國外對潛通信技術發展研究

楊 坤，杜 度

(中國人民解放軍92857部隊，北京 100161)

0 引 言

現代潛艇作戰戰略的觀點認為，潛艇的隱蔽性由其下潛的深度、航速及航向機動等特點來保障，在不限制潛艇機動性的同時，保障獲得信息的能力，是對潛通信技術發展的重點[1]。雖然近年來藍綠激光通信技術、中微子通信技術等新型通信方式得到了快速發展，但仍沒有實際應用于潛艇通信領域[2]，目前國外潛艇主要運用無線電、水聲等通信手段，水下通信方式可總結為2類（見圖 1），各通信方式的作戰使用范圍、通信速率、通信距離等見表 1。

1 戰略通信

戰略通信主要利用岸基甚低頻（VLF）或超低頻（ELF）信號對潛進行單向通信，單個信號站根據頻率的不同對潛通信距離為4 000～8 000 km。ELF（3～300 Hz）通信技術要求潛艇必須拖拽電纜或拖曳帶天線設備的浮標以接收ELF信息。這樣的布置對潛艇的性能是有不利影響的。與VLF一樣，ELF通信技術需要有非常龐大的岸基設備以及專用的電源來運轉，因而，目前只有美國和俄羅斯建成了用于潛艇通信的ELF 系統[3]。

目前國外潛艇可在水下45～70 m的深度上利用展開的天線浮標接收VLF信號，傳輸速率為50～200 bps，此時潛艇航速不超過4 kn，天線浮標保持在水下6～9 m，如圖 3所示。

ELF比VLF頻率低100倍左右，因此可以實現最大約100 m深度的對潛通信。美國于1989年成為首個建成使用ELF對潛通信系統的國家，通過位于本土的ELF發信臺，美國可向4 600 km外水下122 m深（天線距海面102 m）并以16 kn航速航行的核潛艇發送一份20個字符的報文，還能與在北極9 m厚冰層下120 m深海中以16 kn航速航行的核潛艇進行聯絡。

雖然ELF通信深度和距離均較VLF有較大提升，但其發信速度很慢，美國ELF發信臺每分鐘只能發射一個比特(約0.016 7 bps)，5 min發射一個字符，15 min才能發射一個3字符的指令。實際作戰使用中，ELF通信主要起到“振鈴”作用，即通知核潛艇上浮到可以采用其他通信方式的深度繼續接受詳細信息。

俄羅斯于1998年研制了耐壓殼體放纜的K-697型拖曳天線裝置，將布放點轉移到垂直尾穩定鰭或者尾部甲板室上面，大大提高了備用纜式天線的使用及水下狀態替換天線的能力，同時研制的直徑16 mm、饋電衰減降低的電纜長度也加增加至1 000 m，拖曳天線裝置內嵌入有（超長波-長波-中波-短波頻段）信號放大器，保證了長波頻段寬帶通信線的信號接收。此外，饋電衰減降低且具有嵌入式放大器細浮纜的成功研制，加大了潛艇使用細浮纜的航行深度[4]。

圖 1 當前潛艇水下通信方式Fig. 1 Submarine underwater communication

2 戰術通信

2.1 聲吶通信

聲吶通信利用通信聲吶實現，通信聲吶一般利用艇首聲吶作為換能器，通信時甲方發射機產生信號通過艇首聲吶向乙方定向發出，乙方通過艇首聲吶接收后經由接收機處理得到通信信息[5]。

當前潛艇多裝備綜合性聲吶，同時具有探測、目標跟蹤、測距、識別、定位、通信、導航和探雷等多種功能，即所有潛艇均具備聲吶通信能力，如美國“洛杉磯”級和“海狼”級攻擊型核潛艇上裝備的AN/BQQ-5型綜合聲吶，該聲吶中包括AN/WQC-2型通信聲吶，相關技術參數如表 3所示。

