国外潜艇通信组网技术与发展

郑 磊，姜 波，孙晓磊

（海军潜艇学院，山东 青岛 266000）

0 引言

经过几十年的信息网络建设，以美国为代表的国外海军强国在水面战与空战体系中，已基本形成基于信息系统的体系作战能力，但是由于海水介质对无线电衰减高，而水下的水声信号又无法直接突破海水介质表面，阻碍了信息的远程高速传输，使得潜艇和无人潜航器等水下作战平台和武器装备还较难以实时、高效地纳入到作战体系当中。为此，各国海军正在努力发展和提升潜艇水下互联互通能力、跨越介质的通信能力，并以“网络中心战”构想为指引，综合运用无线电、水声、浮标等通信技术手段，逐步向全域互联、全程贯通的一体化通信网络发展。

本文旨在通过研究美国海军通信网络发展情况，探讨潜艇作战体系对通信网络发展需求，分析美国海军通信网络发展情况和潜艇战术通信系统，探究无线电通信组网、水声通信组网、通信浮标组网等技术特点，对我海军潜艇作战体系中通信组网技术发展提出一些启示和思考，为我潜艇通信网络技术与装备发展提供借鉴参考。

1 美国海军通信网络发展现状

上世纪末，信息和计算机技术发展迅猛，在给科技带来变革的同时也引领着军事革新。近些年来，美军“网络中心战”建设发展不断加快，许多国家也将紧跟信息化和智能化条件下的体系作战能力生成，不断发展信息通信网络。

美军为实现信息网络整合，在“网络信息战”的指导下，开展了“全球信息栅格（global information grid，GIG）”计划。美海军根据GIG 规范，开发了符合海军自身需求和特点海军力量网（FORCENet）。同时为充分发挥潜艇C4I 系统的潜力，开发了潜艇通信支持系统（submarine communications support system，SCSS），为保障潜艇通信支持系统的效能发挥，又相继开展海网和CSD（communication at speed and depth）等网络建设［1］。美军网络系统关系如图1 所示。

图1 美军网络系统关系图Fig.1 Network relation diagram of us armed forces

1.1 全球信息栅格

全球信息栅格主要是为了整合美军作战资源，以三军通用的全球性通信网络为基础，将传感器网络、计算机网络和武器平台等分散在全球的各个作战单元在多维空间进行协同作战，形成一个全时、全维、全频谱和全球性的信息化立体作战互联网，实现各军兵种作战单元之间互联互通互操作，以提升三军联合作战效能。

传感器网络由遍布在海、陆、空、天的各类侦查设备组成，包括侦察卫星、预警机、无人设备、雷达和声纳等，它能及时发现各类威胁，实现战场信息的实时获取，以达到战场对美军单向透明的目的。

通信网络由各类通信网络基础设备组成，包括数据链、中继站、通信飞机和卫星、作战局域网等，能实现战场态势信息的无缝传输和共享，以达到确保美军对信息的绝对掌握。

计算机网络由各类计算信息基础设施组成，包括数据库、存储器、软件平台、信息系统等，主要是对获取到的各类庞杂的信息进行分析处理，按照重要程度进行区分，综合成适合作战的战场态势信息，并结合计算机辅助决策系统，为指挥员选择最佳作战方案，选取最佳作战目标，选用最佳作战力量，最大限度打击敌人，减少己方损失，以达到美军对信息决策的最大优势。

武器平台网络由各类信息化的武器平台组成，包括军舰、潜艇、无人机、飞机、导弹等，主要是将正确的信息输入到武器平台中，实时对敌目标的精确打击。

1.2 美海军通信网络

美海军为了改善与空军、陆军之间的互通、互联、互操作，实现联合作战下的信息优势、知识优势、决策优势，提高联合作战的整体能力和水平，大力发展海军通信系统网络。目前主要由三大通信网络构成，分别是用于提供武器控制层面通信支撑的美海军联合混合跟踪网（joint composite tracking net，JCTN），用于提供兵力控制层面通信支撑的联合数据网（joint data network，JDN），和用于提供兵力协调层面通信支撑的联合计划网（joint planning network，JPN）。3 种网络定位不同、用途不同，技术手段和通信体制也不尽相同，具有一定的独立性。这些网络的主要作用是在有线局域网内，完成作战指挥系统的交互，完成武器控制、兵力控制和协调等功能。3种网络使用情况对比如表1 所示。

