劉翠海,王文清

(海軍潛艇學(xué)院,山東 青島 266071)

1 引 言

眾所周知,由于海水會急速衰減可視光線和電磁波能量,因此潛艇在水下潛航時很難被雷達等電磁探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)。這也是潛艇隱蔽性、非脆弱性的根本保證,但反過來說,和水下潛艇進行通信也會變得非常困難[1]。

潛艇通信是隨著科技進步和潛艇活動方式的變化而發(fā)展起來的。早期潛艇為人力驅(qū)動,航程短,任務(wù)單純,除艇長對外望外,對外聯(lián)絡(luò)很少;20世紀(jì)以前的潛艇發(fā)展史上,潛艇僅靠簡易的視覺通信手段對外進行近距離通信,尚無遠距離通信手段。20世紀(jì)初期,隨著無線電通信在海軍的應(yīng)用,潛艇裝備了無線電通信設(shè)備,建立了岸與潛之間的遠距離通信系統(tǒng)。由于當(dāng)時潛艇以水上活動為主,潛艇通信與水面艦艇通信一樣,以短波雙向通信為主。第二次世界大戰(zhàn)期間,由于軍用飛機和雷達觀察設(shè)備用于反潛搜索,迫使?jié)撏мD(zhuǎn)入以水下活動為主,岸對潛通信遂改用長波單向、定時發(fā)信方式,短波通信降為輔助通信手段。在此期間,世界各主要國家海軍都建立了多座甚長波發(fā)信臺,如美國、俄羅斯等軍事發(fā)達國家均建有多座大、中型甚長波發(fā)信臺,其中美國的長波發(fā)信臺遍布了歐洲、亞洲和本土等地,構(gòu)成了全球?qū)撏ㄐ啪W(wǎng)。

20世紀(jì)50年代初期,出現(xiàn)了戰(zhàn)略彈道導(dǎo)彈核潛艇。隨著海洋監(jiān)視衛(wèi)星和遙感技術(shù)等反潛技術(shù)的發(fā)展,戰(zhàn)略導(dǎo)彈潛艇的活動深度愈加增大,甚長波已滿足不了大深度通信要求。為解決深海通信問題,20世紀(jì)50年代末科學(xué)家們開始研究超長波通信,并于20世紀(jì)70年代投入實用化使用。

20世紀(jì)70年代以后,隨著衛(wèi)星通信的發(fā)展以及其具有的通信范圍大、傳輸速率高和通信效果好等優(yōu)點,潛艇開始裝備衛(wèi)星通信設(shè)備。此外,為了解決高速率、大深度對潛通信,美國等軍事發(fā)達國家還開展了藍綠激光對潛通信和中微子對潛通信的試驗和探索性研究。雖然,目前這兩種對潛通信手段距實際應(yīng)用還有一定的距離,但是,人們還在進行各種不懈的努力解決潛艇通信存在的難題。

本文從潛艇通信的發(fā)展歷史入手,根據(jù)近年來潛艇通信的技術(shù)發(fā)展和發(fā)表的各種相關(guān)文獻綜述了潛艇水下隱蔽通信技術(shù)、潛艇通信系統(tǒng)的頑存技術(shù)和低截獲通信技術(shù)等內(nèi)容,并在最后對該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢和前沿的熱點問題進行了展望。

2 水下對潛通信技術(shù)

潛艇水下通信是一種最為隱蔽的通信方式,現(xiàn)在還主要是水下接收通信。對于電磁波而言,由于海水屬半導(dǎo)電介質(zhì),其對電磁波的衰減是很大的,而且頻率越高,衰減越大。電波穿透海水的深度與波長成正比,與頻率成反比,例如采用頻率為1 Hz的無線電信號,若海水電導(dǎo)率為4 Ψ/m,則該信號穿透海水的深度大約250 m[2,3,9]。因此,人們很自然地想到利用超低頻、甚至極低頻來實現(xiàn)對水下潛艇進行通信。

