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短波通信技术在潜艇通信中的应用

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一、概述

潜艇利用水层掩护进行隐蔽活动和对敌方实施突然袭击,有较大的自给力、续航力和作战半径,可远离基地,在较长时间和较大海洋区域甚至深入敌方海区独立作战,对海上和陆上目标有较强的攻击能力,它能够潜行在大洋深处,出其不意地对敌实施核打击,担负着重要的军事战略和战术任务。然而,潜艇的这种隐蔽性是一把“双刃剑”,它既能有效地躲避敌方各种侦察手段的探测,同时也造成自身与岸基指挥所之间通信的困难。

与指挥单位建立安全可靠而及时的通信连接是潜艇完成任务的重要前提,所以潜艇的通信系统是保证潜艇作战能力重要组成部分。如美国海军的E-6战略对潜指挥机研制意图就是“世界末日战争”时能够扮演国家最高指挥当局的“信使”,确保海军导弹核潜艇在美国本土遭受核打击的情况下仍能完成对敌核反击任务。

二、潜艇通信的现状

潜艇的通信手段主要分为:无线电通信,水声通信,光通信。

无线电通信按照不同的通信频率又分为:ELF(<3kHz)极低频通信、VLF(3~30kHz)甚低频通信、HF/VHF/UHF(3~3000MHz)高频通信、SHF/EHF(0.3~3000GHz)卫星通信。

目前较关注的几个潜艇通信系统有:

1.美国海军抗毁战略通信系统

英文缩写为“塔卡莫”(TACAMO),由于其作用是通信中继,因此也被称为“受领任务并开始行动”(TakeChargeandMoveOut)系统。

它设有甚低频接收发信系统,高频、特高频接收发信系统、调制解调器和控制器,信息处理系统、通信保密系统、内部通信及辅助控制和监视设备等,可以接收到总统使用的国家紧急空中指挥所和其他空中指挥所发出的甚低频上行线路信号,高频收发信机则提供附加的空对空和空中与地面通信能力。在特高频频段内,可与空军卫星通信系统和舰队卫星通信系统连通,并接收来自紧急火箭通信系统的信息。下行线路信息被送到发信机终端进行加密和抗干扰处理。功率放大器和天线耦合器将发射信号放大到200千瓦以上,然后将信号自动调谐到双拖曳天线上,双拖曳天线由长、短拖曳组成,长天线约长10000米(一般放出5500米就能满足要求),短天线长约1500米,为了保证发射出去能达到平直的要求,在长短天线的端点均装有锥体物。

2.激光对潜(SLC)通信系统

激光对潜通信系统是以蓝绿频谱光波发送信息的星载激光通信系统,利用蓝绿可见光谱中有一个区域,其在海水中的衰减比别的区域要小60~80分贝。首先使点光束对准有关航区,便可把选择的信息传送给指定海域内的攻击性潜艇。根据隐藏需要,点光束可大可小,数据的传输速率可快可慢。小的点光束和高能信号脉冲常使用于战术环境要求,而担任战略任务的潜艇,如核动力弹道导弹潜艇其隐蔽性和接收信息能力都是头等重要的,因此光束要大一些,接收机的性能要求高,而数据的传送速率则不要求太高。SLC系统的突出优点是它能有选择地与潜艇进行实时通信,而且数据率高、抗干扰能力强。

3.一定深度和航速下的通信系统

美军研制的“一定深度和航速下进行通信的系统”(CommunicationsatSpeedandDepth,简称CSD)是全球信息栅格一体化系统的一个组成部分。通过该系统,潜艇处于作战勤务状态,以一定速度和深度航行的时候就可以借由互联网协议(InternetProtocol)式通信和特遣部队指挥官以及海军舰队的其它部分链结上。这项新能力将大大提高潜艇作战的战术灵活度和潜艇本身的生存能力。很多时候,潜艇为了通信而上浮,增加了被探测到的可能性,也可能失去了对一个重要目标的跟踪监视。而CSD系统的价值在于,潜艇可以在不中断任务或者上浮到一定深度的情况下进行通信。该系统利用非系留式浮标可以将潜艇和铱星卫星网络链结起来,并与飞机进行视距范围内的超高频链结。该浮标装在一个发射套件中,并通过潜艇的垃圾处理单元发射出去,它通过水下声学通信装置与潜艇声纳系统相链结,在潜艇和浮标之间进行双向、近程通信,也可以使潜艇进行单向、远程通信,接收来自指挥机构的广播信息。CSD系统包括了潜艇内的控制设备:浮标接口单元、铱星数据和调制解调整器控制器以及网络入口,这些设备的作用是将潜艇与全球信息栅格进行整合。

三、潜艇通信面临的问题

从上述的潜艇通信系统来看,我们可以发现潜艇通信存在以下几个难点:由于光通信受环境(如云、雾、海水、太阳光等)对激光传播形式和方向的影响较大,且随着反卫星武器的日益发展,机载或者卫星光通信在最高级战争中的可靠性并不算高。

利用无线电超长波信号或极长波信号通信时,由于接收和发射此类信号的天线体积巨大,若要实现双向通信,潜艇上需装载的发信机功率远超过潜艇的设计能力,所以多数情况下只能进行单向非实时通信,在岸基建设大型的通信台对潜艇发送指令,潜艇利用拖曳天线或者装在塑料浮标上的环形天线来接收指令。且利用该波段进行通信还存在信息传输能力低、岸基巨大、易被攻击等缺点。

