譚亞輝

摘 要：無線通信技術(shù)應(yīng)用于水下環(huán)境將會(huì)是一個(gè)不在新穎的課題，但對(duì)其研究卻有重要意義。目前，水下通信主要應(yīng)用于軍事，地下等，在軍用中有岸對(duì)潛通信、潛對(duì)潛通信、水下傳感器網(wǎng)絡(luò)和水下遙感機(jī)器人等有著重要的應(yīng)用。而水下無線傳輸?shù)膫鬏斔俾适艿剿橘|(zhì)的影響，對(duì)其發(fā)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(huán)境和介質(zhì)環(huán)境的影響較小，衰減慢，可以使通信距離達(dá)到很遠(yuǎn)，且通信穩(wěn)定。因此將甚長波作為水下無線傳輸?shù)妮d波是一個(gè)新的技術(shù)，將會(huì)在水下通信起到重要的作用。

關(guān)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(yùn)用無線方式將數(shù)據(jù)、語言文字、圖像、指令信息等重要信息進(jìn)行準(zhǔn)確的傳遞，其應(yīng)用主要是在淡水和海水中。在陸地和天空通信，人類已經(jīng)將技術(shù)發(fā)展到相當(dāng)高的地步，能夠?qū)崿F(xiàn)自由的通信和交流，但在水中，以同樣的技術(shù)則無法實(shí)現(xiàn)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?shù)拿浇?，將重要的信息傳輸?shù)搅硪粋€(gè)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?zhèn)鞑?，其波長很長，受到地形地物等影響小，衰減慢，通信距離遠(yuǎn)，通信很穩(wěn)定。因此，將甚長波波段的電磁波應(yīng)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(huán)境所帶來的諸多問題，有利于軍事等行業(yè)的發(fā)展和應(yīng)用。

一、水下無線通信技術(shù)發(fā)展現(xiàn)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(diǎn)波長很長，衍射能力強(qiáng)、通信距離遠(yuǎn)；能穿過電離層繞過空間星體，其透入海水能力較強(qiáng)，在地下傳播時(shí)吸收損耗也較小，且不受核爆炸、太陽活動(dòng)等外界的影響。在冷戰(zhàn)時(shí)期，美蘇對(duì)峙，使世界各個(gè)國家對(duì)于海軍核潛艇的戰(zhàn)略的地位進(jìn)行了新的審視，其中對(duì)潛通信的“隱蔽、實(shí)時(shí)、完備、穩(wěn)定”的需求越來越緊迫。隨著美蘇制衡的加劇以及科學(xué)的不斷發(fā)展，美蘇不斷使用新的潛艇通信技術(shù)，如甚低頻和超低頻的研發(fā)與建設(shè)，使其發(fā)展成為對(duì)潛通信技術(shù)最基本的通信技術(shù)手段。根據(jù)長波的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)水下穩(wěn)定、安全的通信要求，而且隱蔽性好。同時(shí)甚長波受到晝夜、季節(jié)、氣候、電離層等影響較小，又不會(huì)受核爆炸影響，因此傳輸?shù)男盘?hào)穩(wěn)定可靠。當(dāng)然，甚長波的頻帶很窄、傳輸速率極低，那么一般只能用于發(fā)送短報(bào)文或通知收?qǐng)?bào)用的“振鈴”，限制其發(fā)展。同時(shí)發(fā)射信息設(shè)備龐大，潛艇只能在約定時(shí)間進(jìn)行單向收信，因此實(shí)時(shí)通信較差。

二、長波通信技術(shù)在無人水下航行器上的應(yīng)用方式

1、長波通信與衛(wèi)星通信相結(jié)合

該方案依據(jù)甚長波的傳輸距離遠(yuǎn)和透入海水能力強(qiáng)的特點(diǎn)，來實(shí)現(xiàn)岸臺(tái)與水下的無人潛航器的實(shí)時(shí)通信。但因?yàn)殚L波通信系統(tǒng)的信息傳輸速率較低，難以實(shí)現(xiàn)高速的實(shí)時(shí)通信。因此，只能將長波信號(hào)作為振鈴的功用，岸臺(tái)通過長波信號(hào)呼叫水下潛航器浮出水面，再通過通信衛(wèi)星與其進(jìn)行通信。

