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海洋论坛▏国外海军无人平台及其通信技术发展研究

2021-06-08 11:19

       一、引言

       近年来,全球海域局势发生了深刻而复杂的变化。为了在未来信息化条件下的海上局部对抗中取得主动和先机,世界各国争相发展新型海上力量。其中,随着海军装备向信息化、智能化方向发展步伐的加快,无人平台逐渐在海战场环境中崭露头角。无人平台具有隐蔽性好、生命力强、造价低廉、不惧伤亡、收发简单和操作灵活等优势,可深入恶劣、危险环境执行任务,可担负多种军事作战任务,将深刻影响和改变未来海上作战方式,已成为国际强国争相发展的海上军用装备。

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       海军无人平台以无人潜航器、水面无人艇、空中无人机为主要代表。其中,无人潜航器能够承担水下侦察/探测、反潜作战、反水雷等任务;水面无人艇能够承担情报收集、海上拦截/封锁、对舰攻击、电子战等任务;空中无人机能够完成空中侦察、目标识别定位、通信中继、战场评估等任务。在未来海战中,信息是制胜关键。同时,随着执行任务复杂度的日益增加,以及反无人平台的措施越来越多,单一无人平台执行任务将面临越来越多的困难,迫切需要多平台协同作战。因此,无人平台、有/无人平台间信息交互的需求越来越突出,相应的通信技术发展逐渐被人们关注。

       根据搭载的平台不同和任务需要,海军无人平台的通信载荷需要担负战时目标指示、攻击制导、通信中继、电子干扰攻击、战场评估、信息中继、抵近准确打击信息保障与信息防御等多重使命,为无人平台达成作战使命任务提供可靠、有效的通信保障。本文围绕无人潜航器、水面无人艇、空中无人机三种主要海军无人平台,在论述平台发展情况的基础上,阐述它们通信技术的发展情况,为我国海军无人装备发展提供借鉴和参考。

       二、国外无人平台发展现状

       ⒈无人潜航器

       无人潜航器诞生于20世纪50年代末,当时主要用于海洋科学研究。20世纪80年代~90年代,随着小型化组合导航、远程水下通信、小型低能耗计算机等技术的突破,无人潜航器具备半自主控制能力,但由于成本达数百万美元,未正式装备。20世纪90年代末,上述技术进一步成熟,成本明显降低,并在民用领域广泛应用,反水雷等功能的无人潜航器开始装备部队。21世纪以来,无人潜航器的自主水平和动力装置水平等进一步提高,其任务开始向反潜、水下侦察等领域扩展。

       美国于2007年将各类无人系统进行了统筹规划,统一发布了《无人系统路线图》,每两年对无人系统发展规划进行滚动修订并发布。根据规划,美国海军将进一步开发无人潜航器自主能力、能源和推进技术,传感器和信号处理技术,通信和导航技术以及作战和人工干预技术等。欧洲防务局于2010年发布了《海上无人系统方法与协调路线图》,提出突破传感器、平台、通信、指控、自主控制、反水雷等关键技术;采用按需、量力而为的策略,根据各国需求和能力设定关键技术发展次序。

       至今大约有数千艘各种用途的无人潜航器已在军用和民用领域得到应用,美国、西欧等发达国家已研制成功数十型实用化装备。

       ⒉无人水面艇

       无人水面艇的历史可追溯到二战时期,那时它们只是被作为一次性的自杀性武器使用。20世纪90年代以来,随着计算机、通信和自动化技术的迅速发展,无人水面艇初步实现了自主控制,其任务系统逐步呈现出多样化的特点。2000年至今,无人水面艇迎来了活跃期,美国、以色列等发达国家引领无人艇进入新的发展阶段。

       为了规范无人艇的发展和应用,美国发布了《海军无人艇主计划》等指导性文件。《海军无人艇主计划》中确定了无人艇的任务和角色,集中在反水雷战、反潜战、海上安全、反舰战、支持特种作战部队、电子战、支持海上封锁战等七大任务上,计划解决自主、避障与避碰、威胁规避、自动目标识别、载荷自主部署与回收、通用控制、武器投送、无人艇从母艇上布放与回收等技术与工程问题,为无人艇的应用打下基础。世界各国或是参照美国或是自主制定,均形成了各自的发展计划或路线。

