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

潛艇以其優越的隱蔽性及水下突擊能力，成為取得海戰主動權的關鍵，而潛艇的隱蔽性主要由其下潛深度、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]。當前，國外海軍強國水面戰與空戰體系已形成基于信息系統的體系作戰能力，但水下裝備還難以實時納入作戰體系中，水介質對信息遠程高速傳輸的阻礙是問題的關鍵所在。為此，潛艇水下互聯互通能力、跨越通信能力成為各國發展的重點方向。近年來，潛艇水下通信除了運用傳統的無線電、水聲等通信手段之外，浮標通信、網絡通信、激光通信等新型通信方式得到了快速發展[2]，雖然并未實際應用，但其相關測試結果為水下通信技術創新開辟了新的方向，是水下通信領域關注的重點。目前，國外潛艇主要水下通信方式的作戰使用范圍、通信速率、通信距離及研制情況等見表1。

1 無線電通信

潛艇無線電通信主要依靠天線裝置實現對甚低頻（VLF）或超低頻（ELF）信號的接收。當前，核潛艇典型的通信系統天線組成如圖1所示，其中具有水下信號接收能力的為纜式拖曳天線裝置，主要承擔潛艇深潛狀態下的無線電通信任務。

潛艇纜式拖曳天線裝置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]。

1.1 美國

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 b/s，此時潛艇航速不超過4 kn，天線浮標保持在水下6～9 m。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。

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

圖 1 潛艇典型通信系統天線組成Fig. 1 The composition of submarine typical communication system antenna

圖 2 潛艇纜式拖曳天線裝置結構示意圖Fig. 2 Submarine towing cable antenna device

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1個比特（約0.016 7 b/s），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。

2007年12月，美海軍成功地完成“巡航狀態下潛艇雙向通信”項目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”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 kb/s。

圖 3 “洛杉磯”級纜式拖曳天線裝置圖Fig. 3 Los-Angeles class submarine towing cable antenna device

1.2 俄羅斯

俄羅斯最早纜式拖曳天線裝置為掃雷器型拖曳天線系統，用于保障衛星與潛艇間的通信，該系統由漂浮至水面的掃雷器型載體及天線裝置、拖曳線纜及絞車組成，掃雷器型載體的流體動力指向垂直向上，以流體動力產生的上升力上浮至距離水表面約2～3 m深度，通過升舉拖曳載體上的天線（靠近海面）來實現深潛潛艇的單向或雙向通信。

1978年俄羅斯開始研制的K-686型掃雷器型拖曳天線系統，載體為對稱翼形玻璃鋼殼體，承重電纜為直徑13.6 mm的11芯承重電纜，能保證潛艇在10 kn航速、潛深250 m情況下實現對超長波無線電信號的接收，并裝備于俄羅斯“德爾塔”級戰略導彈核潛艇。同時，“海洋通信項目”設計局研制的K-659型掃雷器型拖曳天線系統，載體尺寸長4 500 mm，翼展2 700 mm，具有分米波頻段天線，尾鰭采用玻璃鋼材質，配備有直徑21.8 mm、220 m長的16芯承重電纜，能夠實現在潛深130 m、航速10 kn時超低頻無線電雙向通信，并裝備于“臺風”級核潛艇。隨后由于承重電纜造價昂貴等原因，俄羅斯終止了掃雷器型拖曳天線裝置的制造工作。

圖 4 “臺風”級潛艇掃雷器型拖曳天線裝置及內部結構示意圖Fig. 4 Design of Typhoon class-submarine mine-mine type towing antenna device

圖 5 K-659型拖曳天線裝置載體Fig. 5 K-659 type of towing antenna device

20世紀80年代俄羅斯啟動纜式拖曳天線裝置的研制工作，先后發展了K-687型和K-689型兩代纜式拖曳天線裝置，并于1998年成功研制由耐壓殼體放纜的第3代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[4]。

圖 6 K-697型纜式拖曳天線裝置Fig. 6 K-697 towing cable antenn device

目前，俄羅斯潛艇裝備纜式天線裝置能夠實現無接觸接收信號，并具備接收超長波-長波-中波-短波波段信號能力，在潛艇航速達12 kn時，布放深度達到300 m，使潛艇具備大潛深、高航速情況下的通信能力。

