海洋技术~潜艇通信技术运用研究

【摘要】潜艇是水下重要作战平台，其信息保障相当重要。然而潜艇入水后，获取外界信息困难，如何解决水下通信难题是世界各国共同关心的课题，特别是未来海战场通信指挥、协同作战对潜艇通信提出了实时、双向、高速、大深度等更高要求。从无线电、水声、激光等水下通信技术特点入手，根据潜艇通信对象及需求，对各通信手段的应用场景、使用方式、运用发展趋势进行了分析研究。 【关键词】潜艇通信；水下传输；无线；水声；激光

1.引言

潜艇作为重要的水下作战平台，能利用海水掩护进行隐蔽活动和对敌方实施突然袭击；有较大的续航力、自给力和作战半径，能远离基地，在较长时间和较大海域甚至深入敌方海域独立作战，有较强的的突击威力；能在水下布设水雷和发射导弹、鱼雷，攻击岸海目标，隐蔽性和攻击性强，其作用和威力不可小觑。潜艇入水后，受自身装备限制，获取外界信息能力有限，通信保障需求强烈，但水下通信较为困难，不易实现实时、双向、远距离通信。根据未来网络化作战的需求，潜艇除了要完成传统的中近程反潜、反舰、战略核反击任务外，还要对岸海实施精确远程打击，完成编队协同作战，这对潜艇信息交互提出了更高要求。

2.潜艇通信技术

潜艇通信包括传统的无线电通信、新兴的水声通信、激光通信以及中微子、量子通信等新一代通信技术。

2.1 无线通信技术

无线电通信利用水作为传输介质，以不同频率的电磁波作为载波传输文本、数据、图像等信息。电磁波频率越高，通信速率越高，在水中传播衰减越大，穿透海水能力越差；反之，频率越低，通信速率越低，水中衰减越小，穿透海水能力越强。根据频段，无线电通信可分为超低频（SLF）、甚低频（VLF）、极低频（ELF）、高频/甚高频（HF/VHF）、卫星（UHF/SHF/EHF）通信等。

2.1.1 极低频通信

极低频通信频率范围3~30 Hz，穿透水深可达100~200 m[1]。该频段电磁波在陆地和海水中传播衰减都很小，且受电离层扰动干扰小，传播稳定可靠，传输距离远。由于波长太长，技术复杂性极高，用一般常规技术很难实现。到目前为止，世界上只有美、苏、印三个国家建设过极低频通讯设施。1972年，美军在威斯康星州进行极低频通信试验，一艘航行在4600千米外120米海深的黑鲹号核潜艇成功接收了信号。发信设备庞大，通信速率低，抗毁性差、只用于下行单向通信。

2.1.2 超低频通信

超低频通信频率为范围为30~300 Hz，传播稳定，在海水中衰减小（75 Hz频率的电磁波在陆地上传播衰减约1.3 dB/1000 km，水下传输衰减约为0.3 dB/m），对海水穿透能力强，可深达100m以上[2]，可用于对远距离和大深度条件下航行的潜艇单向通信。美俄等国采用约76 Hz和82 Hz的典型频率，已实现对水下超过80 m的潜艇指挥通信。但是，超低频通信系统发信天线长达几十千米，接收的拖曳天线长度也超千米，发射功率为兆瓦级，通信速率却低于1 b/s，仅能下达简单报文指令，一般只起到“振铃”作用，潜艇在深水中收到该信号就上浮到一定深度再用甚低频或其他手段接收岸基发送的报文。

2.1.3 甚低频通信

甚低频通信频率范围3~30 kHz，可穿透10~20 m的海水，主要依靠大地与低电离层间形成的波导进行传播，通信距离可达数千公里乃至覆盖全球。调制模式主要OOK/CWK、FSK、MSK三种，由于带宽小，信息传输速率低，一般为数十波特，最高可达300bit/s。其特点是系统庞大、占地广、功率大、造价高，通信可靠，抗毁性差。日本是最早令甚低频通信技术达到对潜通信实用化的国家之一，1929年便建成了佐佐美通信站；第二次世界大战中，德国海军在马德堡建立了甚低频通信站；英国海军也相继在路格维建设了甚低频通信站。

