国外对潜通信技术发展研究

杨 坤，杜 度

(中国人民解放军92857部队，北京 100161)

0 引 言

潜艇以其优越的隐蔽性及水下突击能力，成为取得海战主动权的关键，而潜艇的隐蔽性主要由其下潜深度、航速及航向机动等特点来保障，在不限制潜艇机动性的同时，保障获得信息的能力，是对潜通信技术发展的重点[1]。当前，国外海军强国水面战与空战体系已形成基于信息系统的体系作战能力，但水下装备还难以实时纳入作战体系中，水介质对信息远程高速传输的阻碍是问题的关键所在。为此，潜艇水下互联互通能力、跨越通信能力成为各国发展的重点方向。近年来，潜艇水下通信除了运用传统的无线电、水声等通信手段之外，浮标通信、网络通信、激光通信等新型通信方式得到了快速发展[2]，虽然并未实际应用，但其相关测试结果为水下通信技术创新开辟了新的方向，是水下通信领域关注的重点。目前，国外潜艇主要水下通信方式的作战使用范围、通信速率、通信距离及研制情况等见表1。

1 无线电通信

潜艇无线电通信主要依靠天线装置实现对甚低频（VLF）或超低频（ELF）信号的接收。当前，核潜艇典型的通信系统天线组成如图1所示，其中具有水下信号接收能力的为缆式拖曳天线装置，主要承担潜艇深潜状态下的无线电通信任务。

潜艇缆式拖曳天线装置通信主要利用岸基甚低频（VLF）或超低频（ELF）信号对潜进行单向通信，单个信号站根据频率的不同对潜通信距离为4 000 ～8 000 km。ELF（3～300 Hz）通信技术要求潜艇必须拖拽电缆或拖曳带天线设备的浮标以接收ELF信息。这样的布置对潜艇的性能是有不利影响的。与VLF一样，ELF通信技术需要有非常庞大的岸基设备以及专用的电源来运转，因而，目前只有美国和俄罗斯建成了用于潜艇通信的ELF系统[3]。

1.1 美国

目前，国外潜艇可在水下45～70 m的深度上利用展开的天线浮标接收VLF信号，传输速率为50～200 b/s，此时潜艇航速不超过4 kn，天线浮标保持在水下6～9 m。ELF比VLF频率低100倍左右，因此可以实现最大约100 m深度的对潜通信。美国于1989年成为首个建成使用ELF对潜通信系统的国家，通过位于本土的ELF发信台，美国可向4 600 km外水下122 m深（天线距海面102 m）并以16 kn航速航行的核潜艇发送一份20个字符的报文，还能与在北极9 m厚冰层下120 m深海中以16 kn航速航行的核潜艇进行联络。

表 1 潜艇水下通信方式特征分析Tab. 1 Submarine underwater communication characteristics analysis

图 1 潜艇典型通信系统天线组成Fig. 1 The composition of submarine typical communication system antenna

图 2 潜艇缆式拖曳天线装置结构示意图Fig. 2 Submarine towing cable antenna device

虽然ELF通信深度和距离均较VLF有较大提升，但其发信速度很慢，美国ELF发信台每分钟只能发射1个比特（约0.016 7 b/s），5 min发射一个字符，15 min才能发射一个3字符的指令。实际作战使用中，ELF通信主要起到“振铃”作用，即通知核潜艇上浮到可以采用其他通信方式的深度继续接受详细信息。

2007年12月，美海军成功地完成“巡航状态下潜艇双向通信”项目浮力电缆天线通信试验，潜航的美海军“洛杉矶”级“蒙特培利尔”攻击核潜艇使用浮力电缆天线与美海军“杜鲁门”号航母打击群的8艘水面舰艇进行了双向信息交换，数据率为9.6 kb/s。

图 3 “洛杉矶”级缆式拖曳天线装置图Fig. 3 Los-Angeles class submarine towing cable antenna device

1.2 俄罗斯

俄罗斯最早缆式拖曳天线装置为扫雷器型拖曳天线系统，用于保障卫星与潜艇间的通信，该系统由漂浮至水面的扫雷器型载体及天线装置、拖曳线缆及绞车组成，扫雷器型载体的流体动力指向垂直向上，以流体动力产生的上升力上浮至距离水表面约2～3 m深度，通过升举拖曳载体上的天线（靠近海面）来实现深潜潜艇的单向或双向通信。

