對潛通信手段效能評估研究

黎漫斯，陳 娟，盧 皎

(1. 中國人民解放軍91469部隊，北京 100841；2. 中國人民解放軍91917部隊，北京 102401；3. 中國人民解放軍94201部隊，山東 濟南 250200)

0 引 言

水下通信作為水下作戰保障的重要組成部分，主要是以潛艇為主的水下作戰平臺之間及與水面和岸基之間的通信聯絡，在水下戰場信息化建設中扮演關鍵角色[1]。潛艇作為重要的水下作戰平臺，是戰斗以及反潛的主要力量，是現代戰爭中必不可少的武器。但是由于潛艇必須深潛水下，不能及時獲取戰爭情報態勢，因此必須靠通信來保障其水下作戰和其他戰術活動的指揮[2]。

本文運用Matlab對對潛通信系統中重要通信手段的通信效能進行建模，便于直觀對對潛系統評價中各通信手段的通信效能進行系統效能評價。通過對對潛

通信系統中各通信手段的通信效能分析，可用來完成對對潛通信系統的通信效能進行評估。

1 對潛通信手段

對潛通信可用手段主要包括超低頻、甚低頻通信、短波、超短波、艇載數據鏈通信、衛星通信、浮標通信等[3-4]。本文選取有代表性的甚低頻、艇載數據鏈、衛星、浮標通信為研究對象，對對潛通信效能進行研究。

1.1 甚低頻通信

甚低頻通信又稱長波通信，甚低頻無線電波利用地波傳播，傳輸穩定，受電離層擾動和季節變化影響小，在傳播路徑上的大氣衰減很小，可以實現遠距離

的通信，通信可靠，甚低頻信號在海水中衰減較小，對海水有一定的穿透力。

1.2 艇載數據鏈通信

數據鏈是互通數據的鏈路，就像一張網，只要有一個數據終端就可以從這個數據鏈里獲得自己所需要的信息，同樣也可以使用終端往這個數據鏈路里添加東西。隨著現代高技術戰爭向信息化、網絡化和體系對抗方向發展，數據鏈在信息收集、分發、處理和共享中起著至關重要的作用。

1.3 衛星通信手段

通信衛星是一種在軌道上運行的中繼器。它接收、放大和處理來自地面某點的信號，然后將其轉發到地面的另一點。衛星通信能夠提供無傳播障礙的、全球接續的高質量寬帶遠距離線路。一顆衛星能夠覆蓋其視角內的區域；同時可通過采用多條地對地衛星線路延長其通信距離，或者在衛星之間進行中繼的方法實現全球衛星通信。

1.4 綜合浮標天線通信手段

潛艇綜合浮標是一種拖曳浮標，它為潛艇提供了一種在安全深度以下與岸基、水面和空中各類作戰平臺進行雙向通信的有力手段，同時也使潛艇具備了水下接收精確導航定位信息的能力。

2 對潛通信裝備效能指標體系

潛艇通信系統主要由甚低頻收信設備、高頻通信設備、甚/特高頻通信設備、UHF戰術衛通設備、遇險救生通信設備及內通設備等組成，其中涵蓋了各種通信手段的運用[5-6]。對潛通信裝備的效能評估包含評估對潛通信指標體系、權值、評估所需信息和評估方法等要素，這三大要素之間相互影響[7]。

2.1 指標體系

建立對潛通信指標體系是評估工作的首要任務，是后繼評估工作的基礎平臺[8-9]。指標體系內，對潛通信評估指標的選取直接關系到綜合評估的結果[10-11]。立足于軍事應用的角度考慮，把對潛通信系統的通信效能指標綜合歸納為兩類，即業務性能指標和戰術性能指標。在此層次上，業務性能指標可以劃分為通信及時性、有效性和可靠性3類指標，分別從系統的時效性、信息傳輸質量和安全可靠等3個方面來綜合反映系統的業務性能。同時，從通信過程中潛艇的隱蔽性和機動性2個方面對戰術性能指標進行研究。