表1 美海军通信网络对比Table 1 Communication network comparison of us navy

美海军为充分融合到“网络中心战”之中，依据全球信息栅格的要求，提出并研发了符合海军需求和特点的FORCENet，通过自动化数据网络系统（a utomated data network system，ADNS）实现多个无线信道资源的综合集成和运用，将分布在世界范围的国防信息交换网络（defense information switching network，DISN）、海军- 海军陆战队内部互联网（navy-marine corps intranet，NMCI）、海军陆战队事业网络（marine corps enterprise network，MCEN）、美国海外海军企业网（ONE-NET）和各舰艇网络进行互联，实现了不同作战域的网系互通［2］。美海军FORCENet 的作战视图如图2 所示。

图2 美海军FORCENet 作战视图Fig.2 FORCENet operation view of US navy

1.3 SCSS

SCSS 是自动化的外部通信系统，基于潜艇综合信息网内构建的满足“网络中心战”条件下潜艇作战需求的一个通信系统。它和联合海上指挥信息系统（joint maritime command information system，JMCIS）、作战指挥系统（combat control system，CCS）以及潜艇平台局域网共同构成潜艇综合C4I 系统，为攻击型潜艇提供数据流量已增强的通信系统以及战术数据网络，使潜艇成为“网络中心战”的一个重要节点。SCSS 与艇内的作战信息网、武器控制信息网、舰船操控信息网、内部通信网等都是综合信息网的应用系统，它们之间可以实现无缝隙信息交互。SCSS 支持数据、语音、视频等多媒体业务，支持电路交换和分组交换，支持与外部网络的互通，系统采用工业标准协议和商用技术，将来能无缝地升级使用新的技术。

2 潜艇通信网络发展需求

从美军“网络中心战”背景下发展的“全球信息栅格”来看，美军作战指挥体系对信息通信网络需求不断增强，发展了许多通信网络并实现了互联互通互操作，在这个大背景下，潜艇作为通信网络中的一个重要节点，融入到作战体系中，也需要不断增强网络化建设，以增强潜艇作战效能的发挥。潜艇通信网络发展需求主要有以下几个方面。

2.1 满足潜艇作战使用需求

通信系统是为潜艇作战服务的，作战所需的各类信息是巨大的，战场信息的传输需要以通信网络系统作为支撑。美海军通信网络是全球信息栅格下的海军通信网络，连接着与作战体系相关的传感器、武器平台以及战场指挥员，所传输的信息包含了指挥命令、导航、雷达、水文气象和武器装备，形成了比较完备的信息通信网络。而潜艇作为海战场中必不可少的作战单元，必然也需要作战相关的各种战场态势信息，不同的信息通过不同的网络进行传输，不同网络之间又需要相互关联，因此，潜艇通信网络需要紧紧围绕潜艇作战需求开展建设，研发满足不同信息数据和速度传输的需要。

2.2 满足远距离、高速率、宽带化的通信网络需求

潜艇的威慑力来自于它自身的隐蔽性，潜艇可到远海大洋深处待命伏击，因此，需要满足其远距离、大深度对潜通信需要。美军在全世界建立了9个甚低频对潜通信台站，形成了可以覆盖全球的甚低频对潜通信网，可满足6 000 km 以上对水下50 m潜艇低速航行时的通信需要，但是基站设施庞大，维护费用高昂，且战时易被摧毁。为了增强对潜通信的抗毁性，美军又建立车载、机载和星载等对潜机动平台［3-6］。

随着信息化海战的发展，对信息的实时性、双向通信能力的要求逐步增强，因此，需要不断通过改进技术手段来提高通信速率。比如改进信息调制方式，甚低频通信由原来的FSK 调制方式改为MSK调制，通信速率提高了4 倍；短波通信使用跳频技术、扩频技术以及高频猝发技术等等；卫星通信的频率向更高频率发展，已到GHZ 以上，通信速率由几个kb/s 到几十Mb/s。

在美“网络中心战”之中，大力发展军事通信卫星，并采用商用卫星已填补对带宽的需求，美海军通过升级舰载卫星系统，建设自动化数据网络系统（automated data network system，ADNS），使有效带宽增加了4 倍。美军从1991 年海湾战争时1 MHz 的带宽需求，到2003 年伊拉克战争时带宽增长到10 MHz，增长了10 倍，以及最近的叙利亚战争，对传输信息的带宽需求在不断增长。

