美國海軍水下傳感器網絡發展回顧

美國海軍于1997年提出“網絡中心戰”概念后，在國防部骨干路由器網的支持下，以協同作戰能力網絡為主體，為實現對地面、空中、太空、水面通信平臺的全球點對點鏈接，建立起實施網絡中心戰的聯合傳感器網絡，可以對陸海空實施廣泛而連續的監視。由于水下通信節點的缺失，這個強大的立體信息網無法為美國海軍提供監視水下目標的能力，因而建立海底傳感器網絡，完備聯合傳感器網絡功能成為關注的焦點。為了彌補這一缺憾，增強海洋數據收集和水下預警能力，美國海軍自1998年起持續開展了廣域“海網”（Sea web）的海底水聲通信網絡試驗，很快證實了利用聲學進行水下組網的可行性，并衍生出一系列水聲網絡計劃和應用，展現了水聲網絡應用的廣闊前景。

發展背景

水下傳感器網絡是由布放在海底、海中的傳感器節點和海面浮標節點以及它們之間的雙向聲鏈路組成的分布式、多節點、大面積覆蓋水下三維區域，可以對信息進行采集、處理、分類和壓縮，并可以通過水下通信網節點以中繼方式回傳到陸基或海基的信息控制中心的綜合系統。美國是最早開展水下傳感器網絡研究的國家，在最近二三十年里取得了長足的進步。美國海軍大力開展水下無線網絡通信能力建設，有著深刻的歷史背景和緊迫的現實需要。

瀕海作戰需求是水下傳感器網絡發展的根本動力。20世紀90年代以來，在“由海向陸”等國防部戰略方針的指引下，美國海軍的戰略重點逐漸由深海向淺海轉移，并制定了深化這一戰略的《21世紀海上力量》和《海軍轉型規劃綱要》，提出建設水下傳感系統，打造海軍“軍隊網絡”的水下網絡，發展“由海底到太空”的網絡聯通能力，從而實現對瀕海戰場環境及時和準確的認知。

美國海軍現有水下偵測能力的不足是水下傳感器網絡發展的現實因素。由于缺乏有效監視水下目標的能力，特別是面對瀕海作戰的探潛、反潛和獵雷需求，美國海軍必然要增加水下探測距離和分辨率，提高水下戰場信息控制能力，擴大水聲預警探測范圍。為此，美國海軍大力發展水下傳感器網絡，將之作為防御戰場和安全屏障，保衛美國的領海安全、海軍部隊和海上力量。

水聲組網技術日趨成熟是水下傳感器網絡發展的推動因素。水聲組網技術是水下傳感器網絡的關鍵技術，它涉及到水聲數據的交換技術、傳輸技術、共用系統技術和寬帶接入技術等。自20世紀90年代以來，水聲組網技術研究不斷克服海洋環境對水下傳感器網絡的影響，技術性能日趨成熟。在水聲組網技術的推動下，水下傳感器網絡系統逐步完善，廣泛采用標準通信組件和商用成品技術，呈現出大規模、自組織、動態性等特點，提高了對環境數據、戰術數據和情報數據的獲取能力。

美海軍水下傳感器網絡概念圖

美海軍水下戰示意圖

發展情況

美國海軍在建設水下傳感器網絡的過程中，采取了傳統的科研院校-產業部門-軍事單位相結合的研發模式，以“海網”相關技術的研發為核心，經歷了概念研發、研制試驗和應用部署三個主要階段。通過近20年的發展，“海網”已成功應用于海軍艦隊作戰實驗（FBE-I項目）、淺海反潛戰ASW（HYDRA項目）、水下通信等任務中。

概念研發階段（20世紀50年代至90年代中期）水聲通信技術處于理論研究和技術研究階段，早期以建立模擬系統、開展水聲相干通信技術研究為主。至20世紀90年代中期，淺海環境的水聲通信速率和距離實現了較大發展，使水下網絡的建立成為可能。

研制試驗階段（20世紀90年代后期至21世紀初期）在此階段，水聲通信技術和水下網絡技術在同時穩步發展，經過多次組網試驗，包括水聲調制解調器在內的各種水下傳感器網絡組網技術和設備日趨完善，性能不斷提高。美國海軍自1998年開始了“海網”年度實驗，驗證水下傳感器網絡概念。

應用部署階段（21世紀初期至今）美國海軍經過多次試驗證明了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的可行性，隨即開展了水下傳感器網絡的應用研究，并于2004財年開始建設包括“海網”潛艇數據鏈在內的多個水聲網絡應用項目。在2004年圣迭戈的反潛戰演習中，“海網”第一次在美國海軍潛艇部隊得到作戰應用，潛艇和水面艦艇利用“海網”實現了隱蔽的水聲通信。在“海網”網絡支持下，美國海軍還實施了“近海水下持續監視網”計劃。

水下傳感器與潛艇的“非對稱”通信

未來，美國海軍將以建設近海水下持續監視網和自主式分布傳感器系統為重點，力圖在潛在敵國的沿海建立水下信息探測網絡，密切監視并預測海洋環境，從而有效應對這些國家的安靜型柴電潛艇的威脅。

構成及其功能

典型的水下傳感器網絡系統包括分布式傳感器節點、接收發送器、互聯網和用戶界面等。互聯網和用戶界面由各種網絡設備和應用程序構成，主要用于實現水下傳感器網絡的C4I功能。

