水面艦艇新型中遠距離通信方式分析與研究?

宋 南 鄭劍云 孫 欣 尚教凱

（海軍大連艦艇學院信息系統系 大連 116018）

1 引言

隨著我國海事活動日趨頻繁和海洋經濟的迅猛發展，我海上兵力活動范圍不斷擴大，海戰場越來越廣闊，這些都對海戰場水面艦艇中遠距離通信提出了越來越高的要求，而面對日益寬廣海戰場環境，現有的水面艦艇中遠距離通信手段還不足以滿足通信指揮聯絡需要，尤其是在遠海大洋電磁環境更加復雜的陌生海域，一旦發生沖突、對抗或戰爭，原有的中遠距離通信資源和通信經驗遠不能滿足海戰場通信指揮協同需要，會嚴重影響我兵力行動和作戰能力。本文在分析海戰場水面艦艇現有中遠距離通信方式存在問題的基礎上提出一種平流層通信方式，該通信方式能彌補短波電離層通信和衛星通信存在的不足，能夠增強水面艦艇臨近空間信息傳輸能力，能豐富海戰場水面艦艇中遠距離通信手段。

2 水面艦艇現有中遠距離通信方式及存在問題

2.1 水面艦艇現有中遠距離通信手段

在水面艦艇上現有中遠距離通信手段有短波通信和衛星通信，如圖1所示，水面艦艇可通過短波電離層或者利用衛星來實現中遠距離艦艇雙方信息傳輸。短波通信是利用1.5MHz～30MHz的短波頻率實現無線電通信［1］，傳輸信號通過電離層反射傳播，所以短波通信具有通信距離遠、無需中繼等優點，且短波通信電臺簡單，占用空間小，因此在艦艇上得到了廣泛的應用。衛星通信是利用衛星作為中繼，使信號能夠通過微波進行大范圍傳輸，衛星通信具有通信頻帶寬、信號覆蓋范圍廣、速率高等優點。此外，衛星通信受地理條件影響小，組網迅速簡潔、便于實現全球無縫鏈接，是遠距離軍事通信系統中不可缺少的部分［2］。目前，在艦艇中遠距離通信上短波通信和衛星通信互為補充手段備用手段，此外還有利用直升機、預警機等作為中繼來轉信擴大通信距離，以此來達到中遠距離通信的目的。

圖1 水面艦艇現有中遠距離通信方式

2.2 水面艦艇現有中遠距離通信方式存在問題

2.2.1 短波通信存在問題

目前，短波通信存在的問題有：一是頻率帶寬少，信道數量有限，通信速率慢。現有單個短波電臺的頻帶需要至少3.7KHz才能避免互擾，所以整個短波頻率范圍內所能容納的通信信道數量為7700余個［3］。因短波擴展后的頻帶帶寬僅為28.5MHz，遠小于超短波、衛星通信頻帶帶寬，所以短波通信速率較慢。二是通信質量受到電離層變化影響［4］。短波天波傳播方式是依靠電離層這個時變信道反射傳播的，所以短波天波通信不穩定，同時因電離層的變化，短波地波和天波傳播存在信號盲區也是不確定的。三是短波選頻較為困難。尤其是對陌生海區選頻較為困難，難以保證通信雙方實時有效的掌握通信質量較好的頻點，無法保證可靠的通信聯絡和順暢的指揮。此外，短波的頻率預測模型還未準確有效應用起來，海戰場中遠距離短波電離層通信的可靠性難以保證。

2.2.2 衛星通信存在問題

目前，衛星通信存在的主要問題有，一是軍事衛星資源相對較少，衛星通信點波束覆蓋范圍有限，難以滿足海戰場指揮、協同、報知需要。二是衛星通信會產生較長的延時，容易受到雨衰等其他因素的影響，會使信號質量變差甚至信號消失。如衛星受到人為因素的干擾時，有時會使通信鏈路中斷，長時間不能恢復，當干擾上行鏈路或干擾衛星轉發器干擾會使全部通信中斷，干擾下行鏈會使相當范圍內的通信中斷。三是衛星運行軌道是暴露的，戰時極易被掌握相關技術的敵方國家摧毀，衛星中繼一旦被摧毀，重新部署會花費大量財力及人力。

