对潜通信手段效能评估研究

黎漫斯，陈 娟，卢 皎

(1. 中国人民解放军91469部队，北京 100841；2. 中国人民解放军91917部队，北京 102401；3. 中国人民解放军94201部队，山东 济南 250200)

0 引 言

水下通信作为水下作战保障的重要组成部分，主要是以潜艇为主的水下作战平台之间及与水面和岸基之间的通信联络，在水下战场信息化建设中扮演关键角色[1]。潜艇作为重要的水下作战平台，是战斗以及反潜的主要力量，是现代战争中必不可少的武器。但是由于潜艇必须深潜水下，不能及时获取战争情报态势，因此必须靠通信来保障其水下作战和其他战术活动的指挥[2]。

本文运用Matlab对对潜通信系统中重要通信手段的通信效能进行建模，便于直观对对潜系统评价中各通信手段的通信效能进行系统效能评价。通过对对潜

通信系统中各通信手段的通信效能分析，可用来完成对对潜通信系统的通信效能进行评估。

1 对潜通信手段

对潜通信可用手段主要包括超低频、甚低频通信、短波、超短波、艇载数据链通信、卫星通信、浮标通信等[3-4]。本文选取有代表性的甚低频、艇载数据链、卫星、浮标通信为研究对象，对对潜通信效能进行研究。

1.1 甚低频通信

甚低频通信又称长波通信，甚低频无线电波利用地波传播，传输稳定，受电离层扰动和季节变化影响小，在传播路径上的大气衰减很小，可以实现远距离

的通信，通信可靠，甚低频信号在海水中衰减较小，对海水有一定的穿透力。

1.2 艇载数据链通信

数据链是互通数据的链路，就像一张网，只要有一个数据终端就可以从这个数据链里获得自己所需要的信息，同样也可以使用终端往这个数据链路里添加东西。随着现代高技术战争向信息化、网络化和体系对抗方向发展，数据链在信息收集、分发、处理和共享中起着至关重要的作用。

1.3 卫星通信手段

通信卫星是一种在轨道上运行的中继器。它接收、放大和处理来自地面某点的信号，然后将其转发到地面的另一点。卫星通信能够提供无传播障碍的、全球接续的高质量宽带远距离线路。一颗卫星能够覆盖其视角内的区域；同时可通过采用多条地对地卫星线路延长其通信距离，或者在卫星之间进行中继的方法实现全球卫星通信。

1.4 综合浮标天线通信手段

潜艇综合浮标是一种拖曳浮标，它为潜艇提供了一种在安全深度以下与岸基、水面和空中各类作战平台进行双向通信的有力手段，同时也使潜艇具备了水下接收精确导航定位信息的能力。

2 对潜通信装备效能指标体系

潜艇通信系统主要由甚低频收信设备、高频通信设备、甚/特高频通信设备、UHF战术卫通设备、遇险救生通信设备及内通设备等组成，其中涵盖了各种通信手段的运用[5-6]。对潜通信装备的效能评估包含评估对潜通信指标体系、权值、评估所需信息和评估方法等要素，这三大要素之间相互影响[7]。

2.1 指标体系

建立对潜通信指标体系是评估工作的首要任务，是后继评估工作的基础平台[8-9]。指标体系内，对潜通信评估指标的选取直接关系到综合评估的结果[10-11]。立足于军事应用的角度考虑，把对潜通信系统的通信效能指标综合归纳为两类，即业务性能指标和战术性能指标。在此层次上，业务性能指标可以划分为通信及时性、有效性和可靠性3类指标，分别从系统的时效性、信息传输质量和安全可靠等3个方面来综合反映系统的业务性能。同时，从通信过程中潜艇的隐蔽性和机动性2个方面对战术性能指标进行研究。

2.2 指标权值

以上文分析的对潜通信系统效能评估指标体系为基础，根据经验数据，由专家打分法得到各层指标的权值[12-14]，如表1所示。

表1 对潜通信系统通信效能指标权值Tab. 1 Weights of communication effectiveness indicators for submarine communication systems

3 效能分析

潜艇通信的效能依据通信手段不同而不同[15]，根据各层指标的权值及通过对甚低频通信、艇载数据链通信、卫星通信、浮标通信这4种通信手段的度量指标进行量化得到归一化值，并选取Matlab为仿真平台，假设仿真精度为0.2，构建对上述4种对潜通信手段的通信效能模型，主要有技术效能模型和战术效能模型。

3.1 技术效能分析

技术性能指标主要用于衡量通信系统在给定时间内完成通信业务的能力，它受到系统的通信距离、通信速率、误码率、承载的业务种类、系统抗干扰性、抗毁性和保密性等诸多因素的影响[16]。

1）及时性

及时性指标用于衡量系统在规定的时间，完成传输消息任务的能力，受到系统的通信距离、通信速率和响应时间的制约。甚低频通信、艇载数据链通信、卫星通信、浮标通信的及时性效能如图1所示。

