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深海快速通信系統

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「深海快速通信系統」(CSD)將把深藏海底的核潛艇與美國國防部的全球信息網路連結起來,首次實現潛艇與陸空的雙向通信交流。人類目前的通信手段已經發達到不僅能在喜馬拉雅山最高峰打電話,還能在國際空間站里玩微博。然而,網路化的信息上天容易入海難,直到若干年前,海底100米以上的潛艇只能靠15分鐘傳送一個三字元組的「龜速」ELF無線電信號與地面溝通,更別說打電話、發郵件了。

1 深海快速通信系統 -基本簡介

深海快速通信系統「深海快速通信系統」(CSD)將把深藏海底的核潛艇與美國國防部的全球信息網路連結起來,首次實現潛艇與陸空的雙向通信交流。

洛克希德·馬丁公司的新項目「深海快速通信系統」(CSD)將把深藏海底的核潛艇與美國國防部的全球信息網路連結起來,首次實現潛艇與陸空的雙向通信交流。

人類目前的通信手段已經發達到不僅能在喜馬拉雅山最高峰打電話,還能在國際空間站里玩微博。然而,網路化的信息上天容易入海難,直到若干年前,海底100米以上的潛艇只能靠15分鐘傳送一個三字元組的「龜速」ELF無線電信號與地面溝通,更別說打電話、發郵件了。

近年來,美國海軍積極發展海底通信技術,洛克希德·馬丁公司打造的一個新項目——「深海快速通信系統」(Communications at Speed and Depth,簡稱CSD)將把深藏海底的核潛艇與美國國防部的全球信息網路連結起來,首次實現潛艇與陸空的雙向通信交流。該系統將於2011年1月投入測試,如果成功,美軍潛艇將可在下潛時進行實時戰術通信,大大提高行動的靈活性。

洛克希德·馬丁公司的新項目「深海快速通信系統」(CSD)將把深藏海底的核潛艇與美國國防部的全球信息網路連結起來,首次實現潛艇與陸空的雙向通信交流。

2 深海快速通信系統 -背景資料

 潛艇在水下的通訊聯絡方式有兩種:
一,水中通訊——利用聲吶設備:
為了達到隱蔽的目的,潛艇大部分時間是在深水活動,聲音在空氣中的傳播速度為每秒340米,而在水中高達每秒1435米。有一種水下通信聲吶,它能向水中發射長短不一的聲波信號,組成電報的密碼,或將語言和聲波相互轉換來通話,它的任務是保證潛艇的集群活動或配合其它兵力通訊聯絡需要;敵我識別聲吶是在水下偶然發現水面或水下潛艇時,用對口令的方式判斷敵我,這種聲吶發出一個特殊的信號(口令)詢問對方,對方若是自己的潛艇,就回答一個信號,若不是就收不到信號,即使收到也不能正確回話。水中使用聲納是嚴格控制的,因為容易被敵方截獲。

二,在水中與外界通訊——利用無線電波
潛艇要遂行軍事任務必須要與外界有安全可靠的通信方式,短波在水中不能使用,因為短波在水中衰減得太快,為了解決此問題,可以採用浮標天線或浮力天線,即把天線通過一根長長的繩索施放到水面,這樣潛艇在水下也可發射信號。實際上,這樣仍然存在一個潛艇自我暴露的問題,因為潛艇在遠距離用短波通信,其信號本身就不保密,可能被敵方截獲破譯,並測出潛艇的位置,而且露出水面的浮標天線也有被敵方雷達探測到的可能。

目前潛艇在水下如不施放通訊浮標,是無法主動與岸上聯絡的,所以核潛艇只能被動地單方面接收岸上的無線電超長波信號或極長波信號,這是岸上向潛艇通信的主要方式。超長波的波長為1萬到10萬米,它能從空中鑽入水裡,在水中的衰耗比較小,穿透海水的深度最大可達30米,使水下的潛艇接收到岸上發來的電波。極長波的波長大於10萬米,幾乎可以在全球範圍內實現對潛通信,穿透水層的深度達200米以上,即使在最大距離上也可達到水下80米左右。

