美國“海網”水下信息系統

劉遠航 宋佳平

（海軍大連艦艇學院，遼寧大連 116018）

數字信號處理技術、電子學和數字通信理論的應用極大地促進了水聲遙測技術的發展。美國是最早提出水下信息系統網絡概念，并開展研究與試驗的國家。目前，美國主要的水下信息系統有岸基聲納監視系統、海網、可部署自主分布系統、近海水下持續監視網。海網是一個用于可部署自主水下系統的指揮、控制、通信和導航的組織網絡，利用遠程衛星實現海網功能為海洋應用提供了巨大的前景[1]。

1.美國主要的水下信息系統

1.1 岸基聲納監視系統

20世紀70年代，美國借助于鋪設在海洋底部的水聽器網絡，遠程監控敵潛艇位置和水下目標情況，這種鋪設在海底的固定水聲監視系統發現目標后，將數據傳輸給岸基反潛指揮中心，經過岸基指揮中心的分析、處理后上報，最后向前沿地區分發。

1.2 “海網”廣域監視系統

“海網”廣域監視系統是通過水聲通信鏈路，將布設在海底的固定節點、移動節點和通信網關節點連接成網絡的一種水下信息系統網絡?！昂＞W”的指控中心可部署岸基外，還可部署在水面艦船、潛艇或飛機，指控中心通過衛星或因特網接入浮標網關節點[2]。

1.3 可部署自主分布系統

可部署自主分布系統是由14個固定節點及數個移動節點組成一種瀕海防雷反潛作戰系統。固定節點該包傳感器、網關浮標和中繼節點，移動節點主要指水下活動的潛艇、UUV、AUV等?？刹渴鹱灾鞣植枷到y服務器部署在岸基指揮中心。

1.4 近海水下持續監視網

近海水下持續監視網是一種半自主控制的海底固定和水中機動的網絡化水下信息系統。近海水下持續監視網指揮控制中心通常在核潛艇上，以核潛艇為核心節點，核潛艇攜帶的大量水下無人潛航器為移動節點，布設在海底的潛標、浮標、水聲傳感器等為固定子節點，通過固定式和移動式節點為潛艇探測水下目標信息。

2.“海網”水下信息系統

2.1 “海網”節點布放

組成海網的各種類型節點可以很容易地從包括潛艇、船舶和飛機在內的高價值平臺上部署，或從無人水下運載器和無人空中運載器上部署。由于通過無線連接，海網的結構靈活，因而允許任務規劃者根據給定的遠程衛星傳播條件和任務分配節點類型任意混合。

海網的最初動機是需要通過可部署自主分布式系統（DADS）在沿海水域進行廣域海底監測。在DADS網絡中的傳感器節點可將探測的目標簡明信息上報，由海網中的主節點進行現場級數據融合，主節點通過與空間衛星網絡連接的海面浮標無線電，或與機載海網服務器連接的船舶聲納等網關節點，實現與載人指揮中心的數據通信，進行進一步的數據交互。

在部署之后，DADS依賴于海網進行自組織，包括節點識別、時鐘同步、節點地理定位、新節點同化和節點故障后的自修復。DADS采用底層蜂窩網絡架構，非常適合支持自主海洋采樣網絡。

2.2 海網的結構組成

海網是一個固定和移動節點相結合的海底無線網絡，包括與載人指揮中心進行數據交互的各種接口，可在任意海洋環境中完成給定任務。海網主干是一組自主的、靜止的節點（例如可部署的監視傳感器、中繼器），外圍設備是移動節點（例如潛航器、滑翔機等）和專用節點（例如，雙基地聲納）。

海網網關為水下、水上、高空和岸上的指揮中心提供連接，配備遠程衛星的網關節點將海網與地面、機載和天基網絡連接起來。例如，遙測浮標作為無線電/聲學通信接口，允許衛星和海上巡邏飛機訪問水下自主系統。同樣，潛艇可以通過水下電話波段或其他高頻聲納信號接入海網。海網可為潛艇指揮官提供速度和深度等數字資源，并可雙向訪問所有海網鏈接的資源和遠程網關。