1978年俄罗斯开始研制的K-686型扫雷器型拖曳天线系统，载体为对称翼形玻璃钢壳体，承重电缆为直径13.6 mm的11芯承重电缆，能保证潜艇在10 kn航速、潜深250 m情况下实现对超长波无线电信号的接收，并装备于俄罗斯“德尔塔”级战略导弹核潜艇。同时，“海洋通信项目”设计局研制的K-659型扫雷器型拖曳天线系统，载体尺寸长4 500 mm，翼展2 700 mm，具有分米波频段天线，尾鳍采用玻璃钢材质，配备有直径21.8 mm、220 m长的16芯承重电缆，能够实现在潜深130 m、航速10 kn时超低频无线电双向通信，并装备于“台风”级核潜艇。随后由于承重电缆造价昂贵等原因，俄罗斯终止了扫雷器型拖曳天线装置的制造工作。

图 4 “台风”级潜艇扫雷器型拖曳天线装置及内部结构示意图Fig. 4 Design of Typhoon class-submarine mine-mine type towing antenna device

图 5 K-659型拖曳天线装置载体Fig. 5 K-659 type of towing antenna device

20世纪80年代俄罗斯启动缆式拖曳天线装置的研制工作，先后发展了K-687型和K-689型两代缆式拖曳天线装置，并于1998年成功研制由耐压壳体放缆的第3代K-697型拖曳天线装置，将布放点转移到垂直尾稳定鳍或者尾部甲板室上面，大大提高了备用缆式天线的使用及水下状态替换天线的能力，同时研制的直径16 mm、馈电衰减降低的电缆长度也增加至1 000 m，拖曳天线装置内嵌入有（超长波-长波-中波-短波频段）信号放大器，保证了长波频段宽带通信线的信号接收[4]。

图 6 K-697型缆式拖曳天线装置Fig. 6 K-697 towing cable antenn device

目前，俄罗斯潜艇装备缆式天线装置能够实现无接触接收信号，并具备接收超长波-长波-中波-短波波段信号能力，在潜艇航速达12 kn时，布放深度达到300 m，使潜艇具备大潜深、高航速情况下的通信能力。

2 声呐通信

潜艇声呐通信主要利用通信声呐实现潜艇间及潜艇与水面舰艇间信息传输，一般利用艇首声呐作为换能器，通信时甲方发射机产生信号通过艇首声呐向乙方定向发出，乙方通过艇首声呐接收后经由接收机处理得到通信信息[5]。

图 7 潜艇声呐通信示意Fig. 7 Submarine sonar communication schematic

当前潜艇多装备综合性声呐，同时具有探测、目标跟踪、测距、识别、定位、通信、导航和探雷等多种功能，即所有潜艇均具备声呐通信能力，如美国“洛杉矶”级和“海狼”级攻击型核潜艇上装备的AN/BQQ-5型综合声呐，该声呐中包括AN/WQC-2型通信声呐，相关技术参数如表2所示。

声呐通信的通信速率与水声通信技术发展息息相关，2008年依靠水声通信与潜艇交互，水下通信距离最大150 nmile，最小30 nmile。根据美国海军研究办公室（ONR）统计的数据，当前水声通信的速率和距离乘积达到40 km·kb/s，即距离为40 km时水下通信速率最大为1 kb/s。声呐通信随着声呐与水声技术的进步而不断向前发展，未来通信距离将更远、通信速率会更快。然而，声呐通信与浮标通信、网络通信方式相比，发展速度极慢，在通信距离和速率上很难发生革命性变化，导致完全无法满足潜艇间以及潜艇与其他部队之间的高效协同作战。

表 2 AN/WQC-2通信声呐技术参数Tab. 2 AN/WQC-2 communication sonar technical parameters

3 浮标通信

浮标通信是通过潜艇发射的浮标与水面舰艇、飞机和岸上基地等平台进行双向通信。目前潜艇浮标通信技术正不断完善并逐渐提高性能，使通信时巡航速度更快、下潜深度更大、通信速率更高，需要注意的是，浮标通信技术出现之前，潜艇只能上浮至潜望镜状态，通过伸出通信天线实现双向通信[6-7]。根据国外公布的相关消息，目前只有美国和德国潜艇具备浮标通信能力，而英国也正在进行相关装备研制工作。