美國海軍威斯康星州極長波通信試驗基地於1972年做發射試驗,一艘遠在4600千米以外的大西洋水下120米處的美國黑鰺號核潛艇接收到了該台的信號。由於超長波和極長波發射設施非常龐大,佔地達數平方千米,在潛艇上不可能安裝,所以只能建在陸地,對潛艇來說,超長波通信和極長波通信只是單向廣播式的通信,如果潛艇要接收岸上指揮機構的指令,必須按規定的時間和頻率接收。潛艇在水下接收這種長波信號的深度是依據岸上長波發射台的發射功率大小決定的。由於極長波在單位時間內傳送的信息量少,所以通訊速度很慢。據試驗,發送20個英文字母需用幾十分鐘時間,只能給核潛艇發送一些預先規定好的簡單易懂的信號,如給彈道導彈核潛艇發送發射核彈的命令等。

3 深海快速通信系統 -應用

人們目前已經能在喜馬拉雅山最高峰打電話、在國際空間站里玩微博了,然而,網路化的信息仍停留在「上天容易入海難」的階段,深度潛伏在海底的核潛艇可謂是世界上最難接收到通訊信號的地方。傳統的潛艇利用ELF無線電通訊,ELF頻段是被定義在3000赫茲以下的頻率範圍,潛艇能在100米的深度以上接收到該頻段信號,如果採用先進接收設備和天線,它還可使潛艇在400米的深度上接收到信號。這種通信手段具有較強的抗干擾能力和受核爆炸影響較小的優點,常用於彈道導彈核潛艇通訊。

4 深海快速通信系統 -技術障礙

然而,這種通信手段有兩個致命缺點:首先,它的傳輸能力較低。美國海軍在上世紀70年代建立的「海員」系統,其信息傳輸速率每分鐘只能傳送10比特左右的信息。後來提出的「緊縮」ELF系統,據說需要15分鐘才能傳送一個三字元組,採用這種高度壓縮的代碼后,可用三字苻碼組發送更多的報文。其次,這種系統在陸地的配套設施佔地面積大,天線長度最短也要數十公里,由於岸站目標太大,容易遭到攻擊破壞的危險十分大。第三,由於傳輸頻率低速度慢,海底的潛艇只能單向接收外界發射的信號,而無法主動發送信息。長久以來,潛艇要把情報發送出去時,必須把「觸角」伸出海平面甚至浮出水面,這極易導致潛艇暴露位置,成為攻擊目標。儘管如此,ELF系統仍然是目前世界上佔主流的深海通信手段。在全球僅有的幾個ELF發射站里,美國就佔了其中兩個,一個位於密歇根州,一個位於威斯康星州。

5 深海快速通信系統 -最新技術突破

深海快速通信系統深海快速通信系統

深海潛艇儘管具有隱蔽性強的特點,但潛艇裡面的人員與外界的交流十分困難。洛克希德·馬丁公司「深海快速通信系統」(CSD)的項目負責人羅德·瑞恩茲表示:「人們以為在潛艇里能隨時接聽或撥打電話,其實這在海底是一件奢侈的事情。」為了改變這種情況,洛克希德·馬丁公司決定打造一個「21世紀的潛艇通信系統」,使深藏在海底的潛艇與海面上的軍艦那樣,能夠與美國國防部的「全球信息柵格」(簡稱GIG)聯網。GIG是美軍為陸海軍士兵、飛行員、陸戰隊員和決策層,提供數據保密及非保密計算機網路連接的全球性信息網,包括所有自有和租借的通信與計算系統、軟體、數據、安全服務以及獲取信息優勢所必需的服務,堪稱「網路中心戰」的「大腦」。