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

圖 2 美國海軍戰略通信系統組成示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the U.S. Navy's strategic communications system

圖 3 潛艇在水下利用拖曳天線浮標接收VLF信號Fig. 3 The submarine uses a towed antenna buoy to receive VLF signals underwater

聲吶通信的通信速率與水聲通信技術發展息息相關，根據美國海軍研究辦公室（ONR）統計的數據，當前水聲通信的速率和距離乘積達到40 km·kbps，即距離為40 km時水下通信速率最大為1 kbps。聲吶通信隨著聲吶與水聲技術的進步而不斷向前發展，未來通信距離將更遠、通信速率會更快。然而，聲吶通信與浮標通信、網絡通信方式相比較，發展速度極慢，在通信距離和速率上很難發生革命性變化，導致完全無法滿足潛艇間以及潛艇與其他部隊之間的高效協同作戰。

圖 4 潛艇在水下利用拖曳天線接收ELF信號Fig. 4 The submarine uses the towed antenna to receive ELF signals underwater

表 2 K-697型拖曳天線裝置基本性能Tab. 2 K-697 towing antenna device basic performance

圖 5 K-697型纜式拖曳天線裝置Fig. 5 K-697 towing antenna device

圖 6 潛艇聲吶通信示意Fig. 6 Submarine sonar communication schematic

表 3 AN/WQC-2通信聲納技術參數Tab. 3 AN/WQC-2 communication sonar technical parameters

2.2 浮標通信

浮標通信是通過潛艇發射的浮標與水面艦艇、飛機和岸上基地等平臺進行雙向通信，如圖 7所示。目前潛艇浮標通信技術正不斷完善并逐漸提高性能，使通信時巡航速度更快、下潛深度更大、通信速率更高，需要注意的是，浮標通信技術出現之前，潛艇只能上浮至潛望鏡狀態，通過伸出通信天線實現雙向通信[6 – 7]。

圖 7 潛艇有線、無線浮標通信示意Fig. 7 Submarine wired, wireless buoy communications indicate

根據國外公布的相關消息，目前只有美國和德國潛艇具備浮標通信能力，其中美國浮標通信能力來自“巡航狀態下潛艇雙向通信”（CSD）項目，德國212A級潛艇已裝備“木衛四”（Callisto）潛艇浮標通信系統。

1）美國“巡航狀態下潛艇雙向通信”（CSD）項目

“巡航狀態下潛艇雙向通信”項目是美國海軍構想的水下通信網絡的關鍵，用于解決當前潛艇必須上浮或減速航行才能對外通信的問題，并且改變處在潛航狀態的潛艇只能單向通信的現狀。“巡航狀態下的通信”項目將為“洛杉磯”級、“海狼”級和“弗吉尼亞”級攻擊型核潛艇及“俄亥俄”級巡航導彈核潛艇提供通信能力，并為“俄亥俄”級彈道導彈核潛艇提供有限的通信能力。

2007年12月，美海軍成功地完成了浮力電纜天線通信試驗，潛航的美海軍“洛杉磯”級“蒙特培利爾”號攻擊核潛艇使用浮力電纜天線與美海軍“杜魯門”號航母打擊群的8艘水面艦艇進行了雙向信息交換，數據率為9.6 kbps。2008年依靠水聲通信與潛艇交互，水下通信距離最大150 nmile，最小30 nmile。目前，美國已研制出可回收系留光纖浮標，該浮標能使潛艇在水下243.84 m（800 ft）航速為8 kn的狀態下，通信數據率達到32 kbps。2012年洛克希德·馬丁公司聲稱整個“巡航狀態下潛艇雙向通信”項目能使潛艇在任意深度和速度下達到2.4 kbps的通信速率；在低于15 kn航速時通信速率可達到2.4～9.6 kbps；低于8 kn航速潛深小于100m通信速率可達到9.6～128 kbps。