由图1可知，在对潜通信装备效能指标体系中，通信距离的权重占及时性指标的权值为0.3。甚低频通信、卫星通信、浮标通信的归一化值均为0.9，经过计算，效能值均为0.27，艇载数据链的归一化值为0.7，因此其效能值为0.21，因此，此4种通信手段均可较好满足潜艇水下作战使用中对潜通信距离的传输需求；通信速率的权重占及时性指标的权值为0.4，其中，甚低频的归一化值为0.3，因此其效能值为0.12，与满足对潜通信的及时性传输需求存在较大差距，艇载数据链的归一化值为0.6，因此其效能值为0.24，基本满足对潜通信的及时性传输需求，卫星通信的归一化值为1，则其效能值为0.4，可出色对潜通信的及时性传输需求，浮标通信的归一化值为0.8，因此其效能值为0.32，可较好满足对潜通信的及时性传输需求；甚低频通信的信息传输响应时间包括岸台发射信息转换及发射延迟时间和信息空中传输水下接收延迟时间。依据指标效能值，在对潜通信装备效能指标体系中，响应时间的权重占及时性指标的权值为0.3，甚低频通信的归一化值为0.6，经计算其效能值为0.18，基本满足潜艇水下作战中对潜通信的及时性需求；艇载数据链的归一化值为0.8，则其效能值为0.24，可较好满足对潜通信的及时性需求；卫星通信、浮标通信的归一化值为0.5，因此这2种通信手段的效能值均为0.15，与对潜通信的及时性需求存在较大差距。

图1 4种通信手段的及时性效能图Fig. 1 Timeliness efficiency diagram of four communication means

2）有效性

有效性指标用于衡量系统准确传输信号的能力，本文主要考虑误码率、单双向通信和通信业务种类对它的贡献[17]。4种通信手段的有效性效能如图2所示。

在对潜通信装备效能指标体系中，误码率的权重占有效性指标的权值为0.5，甚低频通信的归一化值为0.6，计算出效能值为0.3，基本满足潜艇水下作战的可靠性需求；艇载数据链的归一化值为0.4，因此其效能值仅为0.2，与对潜通信质量的可靠性需求存在较大差距；卫星和浮标通信的归一化值为0.9，因此效能值均为0.45，可较好满足对潜通信数据传输的可靠性需求；单双向通信的权重占有效性指标的权值为0.2。其中，甚低频通信和艇载数据链通信为单向通信，仅能满足收信需求，其归一化值均为0.5，因此效能值均为0.1；卫星通信和浮标通信为双向通信，可满足对潜通信中双向通信需求，其归一化值均为1，得出效能值为0.2；通信业务种类的权重占有效性指标的权值为0.3。甚低频通信的通信业务种类为报文、数据，其归一化值为0.6，得出效能值为0.18，基本满足潜艇水下作战中对潜通信的有效性需求；艇载数据链的通信业务种类为格式化数据，其归一化值为0.4，计算出效能值为0.12，对满足潜艇水下作战中对潜通信的有效性需求存在一定差距；卫星通信的通信业务种类为明/密话、报文、数据图像等，其归一化值为0.7，则效能值为0.21，可较好满足对潜通信的有效性需求；浮标通信的归一化值为0.8，得出通信效能值为0.24，可较好满足对潜通信的有效性传输需求。

图2 4种通信手段的有效性效能图Fig. 2 Effectiveness diagram of four communication means

3）可靠性

甚低频通信、艇载数据链通信、卫星通信、浮标通信的可靠性效能如图3所示。

图3 4种通信手段的可靠性效能图Fig. 3 Reliability effectiveness diagram of four communication means

根据指标效能值，在对潜通信装备效能指标体系中，抗干扰性的权重占可靠性指标的权值为0.3。依据指标效能值，甚低频通信的归一化值为0.8，效能值为0.24；艇载数据链的归一化值为0.4，效能值为0.12；卫星通信的归一化值为0.5，效能值为0.15；浮标通信的归一化值为0.9，效能值为0.27。可以得出浮标通信的抗干扰能力最强，其次是甚低频通信，再次为卫星通信，其中，抗干扰能力最差的通信手段为艇载数据链通信；抗毁性的权重占可靠性指标的权值为0.4。依据指标效能值，甚低频通信的归一化值为0.3，得出效能值为0.12；艇载数据链的归一化值为0.9，计算出效能值为0.36；卫星通信的归一化值为0.8，得出效能值为0.32；浮标通信的归一化值为1，因此其效能值为0.4。因此，浮标通信抗毁能力最强，其次为艇载数据链，再次为卫星通信，而甚低频通信的抗毁性相对最弱；保密性的权重占可靠性指标的权值为0.3，甚低频通信的归一化值为0.9，其效能值为0.27；艇载数据链的归一化值为0.7，得出效能值为0.21；卫星通信和浮标通信的归一化值均为0.8，因此效能值均为0.24。由此可知，甚低频通信保密性最强，信息最安全，其次为卫星通信和浮标通信，艇载数据链通信的保密性相对前3种通信手段较弱。