CSD系統與以往實現海底通信的類似嘗試有許多相似之處,比如它同樣是依靠浮標作為信號傳輸的媒介,它同樣要求這些浮標露出海平面,不同的是,它能實現其他系統不能達到的雙向通信功能,不僅能接受信號,更能發射信號。此外,與其他系統只有一個浮標不同,CSD系統要求潛艇在海面部署三個浮標:其中兩個是與潛艇連接的固定浮標,第三個則是自由漂浮的聲納浮標。固定浮標利用光纜實現數據傳輸,這條光纜綿延數英里,使得潛艇無論在任何深度都能利用超高頻無線電波(UHF)或通過「銥星」(Iridium)衛星網路以最快的速度與外界進行交流,這也是「深海快速通信系統」得名的原因。另一個自由移動的聲納浮標則把聲學信號轉換為無線電頻率,它可由飛機從空中投放,或由潛艇在海底發射,與其他潛艇進行水下聲學通信。所有的浮標都是消耗型無線電浮標,固定浮標的使用壽命約為一個半小時,聲納浮標能使用3天,通信結束后,所有浮標將自動引爆下沉。

從理論上來說,CSD系統能進行聲訊通話,深海電話在未來將成為現實。瑞恩茲的團隊去年4月曾嘗試利用衛星進行通話,但「通話效果仍未達到理想程度」。電話並不是設計CSD系統的主要目的,美國海軍很可能利用該系統與外界交換加密電碼。這個「在一定深度和航速下進行通信的系統」使得美國海軍潛艇可以在下潛狀態時進行實時戰術通信,有助於提高美國潛艇部隊的行動靈活性。瑞恩茲認為:「CSD系統的價值在於,潛艇可以在不中斷任務或者上浮到一定深度的情況下進行通信。很多時候,潛艇為了通信而上浮,增加了被探測到的可能性,也可能失去了對一個重要目標的跟蹤監視。」

據悉,CSD浮標的訂單價值高達3500萬美元,由美國最大軍火商洛克希德·馬丁公司拿下,它將於兩個次級承包商合作設計製造CSD浮標,它們分別是美國超級電子海洋系統公司(Ultra Electronics Ocean Systems)以及由美國斯帕頓電子公司和水下感測器系統公司組成的合資企業Erapsco公司。據悉,第一批浮標將於2011年1月投入測試,如果成功,CSD將成為全球第一個專為潛艇打造的海底雙向通信系統。儘管浮標部署的具體深度屬於保密信息,但瑞恩茲聲稱,連接浮標的光纜長度「以英里為單位」,且「長得足夠令潛艇潛到一定深度時仍能保持正常網速。」

6 深海快速通信系統 -優點

隱蔽性是潛艇相對於水面艦船最突出的優勢,但海水同時也是阻斷無線電波的天然障礙。潛艇在深海執行任務時,經常要與外界隔絕幾周甚至幾個月時間,萬一碰到緊急情況需要與岸上溝通,就必須上浮以便把天線伸出水面,從而增加了暴露自身位置的風險。

作為克服這一矛盾的新嘗試,「深層警報」計劃的核心,是一套集成了計算機、衛星通訊和聲學技術的浮標系統,每艘潛艇都可以攜帶許多組。有趣的是,這種通訊浮標的投放,居然是藉助潛艇上的垃圾滑槽來完成的。

根據事先設定的程序,浮標在離開母艇后,首先會在水下停留一段時間。待潛艇潛航到安全距離外,它才緩慢浮出水面,並藉助通訊衛星向千里之外的司令部發出暗號。一旦同後者建立聯繫,浮標就會向水下伸出一根天線,將來自岸上的信息予以編碼加密,而後經換能器「翻譯」成聲脈衝形式,發送給50平方海里(約合171平方公里)範圍內的潛艇。

該通訊浮標屬於消耗品,有30分鐘到1小時的工作壽命,足夠潛艇指揮官接收數十條指令。如果維持待機狀態,那麼它可以維持3天時間。等通訊完畢或是電池用盡,浮標就會啟動自毀程序沉入海底,以避免被敵方繳獲。

裝備「深層警報」系統的潛艇,能夠在任何深度與航速與岸上進行實時通訊。由於浮標和潛艇間保持一定距離,敵方很難通過電波測向捕捉到潛艇的蹤跡。「該技術的實用化,將令我們的潛艇在作戰中隨時獲得上級和友軍的支持。」雷聲公司戰術通訊分部副主任傑里·鮑恩表示。

2008年,美國海軍對該系統開展了初步測試。6月間,一艘潛艇在巴哈馬群島海域成功投放了浮標,並與位於弗吉尼亞州諾福克的司令部取得了聯繫。在克服了技術障礙后,軍方是否願意繼續提供研發經費,將成為決定「深層警報」計劃命運的關鍵。

