水下信息體系發展及運用探討

宗思光，吳榮華，張顯峰

(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430033）

水下信息體系發展及運用探討

宗思光，吳榮華，張顯峰

(海軍工程大學電子工程學院，湖北武漢 430033）

水下空間是信息透明差的空間，水下信息作戰起步滯后。隨著水下潛艇和水中兵器威脅的不斷加大，以及水下通信、水下遠程預警、信息融合及其他現代化技術的不斷提高，水下信息戰日漸成熟并將進入現代海戰。本文分析外軍典型的水下信息網絡系統，并對水下信息作戰體系框架及AUV在水下信息作戰網絡的運用特性進行探討，研究結果有助于推動水下信息體系的發展。

信息系統;信息作戰;海網;水聲網絡

0 引言

信息作戰是作戰體系、作戰行動和指揮控制的一體化。大空間、多方位、精確直達成為信息作戰的基本模式。雖然水下空間是信息透明差的空間，水下信息作戰起步滯后，但隨著水下潛艇和水中兵器威脅的不斷加大，以及水下通信、水下遠程預警、信息融合及其他現代化技術的不斷提高，水下信息戰日漸成熟并將進入現代海戰。水下信息作戰應具備有限支援下的相對獨立作戰能力、與強敵水下兵力信息對抗的能力、高效作戰資源組織運用能力、輔助指揮決策能力和遠海信息保障能力?？傊滦畔⒕W路體系作戰將傳感器、武器、平臺和指控系統集成成為巨大網絡，將傳感器網、信息網、作戰網三網合一，可增強信息水下獲取、共享和利用信息的能力，滿足水下網絡化體系作戰需求。

傳統的水下信息獲取主要依靠單個傳感器，這種方式的探測效率低，很難滿足對大范圍、長時間的水下信息獲取的需求，通過網絡技術將警戒監視海域內多個不同位置布放傳感器 (節點）進行互連，各節點間通過可靠的通信手段實現數據的交換、分發和匯聚，采用集中或分布式數據處理實現對網絡覆蓋范圍內目標的探測、定位、跟蹤和分類識別等功能，可以形成分布式網絡化水下警戒探測系統。分布式網絡化水下警戒探測系統具有機動靈活、成本低廉、效費比高等優點，擴大了水下預警的探測范圍和持續時間，有效增強了水下戰場信息的感知能力。

本文分析外軍典型的水下信息網絡系統，并對水下信息作戰體系框架及水下信息作戰網絡的運用特性進行探討，研究結果有助于推動水下信息體系的發展。

1 典型水下信息網絡系統

美國是最早提出水下信息網絡作戰應用的國家。目前，美國正實施多個水下網絡發展計劃，其中比較典型的有Seaweb(海網）、近海水下持續監視網計劃及深海汽笛戰術尋呼系統等。

Seaweb是目前規模最大、最成功的在研水下網絡項目，由美海軍研究辦公室 (ONR）、空間與海戰系統司令部 (SPAWAR）負責研制 (見圖1）。該系統是一種典型的海底水聲傳感器網絡，通過水聲通信鏈路把固定節點、移動節點和網關節點連接成網。系統使用水下遙測聲吶的聲Modem互連固定和移動節點，并采用先進的組網協議來完成給定的任務，可通過浮標網關與Internet、移動通信網絡及衛星網絡等實現無縫連接。該網的節點數量已達17個，單個節點空間距離1～5 km，深度50～300 m。固定節點包括可部署傳感器節點和水聲中繼節點。移動節點由潛艇、自主潛航器 (AUV）、蛙人或海底爬行車組成，2004年 Seaweb試驗示意圖如圖2所示。目前，Seaweb－3和Seaweb－4系統已投入應用。

