國外海軍潛艇通信技術與裝備發展*

陶 雯，陳鼎鼎，何寧寧

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江 嘉興 314033)

國外海軍潛艇通信技術與裝備發展*

陶 雯，陳鼎鼎，何寧寧

(中國電子科技集團公司第三十六研究所,浙江 嘉興 314033)

為推動潛艇從傳統的“單打獨斗”向“網絡中心戰”作戰方式過渡，近年來國外海軍對高效安全的潛艇通信系統的需求顯著提升。同時隨著現代電子對抗技術的發展，潛艇通信被偵察和干擾的可能性大大增加。因此，國外海軍不斷提升潛艇通信的現有技術，并大力發展新興技術。主要討論了國外海軍潛艇在“網絡中心戰”背景下的通信方式，并介紹了外軍潛艇通信當前與新興技術與裝備的發展。

潛艇；網絡中心戰；無線電通信；水聲通信；藍綠激光通信；中微子通信；量子通信

0 引 言

潛艇是一種重要的戰略威懾力量，它長期潛航在海底深處，是典型的隱蔽性武器系統。因此，潛艇通信必須要確保潛艇的隱蔽與安全。在此基礎上，國外海軍為了推動潛艇從傳統的“單打獨斗”向“網絡中心戰”作戰方式的過渡以及應對現代電子對抗技術的發展，不斷提升對潛艇通信技術與裝備的要求。

目前潛艇通信主要采用無線電和水聲通信。其中，無線電在水下隨頻率增高衰減增大，在不借助拖曳天線、浮標等艇外傳感器時，潛艇使用超長波、甚長波信號可使潛艇在深海(水深超過百米)或潛行(水深25～30米)狀態下接收岸對潛通信信號；而使用短波、超短波、微波與岸站、水面艦船、飛機或其他潛艇進行通信則必須上浮至透氣狀態(透氣孔露出水面)。水聲通信目前還存在一些需要解決的問題，如大時延、帶寬受限、高誤碼率和高能耗等，不過由于它可以實現潛艇深海遠距離通信，因此是一種具有相當發展前景的通信方式。除了這兩類通信技術外，藍綠激光通信、中微子通信、量子通信等新興對潛通信技術也在不斷發展成熟。

1 “網絡中心戰”背景下外軍潛艇通信方式

在現代作戰中，傳統潛艇“寂靜”的獨立作戰方式已不能滿足海軍要求，無論是為了保證潛艇遠程打擊目標信息獲取與武器精確打擊，還是為了與整個艦隊有效通信協同作戰，潛艇成為“網絡中心戰”的完全參與者都勢在必行。

美國海軍“網絡中心戰”的構想在于共享信息以獲取戰略與戰術優勢。為讓潛艇部隊加入到“網絡中心戰”中，潛艇必須完全參與能夠與聯合部隊互操作的基礎信息網絡中。這些網絡將不僅僅為部隊協同提供通用作戰圖(COP)，還將提供信息處理能力，它將幫助戰斗人員更好地決策、執行聯合作戰任務、更高效地分配部隊，并減少戰術響應時間。美國海軍的最終目標是開發一種射頻與水聲通信網絡，將水下力量、水下與空中、水面力量無縫連接在一起。同時為了適應“網絡中心戰”所需的數據和信息交換要求，潛艇通信裝備必須進行改革，通過網絡計算機將多種通信線路連接在一起，以便潛艇能夠以空前速率收發信息。美軍“網絡中心戰”條件下潛艇作戰的一個關鍵要素是潛艇通信支持系統(SCSS)，它適用于海軍多種通信部件和能力，最大化地避免了只依賴唯一通信裝備的情況。作為潛艇的外部通信系統，潛艇通信支持系統采用工業標準協議和商業技術，淘汰以往落后的技術和“煙囪”式體系結構，運用客戶機/服務器系統互聯體系結構，并提供一種具有開放體系結構的無線電室，通過無縫、廣泛連接的共享通用通信鏈路來交換數據，充分發揮潛艇C4I系統的潛力。