2.1 超/極低頻對潛通信

超/極低頻通信技術(shù)是利用無線電頻譜中的超/極低頻譜段(3 Hz～3kHz)對潛航在安全深度的潛艇實現(xiàn)岸潛通信的技術(shù)。超/極低頻信號在海水中的衰減遠比世界各國對潛通信最常使用的甚低頻系統(tǒng)低得多,它在海水中的衰減約為0.3dB/m,比甚低頻頻段在海水中的衰減降低了一個數(shù)量級,因此,它穿透海水的深度足以達到潛艇潛航的安全深度。此外,超/極低頻信號對不可靠的傳播條件不敏感,傳播穩(wěn)定可靠,受電離層擾動干擾小[2,3,9]。

從甚低頻、超/極低頻對潛通信系統(tǒng)的發(fā)展看,存在兩大趨勢:一是向極低頻方向發(fā)展,在這個方向研究高效發(fā)射天線、耦合裝置和全固態(tài)大功率低頻放大技術(shù)是問題的關(guān)鍵,近年來對超導(dǎo)天線和超導(dǎo)耦合裝置的研究是這一方向發(fā)展的一個熱點;另一個趨勢是發(fā)展頑存機動發(fā)射平臺,如機載、車載、艦載甚低頻通信系統(tǒng),在這個方向研究高效電源、小尺寸高效天線是發(fā)展的關(guān)鍵。表1列出了不同的岸基對潛長波通信系統(tǒng)的性能比較。

表1 不同岸基對潛長波通信系統(tǒng)性能比較Table 1 Performance comparison of various shore-based long wave communication system for submarine

分析表1可以看出,雖然超/極低頻通信可以穿透一定深度的海水,但是,它們都有一個共同的缺點就是體積龐大,特別是天線系統(tǒng),很難采取隱蔽措施,巨大的設(shè)施很容易受到敵人的攻擊。此外,信息傳輸速率較低,很難滿足對潛實時指揮的要求。為了解決以上矛盾,早在20世紀(jì)70～80年代,美國等國家就把目光轉(zhuǎn)向了激光通信方面。

2.2 藍綠激光對潛通信技術(shù)[4-5]

自激光問世以后,由于其在海水中具有一定的穿透能力,且方向性好,不易受到干擾,20世紀(jì)60年代科學(xué)家就開始了激光探潛的研究,70年代后期有人提出了使用藍綠激光用于潛艇通信的設(shè)想。

當(dāng)光線透過海水時,不同波長的光其衰減也不同。圖1給出了不同波長的光波通過海水的衰減情況。從圖中可以看出,在0.47～0.54μm波長上存在著一個衰減最小的窗口,這個波長范圍內(nèi)的光即是藍綠光。

圖1 海水衰減系數(shù)隨光波波長的變化曲線Fig.1 Variation curves of seawater attenuation coefficient with different beam wavelength

理論和實驗證明,藍綠激光最大穿透海水深度可達600 m,工作頻率高(1012～1014Hz),通信頻帶寬,數(shù)據(jù)傳輸能力強,可傳輸數(shù)據(jù)、語音和圖像信號;波束寬度窄,方向性好;設(shè)備輕小,抗截獲、抗干擾、抗毀能力強;不易受電磁以及核輻射的影響。

利用藍綠激光進行對潛通信,潛艇完全可以在工作深度或更深的海水中接收報文,有效地保證了潛艇的隱蔽性和機動性,可在不損失潛艇隱蔽性的情況下做到實時、保密的可靠通信,提高了對潛艇指揮和控制的頑存力和效能,更好地適應(yīng)了未來信息化條件下高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的需要。

