水下应急通信的应用——潜艇应急通信

     
       随着通信技术与人类开发的进一步增强，水下通信在进行水下监测、水下开发和开展水下军事斗争等领域占领了越来越重要的地位，特别是从舰艇出现以来，世界各国潜艇失事事故频发，造成了严重的经济损失和人员伤亡，需要紧急开展对潜救援。可以说,从潜艇诞生之初开始，潜艇遇险和对潜救援就一直伴随着潜艇的发展。高效的对潜救援需要强有力的应急通信手段作为保障，以便快速定位遇险潜艇以及与艇上人员取得联系。

       潜艇执行任务必须要与外界有安全可靠的通信方式，短波在水中不能使用，因为短波在水中衰减得太快，为了解决此问题，可以釆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，这样潜艇在水下也可发射信号。实际上，潜艇在远距离用短波通信，其信号本身就不保密，可能被敌方 截获破译，并测出潜艇的位置，而且露出水面的浮标天线也有被敌方雷达探测到的可能。

       目前潜艇在水下若不使用通信浮标，是无法主动与岸上联络的，所以潜艇只能被动地单方面接收岸上的无线电超长波信号或极长波信号,这是岸上向潜艇通信的主要方式。超长波的波长为1。4〜lO'm,它能从空中钻入水里，在水中的衰耗比较小，穿透海水的深度最大可达30m,使水下的潜艇接收到岸上发来的电波。极长波的波长大于105m,几乎可以在全球范围内实现对潜通信，穿透水层的深度达200m以上，即使在最大距离上也可达到水下80m左右。美国海军威斯康星州极长波通信试验基地于1972年做发射试验，一艘远在4600km以外的大西洋水下120m处的美国黑鳄号核潜艇接收到了该台的信号。由于超长波和极长波发射设施非常庞大，占地达数平方千米，在潜艇上不可能安装，所以只能建在陆地，对潜艇来说，超长波通信和极长波通信只是单向广播式的通信，如果潜艇要接收岸上指挥机构的指令，必须按规定的时间和频率接收。潜艇在水下接收这种长波信号的深度是依据岸上长波发射台的发射功率大小决定的。由于极长波在单位时间内传送的信息量少，所以通信速度很慢。据试验，发送20个英文字母需用几十分钟时间，只能给核潜艇发送一些预先 规定好的简单易懂的信号，如给弹道导弹核潜艇发送发射核弹的命令等。

       随着激光技术的发展，人们又把目光投向卫星对潜激光通信。激光是极高频、频段在10kHz以上(波长3〜30卩m)的电磁波，通过卫星将信息发送或反射至潜艇。激光通信传输速率快，比极长波系统快几十万倍，具有方向性好、亮度高、能量集中、保密性强和有很强的抗核破坏能力等特性。激光通信设备可以做得轻便而经济，尤其天线小，一般天线仅几十厘米，重量不过几千克。激光通信的这些特点，可使潜艇在水下最佳安全巡航状态完成通信任务。

不同类型的潜艇其通信系统都不例外地由综合内部通信系统和综合外部通信系统以及控制它们的中心分配控制系统组成，潜艇通信包括以下几个方面。

       (1)岸对潜通信。岸对潜的通信联络主要是用于从岸基广播站到潜入水中的各型潜艇的信息交换，这类通信联络由ELF/VLF/LF和舰队卫星通信系统提供。

       (2)潜对岸通信。潜艇对岸基台站的通信联络电路是为支持潜艇到岸上指挥节点间的信息交换而建立的。通常使用附和卫星通信手段，并且均需釆用突发方式。

       (3)舰对潜通信。舰艇对潜艇的通信联络，主要是为支持战斗群中的某一舰艇与直接支援战斗群作战的潜艇间的信息交换，较常使用潜艇数据链。因其基本上在近程线路上进行，所以可采用HF/VHF/UHF无线电路和卫星通信。

       (4)潜对舰通信。潜艇对舰艇的通信联络通常使用近程通信线路，支援潜艇到战斗群中某一舰艇间的信息交换，主要使用HF/VHF/UHF无线通信线路以及卫星通信。

       (5)飞机对潜通信。飞机对潜艇的通信联络，主要是为舰载机与直接支援战斗群作战的潜艇之间提供信息交换线路以确保其间的战术协同。

       (6)潜艇对飞机通信。潜艇对飞机的通信联络是为战斗群中的直接支援潜艇与舰载战斗巡逻机和观察监视飞机间提供信息交换，它类似于潜艇对舰艇的通信联络。使用HF/VHF/UHF近程、低截获率的通信线路。