當潛艇成為“網絡中心戰”的完全參與者，潛艇與其他平臺協同作戰就成為國外海軍研究的重點之一。美英海軍曾對潛艇直接支持水面艦艇作戰進行過研究，最終結果是潛艇遠距離支援是可行的，近距離直接支援則不切實際(因為潛艇很可能被誤炸)。在遠距離支援時，潛艇可通過無線電等向聯合作戰的水面部隊提供信息，如戰斗群附近的潛艇告訴水面部隊敵軍潛艇正在附近，并說明敵軍潛艇所在位置。潛艇與水面部隊之間的距離使它們可以采用非緊急通信，在確保潛艇隱蔽的同時可以給水面部隊以充分的反應時間。

2 國外潛艇通信現有技術與裝備

2.1 無線電通信

無線電波在水中衰減很快，頻率越高，衰減越快，只有波長較長的無線電波才能穿透一定深度的海水。因此通信信號的波長不同，其對潛通信特點也不相同。

2.1.1 SLF/VLF通信

超低頻(SLF)、甚低頻(VLF)等頻段對潛通信的優點是可靠性高、抗干擾能力強、受電離層擾動干擾小，即使在磁暴、核爆等情況下也能進行遠距離通信；缺點是發射機天線效率低、規模龐大、投資費用高，且戰時易受到敵方攻擊，同時由于帶寬窄造成通信容量較小，傳輸速率低[1]。

超低頻信號入水深度達100米。潛艇若采用先進接收設備和天線可以在400米深度接收信號。由于超低頻通信是目前解決潛艇深水通信的唯一現實有效手段，因而備受關注。超低頻對潛通信的通信速率極低，據稱美國“緊縮”超低頻通信系統，15分鐘才能完成1個三字符碼組，遠遠不能滿足發射復雜作戰指令的需求，通常只能用于發送短指令碼或作為通知收報用的“振鈴”。

甚低頻信號可穿透20米深的海水，潛艇在接收信號時必須減速航行并上浮，這樣可能被敵方發現，威脅到潛艇的生存。通過使用拖曳天線，潛艇可以在潛航狀態下接收信號，不過潛艇運行可能會受到限制。甚低頻通信是目前各國海軍的主要對潛通信手段。美俄等海軍都建有多座甚長波發信臺，其中美國在北約國家及其本土所建的發信臺已經形成了嚴密的對潛指揮通信網。另外，為提高發射臺的生存能力，美國還研制出了“塔卡木”機載甚低頻發射機，原先搭載在EC-130Q飛機上，目前改用EA-6B電子戰飛機，用以執行對潛中繼通信任務。日本于1991年交付使用的宮崎縣蝦野市對潛通信甚低頻發射臺，是日本對潛通信的主要手段，其發信覆蓋區域包括日本主要海峽在內的潛艇全部活動區域，從而使海岸基地或艦艇等可與隱藏于水下10米的潛艇通信。2014年7月底，印度位于蒂魯內爾維利卡塔波曼港的先進超低頻發射臺也開始服役，如圖1所示[2]。

圖1 位于卡塔波曼港的印度潛艇通信中心

2.1.2 HF/VHF/UHF/SHF/EHF通信

高頻(HF)到極高頻(EHF)對潛通信頻段用于潛對岸、潛對艦、艦對潛、潛對空、空對潛以及潛艇與潛艇、潛艇與衛星之間的通信。這些頻段的信號不能穿透海水，因此需要將桅桿天線露出水面或采用拖曳天線、無線電通信浮標等。

典型的HF/VHF/UHF對潛通信裝備有Link 11、Link 16、Link 22數據鏈以及AN/URC-77小功率HF電臺、AN/URC-88 HF電臺和AN/URC-93 UHF電臺等。