甚长波、超长波无线电对潜通信手段自身存在一定的局限性，长波台在战时往往是敌方攻击的重点目标。由于发信天线庞大，只能用于岸对潜单向通信。

2.1.4 高频/甚高频通信

高频/甚高频通信通信频段在3~300 MHz，传输速率高，可传输数据、文本、语音、传真和图像信息，达成双向通信。由于频段高，在水中衰减剧烈，难以实现水下接收，只能采用浮标天线或潜艇露出水面实现信号收发。无线电信号存在被侦测和定位的风险，且浮标天线必须露出水面接收信号，也有被探测发现的可能，潜艇自我暴露风险较大，一般只在确认安全或者紧急时使用。可采用跳频、扩频、猝发等隐蔽通信技术降低信号被侦测定位的概率。

2.1.5 卫星通信技术

卫星通信技术指利用卫星作为中继而进行的通信，包括卫星和地球站两部分。卫星通信频段有特高频（UHF），通信频段在300~3000 MHz；超高频（SHF），通信频段在3~30 GHz；极高频（EHF），通信频段在30~300 GHz。根据卫星类型和使用特点还有更细的划分，例如常用的Ku卫星频段范围为12~18 GHz，Ka卫星频段范围为26.5~40 GHz。

卫星通信距离远、通信速率高、覆盖区域广，保密性好，可靠性高、灵活机动、抗干扰能力强，潜艇接收天线尺寸小，在贴近水面或潜望状态下可进行信号收发双向通信。

2.2 水声通信技术

水声通信通过电-声转换，利用声信号携载信息在水中进行传播而完成数据传输。比起电磁波在水下传输衰减大，声波在水下传播性能好（频率范围在1~50 Hz的声波在水中衰减系数为10-4~10-2dB/m），在一般条件下，通信距离可达数十千米，利用深海声道轴可达上千千米。水声通信是目前唯一能在水中进行大深度、长距离传输的通信方式。其设备简单、隐蔽性高，可大深度双向通信，易于组网，使用灵活，通常可用电话、电报和电传报等工作方式。但由于水声通信信道复杂，时变性强、频率选择性衰落大、水声通信易受海洋环境影响，稳定性差，且通信速率低、传播速度慢。

2.3 激光通信技术

激光通信是利用蓝绿激光作为载波实现信息传输的通信方式。波长在420-540 nm的蓝绿激光对海水的穿透力较强，可达水下600米以内。传输速率高，可达数千比特，能量集中、方向性好、保密性强、设备轻小且能够抗截获，潜艇在大深度安全巡航状态即可进行接收信号，且接受时航速不受限制。外军试验表明，潜艇在水下700米深也可接收到激光信号，多云条件下及夜间则不到600米。在1984年的试验中，某战斗机携带功率1瓦的激光器发送每秒数千比特速率的信息，可成功被水下300余米的潜艇接收。激光通信通过天基、陆基、空基三种方式均可实现。天基方式是激光发射机安装在卫星上，地面站通过射频信道将信息发送给卫星，由卫星通过激光信道转发给潜艇。陆基方式是在地面的激光发射机，将激光束射向卫星，卫星再将激光束反射给潜艇。空基方式是把激光发射机安装在飞机上，地面站通过射频信道将信息发送给飞机，飞机再通过激光发射机把信息转发给潜艇[3]。

2.4 新型通信技术

量子、中微子作为新一代通信手段，近年来取得了飞速的发展。中微子通信是以中微子作信息载体的对潜通信，中微子是一种不带电的、质量比中子小得多的基本粒子，其运动速度接近光速，穿透力极强，中微子即使穿透地球，其能量也仅损失百亿分之一，中微子是直线传播，无反射、折射、散射现象，抗干扰性和保密性好[4]。量子通信系指利用量子纠缠效应进行信息传递的一种新型通讯方式，其优点是信息量大、绝对的安全性、穿透性强。