2.2.3 利用直升機、預警機等中繼通信存在問題

目前，現有直升機、預警機空中停留時間短，實現長時間中繼通信時必須部署多個直升機或預警機來接替作為通信中繼，且單個中繼通信距離有限，實現中遠距離通信時同樣需要部署多個直升機或者預警機來中繼轉信。此外，直升機、預警機速度快，運動中通信多普勒頻移明顯，通信質量較差。

3 利用平流層通信平臺來實現水面艦艇中遠距離通信聯絡

3.1 平流層通信平臺

平流層通信是當今無線通信領域的一種新的應用形式［5］，平流層通信一般指在離海平面17km～22km的高空區域，利用平流層穩定的氣象條件，將飛機、飛艇、飛船等臨近空間航空器作為平臺長時間駐留在平流層中，把通信設備放置在駐空平臺中，可與地面設備以及無線用戶終端進行通信，同時也可以與平流層平臺或衛星進行通信［6］，可以提供多用戶、多用途的通信服務。

3.2 平流層通信優點

由于平流層良好穩定的氣候環境，各類通信設備和平臺能夠在平流層中安全穩定的運行。平流層通信具有以下優勢：一是建設成本更低且容易部署。平流層通信可采用臨近空間航空器（部署時間僅為幾小時）作為搭載平臺，可以在戰場上迅速建立起來，將戰場信息迅速準確地傳輸。平流層通信平臺可通過人為控制使其降落，進行回收和維修，實現各類設備的重復使用［7］，大大降低成本。二是通信效率較高。因通信平臺與海面距離近，延時時間降低，提高了通信效率。和衛星通信相比，平流層通信平臺的高度大約是同步衛星、中軌衛星和低軌衛星的1/1800、1/400和1/40，延遲時間只有0．5ms［6］。三是平流層通信距離遠，覆蓋區域廣［8］。因平臺布置的高度較高，所以通信距離足夠遠，當僅利用一個平臺通信時，利用該平臺進行有效的通信覆蓋直徑可達到數百公里，比衛星區域性覆蓋更有優勢。當平流層通信平臺作為系統的一個節點時，平臺間的中繼距離可達到1000km［9］。

3.3 平流層通信在海戰場通信中發揮的作用

水面艦艇只有能在更廣闊的海域實現高速、寬帶、綜合化的信息傳輸，才能適應未來海戰場通信要求，把平流層通信系統應用于海戰場艦艇通信，會極大豐富海戰場水面艦艇通信體系，提高艦艇通信抗干擾、抗摧毀能力，適應未來海戰場艦艇通信要求。

3.3.1 為海戰場提供長時間全天候的信息保障

平流層平臺工作環境相對穩定，具有長期駐空能力，可在指定區域連續長時間工作，或者根據任務需要，重新部署平臺組網全天候工作，保持長期通信，迅速準確地傳遞信息。

3.3.2 有效彌補海戰場衛星通信和短波通信的不足

現有的衛星和短波通信設備難以勝任復雜的海戰場電磁環境，短波中遠距離傳輸信號質量差，衛星通信抗毀抗擾能力有限，通信延時較長。平流層通信可以克服這些缺點，把地面上的超視距通信轉化為視距通信，實現遠距離，高質量的戰場通信。

3.3.3 增加戰場通信覆蓋范圍，增強戰場無線通信整體效能

單個平流層通信平臺覆蓋半徑可達數百公里，利用多個平臺組網，可以覆蓋更大的海域，平流層通信平臺與地面設施、空中飛機和衛星可以組成可靠的通信體系。增強戰場無線通信整體效能，提高通信系統的穩定性和可靠性［10］。

4 平流層通信平臺覆蓋區仿真分析

平流層通信平臺對海面的覆蓋范圍如圖2所示。圖中A1為平流層通信平臺，A2為平流層平臺在海面上的投影，O為地球球心，平臺離地的高度A1A2為h，在現有平流層通信研究中，平流層平臺的高度最佳為17km～25km，通信距離A1A3為d，天線仰角為α，平臺高度角為θ，地球半徑為R，通信覆蓋半徑A2A3為r，r的地心角為β。在以平流層平臺、水面艦艇和地心三者構成的三角形中應用正弦定理可得，平臺的高度角為