2.3 满足通信网络一体化需求

通信网络的一体化设计是高效、统一指挥体系的基础。为了提升潜艇在舰艇编队中执行海上作战任务能力，未来舰艇编队的组成将呈现更加多样化。随着舰艇数目增多、种类增多、编队规模增大以及作战地域与战斗力量覆盖范围扩大，未来海上编队无线通信网将向带宽更高、覆盖范围更广以及更加安全可靠的方向发展，单一子网和链路已无法同时保证传输距离更远和传输带宽更高的要求，综合化组网（多网重叠等）成为大势所趋。

3 美军潜艇通信组网技术

美海军一直致力于发展和强化海军通信网络，随着水面舰船之间组网的增加，潜艇通信的发展逐渐被甩在后面，效率也在降低。需要解决的问题在于如何将潜艇纳入海军网络，改善信息流，同时使得通信尽可能长时间隐藏。单一的通信手段早已无法满足潜艇通信需要，现代潜艇作战体系中使用多种方法改进通信网络效能，但每种方法都有其优缺点。目前通信组网主要集中在无线电通信组网、浮标通信组网和水声通信组网几个方面。

3.1 无线电通信组网技术

3.1.1 海军力量网FORCENet

美海军于2002 年在“网络中心战”基础上提出了海军力量网FORCENet 概念，设计开发了海上编队战术通信系统，主要作用是综合利用短波、超短波、微波、卫星等通信手段，构建舰舰、舰岸、舰空、舰潜等多层次多区域海战场信息网络。FORCENet是由传感器、武器、平台和指挥控制系统集成的巨大网络，它能提高部队的态势感知能力，并把信息迅速变成战斗现代军事力，保证海军和联合部队进行以网络为中心的作战。

潜艇通过水下高速数据传输网与编队进行组网通信，获取来自于编队共享的战场态势信息，实现潜艇与编队的协同作战。编队通过传感器网络获取来自传感器的实时海量信息，形成统一的战场态势，通过武器协同网建立信息分发通道，实现武器协同信息实时高速传输，由短波、超短波、卫星等通信手段组成的中低速抗干扰战术数据网络，实现远距离大范围的战术信息准实时传输。

3.1.2 大力发展卫星通信网络

卫星通信网络是海上力量网必不可少的组成部分［7］。经过多年发展，美海军形成了非常完备、多元的卫星通信网络，主要为海军服务的通信卫星系统有：海军舰队卫星通信（fleet satellite communications，FLTSATCOM）、租 用 卫 星（leased satellite，LEASAT）、UFO 卫星通信系统、下一代海军通信卫星——MUOS，如表2 所示。另外，空军国防卫星通信系统（defense satellite communications system，DSCS）和国防部MILSTAR 以及宽带全球卫星（wide-band satellite，WGS）等也承担着海军的SHF和EHF 卫星的部分通信业务。

表2 美海军主要卫星通信系统Table 2 Main satellite communication systems of US navy

3.2 浮标通信组网技术

深海快速通信系统（communication at speed and depth，CSD）项目是美国潜艇项目办公室（PMW 770）长期致力研究的重要项目。目标研发的主要浮标系统有3 种：用于无线电通信的可消耗型系留UHF 通信浮标系统（TECB-UHF）；用于卫星通信的可消耗型系留铱星系统通信浮标（TECB-Iridium）；以及潜射和空射声波到射频（A2RF）网关浮标改型。TECB-UHF 和TECB-Iridium 与潜艇相连，允许潜艇在需要时进行通信，可提高通信速度，同时也允许潜艇能保持在更深的深度继续移动，减少了被发现的机会。

从美军发展深海快速通信系统来看，潜艇通信浮标已成为近些年来潜艇通信发展的一个重要方向，因其可代替潜艇上浮，实现潜艇在水下安全深度下与岸基指挥所间进行高速通信，成为冷战以后以美国等西方军事发达国家所青睐的潜艇通信手段。不同类型的潜艇通信浮标进行组网通信，可有效提升潜艇在潜航状态下的通信能力。

浮标是载有通信天线和通信装置及有效载荷的小型载体平台，可以保证潜艇在不改变深度情况下，减少潜艇上浮次数，实现潜艇与外界的收发信联络。美、英等西方国家海军经过半个多世纪的发展，逐步形成了多系列、多类型潜艇通信浮标装备，并装备现役潜艇投入军事应用。