表1 对潜通信手段比较

试验表明，水下量子连接可能跨越30米（100英尺）的湍流水域中。这些新技术具有革命性意义，可实现大深度远距离潜艇实时安全通信，使潜艇可随时获取情报，感知战场态势，具备协同作战能力，是未来研究的重点之一。

3.潜艇通信技术运用

潜艇通信按照对象可分为潜艇与岸基、潜艇与水下平台、潜艇与水面舰船、潜艇与飞机之间的通信。潜艇通信的方法主要有无线电静默和快速通信。潜艇无线电静默是潜艇在规定的时间和海区内禁止无线电发信而只收信甚至不收信的隐蔽措施。一般在舰艇接敌前、通过敌占区或执行特殊任务的隐蔽航行时采用。目的是防止敌方利用无线电台和无线电测向设备获取已方舰艇的发信时间、功率、联络关系和电台移动的速度、方向，从而测到己方潜艇所在海区、数量、指挥关系、航速、航向和行动企图等情报。快速通信是海上潜艇对岸上指挥所、水面舰艇、协同潜艇、飞机的发信，以无线电短波为主，也可采用卫星中继或水声通信方式。潜艇发信易暴露位置，在发信时信息力求简短，尽量提高发信速率，最大限度地压缩发信时间和次数。

3.1 岸-潜间通信

岸上指挥所对潜艇通信主要使用甚长波、超长波无线电通信手段。一般采用定时通播即广播的方式向潜艇单向发信。发信网是由多座无线电发射台组成对潜发信体系，按多点、纵深、疏散，并能相互代替的原则配置组成发信网，以增加对潜通信的覆盖面。常规潜艇一般按规定时间在水下10~15 m处潜望镜深度用环形天线、或在40~80 m深度用拖曳浮标天线接收甚长波信号，潜艇处于水面或潜望镜深度活动时还可接收短波信号。核潜艇由于通常在深海活动，可在距水面100 m以内用长度约600 m的拖曳浮力电缆天线接收超长波振铃信号，后上浮至能接收甚长波、短波或微波信号的深度，再用高速报将信息发给潜艇。美国在亚洲、澳洲、美洲、欧洲、本土和夏威夷建成9个甚长波发射台，可实现甚低频发信全球覆盖。岸对潜通信的另一方式是卫星中继通信，岸上指挥所将发给潜艇的信息储存在岸站设备内，通过卫星发送给潜艇。其传输速率高，通信容量大，可靠性好，能在短时间内交换大量信息，但潜艇须上浮至水面或潜望镜深度，使其卫星天线露出水面指向卫星才能进行接收，不利于保持潜艇的隐蔽性。岸基也可利用车载甚低频、短波、超短波、卫星等通信手段实现对潜的机动通信。

潜艇对岸基的通信可通过短波、卫星等技术实现。对潜收信网是由多个收信点构成的对潜短波收信体系。岸上设置的专门对潜收信点内设有多部高灵敏度短波接收机、快速收信终端和覆盖相应扇面的多副高增益收信天线，采用频率分集或空间分集方式对潜艇短波信号进行全时接收。潜艇通过通信卫星发信时，则由岸上卫星地面站自动接收，收信点或卫星地面站收到潜艇信号后，立即转发给对潜指挥所。为了解决潜艇上浮发信的安全性问题，可采用浮标通信，潜艇通信浮标分为综合通信浮标、高速曳航浮标、应急通信浮标、消耗型无线电浮标、潜艇卫星终端浮标、可回收系留光线浮标等。