       (7)潜艇对潜艇通信。潜艇对潜艇的通信联络，是通过HF/VHF/UHF无线电线路、卫星通信和声学电话直接为两艘潜艇之间提供信息交换线路。

       (8)潜艇作战及遇险网。这个通信网主要用于在作战指挥机关、潜艇和有关舰艇之间交换作战信息，它主要使用HF和UHF频段。

潜艇的通信方式主要有无线电通信、浮标通信、激光通信、SSB水声通信等。

1)无线电通信

       潜艇的生存能力取决于自身的隐蔽性，一旦潜艇被敌方的水面舰艇或者空中飞行的飞机发现，就容易遭受到攻击，所以潜艇通常釆用无线电波这种隐蔽的方式来进行通信。在平时航行的过程中，潜艇要尽量避免发送无线电波，在不得不进行信息传输的时候，要尽可能地缩短通信的时间，提高信息传输的速度。潜艇发射出的无线电波经过通信电线发送给卫星，再由卫星传达到舰艇或者飞机当中，加大敌方截获信息情报的难度。

       (1)VLF无线电通信：VLF频段通常规定在3〜30kHz,一般认为这个频段的无线电信号可以在水下15m以内的深度接收到。大多数潜艇常装有两种天线来接收VLF信号。第一种是使用很长的拖曳天线，如美国海军使用的拖曳天线长度为500m左右。第二种天线是装在塑料浮标上的环状天线，塑料浮标由低速航行的潜艇在其工作深度放出。虽然这样做可减小潜艇被无线电侦察设备探测到的概率，但是这种天线在水中移动时会产生振动而发出声信号，会被声呐设备探测到；若塑料浮标非常贴近水面，也易被敌人从空中观测到。岸基VLF发射天线非常庞大，按四分之一波长计算其长度也在2.5〜25km范围内。显然体积十分庞大，造价极为昂贵，而且易遭受攻击而损坏，但它仍不失为当前比较好的对潜通信手段之一。因此，一些军事大国都不惜花费巨额资金建立这类VLF发射台。

       (2)ELF无线电通信：ELF频段被定义在30Hz以下的频率范围内，潜艇能在100m的深度上接收ELF无线电信号。据悉，若釆用先进接收设备和天线，还可使潜艇在400m的深度上接收到该频段信号。使用ELF频段进行对潜通信还有抗干扰能力较强和受核爆炸影响小的优点，因此它比较适合于弹道导弹核潜艇通信。使用这个频段进行对潜通信存在两个主要问题。第一是信息传输能力低。美国海军在20世纪70年代建立的“海员”系统,其信息传输速率每分钟只能传送lObit左右的信息。以后提出的“紧缩”ELF系统，据说需要15min才能传送一个三字符组。但是釆用高度压缩的代码后，可用三字符码组发送更多的报文。第二问题是陆基天线占地面积大，长度最短也要数十公里。

       (3)机载对潜中继通信系统：上述两种对潜通信系统均属于陆基固定通信设施，它们体积庞大，特别是天线系统，极难釆用隐蔽措施，极易被敌人发现和遭到攻击摧毁。为了保证与战略核潜艇的联络，还可以使用一种具有较高生存能力的机载VLF通信系统。例如，美国所谓的“塔卡木(TACAMO)”机载中继通信系统就属于此类。该系统全套设备装在大型运输机EC-130Q的无线电设备舱内，基本组成有VLF、LF、HF和SHF通信设备。VLF通信采用一台200kW发信机和一根约10km的拖曳天线，天线端部带一具稳定伞。需要发射信号时，飞机沿小半径圆圈连续飞行，使天线的垂直方向有效长度达到实际长度的70%。当陆基固定VLF通信发射台被摧毁时，则保证在任何时候都能有一架或多架这种飞机处于巡航状态和时刻准备转发发往战略核潜艇的报文。