藍綠激光對潛通信系統(tǒng)由光發(fā)射機、光接收機及信號檢測與處理系統(tǒng)、其它輔助系統(tǒng)等組成。發(fā)射端先將要發(fā)送的信號內(nèi)容按一定規(guī)律進行編碼、加密,變換成數(shù)字化的電脈沖信號,然后以此電信號調(diào)制激光載波,使得激光器發(fā)射的激光參數(shù)(如光強、頻率等)隨信號的變化而變化。光發(fā)射機將信號發(fā)向潛艇所在海域。安裝在潛艇上的光接收機收到這一激光信號后,用透鏡系統(tǒng)對激光進行聚焦、濾波,然后送到光電檢測器,經(jīng)信號檢測與處理系統(tǒng)還原成電信號,再經(jīng)過低噪聲放大、脈沖整形等手段恢復(fù)原來的編碼信號,并解密還原出原來的信息內(nèi)容。

2.3 中微子對潛通信技術(shù)[6]

中微子是原子核內(nèi)的質(zhì)子或中子發(fā)生衰變時的產(chǎn)物,是一種體積極小且穩(wěn)定的中性粒子,它比電子的質(zhì)量還要小近10個數(shù)量級,大量存在于陽光、宇宙射線、地球大氣層的撞擊以及巖石中。中微子的最顯著特性是能夠沿直線傳播,而且在傳播過程中不發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象,幾乎不產(chǎn)生傳播衰減。于是科學(xué)家利用這一特性嘗試采用中微子束進行通信。實驗證明,中微子聚集運動的粒子束具有兩個特點:一是它只參與原子核衰變時的弱相互作用力,卻不參與重力、電磁力以及質(zhì)子和中子結(jié)合的強相互作用力,因此,它可以直線高速運動,方向性極強;二是中微子束在水中穿越時,會產(chǎn)生光電效應(yīng),發(fā)出微弱的藍色閃光,且衰減極小。

近年來,中微子的研究取得了很大進展,尤其是對中微子探測器和中微子振蕩實驗的大量研究,為中微子對潛通信提供了理論基礎(chǔ)。采用中微子束通信,可以確保點對點的通信,它方向性好,保密性極強,不受電磁波的干擾,衰減極小。據(jù)測定,用高能加速器產(chǎn)生高能中微子束,穿透整個地球后,衰減不足千分之一,可使?jié)撏г谏詈：Ｓ蛉我馍疃忍庍M行實時不間斷收信。

然而,國際上對中微子的研究目前還處于初步階段,中微子在對潛通信方面的應(yīng)用尚存在重大技術(shù)難題需要突破,其中中微子檢測困難是最為突出的問題。此外,發(fā)射端加速器體積龐大,造價高昂,所需發(fā)射的中微子數(shù)目驚人,現(xiàn)有質(zhì)子同步加速器遠遠不能滿足要求,控制中微子發(fā)射方向的偏轉(zhuǎn)器體積較大,這些都是妨礙中微子技術(shù)應(yīng)用于對潛通信的困難所在。

3 潛艇通信系統(tǒng)的頑存技術(shù)

超低頻、甚低頻等陸基對潛通信系統(tǒng)的規(guī)模都比較龐大,其發(fā)射機輸出功率小者十幾千瓦,大者數(shù)兆瓦,天線高度多在200 m以上,天線場地占地面積一般為數(shù)平方千米。其天線系統(tǒng)抗毀能力較差,在戰(zhàn)時是敵方首選的重點打擊目標(biāo)。當(dāng)受到敵方遠程精確制導(dǎo)武器的炮火攻擊時,這種大規(guī)模發(fā)射臺站及發(fā)射天線極易被摧毀,且在短時期內(nèi)極難恢復(fù)重建,從而中斷岸基指揮所對潛艇兵力的指揮通信聯(lián)絡(luò)。為緩解這一矛盾,美、俄等軍事發(fā)達國家建立了頑存性較強的對潛機動發(fā)射臺。機動發(fā)射臺一般包括車載、機載和星載等機動平臺。