通過高度角θ，可以推導出平流層平臺對海面的覆蓋中心角為

再根據余弦定理和弧長計算公式，可得出空中平臺至地面站的通信距離d和覆蓋半徑r分別為

圖2 單個平流層平臺通信覆蓋半徑

如圖3所示，從利用Matlab仿真程序得到的平臺通信覆蓋半徑與天線仰角和平臺高度的關系圖來看。在不同的艦艇天線仰角下，平流層通信平臺的覆蓋半徑與平臺高度之間呈現逐漸增加趨勢，但在相同的平流層平臺高度下，平臺覆蓋半徑與天線仰角之間呈減少趨勢［11］。在實際通信中，我們要考慮到通信時天線仰角大小，天線仰角越低，通信距離越遠，受大氣環境的影響越大，通信鏈路損耗越大，嚴重時會導致無法通信，所以在實際衛星通信中艦艇天線通信的仰角一般要大于15°才能保證艦艇間通信暢通。因平流層平臺離地面較近，通信鏈路損耗遠小于利用衛星通信的鏈路損耗，所以利用平流層平臺通信時，艦艇有效通信時天線仰角可以小于15°。如圖4所示，當平流層平臺高度為20km時，在艦艇天線仰角為5°的條件下，平臺通信覆蓋半徑為194.1km，這一距離可以滿足水面艦艇中遠距離通信需要，高度為20km的平流層通信平臺極限條件下最大通信覆蓋半徑達到504.1km，隨著天線仰角的增加，平流層平臺通信覆蓋半徑減少。20km高度的平流層平臺與10km高度的預警機在艦艇天線仰角為5°、10°、15°時，通信覆蓋半徑分別為194.1km和104.3km、107.9km和55.3km、72.8km和36.9km，在相同的艦艇天線仰角下平流層平臺的通信覆蓋半徑是預警機通信覆蓋半徑的兩倍左右，由此可見利用平流層平臺通信比利用預警機通信距離更遠。

圖3 平臺通信覆蓋半徑與天線仰角和平臺高度的關系

圖4 20km高度的平流層平臺與10km高度的預警機通信覆蓋半徑

5 平流層通信組網運用方式

平流層通信系統可與現有海戰場通信網絡融合，豐富現有海戰場水面艦艇中遠距離通信方式，平流層通信組網運用方式如圖5所示。一是平流層通信平臺可與水面艦艇等海面作戰單元通信。平流層平臺可與水面艦艇現有軍事通信裝備（包括短波、超短波、數據鏈等）實現互聯互通，平流層平臺可利用超短波、微波與通信設備通信。二是平流層通信平臺之間互通。在平流層通信系統中可以根據任務需要布置一個或多個平臺，各個平臺不僅可以與水面艦艇進行通信，平臺之間也可以進行通信。多個平臺比單個的平臺可以覆蓋更大的區域，具有更多的鏈路和更大的空間［12］。三是平流層通信平臺可與衛星網絡組網通信。平流層平臺與衛星的組網通信會豐富空中信息傳輸系統，擴展了地面設備與衛星通信的渠道，信息不僅可以由水面艦艇直接發送給衛星，也可以通過平流層平臺來轉發給衛星。四是平流層通信平臺可與預警機、指揮專網組網通信。可將平流層平臺收集到的戰場信息及時傳輸給預警系統，由預警系統再對信息分析、處理，分發給其他網絡［12］。

圖5 平流層通信組網方式

6 結語

本文從海戰場水面艦艇現有中遠遠距離通信方式出發，分析短波電離層和衛星中遠距離通信存在的問題，針對存在的問題和未來海戰場通信要求，提出用平流層通信平臺來豐富現有海戰場水面艦艇中遠距離通信方式，平流層通信方式能有效彌補短波通信和衛星通信存在的問題，能為海戰場通信提供有效的通信保障，將在海戰場通信中發揮巨大作用。畫圖說明了平流層通信平臺通信覆蓋半徑算法，并利用Matlab仿真程序做了仿真分析，得到平臺高度在17km～25km范圍時，天線仰角為15°、20°、25°時的通信覆蓋半徑變化曲線圖，同時也仿真出20km高度的平流層通信平臺與10km高度的預警機作為通信中繼時，平臺通信覆蓋半徑與天線仰角的關系圖，通過對比分析說明了平流層平臺比預警機在通信距離上更適于與海戰場水面艦艇中遠距離通信。最后，詳細說明了平流層通信組網方式，這種組網方式能豐富海戰場水面艦艇現有通信體系，提升海戰場水面艦艇通信的抗毀能力。