      (4)潜艇HF/VHF/UHF通信：潜艇的生存能力完全维系于自身的隐蔽性上，潜艇在海上一旦被敌方水面舰艇或飞机发现便很难逃脱被攻击的厄运。为了安全，潜艇原则上要尽量少发射或不发射任何无线电波。目前比较有效的办法是尽量缩短通信时间和提高信息传输速率，无线电波在空中总的发射时间限制在无线电侦察定位系统的反应时间内。例如，完成一次通信时间只有0.08s,这使敌方的定位系统来不及对无线电波信号的存在作出反应。

     （5）UHF/SHF/EHF卫星通信：卫星通信的许多优点，特别是它的全天候通信能力，使它成为潜艇通信的一种主要手段。现在，大多数潜艇都在升降桅杆上装有卫星通信天线，这种天线能在潜艇贴近水面或在潜望镜深度航行时使用，在一定程度上增加了敌方的侦察探测难度。

2）浮标通信

       浮标通信，就是通过发射通信浮标来进行信息传输。尤其是发送的信息在实时性上没有太高要求的情况下，舰艇和潜艇之间就可以通过发送浮标的方式来进行信息传输，浮标当中装有盒式录音机和无线电发动机，能够提供军事行动所需要的情报信息。在潜艇出现危险的情况下，也可以通过应急浮标向水面舰艇发送报警信号。应急浮标当中安装有短波信标、氧灯信号器和水声定位信号发生器，能够帮助水面舰艇快速确定潜艇的方位，方便第一时间展开救援。

        对潜通信浮标是指在与潜艇进行通信时，可利用飞机或水面舰艇向潜艇投放的通信浮标。例如，.为了向水下潜艇发送电报，可将通信浮标装在标准声呐浮标内由飞机投放或从水面舰艇投入水中。预先拟好的报文（最多由四组三字符电码组成）利用一个按钮开关输入浮标中。浮标入水时，在水面附近完成第一次发送电报工作，然后下降到预定深度第二次发送电报，在同一深度停留5min后再发送一次电报，然后从浮标入水到沉没全部过程约持续17mino

潜艇向外（岸基、水面舰艇或飞机）通信时，可由潜艇发射通信浮标，如需发送的信息对实时性要求不高，可使用一种装有盒式录音机和无线电发射机的浮标从水下潜艇发射出去。在其上浮到水面后，经过15〜60min的设定时延将预先拟好的电文（最长4min）发射出去，经lh的延迟后再重发一次。设定这样的时间是为了潜艇的隐蔽。

3）激光通信

       激光通信，主要是运用蓝绿光波长比较长、在海水中传输损耗低的特点来进行潜艇与外界环境的通信。早在20世纪70年代初，美国海军就开始利用海水的这个所谓蓝绿光“窗口”为潜艇通信开辟新的途径。

        对潜蓝绿激光通信是指利用在海水低损耗窗口波长上的蓝绿激光，通过卫星或飞机与深水中潜行潜艇的通信，也包括水面舰只与潜艇之间的通信。一般来讲，蓝绿激光对潜通信系统可分为陆基、天基和空基三种方案。

      （1）陆基系统。由陆上基地台发出强脉冲激光束，经卫星上的反射镜，将激光束反射至所需照射的海域，实现与水下潜艇的通信。这种方式可通过星载反射镜扩束成宽光束，实现一个相当大范围内的通信；也可以控制成窄光束，以扫描方式通信。这种方案灵活，通信距离远，可用于全球范围内光束所能照射到的海域，通信速率也高，不容易被敌人截获，安全、隐蔽性好，但实现难度大。

     （2）天基系统。与陆基方案不同的是,把大功率激光器置于卫星上完成上述通信功能,地面通过电通信系统对星上设备实施控制和联络。还可以借助一颗卫星与另一颗卫星的星际之间的通信，让位置最佳的一颗卫星实现与指定海域的潜艇通信。这种方式不论隐蔽性还是有效性都是不容置疑的，应该说它是激光对潜通信的最佳体制，当然实现的难度也很大。

       (3)空基系统。将大功率激光器置于飞机上，飞机飞越预定海域时，激光束以一定形状的波束(如15km长、1km宽的矩形)扫过目标海域，完成对水下潜艇的广播式通信。

        如果飞机高度为1km,以300m/s速度飞过潜艇上空，激光束将在海面上扫过一条15km宽的照射带。在飞机一次飞过潜艇上空约3s的时间内，可完成40〜80个汉字符号的信息量的通信。这种方法实现起来较为容易，在条件成熟时，这种办法很容易升级至天基系统中。