海軍機動對潛應(yīng)急通信應(yīng)是多手段、網(wǎng)絡(luò)化的格局,多種通信手段并存是保障可靠通信的基礎(chǔ)。而機載、車載甚低頻通信系統(tǒng)以及機動超低頻通信系統(tǒng)就是提供這種具有頑存性能的應(yīng)急對潛通信能力的較好選擇。當(dāng)陸基固定甚低頻、超低頻發(fā)信臺被摧毀時,則能保證任何時候機載甚低頻通信系統(tǒng)投入巡航工作狀態(tài),車載甚低頻通信系統(tǒng)也可在任何時候投入使用,隨時向潛艇轉(zhuǎn)發(fā)報文。多種機動對潛應(yīng)急通信手段的運用,可有效提高岸基對潛通信系統(tǒng)的抗毀性與頑存性。這種機動對潛應(yīng)急通信不但具有較強的生存能力,也是大功率岸基對潛發(fā)信臺站的有效補充,也將會提高對潛通信體系在戰(zhàn)時的總體作戰(zhàn)能力。

3.1 機載甚低頻對潛通信技術(shù)[7,9]

機載甚低頻對潛通信系統(tǒng)的主要任務(wù)是接收岸上指揮部的電文,然后以甚低頻方式向潛艇中繼關(guān)鍵的作戰(zhàn)電文,其關(guān)鍵是依靠甚低頻雙拖曳天線發(fā)射信號。

機載甚低頻發(fā)射天線系統(tǒng)的雙拖曳天線由一條短天線和一條長天線共同組成。短天線直接與天線發(fā)射機的功率放大器的輸出端相連,長天線與飛機的機身相連,兩條天線的總長度是波長的一半。發(fā)射機功率為200 kW,為雙拖曳天線提供饋源。為了有效地輻射甚低頻信號,要求發(fā)射天線的極化方式為垂直極化,因此應(yīng)盡量使長天線保持較大的垂度,約為70%,為此,飛機應(yīng)作圓周飛行,天線末端接適當(dāng)?shù)闹匚?使天線下部穩(wěn)定下垂;為了使短天線不與長天線平行,在其末端也接有一穩(wěn)定物體,使天線在拖曳力作用下接近水平,其垂度約為20%,并近似呈直線且與飛行圓軌道相切。

3.2 星載甚低頻對潛通信技術(shù)[9]

由于航天技術(shù)的長足發(fā)展,人們設(shè)想在衛(wèi)星上發(fā)射甚低頻無線電信號以期實現(xiàn)對潛艇的通信與導(dǎo)航。近年來,美國、意大利和俄羅斯等國就“星載的甚低頻發(fā)射與傳播”進行了大量試驗。目前國外進行的星載甚低頻發(fā)射與傳播試驗所采用的發(fā)射系統(tǒng)大致有兩種,美國和意大利等國采用細長天線用于發(fā)射甚低頻信號,俄羅斯采用的則是環(huán)天線。

1959年,美國宇航局(NASA)開始實施Loft-1衛(wèi)星甚低頻對潛通信試驗,通過試驗證明了現(xiàn)在統(tǒng)稱的非導(dǎo)管哨聲傳播模式。后經(jīng)過數(shù)十年的努力,將甚低頻無線電信號用于下行衛(wèi)星通信方面取得了巨大進展。1993年4月,NASA和意大利空間機構(gòu)(ASI)合作在“亞特蘭大號”航天飛機上成功地發(fā)射試驗系留衛(wèi)星系統(tǒng)。該裝置包括一根10～100km長的尼龍繩和23 kg的負載。系繩的一端連接在航天飛機上,其方向沿著地球重力場的梯度方向即垂直方向,整個系繩和負載在航天飛機下部像一個鐘擺一樣擺動?；诖隧椉夹g(shù)的發(fā)展,后提出了一種新的設(shè)想,即在衛(wèi)星上加裝10km長的細長發(fā)射天線用于發(fā)射甚低頻波(工作頻率擬為9kHz)。1996年,NASA和ASI再次合作在“亞特蘭大號”航天飛機上發(fā)射上述設(shè)想的系留衛(wèi)星。不過遺憾的是,在天線展開過程中失敗了。