圖1 Seaweb原理及網絡信息拓撲圖Fig.1 Principle of Seaweb acoustic wide-area networks

圖2 Seaweb 2004示意圖Fig.2 Seaweb 2004 grid postmortem

美國海軍自1998年起，平均每2年進行1次海網的海底水聲通信試驗。多次試驗結果證明，在淺海惡劣環境條件下利用水聲網絡在廣闊水域進行高質量數據傳輸可行。潛艇和水面艦艇利用Seaweb實現水聲通信。在Seaweb網絡支持下，潛艇子數據鏈提供給潛艇隱蔽通信的新手段，克服了傳統通信手段隱蔽性差的弱點。2003年，水下無人航行器作為Seaweb網絡移動節點，累計工作了300 h;由6個重發器節點、2個網關節點組成Seaweb網絡，支持與水下無人潛航器的通信與導航。試驗證明水下無人潛航器在固定自主水下網絡的支持下，可以組成自主的移動艦隊 (見圖3）。

圖3 Seaweb網絡與水下無人航行器試驗Fig.3 Seaweb network with UUVs

潛艇平臺接入水下網絡后，能在保持隱蔽性的情況下，利用水聲信道，通過網絡實現與其他海、陸、空、天及水下平臺的網絡化信息連接，極大提高反潛作戰能力。美國“海豚”級潛艇使用ATM885進行了一系列中繼通信試驗。據報道，該艇在水深約122 m處航行時，克服了傳統通信手段隱蔽性差的弱點，通過浮標網關節點中繼，向岸基Internet發送了包含文字、圖像、圖表和其他信息在內的E－mail報文 (見圖4）。盡管 Sublink技術還有待進一步完善，但比潛艇現有的單向低數據率超低頻 (ELF）無線通信優越。

圖4 利用Seaweb網絡實現潛艇對外雙向通信Fig.4 Seawebmessage Multi－Access Collision Avoidance(MACA）Internet Protocol(IP）

美國海軍在研制Seaweb網過程中，不斷試驗加入預置的帶有移動彈頭的武器系統，以提供有效、低成本的作戰功能。預置的武器系統由飛機、艦艇或潛艇布防在Seaweb網有效區域內，由Seaweb網絡進行指控，形成水下作戰網絡。采用分布多種傳感器探測空中及水下目標，如采用綜合浮標探測來自空中直升機、固定翼飛機的威脅，探測信息通過無線水聲通信技術傳輸至水下潛伏式武器平臺。在淺水區域，采用潛射導彈對威脅目標進行打擊;在深水區域，采用水聽器陣列實現對潛艇目標的偵測，并采用魚雷進行打擊，如圖5所示。水下傳感器網絡是對威脅目標進行自主攻擊的主要技術支撐。

圖5 水下信息體系中水中兵器平臺Fig.5 Weapon system in the networked undersea information system

近年來，美國水下信息作戰技術的一個重要趨勢是注重利用UUV移動節點進行水下分布式組網探測。研究表明在未來水下作戰中，為了最大程度地提高潛艇的隱蔽性，潛艇部隊將越來越依靠UUV來執行各種任務。潛艇可通過釋放UUV對水下目標進行跟蹤和攻擊;潛艇通過危險海區時，釋放UUV誘使敵方反潛裝備和潛艇暴露。目前，美國海軍正在開發最先進的水下網絡——近海水下持續監視網 (Multi－Institution Effort in Persistent Littoral Undersea Surveillance Network，PLUSnet）。PLUSnet是一種半自主控制的海底固+水中機動的網絡化設施，由攜帶半自主傳感器的多個UUV組成，這些UUV能相互通信，自行履行多種功能，包括對海洋元素進行取樣、監視并預測海洋環境。PLUSnet作戰使用及關鍵設備如圖6所示。

