無人水下長波通信技術的應用與發展

譚亞輝

摘 要：無線通信技術應用于水下環境將會是一個不在新穎的課題，但對其研究卻有重要意義。目前，水下通信主要應用于軍事，地下等，在軍用中有岸對潛通信、潛對潛通信、水下傳感器網絡和水下遙感機器人等有著重要的應用。而水下無線傳輸的傳輸速率受到水介質的影響，對其發出的電磁波影響很大。而甚長波的電磁波的波長很長，受到地理環境和介質環境的影響較小，衰減慢，可以使通信距離達到很遠，且通信穩定。因此將甚長波作為水下無線傳輸的載波是一個新的技術，將會在水下通信起到重要的作用。

關鍵詞：水下；甚長波；無線通信

前言

水下無線通信是指其在水下運用無線方式將數據、語言文字、圖像、指令信息等重要信息進行準確的傳遞，其應用主要是在淡水和海水中。在陸地和天空通信，人類已經將技術發展到相當高的地步，能夠實現自由的通信和交流，但在水中，以同樣的技術則無法實現或者不能有效傳輸。而甚長波通信是以長波波段的電磁波作為傳輸的媒介，將重要的信息傳輸到另一個地方的無線通信方式。甚長波的頻率范圍是波段在30～3千赫的電磁波，主要傳播形式以表面波的形式沿地球表面傳播，其波長很長，受到地形地物等影響小，衰減慢，通信距離遠，通信很穩定。因此，將甚長波波段的電磁波應用于水下無線通信具有極大的可行性，能夠解決水下特殊環境所帶來的諸多問題，有利于軍事等行業的發展和應用。

一、水下無線通信技術發展現狀

長波通信是以甚低頻或者超低頻的頻率的一種以低頻為主的電磁波。其特點波長很長，衍射能力強、通信距離遠；能穿過電離層繞過空間星體，其透入海水能力較強，在地下傳播時吸收損耗也較小，且不受核爆炸、太陽活動等外界的影響。在冷戰時期，美蘇對峙，使世界各個國家對于海軍核潛艇的戰略的地位進行了新的審視，其中對潛通信的“隱蔽、實時、完備、穩定”的需求越來越緊迫。隨著美蘇制衡的加劇以及科學的不斷發展，美蘇不斷使用新的潛艇通信技術，如甚低頻和超低頻的研發與建設，使其發展成為對潛通信技術最基本的通信技術手段。根據長波的特點，能夠實現水下穩定、安全的通信要求，而且隱蔽性好。同時甚長波受到晝夜、季節、氣候、電離層等影響較小，又不會受核爆炸影響，因此傳輸的信號穩定可靠。當然，甚長波的頻帶很窄、傳輸速率極低，那么一般只能用于發送短報文或通知收報用的“振鈴”，限制其發展。同時發射信息設備龐大，潛艇只能在約定時間進行單向收信，因此實時通信較差。

二、長波通信技術在無人水下航行器上的應用方式

1、長波通信與衛星通信相結合

該方案依據甚長波的傳輸距離遠和透入海水能力強的特點，來實現岸臺與水下的無人潛航器的實時通信。但因為長波通信系統的信息傳輸速率較低，難以實現高速的實時通信。因此，只能將長波信號作為振鈴的功用，岸臺通過長波信號呼叫水下潛航器浮出水面，再通過通信衛星與其進行通信。

該方案是通過間接的方式實現岸臺與無人潛航器間的不間斷通信，雖然岸臺可以隨時向無人潛航器發送和接受命令，不需要按照原有的約定時間，定時上浮至水面，這樣可以節省大量燃料和資源，降低了一定的風險性。但該方案仍然有不足之處，如衛星通信存在抗毀性差的問題沒有解決，無人潛航器需要上浮之水面通信，同時存在暴露自身目標的可能。

2、長波通信與短波通信相結合

在無人潛航器上浮至水面后可以通過使用短波通信的范式與岸臺經通信，這就解決了衛星通信抗毀性差的問題。雖然可以同短波通信代替衛星通信，但是仍存在隱蔽性不佳的問題。

3、長波通信獨立工作

在上述方案中都是間接的方式來實現信號傳輸，那么可將長波信號作為與無人潛航器間的通信信號，這樣就可保證無人潛航器的隱蔽性，無需上潛至水面。但由于通信信息只能進行單向傳輸，而且通信的傳輸速率較低。

三、水下無線中長波通信的優點

甚長波通信是指利用其波段的電磁波為媒介進行傳輸，將信息從水下傳輸到另一個地方的方式，其波的頻率范圍是 30 ～3 000 kHz。發送甚長波的發信機的輸出功率可以大到達數兆瓦，發射天線的高度也要在200米以上，發射系統的通頻帶窄，是限制甚長波通信傳輸速率的主要原因。甚長波通信可以采用幅報、移頻報等多種方式調制，但采用相位連續的移頻鍵控，其中最小移頻鍵控會使頻域上能量集中、頻帶利用率高、抗噪聲性能好等優點。。

1.通信頻率利用率高

通過采用相位連續的移頻鍵控的方式，能夠使頻帶利用率增高，能量更加集中。

2.抗干擾能力強

通過采用擴頻技術可以將淹沒在噪聲中的信息解讀出來，實現準確的通信過程，同時不會受到水質優劣和海浪等因素的影響，這樣不會被水吸收衰減，優于一般的水下通信。

3.傳輸速度快，傳輸時延小

發射信號機在水下可采用密封方式，數據通過傳輸線傳到發射機發射到水中。電磁波頻率越高，水下傳播速率越快。

4.功耗低，供電方便

5. 安全系數高，對水中的環境無影響。

四、水下長波通信技術面臨的問題

目前，甚低頻、超低頻、極低頻通信以及正在發展的中長波的通信，都是同過電磁波的方式進行水下通信，只不過他們的頻率不一樣，波長不同。但由于海水存在趨膚效應，會使得無線電磁波在海水傳輸過程中受到嚴重的影響。因此，當前要解決的技術問題有：一是水下的通信深度，正常情況下，極低頻通信也只能對水下幾百米的深度進行通信。因此解決通信深度還需研究。二是發射的設備較大，占地面積廣，耗資巨大，需要能量多，性價比不足。三是通信數據傳輸率低通信信息容量小，智能單向接受，不能雙向通信，難以實現真正的應用。四是系統體積龐大，不利于隱藏，尤其是天線系統易受敵人活力打擊。

結語

長波通信在水下的應用具有一定的研究意義，具有巨大的潛力，依據其特點足以說明這項技術在水下應用的重要性。本文討論了將長波通信技術應用于水下無人的通信方式，分析了長波通信技術在水下應用的不足以及相應的特點，同時，還指出其系統應研究的方向。尤其是系統設備的問題，更應努力去改善，以便其發揮真正的功能。

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