潜艇水下巡航状态通信（CSD）相关技术发展综述❋

温东❋❋，杨晓舟，刘翠海

（海军潜艇学院，山东青岛266042）

潜艇水下巡航状态通信（CSD）相关技术发展综述❋

温东❋❋，杨晓舟，刘翠海

（海军潜艇学院，山东青岛266042）

虽然潜艇水下巡航状态通信（CSD）从概念的提出至今已近30年，但其依然是现代和未来潜艇通信技术发展的重要方向。介绍了CSD概念的定义，较为深度地研究了潜艇水下巡航状态通信发展的军事需求背景；归纳了迎合潜艇水下巡航状态通信需求的三大类技术，并对它们的军事应用前景进行了探讨；对现代潜艇水下巡航状态通信技术发展现状以及未来发展趋势进行了分析。这些工作对于推动国内相关领域技术的发展有着重要意义。

水下巡航状态通信；潜艇通信技术；发展与现状

1 引言

潜艇通信作为一种兵种通信在军事通信领域中具有极其特殊的地位，这种特殊性体现在潜艇通信的特殊需求、特殊频段、特殊技术和特殊装备等。在军事通信中普遍应用的许多无线电通信手段并不能直接满足现代潜艇作战的需求，而迎合潜艇作战需求相关通信技术也随着潜艇战和反潜战的作战样式变化而不断发展。

冷战结束后，以美国为首的西方军事发达国重新审视了潜艇作战的任务变化和相关技术需求，针对潜艇通信技术和装备的发展，提出了更加适应于现代潜艇作战的潜艇通信发展需求［1］，如何满足潜艇CSD（Communication at Speed and Depth）需求是现代潜艇通信优先发展方向之一。近些年，围绕着CSD需求相关技术和装备发展已成为潜艇通信技术发展中的热点领域之一［2］。

本文将从CSD概念的形成、对潜艇作战的影响，以及CSD相关技术的发展和趋势等几个方面进行综合论述。

2 CSD概念的形成及军事需求背景

从概念上看，CSD实质是对现代潜艇通信能力或者是军事需求的一种描述，国内一些文献意译为“大深度、高航速通信”、“深海快速通信”或直译为“一定航速和深度下的通信”。当然对于多数情况，这一概念的提出是为了解决潜艇高航速、大深度条件下的通信问题，但有些特殊情况下也需要满足潜艇在浅海作战时的通信问题，如美国发展的超低频艇壳天线（ELF on-hull Antennas）就是解决浅海作战时潜艇超低频通信收信问题［3］。因此，本文还是将CSD意译为“保持巡航航速和深度状态下通信”，简称为“水下巡航状态通信”。因此，CSD实质是一种能更广泛适应于潜艇不同巡航深度和速度，特别是在潜艇高航速、大深度条件下，不需要改变潜艇战术机动状态（航速和深度），对潜艇当前作战行动干扰小，兼顾潜艇机动性、隐蔽性和实时性的不间断通信能力。

美苏冷战早期，潜艇通信基本需求之一就是应具备大深度通信能力，这种早期潜艇通信发展需求一直被认为是符合潜艇隐蔽性和安全性的必然需要。从潜艇通信技术发展历史看，这一需求在一定程度上推动了超低频通信和蓝绿激光通信等大深度对潜通信技术的发展。此外，还出现了一种更被人们所关注的潜艇水下通信方式——拖曳浮标通信（Towed Buoy Communications，TBC），在浮标内加装超短波、短波或卫星等无线电通信设备，利用普遍使用无线电通信手段进行潜艇大深度状态下通信。人们进一步认识到，潜艇拖曳通信浮标的出现，将大大缩小潜艇与其他海军兵种在无线电通信手段上的差别。但是，拖曳通信浮标使用与潜艇状态紧密关联。当悬停在深海中的潜艇释放通信浮标，如果线缆足够长，这时通信深度基本没有限制（图1（a）），但严重制约潜艇航行状态；当潜艇处于航行状态使用拖曳通信浮标，则必须降低潜艇航行速度或深度，以避免浮标被拉入水中（图1（b））。为此，甚至研制了带水翼的拖曳通信浮标，以增加高速拖曳时浮标的上浮力［4］。即便如此，高速拖曳浮标也需要较大的牵引力，依然限制潜艇水下航行速度，更重要的是浮标会在海面产生明显尾迹，而这些尾迹易被现代遥感反潜手段所探测。而近些年发展的零牵引力、无尾迹的系留（tethered）浮标通信技术的发展（图1（c））就迎合了无尾迹浮标通信的需要。因此，现代潜艇通信技术不仅仅是解决大深度通信问题，而是把解决潜艇在正常巡航状态下保持当前所处深度、航速的通信能力作为优先发展的方向。而这种保持巡航状态下的通信能力时迎合现代潜艇在潜艇战和反潜战中多方面的军事需求，归纳起来具体体现在以下几个方面：