圖6 PLUSnet作戰使用及關鍵設備示意圖Fig.6 PLUSNet concept and subsystem

水下信息體系運用關系到國家海洋和軍事戰略，對維護領海安全具有重要的軍事戰略價值。從外軍裝備體系發展來看，水下信息作戰也必將走向網絡化信息作戰。通過網絡化水下信息體系建設，可在相關海域形成對己方相對“透明”的水下戰場，為局部水下戰場的信息獲取、目標識別、作戰指揮、武器協同、作戰效果評估等構成的作戰體系提供水下預警信息支持和保障，以奪取局部水下戰場的信息優勢，可有效提高水下戰略威懾、潛艇作戰和反潛戰、水下信息對抗等海上聯合戰略、戰役的實戰能力。

2 水下信息作戰體系框架分析

水下信息作戰網絡的目的是通過把網絡擴展至水下實現水下作戰的革命，系統把傳感器、網絡、指控、平臺、武器系統和作戰人員集成為網絡化的分散布局的作戰體系，可靈活應對從海底到空間各種威脅，形成近海水域偵察、警戒、指揮、控制、通信、導航、定位和目標攻擊的綜合作戰系統，還可實現相關海域的高危區域兵器防衛。在水下信息網絡系統建設上應遵循的總體設計原則應是簡單、有效、可靠、安全。水下信息網絡可使用水下遙測聲吶的聲Modem互連固定和移動節點，并采用先進的組網協議來完成給定的任務，并可通過浮標網關與Internet、移動通信網絡及衛星網絡等實現無縫連接。

水下信息作戰系統是一個跨環境、跨系統、多任務的作戰體系，通過通信網關可以和水上空間的信息網絡、作戰平臺、指控系統連接起來，從而實現水下、水面、航天的多任務信息獲取、預警和武器攻擊。系統應采用靈活機動、快速布防的技術，允許系統與艦船編隊遂行作戰，在發生沖突的地區，迅速布放水下作戰網絡，克服淺海地區捕魚拖網的破壞和其他不安全因素。同時采用自組網和嚴格的能量管理技術，采取休眠狀態和低功耗設計技術來解決能量長期供應問題。

圍繞海戰場水下作戰應用，通過外軍典型水下信息網絡的發展歷程及技術狀態分析，可知水下信息體系作戰應具有以下能力:

1）全域感知。需具備水聲、光學、電場、磁場等多頻段的信息偵察能力，同時應具備平時水下戰場環境態勢信息收集和戰時水下偵聽、通信、水下無人平臺攻擊等手段，滿足水下全天候、全頻域信息感知需求。

2）全程管控。針對復雜水下戰場態勢的動態變化，需具有相應的資源動態管理和運用能力，實現態勢從初始態勢朝目標態勢的發展，全面掌控水下預警、通信、測控、武器平臺攻擊作戰過程的主動權。

3）多域進攻。針對敵方水下信息系統和作戰人員，分別從物理域、信息域和認知域進行進攻作戰，取得綜合信息優勢。

4）多層防護。針對敵方水下平臺的信息偵察和信息進攻，需要通過偽裝和干擾進行反偵察，同時需要采取多層次多手段的信息防御。

水下信息作戰體系主要由基礎層、功能層和應用層構成?；A層主要包括水下預警設施、通信網絡設施、計算基礎設施、時空基準設施、安全保密設施、水文氣象設施及能源供給設施等;功能層分為裝備功能層和節點功能層。裝備功能層主要包括水聲偵察、水聲對抗設備、光纖光學偵察設備、網絡偵察、破襲裝備及新概念武器等;節點功能層主要包括潛艇、UUV、浮標、水面艦艇等平臺。作戰過程中各平臺根據需要可以構成信息偵察監視、信息作戰指揮、信息作戰進攻、信息作戰防御等功能節點;應用層主要包括協同偵察、協同信息進攻、協同信息防御、信息作戰資源管控等系統。海戰場信息作戰的基本流程可以描述為:信息偵察及預警——指揮決策——信息引導及指示——協同信息攻防交戰——作戰效果評估。通過體系自身能力閉環，完成對敵多手段信息作戰過程，實現多元作戰目標。