另外，随着水声通信的发展运用，潜艇通过浮标等网关节点中继，也可利用水声通信实现与岸基的双向通信。

3.2 水下平台-潜间通信

潜艇与潜艇、潜艇与UUV、潜标、预制式武器之间的通信。水声通信的发展使得水下节点间的协同通信、信息获取、武器唤醒等成为现实。加拿大Geo Spectrum Technologies公司已向政府成功交付远程声通信（LRAM）系统。LRAM系统具有按需和潜艇秘密通信的能力，可在水下大深度实现双向通信，支持多种通信方式，即可从水面舰或岸基指挥站直接与潜艇通信，也可通过浮标、无人水面艇、有人水面舰中继，实现指挥站与潜艇通信。该系统配备的极低频声源可进行数千公里的战略通信，配备的低频声源可进行数百公里的战术通信，具备远程声唤醒能力，支持UUV和蛙人之间的通信。美Seaweb实验中，海豚级潜艇在水下约122米可成功与网关浮标节点通信，实现与其他水下节点、岸基的文字、图像、图表的E-mail报文传输。

3.3 舰-潜间通信

舰潜协同通信是为保障水面舰艇与潜艇协同动作而建立的通信。在近距离时，水面舰艇对处于水面状态的潜艇可使用短波通信或超短波通信；对处于潜望镜状态的潜艇可使用超短波通信；对处于水下的潜艇则使用水声通信。在远距离时，一般通过岸上指挥所转达，即水面舰艇将给潜艇的信息发给岸上指挥所，岸上指挥所通过对潜发信网转发给潜艇。潜艇给远距离水面舰艇的信息，利用潜艇报告网发出，岸上指挥所再将此信息通过舰艇指挥网转发给水面舰艇。装有卫星终端的水面舰艇和潜艇间的通信，可利用卫星通信线路达成协同通信。装有水声通信装备的水面舰艇和潜艇也可实现数十公里上的水声电话、电传报双向通信。

图1  潜艇通信技术运用

3.4 舰-机间通信

飞机对潜的通信，一般用于传输态势信息、指挥控制命令等，对大深度潜艇可采用甚低频、激光通信、航空吊放声呐等方式，对潜望状态下的飞机可采用短波、超短波等方式。机载激光通信是将大功率激光器搭载在飞机上，飞机飞过预定海域时，激光以一定形状波束扫过目标海域，完成对水下的广播式通信但载荷有严格的尺寸、重量和功耗要求。美运输机EC-130Q搭载了“塔卡木”甚低频水下通信系统，安装甚长波发信机和拖曳天线，当固定发射台被摧毁时，可实现机动对潜保障。航空吊放声呐利用水声通信实现与水下航行的潜艇之间的通信。除甚低频受天线尺寸限制是机对潜单向通信外，其他手段均可实现双向通信。

4.潜艇通信的发展及建议

一是信息化条件下的联合作战，为了及时获取态势信息、远程目标信息，实现远距离目标精准打击、编队协同打击作战，要求更高效可靠的通信，尤其是大深度、高速率、远距离、安全可靠的双向隐蔽通信需求使得任何一种单独的潜艇通信技术都不能满足。需要综合运用多种手段，为不同环境下为潜艇提供可靠的信息交互方式。浮标通信可实现有线与无线通信、水声与无线通信的联合使用，使得潜艇不用上浮就可实现双向通信，大大提升了安全性。潜艇也可通过飞机、浮标、卫星等多种载体中继完成与岸基、舰船等通信对象间的远距离通信。另外，大力发展量子、中微子等通信新技术，积极开展艇外传感器研制，实现在高速、机动状态下通信。

二是重点发展水下组网技术，满足潜艇在网络中心站中对战场信息交换的需求。单个传感器难以满足对大范围、长时间的水下信息获取的需求，通过网络技术将多个分布式节点进行互联，利用可靠通信实现数据的汇集、交换、处理和分发，可有效增强水下战场信息的感知能力，建立实时、高效、大空间、多方位的水下信息体系。美国的Seaweb网络已实现了多固定节点组网、自适应节点路由初始化、潜艇和AUV的数据接入、利用固定节点对AUV定位、分簇网络等多种功能，在基于卫星浮标的远海观测网、港口近岸的水下侦察网络及军用水下航行器指令传输及定位等应用中展示了很好的应用效果和技术先进性[5]。