大多UHF/SHF/EHF對潛通信系統均采用衛星通信手段。美國各種頻段的雙向衛星通信在潛艇通信中起到不同的作用。UHF頻段“特高頻后續星”(UFO)等為潛艇提供了靈活的戰術組網通信，實現了除高緯度地區外的全球覆蓋；SHF頻段可以實現高數據速率通信；EHF頻段則提供高保密、低截獲概率話音和電傳通信。典型UHF/SHF/EHF對潛衛星通信裝置包括美國潛艇搭載的AN/WSC-3型UHF衛星/視距通信收發信機及其替代型號AN/USC-42(V) UHF衛星通信設備、AN/USC-38(V)EHF衛星通信終端、AN/BRT-6一次性UHF衛星通信浮標、英美聯合研發的“可重復使用的光纖系留”(RTOF)UHF衛星通信浮標、以及美國海軍最新的“深海快速通信系統”(CSD)的一次性系纜銥星與UHF衛星通信浮標等。

潛載AN/USC-38(V)EHF衛星通信終端可以通過美國“特高頻后續星”和“軍事星”(MILSTAR)的EHF衛星通信載荷將潛艇與航母戰斗群更緊密地連接在一起，提供可靠的低概率檢測/截獲和抗干擾通信，如圖2所示。AN/USC-38(V)1型潛載終端使用安裝在8型方式3(Type 8 Mode 3)潛望鏡頂部的0.139米拋物面天線，實現與EHF衛星低數據率(LDR)端口的通信。未來升級后的潛載終端AN/USC-38(V)8/11/12/13，采用OE-562潛艇高數據率(Sub HDR)天線系統，并可利用EHF衛星中數據率(MDR)端口[3]。

圖2 AN/USC-38(V)1型潛載通信終端天線(左)，1998年環太平洋聯合軍演中一位“帕薩迪納”(SSN-752)號核潛艇艇員正等待Type 8潛望鏡上的通信(右)

由洛克希德·馬丁公司研發的“深海快速通信系統”將把深藏海底的核潛艇與美國國防部“全球信息柵格”(GIG)連結起來，首次實現潛艇與陸空的雙向通信交流。“深海快速通信系統”要求潛艇在海面部署三個浮標：其中兩個是與潛艇連接的固定浮標，即一次性系纜通信浮標(TECB)銥星系統(如圖3所示)和一次性系纜通信浮標特高頻系統，第三個則是自由漂浮的聲納浮標，即從聲頻到射頻(A2RF)通路系統。固定浮標利用數英里長光纜實現數據傳輸，使得潛艇無論在任何深度都能利用UHF無線電波(特高頻后繼星等)或通過“銥星”衛星網絡以最快的速度(分別為32Mbps、2.4Mbps)與外界進行交流[4]。

圖3 “深海快速通信系統”一次性系纜通信浮標利用銥星系統通信

2.1.3 典型無線電通信天線

作為潛艇通信最大的技術挑戰——高數據率天線的發展也值得引起關注。美國海軍逐步淘汰了原先的AN/BRA-34型天線，致力于發展部署兩種新型天線：OE-538多功能天線桅桿和OE-562潛艇高數據率天線系統，如圖4所示。

圖4 OE-538/BRC多功能天線系統組成(左)、OE-562潛艇高數據率天線系統(中上)、“弗吉尼亞”級潛艇天線桅桿(右)

OE-538/BRC標準系統覆蓋AN/BRA-34的所有頻段，支持VLF/LF接收(10 KHz～170 KHz)、MF/HF收發(2～30 MHz)、VHF視距雙向通信(30～174 MHz)、VHF/UHF視距雙向通信(225～400 MHz)、VHF/UHF衛星雙向通信(240～400 MHz)、敵我識別應答、GPS接收。該系統可以與艦隊衛星后繼星、軍事星低數據率進行全雙工按需分配多址接入(DAMA)通信。OE-538/BRC改型系統支持銥星、移動用戶目標系統(MUOS) UHF頻段和Link 16收發功能，并提升了MF/HF、VHF/UHF衛星通信能力。據稱，OE-538/BRC型天線是美國海軍包括“弗吉尼亞”級在內的所有潛艇與飛機、艦艇以及陸上設施通信均使用的傳統潛望深度天線[5]。

