美国“海网”水下信息系统

刘远航 宋佳平

（海军大连舰艇学院，辽宁大连 116018）

数字信号处理技术、电子学和数字通信理论的应用极大地促进了水声遥测技术的发展。美国是最早提出水下信息系统网络概念，并开展研究与试验的国家。目前，美国主要的水下信息系统有岸基声纳监视系统、海网、可部署自主分布系统、近海水下持续监视网。海网是一个用于可部署自主水下系统的指挥、控制、通信和导航的组织网络，利用远程卫星实现海网功能为海洋应用提供了巨大的前景[1]。

1.美国主要的水下信息系统

1.1 岸基声纳监视系统

20世纪70年代，美国借助于铺设在海洋底部的水听器网络，远程监控敌潜艇位置和水下目标情况，这种铺设在海底的固定水声监视系统发现目标后，将数据传输给岸基反潜指挥中心，经过岸基指挥中心的分析、处理后上报，最后向前沿地区分发。

1.2 “海网”广域监视系统

“海网”广域监视系统是通过水声通信链路，将布设在海底的固定节点、移动节点和通信网关节点连接成网络的一种水下信息系统网络。“海网”的指控中心可部署岸基外，还可部署在水面舰船、潜艇或飞机，指控中心通过卫星或因特网接入浮标网关节点[2]。

1.3 可部署自主分布系统

可部署自主分布系统是由14个固定节点及数个移动节点组成一种濒海防雷反潜作战系统。固定节点该包传感器、网关浮标和中继节点，移动节点主要指水下活动的潜艇、UUV、AUV等。可部署自主分布系统服务器部署在岸基指挥中心。

1.4 近海水下持续监视网

近海水下持续监视网是一种半自主控制的海底固定和水中机动的网络化水下信息系统。近海水下持续监视网指挥控制中心通常在核潜艇上，以核潜艇为核心节点，核潜艇携带的大量水下无人潜航器为移动节点，布设在海底的潜标、浮标、水声传感器等为固定子节点，通过固定式和移动式节点为潜艇探测水下目标信息。

2.“海网”水下信息系统

2.1 “海网”节点布放

组成海网的各种类型节点可以很容易地从包括潜艇、船舶和飞机在内的高价值平台上部署，或从无人水下运载器和无人空中运载器上部署。由于通过无线连接，海网的结构灵活，因而允许任务规划者根据给定的远程卫星传播条件和任务分配节点类型任意混合。

海网的最初动机是需要通过可部署自主分布式系统（DADS）在沿海水域进行广域海底监测。在DADS网络中的传感器节点可将探测的目标简明信息上报，由海网中的主节点进行现场级数据融合，主节点通过与空间卫星网络连接的海面浮标无线电，或与机载海网服务器连接的船舶声纳等网关节点，实现与载人指挥中心的数据通信，进行进一步的数据交互。

在部署之后，DADS依赖于海网进行自组织，包括节点识别、时钟同步、节点地理定位、新节点同化和节点故障后的自修复。DADS采用底层蜂窝网络架构，非常适合支持自主海洋采样网络。

2.2 海网的结构组成

海网是一个固定和移动节点相结合的海底无线网络，包括与载人指挥中心进行数据交互的各种接口，可在任意海洋环境中完成给定任务。海网主干是一组自主的、静止的节点（例如可部署的监视传感器、中继器），外围设备是移动节点（例如潜航器、滑翔机等）和专用节点（例如，双基地声纳）。

海网网关为水下、水上、高空和岸上的指挥中心提供连接，配备远程卫星的网关节点将海网与地面、机载和天基网络连接起来。例如，遥测浮标作为无线电/声学通信接口，允许卫星和海上巡逻飞机访问水下自主系统。同样，潜艇可以通过水下电话波段或其他高频声纳信号接入海网。海网可为潜艇指挥官提供速度和深度等数字资源，并可双向访问所有海网链接的资源和远程网关。

2.3 海网的数据传输原理

海网服务器位于载人指挥中心，它是海底网络的图形用户界面。服务器存档所有传入的数据包，并通过互联网提供对客户端站的只读访问。由于传播不佳或噪声水平升高而造成的偶尔中断可能会中断远程卫星链路，因而低带宽、半双工、高时延的远程卫星链路可能会限制海网的数字服务质量。此外，海网必须以低比特能量/噪声频谱密度运行，并限制未经授权的接收器的拦截，以确保传输的安全性。因此，海网必须依靠革命性的信息系统约束数据传输制度，简单、高效、可靠和安全是数据传输设计的主要原则。海网的数据传输体系结构包括物理层、媒体访问控制层和网络层。这些最基本的通信功能层支持倾向于特定于应用程序的更高的层。

2.3.1 物理层

在物理层，水吸收和分散几乎所有的电磁频率，使声波成为水下通信超过几十米的首选。声波在通信频率范围内的传播可以分为几个阶段。第一个（基本阶段）在传输距离上发生的根本损失；第二阶段考虑到由于表面底部反射和折射造成的特定损失，这些反射和折射在音速随深度变化时发生；第三阶段由传播介质（如潮汐）的缓慢变化引起的大规模接收功率的明显随机变化。

2.3.2 媒体访问控制层

在媒体访问控制层，多用户系统需要有效的方法来在参与节点之间共享通信资源。在无线网络中，通过提供规则，使不同用户能够有效地共享资源。在为水下网络设计资源共享方案时，需要考虑声道的特殊性以及传感器的带宽限制。早的海网选用的是频分多址（FDMA），通过将把总带宽分隔成多个正交的信道，每个用户占用一个信道进行数字传输和服务，类似于美国地区广泛应用的蜂窝电话系统。

2.3.3 网络层

在海网这种海底大型网络中，任何一对节点都不可能直接通信，通常使用多跳操作（中间节点用于将消息转发到最终目的地）。在这种情况下，路由协议用于确定数据包应遵循的拓扑的可变路线。在海网中应用广泛的是分布式协议，考虑到声学传播的具体特征和应用要求，应用程序允许节点选择下跳一个，以最大限度地减少能耗。最后，通过采用拓扑控制，保持其中部分节点在线，以减少能量的同时保持网络连接。

3.“海网”水下信息系统技术难点

3.1 能源技术

组成“海网”水下信息系统的各类传感器节点主要依靠各类电池提供能源，这样节点在目标海域的工作时间就会受到电池电力的限制。虽然美国已经开展研究通过位海底部署储能设备，为移动节点进行水下充电，但在深海使用仍然受限。因此，开发新的能源电池，延长节点传感器的自持力，加大待机时间是亟待解决的问题。

3.2 通信技术

水下通信受介质的影响，数据传输的安全、速率、距离等都受到了限制。通信技术关键要解决的问题是在保证安全的基础上，增大通信距离和速率，如果通信安全得不到保证，数据在传输过程中被敌方截获，就会造成不可估量的损失。此外，恶劣的水下环境对信息的传输速率、误码率都非常大的影响，如何实现高码率远距离数据信息传输是水下通信长久以来的难题。虽然“海网”目前在试验中实现了在水下十公里节点间进行点对点数据传输，但实际信息传输效果还有待验证[3]。

3.3 信息处理技术

水下节点可以探测的信息有很多，比如环境信息、目标信息，信息的种类也很多，比如音频、图片、视频等。因此，节点在探测到信息后，如何对各种信息进行分类传输和融合，如何最优化信息传输流程是需要解决的问题。水下信息的处理一般要经过搜集、压缩、发送、存储、识别、分发等步骤。因此，如何选择数据分类、存储和分发标准是水下信息处理的关键[4]。