潜艇在水面和潜望状态航行时,一般采用短波通信(波长为10米至100米)进行信息传输。短波通信利用电离层反射或者地波传输,无需其他中继设备,是潜艇与岸基指挥所联络的主要方式,可实现双向通信。由于电离层难以被破坏,且地波沿地球表面传播,其传播距离取决于地表介质特性,而海面介质的电导特性对于电波传播最为有利,所以非常适合于潜艇通信。目前潜艇短波通信主要是利用桅杆天线,但是由于潜艇用短波进行远距离通信时必须使用大功率发射机,其发射信号易被敌方截获破译,进而测出潜艇的位置,使其遭受危险;同时露出水面的桅杆天线仍然有被敌方雷达探测到的可能,所以潜艇向外界发报是受到严格控制的。

由于短波通信必须把发射天线伸出水面才能正常工作,但是潜艇的升降天线装置长度有限,为了解决升降天线短的问题,还可以采用浮标天线或浮力天线,即把天线通过一根长长的绳索施放到水面或接近水面的地方,这样潜艇在水下一定深度也可发射信号,有利于提供潜艇的隐蔽性。

四、潜用短波通信主要技术手段

为提高潜艇通信安全性,减少信号在空中暴露时间很重要,以下几种技术值得研究:

1.同步通信技术

同步通信系统通过时统设备提供的时间信息和秒脉冲,可实现各同步通信系统时间精确同步。

采用时统设备后,由于收/发双方时间校准,空闲时各站间通信设备用与时间信息相关的频率组同步扫描,实现报文信息快速自动收发,信号暴露时间短,有利于通信保密、防止人为干扰、提高数据通信可靠性。

2.窄带高速技术

短波信道因其衰落和多径干扰,使得数据误码率增高,在短波数据传输系统中采用编码和差错控制技术后,可使接收端具有检测和纠正信息错误部分的能力。

LDPC编码技术是具有较低的译码复杂度和逼近香农限的通信抗干扰新技术,是近年来纠错编码技术领域取得的最重要成果。LDPC码是一类可以用非常稀疏的校验矩阵或二分图定义的线性分组纠错码,在采用基于置信传播BP的迭代译码算法下具有非常高的抗干扰特性,在1/2码率的不规则LDPC码距离香农限仅为0.45dB。

LDPC的特点:LDPC在许多场合下性能优于turbo码,具有较大灵活性和较低的差错平底特性;描述简单,对严格的理论分析具有可验证性;译码复杂度低于turbo码,并且可以实现完全的并行操作,便于硬件实现;吞吐量大,极具高速译码潜力;LDPC可以以最小的冗余代价改善整个系统的传输特性。

利用LDPC编码、解码技术,编码增益比目前采用RS编码加卷积码的编码方式性能提高大概2dB以上。

在调制解调方面,目前短波调制解调器基本采用FSK、PSK调制方式,适合于中低速数据传输;高速时由于受带宽限制,FSK、PSK不再适合,为此引入QAM调制方式,在信道传输条件较好时提高数据传输速率,便于高速数据通信要求。

3.猝发通信技术

信号在空中暴露的时间越长,被敌方侦收的可能性越大。猝发通信是一种较新的反侦察技术,其特点是采用尽可能高的发信速率,在尽可能短的时间内工作,缩短信号驻留时间,利用出其不意的工作方式降低被侦察、测向的概率。猝发通信通过加快通信速度来减少信号的留空时间,从而降低敌方的侦收概率,增加敌方破译的难度,而且也不易被敌方冒充和欺骗。所谓猝发通信技术是先将信息存储起来,然后在某一瞬间以正常时10~100倍或更高速率猝发。一方面可使用较大的脉冲功率来抵御有意干扰,另一方面由于发射时间的随机性和短暂性使侦收概率大大降低。猝发通信用于潜艇发射方式,可有效缩短信号在中暴露时间,有利于提高潜艇隐蔽性。

4.扩频通信技术

通过扩频技术和减少发射功率的办法,把通信信号隐藏在噪声中,而且只要对功率进行有效的调整,就可对波状形的合成噪声实施编码和解码,以实现通信过程。而对敌方来说,接收到的则是噪声信号。作战中采用这种通信方式,敌方截获和探测的概率就大大降低,即使侦收到了,也很难对信号进行分析利用。同时,由于把通信信号淹没在噪声中,也自然地解决了电磁干扰的难题。

5.极低速通信

在电磁环境恶劣的环境条件下,采用较低的通信速率,一般为每秒几十比特字节,保证最低限度的通信要求,适合于在紧急情况下传送短报文。

五、结论

潜艇的通信具有重要的意义,是其完成战斗巡航任务的前提和保障。但是由于运行位置的特殊性,目前潜艇短波通信的发展有两个主要难题:水面隐蔽性和水下可通性,针对不同应用环境采取不同技术手段,在确保潜艇安全隐蔽条件下实现通信可靠。

短波通信技术在潜艇通信中的应用责任编辑:陈老师    阅读:人次