水面艦艇新型中遠(yuǎn)距離通信方式分析與研究?

宋 南 鄭劍云 孫 欣 尚教凱

（海軍大連艦艇學(xué)院信息系統(tǒng)系 大連 116018）

1 引言

隨著我國海事活動(dòng)日趨頻繁和海洋經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，我海上兵力活動(dòng)范圍不斷擴(kuò)大，海戰(zhàn)場越來越廣闊，這些都對(duì)海戰(zhàn)場水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信提出了越來越高的要求，而面對(duì)日益寬廣海戰(zhàn)場環(huán)境，現(xiàn)有的水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信手段還不足以滿足通信指揮聯(lián)絡(luò)需要，尤其是在遠(yuǎn)海大洋電磁環(huán)境更加復(fù)雜的陌生海域，一旦發(fā)生沖突、對(duì)抗或戰(zhàn)爭，原有的中遠(yuǎn)距離通信資源和通信經(jīng)驗(yàn)遠(yuǎn)不能滿足海戰(zhàn)場通信指揮協(xié)同需要，會(huì)嚴(yán)重影響我兵力行動(dòng)和作戰(zhàn)能力。本文在分析海戰(zhàn)場水面艦艇現(xiàn)有中遠(yuǎn)距離通信方式存在問題的基礎(chǔ)上提出一種平流層通信方式，該通信方式能彌補(bǔ)短波電離層通信和衛(wèi)星通信存在的不足，能夠增強(qiáng)水面艦艇臨近空間信息傳輸能力，能豐富海戰(zhàn)場水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信手段。

2 水面艦艇現(xiàn)有中遠(yuǎn)距離通信方式及存在問題

2.1 水面艦艇現(xiàn)有中遠(yuǎn)距離通信手段

在水面艦艇上現(xiàn)有中遠(yuǎn)距離通信手段有短波通信和衛(wèi)星通信，如圖1所示，水面艦艇可通過短波電離層或者利用衛(wèi)星來實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離艦艇雙方信息傳輸。短波通信是利用1.5MHz～30MHz的短波頻率實(shí)現(xiàn)無線電通信［1］，傳輸信號(hào)通過電離層反射傳播，所以短波通信具有通信距離遠(yuǎn)、無需中繼等優(yōu)點(diǎn)，且短波通信電臺(tái)簡單，占用空間小，因此在艦艇上得到了廣泛的應(yīng)用。衛(wèi)星通信是利用衛(wèi)星作為中繼，使信號(hào)能夠通過微波進(jìn)行大范圍傳輸，衛(wèi)星通信具有通信頻帶寬、信號(hào)覆蓋范圍廣、速率高等優(yōu)點(diǎn)。此外，衛(wèi)星通信受地理?xiàng)l件影響小，組網(wǎng)迅速簡潔、便于實(shí)現(xiàn)全球無縫鏈接，是遠(yuǎn)距離軍事通信系統(tǒng)中不可缺少的部分［2］。目前，在艦艇中遠(yuǎn)距離通信上短波通信和衛(wèi)星通信互為補(bǔ)充手段備用手段，此外還有利用直升機(jī)、預(yù)警機(jī)等作為中繼來轉(zhuǎn)信擴(kuò)大通信距離，以此來達(dá)到中遠(yuǎn)距離通信的目的。

圖1 水面艦艇現(xiàn)有中遠(yuǎn)距離通信方式

2.2 水面艦艇現(xiàn)有中遠(yuǎn)距離通信方式存在問題

2.2.1 短波通信存在問題

目前，短波通信存在的問題有：一是頻率帶寬少，信道數(shù)量有限，通信速率慢。現(xiàn)有單個(gè)短波電臺(tái)的頻帶需要至少3.7KHz才能避免互擾，所以整個(gè)短波頻率范圍內(nèi)所能容納的通信信道數(shù)量為7700余個(gè)［3］。因短波擴(kuò)展后的頻帶帶寬僅為28.5MHz，遠(yuǎn)小于超短波、衛(wèi)星通信頻帶帶寬，所以短波通信速率較慢。二是通信質(zhì)量受到電離層變化影響［4］。短波天波傳播方式是依靠電離層這個(gè)時(shí)變信道反射傳播的，所以短波天波通信不穩(wěn)定，同時(shí)因電離層的變化，短波地波和天波傳播存在信號(hào)盲區(qū)也是不確定的。三是短波選頻較為困難。尤其是對(duì)陌生海區(qū)選頻較為困難，難以保證通信雙方實(shí)時(shí)有效的掌握通信質(zhì)量較好的頻點(diǎn)，無法保證可靠的通信聯(lián)絡(luò)和順暢的指揮。此外，短波的頻率預(yù)測模型還未準(zhǔn)確有效應(yīng)用起來，海戰(zhàn)場中遠(yuǎn)距離短波電離層通信的可靠性難以保證。