2.2 指標權值

以上文分析的對潛通信系統效能評估指標體系為基礎，根據經驗數據，由專家打分法得到各層指標的權值[12-14]，如表1所示。

表1 對潛通信系統通信效能指標權值Tab. 1 Weights of communication effectiveness indicators for submarine communication systems

3 效能分析

潛艇通信的效能依據通信手段不同而不同[15]，根據各層指標的權值及通過對甚低頻通信、艇載數據鏈通信、衛星通信、浮標通信這4種通信手段的度量指標進行量化得到歸一化值，并選取Matlab為仿真平臺，假設仿真精度為0.2，構建對上述4種對潛通信手段的通信效能模型，主要有技術效能模型和戰術效能模型。

3.1 技術效能分析

技術性能指標主要用于衡量通信系統在給定時間內完成通信業務的能力，它受到系統的通信距離、通信速率、誤碼率、承載的業務種類、系統抗干擾性、抗毀性和保密性等諸多因素的影響[16]。

1）及時性

及時性指標用于衡量系統在規定的時間，完成傳輸消息任務的能力，受到系統的通信距離、通信速率和響應時間的制約。甚低頻通信、艇載數據鏈通信、衛星通信、浮標通信的及時性效能如圖1所示。

由圖1可知，在對潛通信裝備效能指標體系中，通信距離的權重占及時性指標的權值為0.3。甚低頻通信、衛星通信、浮標通信的歸一化值均為0.9，經過計算，效能值均為0.27，艇載數據鏈的歸一化值為0.7，因此其效能值為0.21，因此，此4種通信手段均可較好滿足潛艇水下作戰使用中對潛通信距離的傳輸需求；通信速率的權重占及時性指標的權值為0.4，其中，甚低頻的歸一化值為0.3，因此其效能值為0.12，與滿足對潛通信的及時性傳輸需求存在較大差距，艇載數據鏈的歸一化值為0.6，因此其效能值為0.24，基本滿足對潛通信的及時性傳輸需求，衛星通信的歸一化值為1，則其效能值為0.4，可出色對潛通信的及時性傳輸需求，浮標通信的歸一化值為0.8，因此其效能值為0.32，可較好滿足對潛通信的及時性傳輸需求；甚低頻通信的信息傳輸響應時間包括岸臺發射信息轉換及發射延遲時間和信息空中傳輸水下接收延遲時間。依據指標效能值，在對潛通信裝備效能指標體系中，響應時間的權重占及時性指標的權值為0.3，甚低頻通信的歸一化值為0.6，經計算其效能值為0.18，基本滿足潛艇水下作戰中對潛通信的及時性需求；艇載數據鏈的歸一化值為0.8，則其效能值為0.24，可較好滿足對潛通信的及時性需求；衛星通信、浮標通信的歸一化值為0.5，因此這2種通信手段的效能值均為0.15，與對潛通信的及時性需求存在較大差距。

圖1 4種通信手段的及時性效能圖Fig. 1 Timeliness efficiency diagram of four communication means

2）有效性

有效性指標用于衡量系統準確傳輸信號的能力，本文主要考慮誤碼率、單雙向通信和通信業務種類對它的貢獻[17]。4種通信手段的有效性效能如圖2所示。

在對潛通信裝備效能指標體系中，誤碼率的權重占有效性指標的權值為0.5，甚低頻通信的歸一化值為0.6，計算出效能值為0.3，基本滿足潛艇水下作戰的可靠性需求；艇載數據鏈的歸一化值為0.4，因此其效能值僅為0.2，與對潛通信質量的可靠性需求存在較大差距；衛星和浮標通信的歸一化值為0.9，因此效能值均為0.45，可較好滿足對潛通信數據傳輸的可靠性需求；單雙向通信的權重占有效性指標的權值為0.2。其中，甚低頻通信和艇載數據鏈通信為單向通信，僅能滿足收信需求，其歸一化值均為0.5，因此效能值均為0.1；衛星通信和浮標通信為雙向通信，可滿足對潛通信中雙向通信需求，其歸一化值均為1，得出效能值為0.2；通信業務種類的權重占有效性指標的權值為0.3。甚低頻通信的通信業務種類為報文、數據，其歸一化值為0.6，得出效能值為0.18，基本滿足潛艇水下作戰中對潛通信的有效性需求；艇載數據鏈的通信業務種類為格式化數據，其歸一化值為0.4，計算出效能值為0.12，對滿足潛艇水下作戰中對潛通信的有效性需求存在一定差距；衛星通信的通信業務種類為明/密話、報文、數據圖像等，其歸一化值為0.7，則效能值為0.21，可較好滿足對潛通信的有效性需求；浮標通信的歸一化值為0.8，得出通信效能值為0.24，可較好滿足對潛通信的有效性傳輸需求。