（1）改变航行深度，可能会破坏潜艇自身所处的隐蔽水声环境，还有可能增加相关尾迹暴露，不利于保持潜艇自身隐蔽性；航行深度的降低也会危及潜艇水下航行的安全性；

（2）改变航行深度，还可能会破坏潜艇水声探测所需有利水声环境，造成探测目标的丢失；

（3）改变潜艇水下航行深度和速度，通常会额外产生潜艇机械噪声，也不利于潜艇水声隐蔽性；

（4）现代潜艇作战需要更为频繁地与外界通信，采用传统通信方式就需要潜艇频繁上浮和降低航速，会影响或干扰潜艇在编队内统一行动和目标跟踪等军事行动，这一点对于可以长时间在水下潜航的核潜艇而言，问题更为突出。

综上所述，满足潜艇“水下巡航状态通信（CSD）”逐步替代单一的潜艇“大深度”通信需求，成为世界各海军强国潜艇通信技术和装备发展的方向。

图1 潜艇通信浮标的不同状态Fig.1 Submarine communication buoys in different states

3 CSD相关关键技术

围绕潜艇CSD需求，美国海军C4I项目执行办公室（PEO C4I）下属的潜艇集成项目办公室（Submarine Integration Program Office，SIPO）最早发起相关技术需求，2004年美国及相关国家的工业部门、研究机构等单位，一共提出了58种用于解决潜艇CSD相关关键技术和80个相关概念［2］，并形成了围绕解决CSD问题一系列技术。结合近些年CSD相关技术的发展，我们大致可以把解决CSD问题的关键技术归纳为三大类。

（1）跨大气／海水介质对潜通信技术

在大气中远距离传输最有效信息载体依然是电磁波，但海水会对绝大部分频率对应电磁波都会产生很强的衰减作用（见图2），仅仅有两个显著的“穿透窗口”，一个是位于无线电频谱最低端，即300 Hz下频段（如超低频）；另一个是可见光的蓝绿光频段（波长约为0.45～0.54μm）。

图2 海水对不同频率电磁波的衰减曲线（海水电导率：4 s／m，透明度：I级）Fig.2 Propagation loss in seawater

因此，人们把超低频电波和蓝绿光看成跨大气／海水介质的有效信息载体，利用它们发展了大深度对潜通信技术。遗憾的是，超低频通信容量极小，岸台易被毁伤，军事应用存在一定的局限性。而蓝绿激光通信依然没有实现面向广阔海洋通信所需的实用化星潜通信系统。此外，中微子也是理想的跨大气／海水介质信息载体，但突破中微子通信技术壁垒更为困难，应用还很遥远。

（2）潜艇离舷通信技术

潜艇离舷通信技术是指利用处于水面（或近水面）状态的浮标或天线等装置实现水下潜艇通信的一类相关技术。这类技术突出特点是，利用通信装置与潜艇艇体分离且不存在刚性连接，借助自身浮力或升力处于水面（或近水面）状态，再利用广泛使用的通用无线电通信手段进行通信。

这类潜艇通信技术涉及装备的范围很宽，如早期潜艇发展和装备的拖曳天线、拖曳通信浮标和消耗性浮标，以及近些年发展的各种系留通信浮标、水声通信浮标以及具有辅助潜艇通信功能的水下无人作战平台（Unmanned Underwater Vehicle，UUV）等（见表1）。

表1 各种潜艇通信浮标分类表Table 1 The classification of submarine communication buoys

潜艇离舷通信技术最为显著的优势是利用了通用军事通信手段（例如军用卫星通信）来解决潜艇通信问题，有利于潜艇通信更好地融入满足各军兵种通信需求的国防通信体系中。因此，该技术已成为目前解决潜艇水下巡航通信问题最值得关注的技术途径。