2.2.2 衛(wèi)星通信存在問題

目前，衛(wèi)星通信存在的主要問題有，一是軍事衛(wèi)星資源相對(duì)較少，衛(wèi)星通信點(diǎn)波束覆蓋范圍有限，難以滿足海戰(zhàn)場指揮、協(xié)同、報(bào)知需要。二是衛(wèi)星通信會(huì)產(chǎn)生較長的延時(shí)，容易受到雨衰等其他因素的影響，會(huì)使信號(hào)質(zhì)量變差甚至信號(hào)消失。如衛(wèi)星受到人為因素的干擾時(shí)，有時(shí)會(huì)使通信鏈路中斷，長時(shí)間不能恢復(fù)，當(dāng)干擾上行鏈路或干擾衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器干擾會(huì)使全部通信中斷，干擾下行鏈會(huì)使相當(dāng)范圍內(nèi)的通信中斷。三是衛(wèi)星運(yùn)行軌道是暴露的，戰(zhàn)時(shí)極易被掌握相關(guān)技術(shù)的敵方國家摧毀，衛(wèi)星中繼一旦被摧毀，重新部署會(huì)花費(fèi)大量財(cái)力及人力。

2.2.3 利用直升機(jī)、預(yù)警機(jī)等中繼通信存在問題

目前，現(xiàn)有直升機(jī)、預(yù)警機(jī)空中停留時(shí)間短，實(shí)現(xiàn)長時(shí)間中繼通信時(shí)必須部署多個(gè)直升機(jī)或預(yù)警機(jī)來接替作為通信中繼，且單個(gè)中繼通信距離有限，實(shí)現(xiàn)中遠(yuǎn)距離通信時(shí)同樣需要部署多個(gè)直升機(jī)或者預(yù)警機(jī)來中繼轉(zhuǎn)信。此外，直升機(jī)、預(yù)警機(jī)速度快，運(yùn)動(dòng)中通信多普勒頻移明顯，通信質(zhì)量較差。

3 利用平流層通信平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信聯(lián)絡(luò)

3.1 平流層通信平臺(tái)

平流層通信是當(dāng)今無線通信領(lǐng)域的一種新的應(yīng)用形式［5］，平流層通信一般指在離海平面17km～22km的高空區(qū)域，利用平流層穩(wěn)定的氣象條件，將飛機(jī)、飛艇、飛船等臨近空間航空器作為平臺(tái)長時(shí)間駐留在平流層中，把通信設(shè)備放置在駐空平臺(tái)中，可與地面設(shè)備以及無線用戶終端進(jìn)行通信，同時(shí)也可以與平流層平臺(tái)或衛(wèi)星進(jìn)行通信［6］，可以提供多用戶、多用途的通信服務(wù)。

3.2 平流層通信優(yōu)點(diǎn)

由于平流層良好穩(wěn)定的氣候環(huán)境，各類通信設(shè)備和平臺(tái)能夠在平流層中安全穩(wěn)定的運(yùn)行。平流層通信具有以下優(yōu)勢(shì)：一是建設(shè)成本更低且容易部署。平流層通信可采用臨近空間航空器（部署時(shí)間僅為幾小時(shí)）作為搭載平臺(tái)，可以在戰(zhàn)場上迅速建立起來，將戰(zhàn)場信息迅速準(zhǔn)確地傳輸。平流層通信平臺(tái)可通過人為控制使其降落，進(jìn)行回收和維修，實(shí)現(xiàn)各類設(shè)備的重復(fù)使用［7］，大大降低成本。二是通信效率較高。因通信平臺(tái)與海面距離近，延時(shí)時(shí)間降低，提高了通信效率。和衛(wèi)星通信相比，平流層通信平臺(tái)的高度大約是同步衛(wèi)星、中軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星的1/1800、1/400和1/40，延遲時(shí)間只有0．5ms［6］。三是平流層通信距離遠(yuǎn)，覆蓋區(qū)域廣［8］。因平臺(tái)布置的高度較高，所以通信距離足夠遠(yuǎn)，當(dāng)僅利用一個(gè)平臺(tái)通信時(shí)，利用該平臺(tái)進(jìn)行有效的通信覆蓋直徑可達(dá)到數(shù)百公里，比衛(wèi)星區(qū)域性覆蓋更有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)平流層通信平臺(tái)作為系統(tǒng)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，平臺(tái)間的中繼距離可達(dá)到1000km［9］。