3.2.1 深海快速通信系统

为解决潜艇在潜行状态下的实时通信问题，美海军实施了深海快速通信系统（communications at speed and depth，CSD）计划［1］。该计划旨在研发、部署新型通信技术，使美军潜艇在一定深度（400ft 以下）和航速下（15kn 以上）与陆地、空中、空间和海面上的指挥机构或部队进行双向、实时和大容量通信，保障潜艇、反潜战指挥官和其他反潜战平台遂行反潜战时，能够及时协调目标数据，以及改进水下战场管理，避免误伤友军目标。

美军反潜战“深水潜行通信”作战概念涉及协同反潜战的各个阶段，包括：与潜艇建立通信链路、持续传递回波信息、更新任务信息、水下战场管理以及最终打击目标。该作战概念旨在为潜艇指挥官提供选择深水航行通信技术的判断力，并且允许指挥官随着反潜战中战术/作战环境的变化变换使用技术。

3.2.2 跨介质的声/射频网关系统

声/射频网关系统（acoustic to RF gateway system，A2RF，Acoustic to RF），依托铱卫星工作。实质为战术寻呼系统的改进，可以为潜艇提供双向声通信能力。舰机或岸上设施需向潜艇发信时，先将信息通过铱卫星传送给声/射颇网关系统，由后者将射频信号转换成声信号后向深海潜行的潜艇传送。因此，声/射频网关系统实质上是提供潜艇或水下声通信网络与铱卫星等卫星通信之间的接口。网关传输速率可达2.4 kb/s，可由潜艇或飞机发射投放。声/射频网关系统如图3 所示。

图3 声/射频网关系统Fig.3 Audio/Radio frequency gateway system

A2RF 浮标系统非常具有优势。当潜艇不处于通信状态时，它可以跨越水面到水下的屏障，让岸指与潜艇进行联系，也就是所谓的“网关”。浮标可由海上巡逻机部署，如P-3“猎户座”或其继任者P-8A“海神号”；或由直升机部署，如MH-60，通过UHF/VHF 链路直接与浮标通信。然后，通过水声数据链向潜艇发送信息，在本地和全球范围内“寻呼”，提醒潜艇开始通信。水声数据链支持双向文本消息传递，用于简单的指挥控制通信。使用A2RF 网关浮标能实现持久连接，潜艇没有连接线缆束缚，可以自由机动。在引入更高数据率的深海快速通信系统之前，它的作用有限，但它通过提供基本的通话系统将潜艇引入网络。如果需要进一步的信息，那么潜艇可以上浮至潜望镜深度进行常规通信，或者部署其系留浮标。在声通信中，数据可以按照机械生成的声波振幅、相位或频率进行编码。其干扰源于环境噪声、路径损耗、传播延迟和多普勒效应（波的频率和波长的变化），这使得声通信的可用带宽非常有限，并且取决于通信距离和频率。

3.2.3 不断发展系列通信浮标

近些年来，潜艇通信浮标发展的种类众多、用途各异，功能逐步完善［8］。美欧等国家主要发展了两种类型的通信浮标：消耗型和可回收型通信浮标。消耗型通信浮标也被称为抛弃式通信浮标，由于它是一次性使用的通信浮标，因此，在设计时往往需要考虑降低浮标本身成本以及附有自动销毁功能。可回收型通信浮标也被称为可重复使用型通信浮标，它可以释放使用后再次回收进行重复使用，所以，此类浮标需要收放装置和浮标容纳空间。分类情况如下页图4 所示。

图4 潜艇通信浮标分类Fig.4 Classification of submarine communication buoys

图5 “海网”网络体系架构示意图Fig.5 Schematic diagram of“sea net”network architecture

各型潜艇通信浮标性能对比如表3 所示。

表3 各型潜艇通信浮标对比Table 3 comparison of all types of submarine communication buoys

从外军潜艇通信浮标发展总体来看，潜艇通信浮标使用过程中具有良好的实时性和隐蔽性，可以实现潜艇在大深度潜航状态下的双向通信，对潜艇机动性影响较小，多功能的集成进一步提高了潜艇信息获取能力，已成为外军潜艇通信的必要手段之一，并不断研发新的型号装备。

3.3 水声通信组网技术

随着各种水下水声通信装备及水面浮标等的研发成功，以美国为代表的多个国家已着手建立先进的水声通信网络，如“海网”（SEAWEB）、“近海水下持续监视网络”（persistent littoral undersea surveil lance network，PLUSNet）等［9-11］。