該方案是通過間接的方式實(shí)現(xiàn)岸臺(tái)與無人潛航器間的不間斷通信，雖然岸臺(tái)可以隨時(shí)向無人潛航器發(fā)送和接受命令，不需要按照原有的約定時(shí)間，定時(shí)上浮至水面，這樣可以節(jié)省大量燃料和資源，降低了一定的風(fēng)險(xiǎn)性。但該方案仍然有不足之處，如衛(wèi)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(shí)存在暴露自身目標(biāo)的可能。

2、長波通信與短波通信相結(jié)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(tái)經(jīng)通信，這就解決了衛(wèi)星通信抗毀性差的問題。雖然可以同短波通信代替衛(wèi)星通信，但是仍存在隱蔽性不佳的問題。

3、長波通信獨(dú)立工作

在上述方案中都是間接的方式來實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸，那么可將長波信號(hào)作為與無人潛航器間的通信信號(hào)，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(jìn)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(yōu)點(diǎn)

甚長波通信是指利用其波段的電磁波為媒介進(jìn)行傳輸，將信息從水下傳輸?shù)搅硪粋€(gè)地方的方式，其波的頻率范圍是 30 ～3 000 kHz。發(fā)送甚長波的發(fā)信機(jī)的輸出功率可以大到達(dá)數(shù)兆瓦，發(fā)射天線的高度也要在200米以上，發(fā)射系統(tǒng)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(bào)、移頻報(bào)等多種方式調(diào)制，但采用相位連續(xù)的移頻鍵控，其中最小移頻鍵控會(huì)使頻域上能量集中、頻帶利用率高、抗噪聲性能好等優(yōu)點(diǎn)。。

1.通信頻率利用率高

通過采用相位連續(xù)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(qiáng)

通過采用擴(kuò)頻技術(shù)可以將淹沒在噪聲中的信息解讀出來，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的通信過程，同時(shí)不會(huì)受到水質(zhì)優(yōu)劣和海浪等因素的影響，這樣不會(huì)被水吸收衰減，優(yōu)于一般的水下通信。

3.傳輸速度快，傳輸時(shí)延小

發(fā)射信號(hào)機(jī)在水下可采用密封方式，數(shù)據(jù)通過傳輸線傳到發(fā)射機(jī)發(fā)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(shù)高，對(duì)水中的環(huán)境無影響。

四、水下長波通信技術(shù)面臨的問題

目前，甚低頻、超低頻、極低頻通信以及正在發(fā)展的中長波的通信，都是同過電磁波的方式進(jìn)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(yīng)，會(huì)使得無線電磁波在海水傳輸過程中受到嚴(yán)重的影響。因此，當(dāng)前要解決的技術(shù)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(duì)水下幾百米的深度進(jìn)行通信。因此解決通信深度還需研究。二是發(fā)射的設(shè)備較大，占地面積廣，耗資巨大，需要能量多，性價(jià)比不足。三是通信數(shù)據(jù)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(shí)現(xiàn)真正的應(yīng)用。四是系統(tǒng)體積龐大，不利于隱藏，尤其是天線系統(tǒng)易受敵人活力打擊。

結(jié)語

長波通信在水下的應(yīng)用具有一定的研究意義，具有巨大的潛力，依據(jù)其特點(diǎn)足以說明這項(xiàng)技術(shù)在水下應(yīng)用的重要性。本文討論了將長波通信技術(shù)應(yīng)用于水下無人的通信方式，分析了長波通信技術(shù)在水下應(yīng)用的不足以及相應(yīng)的特點(diǎn)，同時(shí)，還指出其系統(tǒng)應(yīng)研究的方向。尤其是系統(tǒng)設(shè)備的問題，更應(yīng)努力去改善，以便其發(fā)揮真正的功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]張豐偉. 水下無線中長波通信機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 大連理工大學(xué)， 2013.

[2]趙蓉， 蔡果佑. 中長波水下無線通信機(jī)的設(shè)計(jì)與研究[J]. 中國新通信， 2016， 18（14）：83-83.

[3]丁天成. 無人水下航行器推進(jìn)系統(tǒng)總線通信技術(shù)研究[D]. 2017.