2）德國已裝備的“木衛四”（Callisto）潛艇浮標通信系統

根據《2013-2014簡氏艦艇年鑒》以及德國前幾年的規劃，德國已在最新的2艘212A級常規潛艇上裝備了“木衛四”（CALLISTO）潛艇水下通信系統，該系統利用可重復使用的拖曳通信浮標與外界通信，該浮標能發射和接收超高頻、甚高頻、高頻以及GPS等信號，但通信速率并未公布。

圖 8 212A級U34號潛艇上安裝“木衛四”通信系統及示意圖Fig. 8 212A-class U34 submarine installed Callisto communication system and schematic

浮標通信由于通信速率高、距離遠受到國外海軍強國的廣泛關注，成為未來潛艇水下通信方式的發展熱點之一。然而，浮標通信在一定程度上增加了潛艇暴露概率（特別是系留浮標），同時并未解決潛艇之間的遠程通信問題，為了既滿足潛艇隱身要求，又使潛艇水下通信速度快、距離遠，美國開始構建基于水下網絡的潛艇網絡通信能力。

2.3 網絡通信

網絡通信是潛艇在水下利用聲吶通信與最近的水下網絡節點交互，然后由預置水下網絡將信息傳遞到遠處其他平臺的一種通信方式。其中水下網絡可以是無線連接也可以是有線連接，前者傳輸速度受水聲通信技術限制，后者受線纜鋪設范圍和成本限制，如圖 9所示。

圖 9 潛艇水下無線、有線網絡通信示意Fig. 9 Submarine underwater wireless, wired network communication shows

美國海軍自1998年起多次進行“海網”（Seaweb）項目的水聲通信網絡試驗，旨在形成海底水聲傳感器網絡，通過水聲通信鏈路將固定節點、移動節點和網關節點連接成網，采用電池智能供電，覆蓋范圍可達100～10 000 km2，除通信外其功能還包括測距、定位和導航。如圖 10所示。

圖 10 “海網”網絡拓撲結構及通信鏈路Fig. 10 Seaweb network topology and communication links

此外，美國還在1996–2000年之間對潛艇利用UUV連接海底光纜的水下有線網絡通信方式進行了研究，但目前項目處于停滯狀態，項目作用原理示意如圖 11所示。

該方式的主要缺點是水下網絡需要提前部署，且潛艇需要航行至預定網絡通信節點才能進行通信，應急使用能力差。為此美國已開始研制臨時迅速部署的水下網絡系統，如2006年開始研制的近海持續水下監視系統（PLUS），該系統除具備監視能力外，還具備通信能力，相關網絡節點由潛艇自身攜帶，根據作戰需要進行布放，將遠方信息傳遞至潛艇。該項目已于2013年10月完成海上測試，目前正處于小規模部署進行作戰評估階段。

圖 11 潛艇利用UUV連接海光纜進行水下有線網絡通信Fig. 11 Submarines use UUV to connect underwater fiber optic cable for underwater wired network communication

3 總 結

總的來說，戰略通信目前基本維持現有技術水平；戰術通信中聲吶通信仍保持40 km·kbps的水聲通信距離與速率乘積，作戰中易暴露自身位置，僅在確保安全情況下近距離水下通信使用；浮標通信使潛艇可以與其他水面及水面以上平臺協同作戰，但潛艇之間的通信問題仍然存在，且浮標通信也容易暴露潛艇位置；網絡通信是唯一兼顧潛艇隱身和遠程通信的解決方案，可實現潛艇與潛艇協同作戰，極大提高潛艇作戰效率，是未來的重要發展方向。

[1]方傳順. 潛艇通信天線[M]. 北京: 海潮出版社, 2005.

[2]Digital sonar design in underwater acoustics: principles and applications[M]. Springer, 2012.

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[4]陶雯, 陳鼎鼎, 何寧寧. 國外海軍潛艇通信技術與裝備發展[J].通信技術, 2015, 48(4): 376–381.

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