OE-562潛艇高數據率天線系統首次提供SHF/EHF多頻段高數據率衛星通信能力，可用于收/發話音、數據、視頻和圖像。它采用一個約0.36米拋物面天線，能讓潛艇在潛望鏡深度通過軍事星EHF低數據率/中數據率(LDR/MDR)、國防衛星通信系統(DSCS) SHF和全球廣播服務(GBS)衛星進行通信。據2014年5月關于該天線的招標書顯示，當前已有超過100套OE-562天線在美英海軍潛艇中服役。其中，美國“弗吉尼亞”級潛艇上裝有2套OE-562天線桅桿，可同時進行SHF和EHF頻段通信，通信容量獲得極大提升。

2.2 水聲通信

聲波在海水中的衰減比電磁波相對要小很多。研究表明，在海下600～2 000 m之間有一聲道，聲波在該聲道中可傳輸到數千公里之外，其傳播方式與光波在光波導內的傳播類似。現代潛艇的下潛深度一般為250～400 m，而未來潛艇的潛深可能達到1 000 m。因此，水聲通信將成為一種很有前景的對潛通信方式。

2.2.1 水聲通信裝備

美國海軍曾利用ATM885型水聲調制解調器從潛深約130 m的“海豚號”潛艇上向中繼浮標站成功發送E-mail。利用多個水聲調制解調器的相互通信，“海豚號”潛艇還能實現潛艇之間的雙向通信[6]。

圖5 “深海警報戰術尋呼浮標”通信示意圖

圖6 “深海警報戰術尋呼浮標”作戰應用實例

2009美國財年開始運行的“深海快速通信系統”項目增量0中“深海警報戰術尋呼浮標”(DSTPB)由潛艇發射，聲學通信距離超過50海里如圖5、6所示。“深海警報戰術尋呼浮標”的升級型號是項目增量1中的“從聲頻到射頻”浮標，其能力得到增強。“深海警報戰術尋呼浮標”只能傳輸幾比特尋呼信息，且只能用于岸/艦向潛艇單向通信，而“從聲頻到射頻”浮標可提供雙向水聲通信功能。“從聲頻到射頻”浮標可從潛艇或飛機上投放，通過水下聲學通信裝置，既能與潛艇進行雙向近程通信，也可以使潛艇進行單向遠程通信以接收來自指揮機構的廣播信息[7]。

2.2.2 水聲通信網絡

隨著各種水下水聲通信裝備及水面浮標等的研發成功，以美國為代表的多個國家已著手建立先進的水聲通信網絡，如“海網”(SEAWEB)、“持久瀕海水下監視網絡”(PLUSNet)等。

美國海軍自1998年開始啟動的水下網絡重點項目“海網”可在淺海惡劣條件下利用水聲網絡在廣闊海域進行高質量數據傳輸，并支持潛艇、潛航器等水下移動節點的加入[8]。“海網”體系架構包括采用遠程通信聲納(telesonar)無線聲鏈路的固定和移動節點。網絡骨干由自主固定節點如可部署監視傳感器和中繼站組成。海床上的固定轉發器節點通過水下傳播信道交換并處理水聲調制數據。“海網”移動節點包括自主潛航器等。靠近水面部署的無線電-水聲通信(RACOM)網關浮標節點可以與水下、海面、空中以及岸上的指揮中心連接。圖7展示了“海網”整個網絡架構。“海網”網絡至少已經成功部署了超過50套，并正不斷升級改進。據稱，前述“深海快速通信系統”增量2中將增加與“海網”的通信能力。