俄羅斯亦投巨資對此項研究進行了試驗,不過其甚低頻發(fā)射裝置是一種金屬環(huán)天線。早在1987年,前蘇聯(lián)在“進步-28號”空間站成功地發(fā)射了兩副直徑20 m的甚低頻環(huán)天線,用于發(fā)射甚低頻波(電流80 A,工作頻率為5kHz),從試驗結(jié)果來看,在空間不同的距離和方向上收測到了其信號場強。此項試驗的成功極大地促進了此項研究的深入。俄羅斯還計劃進行在空間站展開直徑300 m的大環(huán)天線用于發(fā)射甚低頻波的試驗。此項試驗若取得滿意的結(jié)果,將對星載的甚低頻發(fā)射與傳播研究有著重要的意義。

從美國和俄羅斯等國己成功的試驗表明,低軌衛(wèi)星上發(fā)射甚低頻波在電離層中能有效地傳播到很遠的距離。但甚低頻波能否穿透電離層到達地面,并能穿透海水一定的深度,為水下潛艇所接收這一論斷尚需以后的試驗結(jié)果驗證。若此類試驗取得成功,極有可能發(fā)展成為對潛通信與導(dǎo)航的新手段。

4 潛艇通信的低截獲技術(shù)

4.1 潛艇低截獲通信技術(shù)研究現(xiàn)狀[8,10]

近年來,隨著反潛技術(shù)的發(fā)展,特別是對潛艇無線電信號偵測能力的增強,已構(gòu)成了以岸基、艦載、機載、星載偵察平臺組成的立體化無線電偵測體系,潛艇通信造成的電磁暴露已成為影響潛艇隱蔽性的最主要的因素之一。為了提高潛艇隱蔽通信的能力和改善短波通信的傳輸性能,國內(nèi)外研究機構(gòu)在短波通信中的猝發(fā)、跳頻、直接序列擴頻和多載波調(diào)制等方面開展了大量的研究。

法國研制出的TRC-3500電臺采用了先進的SKYHOPPER自適應(yīng)跳頻系統(tǒng),通過自適應(yīng)選頻和跳頻方案自適應(yīng),提高系統(tǒng)的抗截獲和抗干擾性能。而美國在1995年研制出高速相關(guān)跳頻增強型電臺CHESS,其跳速高達5000 hop/s,跳頻帶寬為2.56MHz,通過提高跳速和采用先進的處理技術(shù)提高系統(tǒng)的抗截獲和抗干擾性能。一般跳頻系統(tǒng)的發(fā)射功率相對較大,信號隱蔽性不高,為了進一步提高信號的隱蔽性,提高短波信息傳輸?shù)目煽啃?美國SICOM公司研制出的具有低截獲和低檢測概率的直接序列擴頻電臺,其擴頻帶寬為1.5MHz。通過采用直接序列擴頻,降低短波通信發(fā)射功率,展寬短波通信發(fā)射信號功率譜密度,降低短波信號的截獲概率,接收端利用直接序列解擴所獲得的擴頻處理增益,提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

為了進一步提高傳輸?shù)目煽啃?美國的Harris公司、通用航天航空防務(wù)公司,法國的Thomson公司和德國的Daimler-Chrysler航空航天部門在20世紀(jì)末開始研究將正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)用于短波通信,并在短波通信中已經(jīng)開展多載波傳輸技術(shù)的實驗測試。