（3）水下网络技术

声波是水中通信的首选信息载体。依托水声通信和各种浮标、潜标建立的水下通信网络也是解决潜艇水下巡航通信需求的主要技术途径之一。水下网络主要分为两大类：一类是服务区域和网络节点位置相对固定的水下局域网络，各个网络节点的连接往往采用有线方式，这类水下网络构建复杂，但仅仅为潜艇提供某些特定预设区域的网络通信服务；另一类服务区域是不确定的，网络节点是临时布设的，例如美国海军潜艇、飞机布设的水声转射频网关（Acoustic to RF Gateway，A2RF Gateway）浮标构成的水下网络就属这一类。后一类水下网络节点（通常是浮标或潜标）往往受到供电等因素的限制，使用周期较短，通常只能支持数天，但是这类水下网络部署灵活、快速，更能迎合潜艇水下巡航通信的需求。

对于潜艇作战而言，水下网络技术提供的潜艇水下巡航通信服务存在的缺点也是明显的，只能提供一定区域的通信服务，仅能满足潜艇水下待机、局部区域游猎等作战时的通信保障需求。

4 CSD相关技术发展现状及发展

以美国为首的西方发达国家，近些年围绕潜艇水下巡航通信需求，开展了较为广泛的技术研究和装备研制，图3给出了相关CSD技术的性能对比。

图3CSD技术的对比［2］Fig.3 The comparison of CSD technology

值得我们关注的是，各种具体技术发展也不均衡，有些技术可行性、适用性等方面有优势，得到了优先的发展和应用，下面我们具体介绍近些年几种优先发展和应用的CSD技术。

（1）拖曳天线相关技术

国外把拖曳天线称为浮力电缆天线（Buoyant Cable Antenna，BCA），从20世纪50年代开始，美国就一直在不断改进和发展拖曳天线相关技术［5］，不断追求大深度、高航速、多频段、高数据率和双向通信等性能提高和改进。典型发展的技术包括麻省理工林肯实验室（MIT Lincoln Laboratory）开展的多元浮力电缆阵列天线（Multi-element Buoyant Cable Array Antenna，MBCA）项目［6］，以及霍普金斯大学应用物理实验室（Johns Hopkins APL）开展的浮力电缆天线阵（Buoyant Cable Antenna Array，BCAA）项目［7］。此外。改进浮标电缆材料更轻，强度更高，更适合大深度、高速条件下使用。

（2）系留通信浮标技术

随着遥感探潜技术的发展和普遍应用，人们开始重视潜艇通信浮标尾迹的低探测性，从拖曳式向系留式发展成为现代潜艇通信浮标技术发展的趋势。典型系留通信浮标有美、英联合研发可回收型光纤系留（Recoverable Tethered Optical Fibre，RTOF）浮标［8］（图4），美国研发的消耗型系留浮标（Tethered Expendable Communications Buoy，TECB），如基于铱星的消耗型系留浮标（TECBIridium）和UHF频段消耗型系留浮标（TECBUHF）等［9］。目前这些成熟的系留通信浮标产品已在现代潜艇上得到应用。

图4RTOF浮标机械构造［10］Fig.4 RTOF buoy mechanical construction

（3）与无线电通信相结合的水声通信和水下网络技术

冷战结束后，随着现代数字信号处理技术的发展，水声通信与无线电通信的结合进一步促进了水声通信的发展。2000年5月，美国海军在被称为“Sublink2000”的演示实验中完成了历史上第一次潜航状态下潜艇发送E-Mail的演示实验［11］。近些年来，美海军还发展了一系列水声通信与卫星通信相结合的通信浮标，如深水海妖战术寻呼（Deep Siren Tactical Paging，DSTP）浮标［12］和水声转射频网关（A2RF Gateway）浮标［13］等。水声通信与无线电通信的结合也促进了分布式水下通信网络的发展，出现了一些新的概念，如SeaWeb、水下FORCEnet等。这些通信浮标和水下网络的发展，为未来潜艇作战提供了全新的信息化作战保障样式。

（4）其他技术

虽然2004年美国无限期地关闭了超低频发信台［14］，但是冷战后相当长时间内美海军依然把超低频通信看作是解决潜艇CSD能力的主要技术手段之一，先后开展了提高数据率（Enhanced Data Rate，EDR）技术、超低频艇壳天线（ELF On-hull Antennas）技术等研究，进一步改善超低频通信性能，提高收信时潜艇的机动性［15］。

冷战后，美国虽然放慢了蓝绿激光通信技术的发展，但是也在积极探索这种技术在潜艇上的应用，如美国APOGEN技术公司研究的潜－机数据交换和性能提升项目（Submarine-Enabling Airborne Data Exchange and Enhancement Program，SEADEEP）项目，其核心就是满足CSD能力的潜艇与无人飞行器之间双向蓝绿激光通信技术的研究［16］。