7 深海快速通信系統 -發展現狀

軍火商爭相研發深海通信系統,近年來,全球各大軍火商紛紛加入研發海底通信系統的大軍,它們提供的新技術也大大提高了潛艇的信息傳輸能力。比如,英國奎奈蒂克(QinetiQ)公司的「深海」計劃能使美國海軍的潛艇利用空中的藍綠激光實現雙向通信;美國雷神公司的「深海女妖」(Deep Siren)項目製造了消耗型的尋呼浮標,它們能把衛星信號轉化成聲學信號傳遞給海底的潛艇,但這種傳遞只能是單向的。另外,美軍的高頻主動極光研究項目(High Frequency Active Auroral Research Program,簡稱HAARP)也是其中的佼佼者,它嘗試利用大氣層作為天線的替代品,從阿拉斯加發射出的大功率高頻電磁波束能激活地球的電離層,使它產生極端低頻的波束,這種波束能穿過鹽水折射到海底深處,為潛艇所接收。

8 深海快速通信系統 -相關事件

漁業發展的現況分析
海洋漁業生產安全問題不容忽視。
由於海上漁業生產環境的特殊性,以及海上通訊網路和安全預警、救助系統建設滯后等種種原因,在特殊天氣狀況下特別是颱風期間經常發生安全事故,海上漁業安全應急指揮應以保障廣大漁民的海上漁業安全生產為第一要務,系統應包括海上作業漁船的應急指揮,漁船港、漁排和重要岸段的視頻監控,主要功能包括:漁船信息的管理、漁船海上定位、信息發布、報警處理、海上求助調度與應急指揮,主要港灣、漁港、養殖區(漁排)、重點岸段的視頻監控等,各級指揮中心可實時了解漁船在海上的具體位置、動態,主要港灣、漁港、養殖區域海況和沿岸易受災區域岸段的近岸海況、危險天氣下漁排上人員撤離情況等,便於海難救助與防災應急指揮。

海上漁船應急系統的主要實現手段 :
福建省海上漁業安全應急指揮系統項目將充分運用衛星、短波、超短波和 CDMA通信技術以及GPS衛星定位技術、GPSONE基站衛星混合定位技術、計算機應用技術,達到漁船在航行或作業中遇險、遇敵和發生重大海損事故等危急情況時能及時實施互援互救和報警求救,各級漁業管理部門能對外海、近海等作業漁船實施有效監測和指揮作業區內漁船,定時或不定時發布氣象等信息,並進行相關法律、政策的宣傳,從而進一步改善外海、近海漁業通信落後狀況,避免和減少漁業涉外事件的發生。

實現各漁船之間及其與漁政指揮船之間,與陸地客戶指揮中心之間,各級指揮中心之間的及時通信,遇險等危急情況可迅速向附近漁船和漁政指揮中心報警,分中心及時把報警信息反映到省指揮中心,實現漁船間互援互救和漁政船的搜救工作、統一指揮。通過聯通 CDMA 1X網覆蓋沿海 50公里 到 90公里 範圍的近海漁場,實現近海用戶使用優質、話費低廉的地面移動通信網,通過結合 GPS衛星定位系統,便於漁船近海遇險后的及時自救、互救和搜救工作的開展。另外在船上可通過CDMA 1X手機上互聯網查詢各種漁業信息,如(天氣,魚市價格等信息)。

在地面移動網覆蓋不到的深海,通過短波通信實現各漁船與中心台以及漁船之間,實現語音指令及信息互通和遇險報警。由銥星或 Inmarsat衛星網補充實現在惡劣天氣情況下的通信保障,與GPS衛星定位系統結合,實現外海生產漁船的定時或不定時船位報告和船位監控。

海上漁船應急管理系統
該子系統是本項目的基礎組成部分,一期擬以 CDMA1X為無線數據通信網路基礎平台,建立可以在福建省近海海域範圍內實現漁船管理調度的GPS船位監控系統。二期在外海,利用短波數據通信系統做為通信平台,在外海海域範圍實現漁船管理調度的GPS船位監控系統。

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