术、方法或专用协议;(3)能促成远程、 人机接口(human interface)以及实时或近实时水下节点控制的技术和/或方案;(4)能使相关数据类型从水下节点向远程站点直接或利用网关渗漏的技术;(5)能使信息从水下节点到空海接口(air-sea interface)直接或利用网关转移的技术;(6)能促成水下节点的自主化以形成一个网络的技术;(7)对于以上所有6个关注领域,额外关注以下方面: 信息安全(包含静态数据及通信安全); 低功

率、高效率通信技术及方案;小型架构通信(small form factor communications)及技术方案;扩展的耐久性通信(Extended endurance communications)和技术方案;低检测概率(LPD)通信及技术方案。

4发展分析

对潜通信技术的发展趋势:浮标通信、量子通信、激光通信[9]。

1) 发展浮标通信技术。潜艇通信浮标主要有六种,其中综合通信浮标可通过短波发信机和超短波发信机向指挥中心发送信息;高速曳航浮标是一种可减小海水阻力、增强潜艇稳定性和隐蔽性的通信浮标;应急通信浮标是用于潜艇遇险救生、发射报警信号的通信浮标;消耗型无线电浮标是一种消耗型无线电系统,通信结束后会自动引爆并下沉;潜艇卫星终端浮标可以通过天线,向通信卫星定向发射和接收信息,然后由计算机进行信息处理。该方式速度快、容量大、方向性强、保密性能好;此外还有可回收系留光线浮标,可在水面特混编队与深潜潜艇间建立起稳定的双向通信。

2) 发展量子通信。量子通信具有高速和安全数据传输,为潜艇融入网络中心战开辟了广阔前景。

3) 发展激光通信。由于激光的频率高、方向性好、传送信息量大,且不受干扰,尤其是蓝绿激光对海水具用极佳的穿透能力,可广泛用于水下一定范围内的测距、照明、电视、军事目标探测、通信等技术。

5结语

随着激光技术的发展,人们又把目光投向卫星对潜激光通信。激光是极高频、频段在10千千赫以上(波长3μm～30μm)的电磁波,通过卫星将信息发送或反射至潜艇。激光通信传输速率快,比极长波系统快几十万倍,具有方向性好、亮度高、能量集中、保密性强和有很强的抗核破坏能力等特性。激光通信设备可以做得轻便而经济,尤其天线小,一般天线仅几十厘米,重量不过几千克。激光通信的这些特点,可使潜艇在水下最佳安全巡航状态完成通讯任务[10]。

参 考 文 献

[1] 晨维.地面-潜艇通讯使用兰-绿激光[J].激光与光电子学进展,1980,17(11):46-47.

[2] 宇飞.海军为水下潜艇通讯研究纤维光学途径[J].激光与光电子学进展，1979(12).

[3] 美国国防公司ITT公司利用量子技术使潜艇通信更加安全[N].每日防务快讯,2011-11-07.

[4] Babcock公司参与美国国防部潜艇通信浮标项目第一阶段研发工作[N].每日防务快讯,2012-06-01.

[5] 美国海军寻求升级综合潜艇通信系统软件[N].每日防务快讯,2015.

[6] DARPA寻求新一代水下通信技术[N].每日防务快讯,2015.

[7] 洛·马公司为美海军水下监视系统升级声纳信号处理计算机[N].每日防务快讯,2015-08-07.

[8] 美海军提出加强水下情报能力研发的具体领域[N].每日防务快讯,2015-11-23.

[9] 罗山.潜艇激光通信取得突破[J].激光与光电子学进展,1985,22(9):40.

[10] 尹宪华.卫星激光潜艇通讯缺少研究经费[J].激光与光电子学进展,1987,24(12):34.

Development Trend and Analysis of Submarine Communication Technology

ZHANG Wei

(Navy Representative Office in Huludao 431 Factory, Huludao125004)

AbstractSubmarine communication is the use of sonar equipment and radio waves to achieve. Sonar can emit into the water of varying lengths of acoustic signal and telegraph the password or language and acoustic conversion to call. The buoy or buoyancy antenna, the submarine under water can also be transmitted signal. At last, the development trend and analysis of submarine communication technology are discussed.

Key Wordssubmarine communication, development analysis

*收稿日期:2015年12月7日,修回日期:2016年1月14日

作者简介:张巍,男,工程师,研究方向:舰船监造。

中图分类号TN97

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.06.004