国内外对潜通信的发展现状

国内外对潜通信的发展及现状曲晓慧王红星1引言目前已被发现并研究的能用于对潜通信的手段有甚低频、极低频、蓝绿激光、中微子通信、卫星中继及高频等。由于海水是导电媒质，对电磁波具有很大的衰减作用，因而解决与潜航潜艇的通信问题成为非常困难的技术难题，各国都在积极探索对潜通信的手段，从国内外研究的情况来看，完全理想的对潜通信手段是不存在的，各种手段都既有利又有弊。这些手段包括甚低频、极低频、蓝绿激光、中微子通信、卫星中继、高频以及声波等。其中卫星中继和高频无法对潜航状态下的潜艇进行通信。本文首先将国外的研究情况和各种通信系统的特点结合在一起介绍，然后介绍国内的研究情况2国外对潜通信的研究和发展2．1甚低频对潜通信甚低频对潜通信是指通过频率为3—30kHz的无线电波借助大气电离层和地球表面对潜艇进行通信。该对潜通信系统为单向式，通常采用多次重播方法，确保潜艇在一定时间内接收到指挥所的指令。根据发信台的机动性可分为固定式(岸台)对潜通信系统和移动式对潜通信系统两大类。(1)固定式甚低频对潜通信系统。固定式对潜通信系统是国外研究得最早、技术最成熟、最基本的对潜通信手段。美国在第二次世界大战后为实现全球对潜通信，相继在本土和国外建立了11个500kW以上功率的甚低频固定发信台，其中6个设在国外，构成全球严密的对潜通信网，分别向活动在大西洋北部、北冰洋、地中海、印度洋和澳大利亚地区海域航行深度小于30米的潜艇发送信息。继美国后，前苏联也加快了大功率甚低频对潜通信系统的建造。从60年代起，在本土上相继建立3个2000kW的大功率甚低频电台。此外还在东南亚、中亚地区和非洲东海岸建立了专用对潜通信系统和中继通信台，共建立了30个固定发射台，其中11个输出功率为500千瓦，5个输出功率为400～500千瓦，确保了前苏联潜艇的有效指挥通信。固定式对潜通信系统存在的主要缺点是：①发信台规模庞大。这是由于海水对电磁波的衰减所致。海水对电磁波的衰减为23.4510f分贝/米，其中f为工作频率，为了增大潜艇收信深度．一方面要降低工作频率，同时又要增大辐射功率，这就促使甚低频台的规模必须大。通常把几十千瓦级的甚低频台称为小型甚低频台，100千瓦以上的为中型甚低频台，大于500千瓦的为大型甚低频台。由于发信机功率大，随之带来的是大的供电系统和水冷系统，致使发信台的规模庞大。②发信天线规模巨大。一般大功率台的天线系统占地面积5～6平方公里乃至十几平方公里，由20座左右200多米至300米的铁塔支撑，地网要用上千公里的铜线；中功率台的天线占地也要有1～2平方公里，需近l0座200米左右高塔支撑，几百公里的地网铜线。发信台的各种设备可以用防护工事保护，天线却无法保护，所以天线是发信台的薄弱环节，最易被摧毁且难于短期修复。目前国外倾向于采用地下天线网、大型环形天线和定向低架天线，以提高抗毁力且少占地，其优点是结构简单、经济，缺点是效率极低。(2)移动式甚低频对潜通信系统。除固定甚低频发射台外，国外还大力发展移动式甚低频发射系统，包括车载台和机载台。到1986年，美国特康姆公司已研制出第一套使用气球天线的车载甚低频对潜通信系统。车载甚低频台生存能力比固定岸台强，可相对机动灵活配置，效率高，占地面积小。它的不足之处是气球天线的管理和操作维护要比固定铁塔天线复杂，日常的消耗(氮气的补充，车辆和升降装置的维护)比固定铁塔天线要多，气球的使用寿命为10年，相当于每年要投入气球价格1／10的更新费用。另一种机动台是机载台。美国海军从1962年开始研制机载甚低频对潜通信系统，即“塔卡木”系统。该系统原本是一种低频／甚低频应急通信手段，用来增大对弹道导弹核潜艇的通信距离，增强持久性和抗毁能力。后来美国海军寻求能在前方基地迅速部署开通使用的通信系统，所以“塔卡木”系统得到进一步发展，至今已经历了五代的发展历程。现在该系统已不是应急通信手段，而作为一种具有可部署性、机动性、抗毁性的独立自备式机载通信系统，用于战略与战术通信。