圖2 4種通信手段的有效性效能圖Fig. 2 Effectiveness diagram of four communication means

3）可靠性

甚低頻通信、艇載數據鏈通信、衛星通信、浮標通信的可靠性效能如圖3所示。

圖3 4種通信手段的可靠性效能圖Fig. 3 Reliability effectiveness diagram of four communication means

根據指標效能值，在對潛通信裝備效能指標體系中，抗干擾性的權重占可靠性指標的權值為0.3。依據指標效能值，甚低頻通信的歸一化值為0.8，效能值為0.24；艇載數據鏈的歸一化值為0.4，效能值為0.12；衛星通信的歸一化值為0.5，效能值為0.15；浮標通信的歸一化值為0.9，效能值為0.27。可以得出浮標通信的抗干擾能力最強，其次是甚低頻通信，再次為衛星通信，其中，抗干擾能力最差的通信手段為艇載數據鏈通信；抗毀性的權重占可靠性指標的權值為0.4。依據指標效能值，甚低頻通信的歸一化值為0.3，得出效能值為0.12；艇載數據鏈的歸一化值為0.9，計算出效能值為0.36；衛星通信的歸一化值為0.8，得出效能值為0.32；浮標通信的歸一化值為1，因此其效能值為0.4。因此，浮標通信抗毀能力最強，其次為艇載數據鏈，再次為衛星通信，而甚低頻通信的抗毀性相對最弱；保密性的權重占可靠性指標的權值為0.3，甚低頻通信的歸一化值為0.9，其效能值為0.27；艇載數據鏈的歸一化值為0.7，得出效能值為0.21；衛星通信和浮標通信的歸一化值均為0.8，因此效能值均為0.24。由此可知，甚低頻通信保密性最強，信息最安全，其次為衛星通信和浮標通信，艇載數據鏈通信的保密性相對前3種通信手段較弱。

3.2 戰術效能分析

由于潛艇通信系統應用環境的特殊性，對隱蔽性和機動性有特殊的要求和標準。

1）隱蔽性

潛艇通信時保持隱蔽性至關重要，最主要是潛艇在非安全深度的停留時間長短，隱蔽性衡量指標包括通信深度、通信上浮次數、上浮停留時間。甚低頻通信、艇載數據鏈通信、衛星通信、浮標通信的隱蔽性效能如圖4所示。

圖4 4種通信手段的隱蔽性效能圖Fig. 4 Hidden efficiency diagram of four communication means

1）通信深度

通信深度的權重占隱蔽性指標的權值為0.5，甚低頻通信和艇載數據鏈通信的歸一化值均為0.7，效能值為0.35，潛艇深度為水下約50 m，艇載數據鏈可用于潛望或水面狀態，較好滿足通信深度需求；衛星通信的歸一化值為0.1，因此其效能值為0.05，僅可用于潛望或水面狀態，難以滿足潛艇水下作戰的通信深度需求；浮標通信的歸一化值為1，效能值均為0.5，其中，運用浮標手段進行對潛通信時，可滿足大深度通信需求。