2 聲吶通信

潛艇聲吶通信主要利用通信聲吶實現潛艇間及潛艇與水面艦艇間信息傳輸，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]。

圖 7 潛艇聲吶通信示意Fig. 7 Submarine sonar communication schematic

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2所示。

聲吶通信的通信速率與水聲通信技術發展息息相關，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。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·kb/s，即距離為40 km時水下通信速率最大為1 kb/s。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，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。

表 2 AN/WQC-2通信聲吶技術參數Tab. 2 AN/WQC-2 communication sonar technical parameters

3 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。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]。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，而英國也正在進行相關裝備研制工作。

1）美國潛艇通信浮標

2008年美海軍完成“深海汽笛”戰術尋呼浮標的軍用評估，該浮標通過衛星與外界通信，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，由潛艇、水面艦或飛機投放，用于呼叫戰術支援、實現水下實時通信。同年，美國PEO C4I潛艇綜合項目辦公室表示能夠為潛艇提供雙向衛星通信，浮標與商用銥星衛星通信系統交換信息的數據率為2.4 kb/s，與軍用特高頻（UHF）衛星通信系統交換信息的數據率為32 kb/s，并將擴展到64 kb/s。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 in）航速為8 kn的狀態下，通信數據率達到32 kb/s。

2）德國、英國潛艇浮標通信系統

圖 8 系留浮標工作流程示意Fig. 8 Workflow of mooring bouy

英國ATLAS Elektronik公司研制的GATEWAY和德國Gabler Maschinenbau公司研制的“木衛四”（Callisto）潛艇浮標通信系統，均由潛艇發射，具備水下-水面跨域通信能力。其中GATEWAY由潛艇聲頻調制解調器、基站以及GATEWAY浮標3個主要部分構成，可以保證在水下機動及航行狀態下潛艇間雙向通信，而且無需保持潛望鏡深度；“木衛四”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，該系統利用可重復使用的拖曳通信浮標與外界通信，可發射和接收超高頻、甚高頻、高頻以及GPS等信號，但通信速率并未公布。

圖 9 ATLAS Elektronik公司GATEWAY通信浮標Fig. 9 GATEWAY communication system of ATLAS Elektronik company

4 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。

美國海軍自1998年起多次進行“海網”（Seaweb）項目通信網絡試驗，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。

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 10 潛艇水下網絡通信鏈路Fig. 10 Submarine underwater network communication

5 激光通信

當前，激光被視為在潛艇跨越通信及水下面對面通信中可傳送大容量數據的一種通信方式，極具發展前景。2009年德國在海軍研究所測試水池完成水下激光鏈路的首次測試，發射激光束帶寬為18 nm，水中試驗傳輸距離為3 m，視頻數據流級文件傳輸可達到7 ～10 Mb/s，同時誤碼率低于6–10[8]。2012年，海上激光通信技術實現在2艘艦船之間完成700 M/s的數據實時傳輸能力，接近實戰應用。2017年3月美海軍空間與海戰系統司令部發布“模塊化光學通信”（OCOMMS）載荷項目計劃，研發空潛全雙工通信系統，解決海面跨介質通信問題。要求通信速率大于1 kb/s，覆蓋范圍超過15 nmile，工作深度30～75 m，空中部分長寬高不大于16.5，15.5和13.25 in，重量小于60 lb，額定功率200 W，可裝在無人機上。水下部分直徑不大于18 in，長度不大于19 in，重量小于75 lb。未來激光通信不僅成為跨域通信的有效手段，還將成為水下潛艇間、無人航行器與潛艇間大容量數據的重要傳輸手段。

6 結 語

綜上所述，無線電通信、聲吶通信基本維持現有技術水平，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，而隨著未來全新水下戰大容量通信鏈路需求日益增長，激光通信將成為水下通信網絡形成的關鍵手段。

圖 11 海洋環境網絡內激光鏈路應用的工作示意圖Fig. 11 The application of loser link in the marine environment network

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