3.2 战术效能分析

由于潜艇通信系统应用环境的特殊性，对隐蔽性和机动性有特殊的要求和标准。

1）隐蔽性

潜艇通信时保持隐蔽性至关重要，最主要是潜艇在非安全深度的停留时间长短，隐蔽性衡量指标包括通信深度、通信上浮次数、上浮停留时间。甚低频通信、艇载数据链通信、卫星通信、浮标通信的隐蔽性效能如图4所示。

图4 4种通信手段的隐蔽性效能图Fig. 4 Hidden efficiency diagram of four communication means

1）通信深度

通信深度的权重占隐蔽性指标的权值为0.5，甚低频通信和艇载数据链通信的归一化值均为0.7，效能值为0.35，潜艇深度为水下约50 m，艇载数据链可用于潜望或水面状态，较好满足通信深度需求；卫星通信的归一化值为0.1，因此其效能值为0.05，仅可用于潜望或水面状态，难以满足潜艇水下作战的通信深度需求；浮标通信的归一化值为1，效能值均为0.5，其中，运用浮标手段进行对潜通信时，可满足大深度通信需求。

2）通信上浮次数

通信上浮次数的权重占隐蔽性指标的权值为0.25，甚低频通信的归一化值为1，其效能值为0.25；艇载数据链的归一化值为0.5，得出效能值为0.125；卫星通信归一化值为0.5，得出效能值为0.125；浮标通信的的归一化值为1，因此效能值为0.25。因此，甚低频通信和浮标通信的通信上浮次数比较多，潜艇通信时的隐蔽性贡献较小，卫星通信和艇载数据链通信的通信上浮次数对潜艇隐蔽性的发挥有利。

3）上浮停留时间

依据指标效能值，通信上浮次数的权重占隐蔽性指标的权值为0.25，甚低频通信的归一化值为1，因此效能值为0.25；艇载数据链的归一化值为0.8，得出效能值为0.2，停留时间较短；卫星通信的归一化值为0.4，效能值为0.1，停留时间较长；浮标通信的归一化值为1，计算出效能值为0.25。其中，数据链通信的停留时间较短，其次是甚低频通信和浮标通信，卫星通信的上浮停留的时间相对较长，不利于潜艇隐蔽特性的发挥。

2）机动性

潜艇在水下通信时往往航速和航向都受到限制，制约了潜艇机动性能的发挥，机动性衡量指标包括航向受限性和航速受限性。甚低频通信、艇载数据链通信、卫星通信、浮标通信的机动性效能如图5所示。

图5 4种通信手段的机动性效能图Fig. 5 Maneuverability efficiency diagram of four communication means

1）航向受限性

依据指标效能值，航向受限性的权重占机动性指标的权值为0.5，甚低频通信的归一化值为0.7，因此得出其效能值为0.35；艇载数据链的归一化值为1，得出效能值为0.5，停留时间较短；卫星通信的归一化值为1，得出效能值为0.5，停留时间较长；浮标通信的归一化值为1，得出效能值为0.5。

2）航速受限性

依据指标效能值，航速受限性的权重占机动性指标的权值为0.5，甚低频通信的归一化值为0.6，因此其效能值为0.3；艇载数据链的归一化值为0.8，得出效能值为0.4；卫星通信的归一化值为0.6，因此效能值为0.3；浮标通信的归一化值为0.8，得出其效能值为0.4。其中，艇载数据链通信和浮标通信最大航速在对潜通信中的机动性较好，甚低频通信和卫星通信最大航速相对较大，但是机动性相比前2种通信手段则较差。

3.3 总体效能分析

如图6所示，浮标通信的总体通信总效能值最高为0.88，其突出优势在于其通信的及时性好，可靠性及有效性较好，机动性强，主要问题是隐蔽性差；卫星通信的总效能值为0.67，通信的及时性好，有效性和可靠性都较高，机动性较强，缺陷是隐蔽性差，通信深度不符合潜艇隐蔽要求、停留时间长、有尾流，易暴露潜艇行踪；甚低频通信的总效能值为0.66，其隐蔽性很强，但是通信的及时性和有效性相对不足，机动性受限，主要问题是通信速率偏低、航向和航速受限；艇载数据链通信的总效能值为0.65，其机动性和隐蔽性较强，及时性和可靠性一般，通信有效性偏低，主要问题是通信速率偏低、高误码率和低抗干扰性。

图6 4种通信手段的通信效能图Fig. 6 Communication efficiency diagram of four communication means

4 结 语

综上仿真分析结果可知，一种通信手段如果在某些方面具有优势，在其他方面则呈现较明显劣势。任何一种通信手段都无法同时满足对潜通信系统中对有效性、覆盖范围、隐蔽性等多方面的要求，这主要是由潜艇特殊的作战使用环境和战法决定的[18]。因此，为保障现代信息化海战场中对潜艇的通信保障能力，除提高传统对潜通信手段的抗干扰、抗截获、抗摧毁能力，发展更加稳定可靠的对潜通信系统；还应采用先进技术，提高潜艇通信的对抗能力和发信的隐蔽性；开发蓝绿激光，实现隐蔽、可靠、高数据率的对潜通信技术手段等以提高对潜通信系统的整体作战和通信效能。