3.3 平流層通信在海戰(zhàn)場通信中發(fā)揮的作用

水面艦艇只有能在更廣闊的海域?qū)崿F(xiàn)高速、寬帶、綜合化的信息傳輸，才能適應(yīng)未來海戰(zhàn)場通信要求，把平流層通信系統(tǒng)應(yīng)用于海戰(zhàn)場艦艇通信，會(huì)極大豐富海戰(zhàn)場水面艦艇通信體系，提高艦艇通信抗干擾、抗摧毀能力，適應(yīng)未來海戰(zhàn)場艦艇通信要求。

3.3.1 為海戰(zhàn)場提供長時(shí)間全天候的信息保障

平流層平臺(tái)工作環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定，具有長期駐空能力，可在指定區(qū)域連續(xù)長時(shí)間工作，或者根據(jù)任務(wù)需要，重新部署平臺(tái)組網(wǎng)全天候工作，保持長期通信，迅速準(zhǔn)確地傳遞信息。

3.3.2 有效彌補(bǔ)海戰(zhàn)場衛(wèi)星通信和短波通信的不足

現(xiàn)有的衛(wèi)星和短波通信設(shè)備難以勝任復(fù)雜的海戰(zhàn)場電磁環(huán)境，短波中遠(yuǎn)距離傳輸信號(hào)質(zhì)量差，衛(wèi)星通信抗毀抗擾能力有限，通信延時(shí)較長。平流層通信可以克服這些缺點(diǎn)，把地面上的超視距通信轉(zhuǎn)化為視距通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離，高質(zhì)量的戰(zhàn)場通信。

3.3.3 增加戰(zhàn)場通信覆蓋范圍，增強(qiáng)戰(zhàn)場無線通信整體效能

單個(gè)平流層通信平臺(tái)覆蓋半徑可達(dá)數(shù)百公里，利用多個(gè)平臺(tái)組網(wǎng)，可以覆蓋更大的海域，平流層通信平臺(tái)與地面設(shè)施、空中飛機(jī)和衛(wèi)星可以組成可靠的通信體系。增強(qiáng)戰(zhàn)場無線通信整體效能，提高通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性［10］。

4 平流層通信平臺(tái)覆蓋區(qū)仿真分析

平流層通信平臺(tái)對(duì)海面的覆蓋范圍如圖2所示。圖中A1為平流層通信平臺(tái)，A2為平流層平臺(tái)在海面上的投影，O為地球球心，平臺(tái)離地的高度A1A2為h，在現(xiàn)有平流層通信研究中，平流層平臺(tái)的高度最佳為17km～25km，通信距離A1A3為d，天線仰角為α，平臺(tái)高度角為θ，地球半徑為R，通信覆蓋半徑A2A3為r，r的地心角為β。在以平流層平臺(tái)、水面艦艇和地心三者構(gòu)成的三角形中應(yīng)用正弦定理可得，平臺(tái)的高度角為

通過高度角θ，可以推導(dǎo)出平流層平臺(tái)對(duì)海面的覆蓋中心角為

再根據(jù)余弦定理和弧長計(jì)算公式，可得出空中平臺(tái)至地面站的通信距離d和覆蓋半徑r分別為

圖2 單個(gè)平流層平臺(tái)通信覆蓋半徑

如圖3所示，從利用Matlab仿真程序得到的平臺(tái)通信覆蓋半徑與天線仰角和平臺(tái)高度的關(guān)系圖來看。在不同的艦艇天線仰角下，平流層通信平臺(tái)的覆蓋半徑與平臺(tái)高度之間呈現(xiàn)逐漸增加趨勢(shì)，但在相同的平流層平臺(tái)高度下，平臺(tái)覆蓋半徑與天線仰角之間呈減少趨勢(shì)［11］。在實(shí)際通信中，我們要考慮到通信時(shí)天線仰角大小，天線仰角越低，通信距離越遠(yuǎn)，受大氣環(huán)境的影響越大，通信鏈路損耗越大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致無法通信，所以在實(shí)際衛(wèi)星通信中艦艇天線通信的仰角一般要大于15°才能保證艦艇間通信暢通。因平流層平臺(tái)離地面較近，通信鏈路損耗遠(yuǎn)小于利用衛(wèi)星通信的鏈路損耗，所以利用平流層平臺(tái)通信時(shí)，艦艇有效通信時(shí)天線仰角可以小于15°。如圖4所示，當(dāng)平流層平臺(tái)高度為20km時(shí)，在艦艇天線仰角為5°的條件下，平臺(tái)通信覆蓋半徑為194.1km，這一距離可以滿足水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信需要，高度為20km的平流層通信平臺(tái)極限條件下最大通信覆蓋半徑達(dá)到504.1km，隨著天線仰角的增加，平流層平臺(tái)通信覆蓋半徑減少。20km高度的平流層平臺(tái)與10km高度的預(yù)警機(jī)在艦艇天線仰角為5°、10°、15°時(shí)，通信覆蓋半徑分別為194.1km和104.3km、107.9km和55.3km、72.8km和36.9km，在相同的艦艇天線仰角下平流層平臺(tái)的通信覆蓋半徑是預(yù)警機(jī)通信覆蓋半徑的兩倍左右，由此可見利用平流層平臺(tái)通信比利用預(yù)警機(jī)通信距離更遠(yuǎn)。