5 结束语

本文介绍了潜艇CSD概念提出的军事背景，并深入分析了现代潜艇作战对CSD的需要，归纳了解决潜艇CSD需求的三大类技术，即跨大气／海水介质通信技术、潜艇离舷通信技术和水下网络技术。此外，还对现代潜艇通信CSD技术发展现状，以及未来潜艇相关技术发展及趋势进行了分析。

CSD技术及相关装备是现代潜艇通信热点领域和重要发展方向，关注这一类技术，加强相关技术和装备发展，对于提高潜艇通信技术水平，促进潜艇战斗力形成有着重要的军事意义。

［1］Submarine Communications Master Plan［R］.［S.l.］：Space and Naval Warfare Systems Command PMW 173，1995.

［2］Scott C T，Thomas P H，Richard S.Solutions sought for staying in touch at speed and depth［M］／／Jane′s Navy International.［S.l.］：Jane′s Information Group，2005.

［3］Mark H.Submarine to cast off their shackles，take on new roles［M］／／International Defense Review.［S.l.］：Jane′s Information Group，2002.

［4］罗曼，陈敏慎，曾东.潜艇拖曳通信浮标应用与发展初探［J］.舰船科学技术，2008，30（11）：77－80. LUO Man，CHEN Min-shen，ZENG Dong.The overview of application and development for submarine towed communication buoy［J］.Ship Science and Technology，2008，30（11）：77－80.（in Chinese）

［5］David F R，Rajeev B.Towed Antennas for US Submarine Communications：A Historical Perspective［J］.IEEE Antennas and Propagation Magazine，2004，46（1）：23－27.

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［13］Richard R B.Silent No More：The Navy pushes forward with effort to provide real-time communications for submerged submarine［EB／OL］.2008－01－20［2013－01－25］.http：／／www.seapowermagazine.org.

［14］Navy ELF Communications System Facilities Closure［R］.［S.l.］：Space＆Naval Warfare Systems Command／PEO C4I＆Space，2004.

［15］Jacob L，Gerald E，Craig M.Voices From the Deep：The New Age of Submarine Communications［EB／OL］.2004［2013－01－23］.http：／／www.fas.org／man／dod－101／sys／ship／docs／voices.htm.

［16］Edward L.Talking to Submarines Underwater via Blue Lasers from the Air［J／OL］.Marine Technology，2010：28－29［2013－01－25］.http：／／www.seadiscovery.com.

WEN Dong was born in Zhangjiakou，Hebei Province，in 1971.He received the Ph.D.degree from Harbin Engineering University in 2006.He is now an associate professor.His research concerns submarine communications.

Email：wendongcm＠163.com

杨晓舟（1987—），女，山东青岛人，硕士研究生，主要研究方向为潜艇通信；

YANG Xiao-zhou was born in Qingdao，Shandong Province，in 1987.She is now a graduate student.Her research concerns submarine communications.

刘翠海（1963—），男，河北唐山人，硕士，副教授，主要研究方向为军事通信及其仿真。

LIU Cui-hai was born in Tangshan，Hebei Province，in 1963. He is now an associate professor with the M.S.degree.His research concerns military communication and simulation.

Survey on Technological Development of Submarine Communication at Speed and Depth（CSD）

WEN Dong，YANG Xiao-zhou，LIU Cui-hai
（Naval Submarine Academy，Qingdao 266042，China）

Although the concept of submarine communication at speed and depth（CSD）has been put forward for nearly three decades，it is still the important development direction of submarine communication technology at present and in the future.This paper explains the concept of CSD，makes deep study of the military needs of the development of CSD，summarizes three categories of technology that meet the communication needs of CSD，discusses the prospects of their military applications，and analyzes the status of modern CSD technological development and future development trends.Studies in this paper are of great significance in promoting the domestic technology in related fields.

communication at speed and depth（CSD）；submarine communication technology；development and current status

date：2013－02－07；Revised date：2013－06－09

武器装备预研基金项目（9140A06050610JB15）

Fundation Item：Weapon Equipment Pre-research Fund（9140A06050610JB15）

❋❋通讯作者：wendongcm＠163.comCorresponding author：wendongcm＠163.com

TN929.3；E967.3

A

1001－893X（2013）07－0961－05

温东（1971—），男，河北张家口人，2006年于哈尔滨工程大学获博士学位，现为副教授，主要研究方向为潜艇通信；

10.3969／j.issn.1001－893x.2013.07.027

2013－02－07；

2013－06－09