3 AUV在水下信息網絡中的運用

水下信息網絡應根據防御需求、單元作戰范圍、水深等，設置不同的網絡拓撲形式。同時根據水下信息網絡布放海域情況，設置網關結構、水下自主武器平臺、傳感器陣列形式等參數。水下信息網絡主體線路為系統提供能源、控制、信息傳遞等支撐架構。在節點單元，通過各類型傳感器，獲取水聲、光、電、磁、生物、洋流、水溫等水下信息。通過水下移動UUV平臺、浮標、潛標構成水下GPS系統，實現對水下潛艇、武器平臺的導航及通信。水下移動節點、固定節點、浮標、潛標等共同組成水下信息網絡對外的通信、指揮控制信息通道。

在水下信息網絡系統中通過水下移動AUV平臺、浮標、潛標構成的水下GPS系統主要由相關節點智能聯網組成，每個浮標上裝有GPS或DGPS以及水聲換能器，水下載體與浮標間采用低波特率的擴頻信號進行通信及定位。系統主要由浮標錨泊系統、主動發射陣、浮標信號處理機、浮標電源及GPS接收系統組成。其中關鍵部分為浮標錨泊系統、基陣和浮標電源。利用水下信息網絡，通過網絡節點間接力形式可實現潛艇對外雙向隱蔽通信。通過浮標、AUV、潛標形成的水下GPS系統，也可實現水下信息網絡中潛艇平臺的導航。

由于海洋水下觀測在海域受限，完整地描述水下物理場，全方位布置觀測傳感器，代價極高。對此，可借鑒人造衛星的概念，通過多個AUV分布在水下信息網中的各個部分，各自勘測自己的水域，然后將數據發回信息網節點。采用AUV機動的自主勘測平臺和泊具及遠距離自動檢測裝置協調工作，要從動力、通信和整體任務規劃及擴展AUV的運行框架。AUV的任務是勘測信息網主體難以覆蓋的海域信息，當多條AUV執行任務時，可共用一個帶能源的漂浮泊具，這樣一來，當AUV能源不足時，可返回漂浮具充電，并把勘測數據傳給漂浮具，漂浮具按一定的模式將數據發回控制中心，控制中心也可以向漂浮具發送AUV任務。水下AUV的角色就如同太空中的人造衛星，因此，AUV也可稱為水下信息網中的“海洋衛星”。海洋衛星“AUV”也可擔當危險水域 (目標）勘測、通信網關節點的功能。

4 結語

隨著國家海洋戰略的實施，海洋權益日益受到高度重視，水下信息體系運用關系到國家海洋和軍事戰略，對維護領海安全具有重要的軍事戰略價值。由于水下信息網絡系統是一個跨環境、跨系統、多任務的作戰體系，針對不同的戰略要害區、戰略敏感區、潛在戰略作戰區的當前和未來復雜水下戰場態勢，水下信息網絡涉及的使命任務、關鍵技術及作戰運用特性差異性很大，水下信息體系涉及的技術、戰術及作戰運用值得相關學者深入研究。

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Latest development and warfare app ly of networked undersea information system

ZONG Si-guang，WU Rong-hua，ZHANG Xian-feng
(Department of Electron Engineeving，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

The underwater space is a transparent bad information space，the underwater information battle develops slowly before.Along with the threat enlargement of the submarine and underwater weapon，the technology developing of underwater detecting，communications，information fusion，undersea information warfare will developing quick and become important parts of themodern seawarfare.The paper analyses the characteristic of America networked undersea information system.And the frame and apply of undersea information warfare is discussed.This makes a stride for pursing the developing of networked undersea information system.

information system;information warfare;seaweb;underwater acoustics network

TB567

A

1672－7649(2014）05－0001－05

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.05.001

2013－03－05;

2013－05－08

宗思光(1979－），男，博士，講師，主要從事激光與物質相互作用、光電對抗領域的研究。