1）美国潜艇通信浮标

2008年美海军完成“深海汽笛”战术寻呼浮标的军用评估，该浮标通过卫星与外界通信，依靠水声通信与潜艇交互，水下通信距离最大150 nmile，最小30 nmile，由潜艇、水面舰或飞机投放，用于呼叫战术支援、实现水下实时通信。同年，美国PEO C4I潜艇综合项目办公室表示能够为潜艇提供双向卫星通信，浮标与商用铱星卫星通信系统交换信息的数据率为2.4 kb/s，与军用特高频（UHF）卫星通信系统交换信息的数据率为32 kb/s，并将扩展到64 kb/s。目前，美国已研制出可回收系留光纤浮标，该浮标能使潜艇在水下243.84 m（800 in）航速为8 kn的状态下，通信数据率达到32 kb/s。

2）德国、英国潜艇浮标通信系统

图 8 系留浮标工作流程示意Fig. 8 Workflow of mooring bouy

英国ATLAS Elektronik公司研制的GATEWAY和德国Gabler Maschinenbau公司研制的“木卫四”（Callisto）潜艇浮标通信系统，均由潜艇发射，具备水下-水面跨域通信能力。其中GATEWAY由潜艇声频调制解调器、基站以及GATEWAY浮标3个主要部分构成，可以保证在水下机动及航行状态下潜艇间双向通信，而且无需保持潜望镜深度；“木卫四”潜艇浮标通信系统根据《2013–2014简氏舰艇年鉴》以及德国前几年的规划，德国已在最新的2艘212A级常规潜艇上装备，该系统利用可重复使用的拖曳通信浮标与外界通信，可发射和接收超高频、甚高频、高频以及GPS等信号，但通信速率并未公布。

图 9 ATLAS Elektronik公司GATEWAY通信浮标Fig. 9 GATEWAY communication system of ATLAS Elektronik company

4 网络通信

网络通信是潜艇在水下利用声呐通信与最近的水下网络节点交互，然后由预置水下网络将信息传递到远处其他平台的一种通信方式。其中水下网络可以是无线连接也可以是有线连接，前者传输速度受水声通信技术限制，后者受线缆铺设范围和成本限制。

美国海军自1998年起多次进行“海网”（Seaweb）项目通信网络试验，旨在形成海底水声传感器网络，通过水声通信链路将固定节点、移动节点和网关节点连接成网，采用电池智能供电，覆盖范围可达100～10 000 km2，除通信外其功能还包括测距、定位和导航。

该方式的主要缺点是水下网络需要提前部署，且潜艇需要航行至预定网络通信节点才能进行通信，应急使用能力差。为此美国已开始研制临时迅速部署的水下网络系统，如2006年开始研制的近海持续水下监视系统（PLUS），该系统除具备监视能力外，还具备通信能力，相关网络节点由潜艇自身携带，根据作战需要进行布放，将远方信息传递至潜艇。该项目已于2013年10月完成海上测试，目前正处于小规模部署进行作战评估阶段。

图 10 潜艇水下网络通信链路Fig. 10 Submarine underwater network communication

5 激光通信

当前，激光被视为在潜艇跨越通信及水下面对面通信中可传送大容量数据的一种通信方式，极具发展前景。2009年德国在海军研究所测试水池完成水下激光链路的首次测试，发射激光束带宽为18 nm，水中试验传输距离为3 m，视频数据流级文件传输可达到7 ～10 Mb/s，同时误码率低于6–10[8]。2012年，海上激光通信技术实现在2艘舰船之间完成700 M/s的数据实时传输能力，接近实战应用。2017年3月美海军空间与海战系统司令部发布“模块化光学通信”（OCOMMS）载荷项目计划，研发空潜全双工通信系统，解决海面跨介质通信问题。要求通信速率大于1 kb/s，覆盖范围超过15 nmile，工作深度30～75 m，空中部分长宽高不大于16.5，15.5和13.25 in，重量小于60 lb，额定功率200 W，可装在无人机上。水下部分直径不大于18 in，长度不大于19 in，重量小于75 lb。未来激光通信不仅成为跨域通信的有效手段，还将成为水下潜艇间、无人航行器与潜艇间大容量数据的重要传输手段。

6 结 语

综上所述，无线电通信、声呐通信基本维持现有技术水平，仅在确保安全情况下近距离水下通信使用；浮标通信使潜艇可以与其他水面及水面以上平台协同作战，但潜艇之间的通信问题仍然存在，且浮标通信也容易暴露潜艇位置；网络通信是唯一兼顾潜艇隐身和远程通信的解决方案，可实现潜艇与潜艇协同作战，极大提高潜艇作战效率，是未来的重要发展方向，而随着未来全新水下战大容量通信链路需求日益增长，激光通信将成为水下通信网络形成的关键手段。

图 11 海洋环境网络内激光链路应用的工作示意图Fig. 11 The application of loser link in the marine environment network

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