       激光通信的优点是：穿透海水能力强，可实现与下潜400m以上的潜艇通信；工作频率高(10~14HZ),通信频带宽，数据传输能力强；波束宽度窄，方向性好；设备轻小；抗截获、抗干扰、抗毁能力强；不受电磁以及核辐射的影响。但是，由于这种通信方式使用经大气传播的光波，在大气中会引起光散射，造成信号的衰减。

4)SSB水声通信

       现代(SSB)调幅水声通信的技术核心是：水声通信信号(话音、电报)的传输釆用单边带(SSB)调幅技术。水声通信往往都是单程传输信号，传播损失比主动声呐小得多，最大通信距离可达约lOOnmo发信机把从用户终端送来的话音或电报信号(300〜3000Hz或800Hz单音)和一个8.078kHz的载波混频后，只留下上边声带经换能器送出。

       水声通信是很重要的对潜通信手段。在海下600〜2000m有一声道，声波在该声道中可传输到数千公里之外，其传播方式与光波在光波导内的传播类似。现代潜艇的下潜深度一般为250〜400m,而未来潜艇的潜深达1000m将是普遍的。因此，这种通信方式将成为一种有前途的对潜通信方式。

1)综合通信浮标

        这是一种用玻璃钢做的新型通信浮标，可由潜艇遥控。浮标内装有四通道的短波发信机和超短波发信机，用来向指挥中心发送信息，报告有关军事情报；另外还装备超长波前置放大器，用来放大指挥部门发给潜艇的微弱信号；在浮标上还装有与海水绝缘的各波段收、发天线，以提高通信性能。这种浮标通常用几百米长的电缆和潜艇的控制台连接，潜艇的通信控制台可以通过电缆遥控浮标上的各种通信设备。潜艇内装有电缆绞盘，通信时把浮标放出海面，不用时用绞盘快速收回浮标。

2)高速曳航浮标

       当潜艇在水下高速航行时，一般通信浮标受到海水的阻力很大，稳定性也比较差，只能在潜艇处于潜伏状态下使用。这不仅影响了潜艇的机动性，而且容易被敌方发现。为此，设计出了适应潜艇高速潜航时使用的曳航通信浮标。这种浮标由一个流线型玻璃钢外壳和可以折叠的天线组成。浮标尾部带有昆翼，它包括一个水平舵和一个垂直舵，形似一架倒悬的飞机，有很好的水动力特性和拖曳航行性能。它可以贴近水面随潜艇高速航行，能保障潜艇在快速潜航时实现对外通信。

3）应急通信浮标

       这是一种用于潜艇遇险救生、发射报警信号的通信浮标。当潜艇一旦遇难而陷入危险状态时，可以立即放出这种浮标，向水面舰艇发岀求救信号。通常，浮标内装有短波信标、気灯信号器和水声定位信号发生器等各种报警通信装置。水面舰艇收到应急浮标发出的各种求救报警信号后，即可根据水声定位信号迅速确定遇难潜艇方位，立即快速前往抢救。

4）消耗型无线电浮标

       为了使潜艇不必到浅水处进行通信，有时还使用被称为消耗型的无线电浮标，浮标内装有一部无线电发射机和预编好程序的报文。在潜艇下潜时它可以弹出并浮至水面，天线能马上或在设定的延迟时间之后竖立起来进行通信。通信结束后，浮标自动引爆并下沉。这种装置可向潜艇提供有效的发射手段而不限制潜艇作战的机动性，可用于除VLF和LF以外的任一频段。虽然在其发射信号时有可能被敌方的测向系统探测到，但是发射前的设定延时使潜艇可以在浮标位置被测出之前就已远离这一地点。

5）潜艇卫星终端浮标

       现代新型潜艇都尽量配备卫星通信设备，潜艇卫星终端可装在一个特殊的浮标内。潜艇通过浮标天线，向通信卫星定向发射信息，通信卫星再把信息放大转发给地面站、水面舰艇或飞机。同样，这种浮标也可以接收通信卫星转发来的信息，然后由潜艇计算机进行信息处理。这种通信方式速度快、容量大、方向性强、保密性能好，敌方难以察觉潜艇的行踪。