它可以与“空中指挥所”、总统的E一4型飞机、卫星和火箭紧急通信系统、地面甚低频发信台保持联系。2．2极低频对潜通信极低频是指频率为30~300Hz(波长为1000～10000km)范围内的无线电波。极低频对潜通信系统也可分为固定式通信系统和移动式通信系统。(1)固定式极低频对潜通信系统。由于海水对无线电波的衰减系数正比于频率的平方根，故很容易想到用降低频率的办法来达到增加深度的目的。随着弹道导弹核潜艇的出现，为增强战略核威慑，提高其生存能力，解决战略核潜艇在80米以下30节高速航行时的对潜通信，国外进一步发展和装备第二代即极低频对潜通信系统。国外采用极低频对潜通信主要有美国和前苏联，其中美国最早，耗资巨大，技术先进，系统完整。美国为解决北极星弹道导弹核潜艇的通信问题，于1958年开始研制极低频对潜通信系统，其后进行了多次成功的实验，如1972年，美国威斯康星州的实验设备向在地中海水下对120米处，以16节航速行驶的潜艇发送了一份20字符的电文，1976年进一步的实验又实现了与在北冰洋9米厚冰层下120米深处以l6节行驶的潜艇进行的通信联络。1982年、1983年在拉菲特和俄亥俄级弹道导弹核潜艇上安装了这类接收机，以收集实验数据。但极低频电波的辐射很困难。为得到足以保证远距离、大深度通信的辐射功率，极低频发射天线要有几百甚至几千公里长，而且天线场地的导电率要尽可能低，发信机要有几兆瓦甚至几十兆瓦的功率，因此极低频发信台规模巨大，价格昂贵。此外，极低频通信的速率很低。由于这些原因，美国的极低频计划经过长期的研究实验，遭到种种反对和诘难，延续了30来年，直到80年代末才在实验设施的基础上建成了小规模对潜发信台。艇上的极低频收信系统在90年代初安装完毕。美国海军在反复研究的基础上，决定最佳频率选定为76赫兹，采用了一秒钟从72到8O赫兹之间进行16次变换(扩频MSK)的调频系统，天线以90公里和45公里长两种天线相互结合作为一组在地面上展开。根据环境条件等因素，设置的地方选择威斯康星州和密执安州两处。分别把135公里长的天线，每两组在木制的7～l9米的支柱上展开。在威斯康星州把两组天线设置成x形，以东太平洋、北大西洋、地中海以及北冰洋中潜航的潜艇为对象。密执安州的天线，在距离威斯康星州以东大约24O公里的地方，设置成F形，一组南北方向，一组东西方向，其作用距离比威司康星州X形天线大，是以在更远的地方进行潜航的潜艇为对象的。目前美利用它传送紧急行动信息，或告知它浮至合适的深度接收用其它通信系统传送的信息，起一种传呼的作用。前苏联也大力研制和建设极低频对潜通信系统，1983年开始使用，建成过两个发射台，一个在里加，一个在哥麦尔，工作频率80赫兹。前苏联的所有弹道导弹潜艇和奥斯卡／C级制导导弹核潜艇都配备有ELF通信天线，一种是折叠偶极子，一种是带有正向浮力的漂浮电缆天线。苏联解体后，原来的台已经撤走，目前的发射台设在与芬兰交界的科拉半岛的科拉镇附近，辐射能力比美国的强l0多分贝。陆基固定式极低频对潜通信系统的优点是：①不用铁塔高天线，而用埋地天线，其生存能力比甚低频强得多。②笨重的发射设备也随天线转入地下，能防核破坏，可靠通信范围达全球。固定式极低频对潜通信系统存在的缺点：①极低频通讯的天线效率非常低，在远离几千公里的水下接收，要发出一点点强度的信号，也需要几兆瓦的电力。并且这个信号还必须克服在地球周围产生的磁暴所引起的极高电平的电磁噪声干扰。②由于在低频带，带宽窄，只能允许以很低的数据率传输，只允许用短码发射无线电信息。发出简单的电报，也需要较长的时间。用甚低频通信系统一分钟可以发出67个字码，而极低频通信系统发出三个字码就需要4分钟，其速度之慢大约是甚低频的1／85。③架设巨大的天线，既要受到附近居民的反对，又极难防止外部的破坏活动和攻击，不能确保其安全。(2)移动式极低频对潜通信系统。美国于80年代后期研制了一个由高空气球发射天线等组成的车载式机动ELF／VLF实验通信系统，并于1987年2月19日到4月15日，在美国佛罗里达州的库得约凯进行了实验，得到了可喜的结果。