3.3.1 “海网”

“海网”（SEAWEB）由50 个声节点组成的海底网络可覆盖250×500nmil 的海域，需要时还可扩大。每个节点成本小于1 000 美元，电池寿命大于6个月。数据率从100 bp～l 000 bp 可调。海底声节点和海面声／射频网关浮标目前均由海面平台投放，以后可能由潜艇或飞机投放。美军计划通过“海底网络”系统共享日本、韩国、澳大利亚、新加坡等国部署在各沿海区域的水下传感器数据，特别是在中国潜艇前往太平洋和印度洋必经交通要道附近的传感器数据。

3.3.2 PLUSNet

美国2005 年启动的PLUSNet 项目是世界上最复杂的水下网络，由通用动力电船公司研发，可长期部署用于执行监视任务，如浅海海域特别是西太平洋的舰船与潜艇跟踪，具备持久探测、识别、定位与跟踪能力。它可以组织船基和岸基设备通过无线电传递数据和指令到网关节点（同时又依靠该信息联接其他节点），提高潜艇和各类机动式UUV 以及水下无人滑行器（包括Liberdade PLUSNet 水下无人滑行器），配备了大型UUV 无源天线阵列的“海马”自主水下航行器，以及“金枪鱼”和“奥德赛”的自主水下航行器系统）之间的战术和声频通信能力。PLUSNet 由网关浮标、移动网关、固定海底节点和移动传感器节点组成。其中，网关浮标与移动网关提供水下与岸上的射频链路。固定海底节点则向岸上报告由移动传感器节点获取的数据，并接收来自控制中心的指令。自主潜航器等移动节点与固定节点合作，通过水声探测跟踪舰船，并通过移动水声-卫星通信网关如海上滑翔机、Spray 等将数据中继到岸上。

4 潜艇通信组网技术发展启示

纵观当代世界军事发展历程，在战争中信息化运用手段层出不穷，而通信网络始终作为信息化的依托，确保通信网络作用的有效发挥才能保证部队信息化建设，才能确保信息化战争的胜利。在军事科技发展迅猛的今天，我海军只有以临战状态仔细分析通信网络在战争中面临的挑战，科学构建通信网络通信系统，才能确保我海军通信网络在下一场信息化战争中充分发挥依托功能，甚至起到决定性作用。

4.1 着力发展通信网络技术

随着网络技术的发展，战场上分布的各类传感器很容易相互连接，组成功能强大的信息网络，潜艇应该能够加入这个信息网络，并且能够从整个战场信息网络中快速地发送和接收信息。潜艇应具备信息组网和发送能力，获取信息上的优势，将是获得战场主导权的主要因素。潜艇在通信网络中能够利用信息网络实现与其他兵力的信息交互，为部队协调提供战场态势信息，而且也具有信息处理、战场所需信息判定、协同执行、兵力有效部署和减少战术响应时间的能力。该网络也能够为潜艇提供情报传输、天气情况预报和后勤信息的传送，以增加信息分发的执行效率。通信网络还应有利于潜艇与大型水面舰船进行信息共享，同时必须要保持潜艇的隐蔽性。

4.2 提升通信网络互通能力

随着潜艇作战海域不断拓展，潜艇通信需要覆盖海域更广，通信手段又非常多样，结合作战需求而建立的通信网络会发展的越来越多，因此，需要加强信息网络整合，将全军通信网络、海军通信网络与潜艇通信网络之间的互联互通和综合集成，提高网络覆盖及连通效能，同时注重新型通信手段、通信网系的发展以及现有通信网系能力提升。

数据链作为潜艇作战一体化的重要环节，潜艇通过数据链联网，与空中、水面或者水下的作战平台进行数据接收和分发，从而使潜艇这个作战单元与其他作战单元形成一个一体化的作战体系。

4.3 不断改善通信服务质量

通信网络中海量的数据流，以及不同密级的数据共享等技术问题，势必会推动对新通信技术的研究。为适应信息系统一体化的发展趋势，采用云计算、Web 服务等主流技术，实现依据业务类型、网络负载和使用效能，按需动态提供多层次、多视角的服务质量保证能力。同时，按照保障对象、任务性质和环境条件等，对各类服务能力灵活配置，为授权用户提供标准化、个性化、精确化的通信和信息服务。