圖3 平臺(tái)通信覆蓋半徑與天線仰角和平臺(tái)高度的關(guān)系

圖4 20km高度的平流層平臺(tái)與10km高度的預(yù)警機(jī)通信覆蓋半徑

5 平流層通信組網(wǎng)運(yùn)用方式

平流層通信系統(tǒng)可與現(xiàn)有海戰(zhàn)場通信網(wǎng)絡(luò)融合，豐富現(xiàn)有海戰(zhàn)場水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信方式，平流層通信組網(wǎng)運(yùn)用方式如圖5所示。一是平流層通信平臺(tái)可與水面艦艇等海面作戰(zhàn)單元通信。平流層平臺(tái)可與水面艦艇現(xiàn)有軍事通信裝備（包括短波、超短波、數(shù)據(jù)鏈等）實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，平流層平臺(tái)可利用超短波、微波與通信設(shè)備通信。二是平流層通信平臺(tái)之間互通。在平流層通信系統(tǒng)中可以根據(jù)任務(wù)需要布置一個(gè)或多個(gè)平臺(tái)，各個(gè)平臺(tái)不僅可以與水面艦艇進(jìn)行通信，平臺(tái)之間也可以進(jìn)行通信。多個(gè)平臺(tái)比單個(gè)的平臺(tái)可以覆蓋更大的區(qū)域，具有更多的鏈路和更大的空間［12］。三是平流層通信平臺(tái)可與衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)通信。平流層平臺(tái)與衛(wèi)星的組網(wǎng)通信會(huì)豐富空中信息傳輸系統(tǒng)，擴(kuò)展了地面設(shè)備與衛(wèi)星通信的渠道，信息不僅可以由水面艦艇直接發(fā)送給衛(wèi)星，也可以通過平流層平臺(tái)來轉(zhuǎn)發(fā)給衛(wèi)星。四是平流層通信平臺(tái)可與預(yù)警機(jī)、指揮專網(wǎng)組網(wǎng)通信。可將平流層平臺(tái)收集到的戰(zhàn)場信息及時(shí)傳輸給預(yù)警系統(tǒng)，由預(yù)警系統(tǒng)再對(duì)信息分析、處理，分發(fā)給其他網(wǎng)絡(luò)［12］。

圖5 平流層通信組網(wǎng)方式

6 結(jié)語

本文從海戰(zhàn)場水面艦艇現(xiàn)有中遠(yuǎn)遠(yuǎn)距離通信方式出發(fā)，分析短波電離層和衛(wèi)星中遠(yuǎn)距離通信存在的問題，針對(duì)存在的問題和未來海戰(zhàn)場通信要求，提出用平流層通信平臺(tái)來豐富現(xiàn)有海戰(zhàn)場水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信方式，平流層通信方式能有效彌補(bǔ)短波通信和衛(wèi)星通信存在的問題，能為海戰(zhàn)場通信提供有效的通信保障，將在海戰(zhàn)場通信中發(fā)揮巨大作用。畫圖說明了平流層通信平臺(tái)通信覆蓋半徑算法，并利用Matlab仿真程序做了仿真分析，得到平臺(tái)高度在17km～25km范圍時(shí)，天線仰角為15°、20°、25°時(shí)的通信覆蓋半徑變化曲線圖，同時(shí)也仿真出20km高度的平流層通信平臺(tái)與10km高度的預(yù)警機(jī)作為通信中繼時(shí)，平臺(tái)通信覆蓋半徑與天線仰角的關(guān)系圖，通過對(duì)比分析說明了平流層平臺(tái)比預(yù)警機(jī)在通信距離上更適于與海戰(zhàn)場水面艦艇中遠(yuǎn)距離通信。最后，詳細(xì)說明了平流層通信組網(wǎng)方式，這種組網(wǎng)方式能豐富海戰(zhàn)場水面艦艇現(xiàn)有通信體系，提升海戰(zhàn)場水面艦艇通信的抗毀能力。