该实验系统由电气、机械(含高空气球)及系绳天线子系统组成。电气子系统包括将信号发送到天线所需的全部组件。它由一个25千瓦的ELF／VLF功率放大器、激励器和3180米长的垂直单极天线组成，可在72赫～160赫间发射8或16波特的MSK连续波信号。电气子系统都装在一个双轮拖车上。一个ELF调谐电感，可在50～300亨范围内连续变化，以使天线在72～160赫频段内调谐。采用ELF带宽电阻，以降低调谐ELF天线的Q值，以便能发送MSK信号。机械子系统由起货卡车、系留器械及高空气球组成，可置于车上。由IID——7B型7000立方米的充氦气球支撑3810米的系留天线，可工作于30米／秒风速下，并在系留时承受45米／秒的地面风速。系留天线子系统由系留天线自身、电晕抑制终端处理装置及反馈线组成。这种可移动的高空气球支撑的垂直偶极子(ⅦD)天线系统是实现ELF机动通信的关键之一．这种机动极低频通信系统的特点是：①小的VED天线能辐射大的功率；②VED天线不受地理条件限制，便于机动；③天线带宽宽，可提高信号传输的数据率；④可建立一套混合的ELF／VLF系统；⑤体积小、重量轻、高效率的固态发射机。在上述机载式机动ELF对潜通信实验系统的基础上，美国目前正在研究机载极低频对潜通信系统。2．3蓝绿激光对潜通信系统早在60年代中期，美国海军就开始了用蓝绿激光对海底进行探测、快速绘制海底剖面图、以及激光脉冲通过大气层、海水、水生植物等的衰减和散射特性的研究，同时开展了最佳接收方法和信号处理技术的研究，并研制出两个实用系统装在直升飞机对海底进行实践。这些工作可认为是对潜激光通信的前期工作。1977年美国海军提出了蓝绿激光对潜通信的课题，并随之与国防远景规划局开始着手执行激光通信方面的研究工作。70年代以后，美国全面开展了激光对潜通信的研究工作，主要对激光器和激光接收器、光束和光脉冲通过云层后产生的扩散和展宽、激光信号的调制和解调等关键技术问题进行了比较深入的研究并提出了四种方案：星载蓝绿激光对潜通信系统、机载蓝绿激光对潜通信系统、一次反射式陆基蓝绿激光对潜通信系统、二次反射式蓝绿激光对潜通信系统。通过多方面的比较，偏重于前两种方案的研究。但由于经费方面的困难(估计一个星载蓝绿激光对潜通信系统要投资20亿美元)，美国建立全球星载蓝绿激光对潜通信系统为时尚远。80年代美国开始研制蓝绿激光对潜通信系统，重点放在激光器和接收器方面并进行了多次海上实验。有代表性的几次是1980年成功地在夏威夷地区进行了蓝绿激光穿透2800米厚的云层再射入海水的实验。1981年5月在美国西海岸的圣地亚哥海域从12000多米高度的卜39飞机上向水下300米深的“海豚”号潜艇进行了激光通信实验。1985年春季，在加利福利亚圣克利门蒂附近，利用装在洛克威尔公司“剑套”卫星上的激光器与“海豚”号潜艇进行了激光通信实验，结果非常令人满意。1986年在太平洋舰队训练中，成功的进行了蓝绿激光通信的战术表演。同年，把飞机上的蓝绿激光传送到冰层下的潜艇。1988年7月进行了机载蓝绿激光技术防护概念实验。1989～1991财政年度拨款对蓝绿激光技术和系统进行了一系列研究，完成了一系列技术上的实验和改进。到1991年为止，美国海军完成了蓝绿激光通信试验的初级阶段并实施了激光通信的可行性和系统性试验结果表明蓝绿激光的确能通过云层和海洋被深海接收器接收，机载蓝绿激光能在几乎是全天候的气象和各种海洋条件下对潜艇发送高速数据。但由于其它原因至今没有正式使用。为研究蓝绿激光对潜通信，美国已花了近2亿美元。前苏联也曾积极研究蓝绿激光对潜通信系统。1983年曾在塞瓦斯托波耳附近进行空间转发实验，即把蓝绿激光束发射到空间轨道上的反射镜，然后再转发给水下的导弹潜艇。近几年来，英国也开展了蓝绿激光对潜通信实验。2．4中微子对潜通信要满足对潜通信的“隐蔽、准确、及时、不间断”，即使使用蓝绿激光通信