2.3 海網的數據傳輸原理

海網服務器位于載人指揮中心，它是海底網絡的圖形用戶界面。服務器存檔所有傳入的數據包，并通過互聯網提供對客戶端站的只讀訪問。由于傳播不佳或噪聲水平升高而造成的偶爾中斷可能會中斷遠程衛星鏈路，因而低帶寬、半雙工、高時延的遠程衛星鏈路可能會限制海網的數字服務質量。此外，海網必須以低比特能量/噪聲頻譜密度運行，并限制未經授權的接收器的攔截，以確保傳輸的安全性。因此，海網必須依靠革命性的信息系統約束數據傳輸制度，簡單、高效、可靠和安全是數據傳輸設計的主要原則。海網的數據傳輸體系結構包括物理層、媒體訪問控制層和網絡層。這些最基本的通信功能層支持傾向于特定于應用程序的更高的層。

2.3.1 物理層

在物理層，水吸收和分散幾乎所有的電磁頻率，使聲波成為水下通信超過幾十米的首選。聲波在通信頻率范圍內的傳播可以分為幾個階段。第一個（基本階段）在傳輸距離上發生的根本損失；第二階段考慮到由于表面底部反射和折射造成的特定損失，這些反射和折射在音速隨深度變化時發生；第三階段由傳播介質（如潮汐）的緩慢變化引起的大規模接收功率的明顯隨機變化。

2.3.2 媒體訪問控制層

在媒體訪問控制層，多用戶系統需要有效的方法來在參與節點之間共享通信資源。在無線網絡中，通過提供規則，使不同用戶能夠有效地共享資源。在為水下網絡設計資源共享方案時，需要考慮聲道的特殊性以及傳感器的帶寬限制。早的海網選用的是頻分多址（FDMA），通過將把總帶寬分隔成多個正交的信道，每個用戶占用一個信道進行數字傳輸和服務，類似于美國地區廣泛應用的蜂窩電話系統。

2.3.3 網絡層

在海網這種海底大型網絡中，任何一對節點都不可能直接通信，通常使用多跳操作（中間節點用于將消息轉發到最終目的地）。在這種情況下，路由協議用于確定數據包應遵循的拓撲的可變路線。在海網中應用廣泛的是分布式協議，考慮到聲學傳播的具體特征和應用要求，應用程序允許節點選擇下跳一個，以最大限度地減少能耗。最后，通過采用拓撲控制，保持其中部分節點在線，以減少能量的同時保持網絡連接。

3.“海網”水下信息系統技術難點

3.1 能源技術

組成“海網”水下信息系統的各類傳感器節點主要依靠各類電池提供能源，這樣節點在目標海域的工作時間就會受到電池電力的限制。雖然美國已經開展研究通過位海底部署儲能設備，為移動節點進行水下充電，但在深海使用仍然受限。因此，開發新的能源電池，延長節點傳感器的自持力，加大待機時間是亟待解決的問題。

3.2 通信技術

水下通信受介質的影響，數據傳輸的安全、速率、距離等都受到了限制。通信技術關鍵要解決的問題是在保證安全的基礎上，增大通信距離和速率，如果通信安全得不到保證，數據在傳輸過程中被敵方截獲，就會造成不可估量的損失。此外，惡劣的水下環境對信息的傳輸速率、誤碼率都非常大的影響，如何實現高碼率遠距離數據信息傳輸是水下通信長久以來的難題。雖然“海網”目前在試驗中實現了在水下十公里節點間進行點對點數據傳輸，但實際信息傳輸效果還有待驗證[3]。

3.3 信息處理技術

水下節點可以探測的信息有很多，比如環境信息、目標信息，信息的種類也很多，比如音頻、圖片、視頻等。因此，節點在探測到信息后，如何對各種信息進行分類傳輸和融合，如何最優化信息傳輸流程是需要解決的問題。水下信息的處理一般要經過搜集、壓縮、發送、存儲、識別、分發等步驟。因此，如何選擇數據分類、存儲和分發標準是水下信息處理的關鍵[4]。