       潜艇应急通信分为对外和对内两部分：对外部分主要是完成遇险报警通信以及与救援人员的现场协调通信；对内部分主要是实现艇内人员应急情况下的信息互通。本节主要对潜艇对外救生通信进行讲述。

       潜艇通常于首尾位置装备应急救生浮标，遇险后由艇员操作释放。应急救生浮标由浮标体和相应报警通信设备组成，浮标可带有电缆与潜艇相连，也可釆用无缆形式。浮标体浮力较大且能耐较大水压，出水后浮标体内设备对外进行报警通信。根据应急救生浮标实现的功能不同，主要有无线电信浮标和应急通信浮标两种。

1）无线电信浮标

       无线电信浮标与救援力量的导航、定位、雷达系统配合构成寻位系统，实现对遇险潜艇的快速定位，通常仅具有报警和定位功能，并无双向通信能力。浮标釆用被动和主动两种方式报警示位。被动方式通常结合雷达系统实现，浮标内设备对雷达扫描信号进行应答，从而使救援舰船或飞机发现和定位遇险潜艇。当浮标与潜艇有缆连接时，雷达扫描信号还可传递至潜艇舱内终端，告知艇内人员等待救援。

主动方式则通常结合卫星定位和通信网络实现，釆用无缆形式，浮标出水后通过全球卫星搜救系统(COSPAS-SARSAT)报警，报警消息包括其发射时间、标号和初始位置；报警消息发出6h后，作为卫星报警的后备方法，浮标于121.5MHz发送报警信标，附近舰船或飞机可根据信标对其定位。

2)应急通信浮标

       应急通信浮标不但具有报警定位功能，还具有双向通信功能。为了实现双向通信功能，这种浮标一般采用有缆形式，即潜艇与浮标间通过电缆连接。救生通信设备由潜艇舱内终端设备和浮标内设备组成。舱内终端是人机接口，艇员通过人机界面完成报警和船名代码的输入、遇险经纬度和时间的输入、报警呼叫的编码、频率更换以及对浮标内设备的收发控制等。浮标内设备主要是接收舱内信息处理单元的指令，完成信息收发。目前，浮标内通常装备超短波救生电台，通过发送数字选择性呼叫实现对外报警，通过多个频点上的话音通信实现与救援舰船和飞机的通信，还可装备有线电话实现与艇外救援人员的通信。

       另外，应急救生浮标还可具备灯光闪烁报警、兼容艇体供电、自备电池供电和向潜艇提供反向供电线路等功能。但需注意的是，艇体供电和提供反向供电线路需要浮标釆用有缆形式。目前，英国、俄国的潜艇应急救生浮标普遍釆用有缆形式，而美国、德国、荷兰等国则主要釆用无缆浮标。

       除了应急救生浮标，世界各国也普遍利用水声通信手段实现水下遇险潜艇应急通信。美国在水声通信应用方面处于前列，研制装备有水声电话、紧急水声电话和紧急声呐信标。但水声通信设备受海况、水文等条件制约，通信距离有限、传输速率较低。美国潜艇水声应急通信设备参数如表8.1所示。

表8.1美国潜艇水声应急通信设备参数表

通信设备	模式	工作频率/kHz
		低	高
水声电话	声波	1.45 〜3.1	8.3 〜11.1
	连续波	2.85	8.84
紧急水声电话	声波	8.2875	11.0875
紧急声呐信标	声波	3.5	无

       便携式应急电台可由艇员携带，在潜艇处于水面状态时使用，实现对外报警通信，同时也可在潜艇状态不适宜艇员继续滞留的情况下，由艇员携带离艇使用。,考虑到便携式应急电台的使用特点，对其进行了水密和储存浮力处理，使其可漂浮于水面工作。目前，便携式应急电台上一般搭载短波、超短波应急通信设备，可实现对周边区域的数字选择性呼叫报警和多个频点上的话音通信。

       与对外应急通信设备相比，潜艇内部应急通信设备相对简单。目前，世界各国潜艇基本装配了网络化综合内部通信系统，实现日常艇内通信功能。当潜艇遇险时，若艇内供电和网络正常，可利用综合内部通信系统实现应急情况下的艇内联络互通。当险情导致艇内供电或网络故障时，潜艇上装配有声能电话，在无须供电的情况下，依靠话音声能传递信息，且与综合内部通信系统相隔离，保证艇内主要部位间的应急通信。