傳感器節點通過不同類型的傳感器來獲取水下物理現象的參數，并通過聲學調制解調器把信息發送出去。其組成包括4個基本單元:傳感單元（由傳感器和模數轉換功能模塊組成）、處理單元（包括CPU、存儲器、嵌入式操作系統等）、通信單元（由聲學調制解調器組成）以及電源。此外，可以選擇的其他功能單元包括定位系統和移動系統等。

接收發送器是將水聲傳感器網絡接入陸地或空中常規網絡的關鍵節點，其功能是集中接收水聲傳感器網絡的數據包，經過轉換，變成無線網絡或有線網絡所接收的數據包，再轉發出去。如果接收發送器用于無線網絡的接入，這個節點可以是一個水面站，專用浮標或水面船為載體; 如果接收發送器用于有線網絡的接入，那么這個節點可以是一個岸基站。

無人水下探測器“藍鰭金槍魚”也可用作傳感器網絡的節點

總體而言，對水下傳感器節點所覆蓋的區域進行中長期的水下預警、目標檢測、海洋水文環境要素監測是水下網絡的一個重要用途；同時，在未來由多基地和舷外分布式傳感器系統構成的龐大的反潛戰網絡中，水下數據通信是關鍵，而水下傳感網承擔著探測、數據通信的重要使命。

典型網絡

目前，美國海軍正在實施的項目中比較典型的水下傳感器網絡包括“海網”水聲網絡、自主式分布傳感器系統和“近海水下持續監視網”等，其中“海網”是目前比較成功的水聲網絡，也是美國海軍規模最大的在研實用水聲網絡。

“海網”由美國海軍研究局和航天海戰系統司令部主持建設，利用水聲調制解調器進行通信，可兼作軍民兩用網絡，被視為水下版的“軍隊網絡”，是水聲傳播、聲納系統工程、數字通信、信號處理、計算機網絡工程、換能器設計等多學科綜合研究和應用的產物。對于軍用，構建可布放的自主式分布傳感器，用于沿海廣大區域的警戒、反潛戰和反水雷系統，實施指揮、控制、通信和導航功能；對于民用，構建對沿海大陸架監測的遙測前沿觀測網和氣象海洋系統。它們都以遠程聲納為水下通信的工具，以“海網”的概念構成水下網絡，但根據應用的需求不同，采用了不同類型的水下傳感器。

“海網”實質是由分布式自動傳感器組成的固定節點的海底廣域網絡，移動節點在這個固定的海底廣域網絡柵格周圍游弋并執行作戰任務，通過這些固定的節點（傳感器節點和水聲中繼節點）來獲取導航信息和進行水下通信。“海網”利用水聲通信鏈路將固定節點、移動節點和網關節點（包括固定浮標網關節點和移動網關節點）連接成網。指控中心部署在艦艇、潛艇、飛機或岸基中心，它通過衛星鏈路或陸地局域網接入浮標網關節點。網關節點具有水聲通信接口和無線通信接口功能，前者用于實現與“海網”的水聲通信鏈接，后者用于提供“海網”與岸基、飛機或衛星的無線鏈接。移動網關節點在水下運動中采集傳感器節點數據，然后適時浮出海面與岸基或艦基指控中心進行無線通信。潛艇在潛行中使用水聲通信鏈路訪問“海網”網絡資源或通過“海網”與遠程浮標網關通信。遠程指控中心通過衛星鏈路或陸地局域網接入浮標網關節點。目前，“海網”已具有很強的自組功能，如自動進行節點識別、時鐘同步，節點位置定位、適應環境的發射功率控制、節點更新和失效后的網絡重新配置等。

“海網”2005年試驗網絡節點部署圖

美國海軍的“海網”計劃，從1998年開始啟動了每年度的“海網”試驗，目的在于推動遠程聲納和“海網”技術的發展。“海網”的試驗過程，也是水下傳感器網絡由提供基本的通信功能向構建水下無線網絡、多重路徑訪問結構以及采用復合通信協議、實現高級服務功能發展的過程。

從試驗的技術細節來看，“海網”可以支持2000字節長度的數據包和2400比特/秒的通信速率，但是為了改善網絡性能和電池續航能力，采用了350字節長度的數據包，標稱速率為800比特/秒。常用帶寬為9000～14000赫茲，點對點最大通信距離10千米，部署深度小于1000米。

在“海網”服務器和主控節點的控制下，“海網”部署要經過四個階段，其中包括：準備階段，其主要任務是分析任務需求和設計網絡分布模型；安裝和啟動階段，其主要任務是測試和激活網絡節點；系統初始化和注冊登記階段，其主要任務是獲取網絡鏈路信息和主節點數據；優化組合和運行階段，其主要任務是選擇網絡路由、指定協議和優化節點性能。

《美國海軍信息優勢路線圖（2013-2028）》將建設水下數據通信能力，實現更為精準的水下定位和導航，作為確保順利完成海上的定位、導航及授時工作，決勝未來海洋戰場的一項重要能力。按照網絡中心戰概念發展起來的水下網絡系統，利用水下數據鏈把多種作戰平臺和信息節點有機地聯接起來，通過獲取水下信息優勢，實現水下戰場態勢感知的高度共享，快速指揮先敵行動和實施部隊機動，從而大大提高聯合作戰效能。

結語

雖然目前已有研究成果證明了水下網絡通信的可行性以及它發揮的美軍水下作戰能力倍增器作用，未來也將會有更多更強的水下網絡通信功能被開發和應用，但不可否認的是迄今為止的應用成果，僅僅是整個架構的冰山一角，在水下傳感器網絡研究的道路上還存在許多障礙，還有許多重大的技術挑戰和相應問題需要解決。