此外,現(xiàn)代潛艇對岸基通信主要應(yīng)用中高頻猝發(fā)通信,世界各國都在使用和研制猝發(fā)通信。目前,猝發(fā)通信速度可達每秒數(shù)千比特,完成一次通信時間僅0.08 s。大多數(shù)潛艇還可以利用通信浮標(biāo)進行通信,利用浮標(biāo)可進行潛對岸、潛對潛通信,而不暴露潛艇位置。如美“洛杉磯”級攻擊型核潛艇上就裝有AN/BRT-1、AN/BRT-2、AN/CRC-1 等一次性無線電浮標(biāo),可保障潛艇上的升降裝置在不伸出艇外的情況下向水面艦艇或飛機發(fā)送超短波信息。另外,還裝有AN/BRT-6超短波無線電浮標(biāo),用于將記錄在磁載體上的信息直接發(fā)往衛(wèi)星通信系統(tǒng)。當(dāng)與飛機及附近海域水面艦艇進行雙向話音通信時,可利用一次性的AN/BRC-6(又稱XSAT)無線電浮標(biāo)。預(yù)計幾年內(nèi)將有一種通信時間更長的OUTPOST電子浮標(biāo)取代AN/BRC-6,以保障雙向通信。應(yīng)該特別指出的是,各國海軍在改進和完善潛艇通信系統(tǒng)的同時,更加重視潛艇與其它兵力(包括潛艇、水面艦艇和飛機)的協(xié)同作戰(zhàn),因此潛艇對岸基和對艦通信也越來越重視快速、高效、安全和隱蔽。

4.2 潛艇低截獲通信技術(shù)發(fā)展趨勢

總體來看,目前潛艇通信低截獲技術(shù)主要在朝以下幾個方向發(fā)展:

一是提高數(shù)據(jù)傳輸速率,主要通過改變調(diào)制解調(diào)器體制以及糾錯編碼技術(shù)提高數(shù)據(jù)傳輸速率,從而縮短有限信息的傳輸時間,減少信號空中暴露時間;

二是縮短同步頭的時間,采用更為有效的同步算法實現(xiàn)信號的瞬間快速同步,從而縮短同步頭的時間,進而縮短信號的暴露時間;

三是降低信號的捕獲概率(即被偵收的概率),通過降低信號的功率譜密度(例如擴頻)或改變發(fā)信頻率(例如跳頻)來降低信號被偵收的概率;

四是提高報文接收的可靠性和實時性,通過著實有效的信號處理技術(shù)和報文處理技術(shù)來提高報文接收的可靠性和實時性;

五是大力發(fā)展毫米波頻段的衛(wèi)星通信等定向通信方式。

5 結(jié)束語

潛艇面臨的主要威脅來自具有強大搜潛、反潛能力的水面編隊?wèi)?zhàn)斗群、低于海洋背景噪聲的極安靜的攻擊型潛艇、具有快速搜潛、攻潛能力的反潛機和反潛直升機;直接的威脅主要來自各種反潛魚雷。根據(jù)未來網(wǎng)絡(luò)化作戰(zhàn)的要求,潛艇除完成傳統(tǒng)的中近程反艦、反潛、戰(zhàn)略核反擊任務(wù)外,還要對海、對岸實施遠程精確打擊,完成有限的潛潛、潛艦、潛機協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù),并具有一定的對空防御能力和較強的水下防御能力,這就對下一代潛艇通信系統(tǒng)提出了更高的要求。特別是以信息技術(shù)為核心的高新技術(shù)迅猛發(fā)展及在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,有力地促進了世界新軍事變革的發(fā)展。隨著信息化作戰(zhàn)步伐的加快,潛艇指揮與控制系統(tǒng)也隨之加快了信息化的步伐,潛艇作戰(zhàn)指揮過程中的信息傳遞也已從傳遞簡單的作戰(zhàn)命令和作戰(zhàn)情報向傳遞綜合戰(zhàn)場態(tài)勢、實時戰(zhàn)術(shù)情報和戰(zhàn)場監(jiān)視信息的多功能綜合業(yè)務(wù)發(fā)展?？梢灶A(yù)言,在不久的將來,圍繞海洋的各種通信技術(shù)會層出不窮,水下通信一定可以達到一個新的高度。

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