圖7 “海網”網絡體系架構示意圖

美國2005年啟動的“持久瀕海水下監視網絡”項目可長期部署用于執行監視任務如淺海海域特別是西太平洋的艦船與潛艇跟蹤，具備持久探測、識別、定位與跟蹤能力，同時也能提升潛艇與各種無人潛航器、滑翔器之間的水聲通信能力。“持久瀕海水下監視網絡”由網關浮標、移動網關、固定海底節點和移動傳感器節點組成。其中，網關浮標與移動網關提供水下與岸上的射頻鏈路。固定海底節點則向岸上報告由移動傳感器節點獲取的數據，并接收來自控制中心的指令。自主潛航器等移動節點與固定節點合作，通過水聲探測跟蹤艦船，并通過移動水聲-衛星通信網關如SeaGlider(美國相關研究機構曾在2004年反潛戰演習TASWEX 04中將SeaGlider部署到東海進行演示驗證)、Spray等將數據中繼到岸上。圖8展示了“持久瀕海水下監視網絡”的體系架構[9]。

圖8 “持久瀕海水下監視網絡”體系架構示意圖

3 國外潛艇通信新興技術與裝備

3.1 藍綠激光通信

藍綠激光通信是指利用0.47～0.54 μm波長的高能藍綠激光通過衛星、飛機等平臺實現對潛雙向通信。研究表明，海水對這一波長的衰減較小，僅為其他波長的1%。通過藍綠激光實施對潛通信，其海水穿透能力可達600 m以上，并具有信息容量大、傳輸速率高、抗干擾、接收天線小等優點，可保證潛艇通信時的隱蔽與安全。

1997年，美國海軍于就曾將藍綠激光通信機搭載在E-6B飛機上，實現了與水下深達400 m以上的潛艇通信。

2010年初，美國國防高級研究計劃局(DARPA)發布了一份戰術中繼信息網絡(TRITON)項目廣泛機構公告，以研發一種藍光潛艇通信系統。該系統用于美國海軍2012年6月的環太平洋演習，要求使用飛機或中高空飛機(替代衛星)作為平臺，并必須包括上、下行鏈路接收機。TRITON項目是用于驗證潛艇潛航時與飛機的通信能力以及技術成熟度，其技術是基于DAPRA 20世紀90年代的戰術機載激光通信(TALC)項目。戰術機載激光通信項目中，上行鏈路采用藍光激光器和455.6納米銫原子線諧振接收機，下行鏈路則是綠光二級管泵浦激光器和搭載在潛艇上的532納米接收機。該項目測試了潛航狀態下的潛艇與P-3海上巡邏機之間通過藍綠激光器的通信[10]。

2010年9月底，據報道QinetiQ北美子公司獲得了這份TRITON項目合同。該公司此前還參與了美國潛艇使能機載數據交換與增強(SEADEEP)項目(如圖9)，研發可搭載在無人機上的藍光通信系統，驗證了“以家庭寬帶因特網速度進行空-海通信”的能力。目前，DARPA認為美國藍綠激光通信的各種關鍵技術已經足以用于實際軍事系統中[11]。

3.2 中微子通信

中微子是原子核內的質子或中子發生衰變時的產物，其最顯著的特性是能夠沿直線傳播，可穿透地層，進入深海傳輸信息，而且在傳播過程中不發生反射、折射、散射和傳播衰減等現象，不易被對方偵察、干擾、截獲和摧毀，具有較高的保密性和極強的抗干擾能力。由于中微子能夠沖破電磁波不可逾越的地下與水下兩大禁區，因此可為深海潛航的潛艇提供通信。

2012年，美國費米國家加速試驗室進行了一次中微子通信試驗。科學家們使用一臺2.5英里(約合4023米)長的粒子加速器將信息編碼成中微子束而后發射并穿過240米厚的巖石。目前，國外對中微子的研究還處于初步階段，因此，中微子對潛通信方面的應用仍有很長一段路要走[12]。

3.3 量子通信

由于量子的不可克隆性和測不準原理以及以光子為載體具備的高速超大容量傳輸特點，量子通信成為一種安全高效的潛艇通信手段，因此倍受各國軍事部門的重視。目前多個國家已經開展了自由空間量子通信實驗方面的工作，據稱，基于量子通信的密鑰分發方案已經開始走向實用。