2）通信上浮次數

通信上浮次數的權重占隱蔽性指標的權值為0.25，甚低頻通信的歸一化值為1，其效能值為0.25；艇載數據鏈的歸一化值為0.5，得出效能值為0.125；衛星通信歸一化值為0.5，得出效能值為0.125；浮標通信的的歸一化值為1，因此效能值為0.25。因此，甚低頻通信和浮標通信的通信上浮次數比較多，潛艇通信時的隱蔽性貢獻較小，衛星通信和艇載數據鏈通信的通信上浮次數對潛艇隱蔽性的發揮有利。

3）上浮停留時間

依據指標效能值，通信上浮次數的權重占隱蔽性指標的權值為0.25，甚低頻通信的歸一化值為1，因此效能值為0.25；艇載數據鏈的歸一化值為0.8，得出效能值為0.2，停留時間較短；衛星通信的歸一化值為0.4，效能值為0.1，停留時間較長；浮標通信的歸一化值為1，計算出效能值為0.25。其中，數據鏈通信的停留時間較短，其次是甚低頻通信和浮標通信，衛星通信的上浮停留的時間相對較長，不利于潛艇隱蔽特性的發揮。

2）機動性

潛艇在水下通信時往往航速和航向都受到限制，制約了潛艇機動性能的發揮，機動性衡量指標包括航向受限性和航速受限性。甚低頻通信、艇載數據鏈通信、衛星通信、浮標通信的機動性效能如圖5所示。

圖5 4種通信手段的機動性效能圖Fig. 5 Maneuverability efficiency diagram of four communication means

1）航向受限性

依據指標效能值，航向受限性的權重占機動性指標的權值為0.5，甚低頻通信的歸一化值為0.7，因此得出其效能值為0.35；艇載數據鏈的歸一化值為1，得出效能值為0.5，停留時間較短；衛星通信的歸一化值為1，得出效能值為0.5，停留時間較長；浮標通信的歸一化值為1，得出效能值為0.5。

2）航速受限性

依據指標效能值，航速受限性的權重占機動性指標的權值為0.5，甚低頻通信的歸一化值為0.6，因此其效能值為0.3；艇載數據鏈的歸一化值為0.8，得出效能值為0.4；衛星通信的歸一化值為0.6，因此效能值為0.3；浮標通信的歸一化值為0.8，得出其效能值為0.4。其中，艇載數據鏈通信和浮標通信最大航速在對潛通信中的機動性較好，甚低頻通信和衛星通信最大航速相對較大，但是機動性相比前2種通信手段則較差。

3.3 總體效能分析

如圖6所示，浮標通信的總體通信總效能值最高為0.88，其突出優勢在于其通信的及時性好，可靠性及有效性較好，機動性強，主要問題是隱蔽性差；衛星通信的總效能值為0.67，通信的及時性好，有效性和可靠性都較高，機動性較強，缺陷是隱蔽性差，通信深度不符合潛艇隱蔽要求、停留時間長、有尾流，易暴露潛艇行蹤；甚低頻通信的總效能值為0.66，其隱蔽性很強，但是通信的及時性和有效性相對不足，機動性受限，主要問題是通信速率偏低、航向和航速受限；艇載數據鏈通信的總效能值為0.65，其機動性和隱蔽性較強，及時性和可靠性一般，通信有效性偏低，主要問題是通信速率偏低、高誤碼率和低抗干擾性。

圖6 4種通信手段的通信效能圖Fig. 6 Communication efficiency diagram of four communication means

4 結 語

綜上仿真分析結果可知，一種通信手段如果在某些方面具有優勢，在其他方面則呈現較明顯劣勢。任何一種通信手段都無法同時滿足對潛通信系統中對有效性、覆蓋范圍、隱蔽性等多方面的要求，這主要是由潛艇特殊的作戰使用環境和戰法決定的[18]。因此，為保障現代信息化海戰場中對潛艇的通信保障能力，除提高傳統對潛通信手段的抗干擾、抗截獲、抗摧毀能力，發展更加穩定可靠的對潛通信系統；還應采用先進技術，提高潛艇通信的對抗能力和發信的隱蔽性；開發藍綠激光，實現隱蔽、可靠、高數據率的對潛通信技術手段等以提高對潛通信系統的整體作戰和通信效能。