2011年底，ITT Exelis公司提出一種被稱為量子密鑰分發(QKD)的技術。該技術將密鑰通過極化編碼加密成光子進行密鑰分發。據稱該技術可以使潛艇在水下100m深處通過激光脈沖與衛星之間建立安全通信連接，并將確保潛艇在幾周內都不會被探測到。公司的仿真實驗表明，其傳輸速率可達170 Mb/s[13]。

2012年2月有報道稱ITT Exelis公司正在為美國研發包括量子算法、傳感器以及通信系統的量子信息課題解決方案。據稱最近在加納利島進行的實驗中，該公司首次獲得144千米自由空間量子通信的成功，顯示出未來自由空間量子通信的可行性。ITT Exelis還在研究水下裝置的量子通信理論可行性問題，試圖解決量子在水和自由空間的傳輸挑戰(例如在水下傳輸過程中保護光子脈沖的量子態)并開發出安全通信的量子密鑰分發協議。等到理論模型研究完成后，它將接受美國海軍研究實驗室的一系列實驗驗證。如果實驗通過，那么就會進入下一階段的研究——在5年內研制出合適的實驗樣機。不過ITT研究的前提是QinetiQ北美公司正在研究的潛艇與衛星之間激光鏈路項目獲得成功[14]。

4 結 語

潛艇由于能夠利用水層掩護進行隱蔽活動和對敵發動突襲，并且具有較大的續航力和作戰半徑，可遠離基地，長時間在大范圍海域甚至深入敵方海域獨立作戰，因此是世界各海軍強國重點發展的戰略裝備之一。在“網絡中心戰”時代，潛艇被賦予了更多的作戰任務，包括實施遠程精確打擊、與水面戰斗群內的其他平臺協同作戰等。這些任務對潛艇通信能力有更高的要求，確保水下安全、高效地傳輸潛艇指揮控制、態勢感知等信息勢在必行。為此，外軍紛紛致力于改進現有水聲、無線電等對潛通信的技術與手段，并持續探索更加安全、高效的藍綠激光、中微子、量子通信等新技術。

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[2] Rajat Pandit. Navy Gets New Facility to Communicate with Nuclear Submarines Prowling Underwater [EB/OL]. (2014-7-31) [2014-8-20]. URL：http://timesofindia.indiatimes.com/india/Navy-gets-new-facility-to-communicate-with-nuclear-submarines-prowling-underwater/articleshow/39371121.cms.

[3] Dahlgren. Naval Space Command Naval Telecommunications Procedures——Navy Extremely High Frequency Satellite Communications (NTP 2 SECTION 3 (B)) [EB/OL]. (2001-3)[2014-8-21].URL：http://navybmr.com/study%20material/NTP%202%20SECTION%203.pdf.

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Development of Foreign Navy Submarine Communication Technology and Equipment

TAO Wen，CHEN Ding-ding，HE Ning-ning

(No.36 Institute of CETC ,Jiaxing Zhejiang 314033, China)

Recently, in order to promote the transition of submarine combat mode from conventional “fight alone” to “network-centric warfare”, foreign navy becomes extremely anxious for efficient and safe submarine communication. Furthermore, the developments of modern electronic warfare technology greatly enhances the reconnaissance and interference possibility of submarine communication. Therefore, foreign navy keeps on improving the existing submarine communication technologies and devotes major efforts to developing new submarine communication technologies. Foreign submarine communication mode in “network. centric warfare” is discussed,and the existing and emerging communication technology and equipment of foreign military submarines is also described in this paper.

submarine; network-centric warfare; radio communication; acoustic communication; blue-green laser communication; neutrino communication; quantum communication

date:2014-12-27；Revised date：2015-02-10

TN924:TN929.3

A

1002-0802(2015)04-0375-07

陶 雯(1982—)，女，學士，工程師，主要研究方向為海軍通信、海軍通信電子戰等；

陳鼎鼎(1972—)，男，學士，高級工程師，主要研究方向為無線通信、通信電子戰等；

何寧寧(1986—)，男，學士，工程師，主要研究方向為無線通信技術等。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.001

2014-12-27；

2015-02-10