       目前,各国发展并装备的无人艇多为集反水雷战、反潜战、信息/电子战等多种能力于一体的多功能无人艇。例如:美国的遥控猎雷系统(RMS)、“海狐”和“斯巴达侦察兵”等,以色列的“保护者”、“黄貂鱼”、“银色马林鱼”、“海星”等。

       ⒊空中无人机

       无人机的诞生要追溯到第一次世界大战,用于在敌方目标区投放炸弹。20世纪90年代,由于航空技术的迅猛发展,无人作战飞机引来了难得的发展机遇。美国先后启动了空军的无人作战飞机计划、海军的舰载无人作战飞机先进技术计划以及由这两个计划综合的联合无人空战系统(J-UCAS)计划,在无人作战飞机的研制方面,远远走在了各国的前面。

       2005年,美国国防部签署了《2005~2030年美国无人机系统发展路线图》,《路线图》对无人机的任务等级需求进行了探讨,给出了常用4型无人机系统(小型、战术、战区、作战)要能够遂行的18项任务(如:侦察、信号处理、水雷探测/反水雷、目标准确定位、通信中继、武器攻击、战场搜索与救援等),并对无人机在未来战争中的作用进行了专门论述。美军已经研制的无人机型号有近60种,代表性的是空军“捕食者”、“全球鹰”等无人机。近年来,美海军研制了MQ-4C广域海上监视无人机、X-47B无人作战飞机、鸬鹚潜射无人机等适应海战需要的新型无人机。其中,X-47B无人作战飞机是第一款能够实现在航母上起降的全新无人机,航程接近F-35战机两倍,时速达到800km,飞行高度约为12000m,具备空中加油能力和高隐身性能,2013年7月在“乔治·布什”号航空母舰上成功实现了该型无人机的起降飞行验证。

       三、国外无人平台通信技术发展现状

       ⒈无人潜航器通信现状

       无人潜航器需发展水下通信技术,主要采用光纤有线通信、低频通信、水声通信,同时也采用无线电通信及卫星通信等通信手段,一般配置光纤信号电缆、低频接收机、水声调制解调器、无线电高频调制解调器、卫星通信接收机等通信设备。例如:美国远期水雷侦察系统配有水声通信、卫星通信和无线电通信手段,可将它探测到的所有与水雷相似的物体图像通过水声或无线电通信设备发送回母艇;美国“海马”无人潜航器配有无线电通信、卫星通信和水声通信系统,保证其与潜艇的通信联络;俄罗斯MT-88型航行器配备超短波电台和卫星通信终端,以保障无人潜航器完成通信任务。

       对于无人潜航器卫星和无线电通信,美国国防部的一项研究报告指出,高轨卫星可应用于对无人潜航器的通信。通信频段主要采用225MHz~400MHz的UHF频段,通信速率为每秒传输几十至几千比特,调制方式采用正交相移键控(QPSK),并确定时分多址(TDMA)技术是在不利的海洋射频环境中适合的通信方式。同时,军用标准MIL-STD-188-182B/183B/184⑴/185⑵等对终端接入模式、帧结构、时序要求、协议、空中服务和接口等方面做了规定。

       此外,受限于无人潜航器的载荷体积,其搭载的通信设备应最大程度地做到小型化设计。综合网络报道,美国Pharad公司研发了一种宽带、小体积的紧凑型天线,可以直接安装在无人潜航器通信桅杆上(如图1所示)。这种天线系统支持超高频视距通信UHFLOS(225MHz~400MHz)、按需分配多址卫星通信DAMASATCOM(240MHz~320MHz)和移动用户目标系统卫星通信MUOSSATCOM(280MHz~380MHz),天线高度集成,其形状很适合装载到无人潜航器上。

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       近年来,随着水下信息网的快速发展,为了满足高速水下信息互联需求,蓝绿光通信技术逐渐应用于无人潜航器通信。2017年10月,日本报道其研究出了通信距离120m、双向传输速率为20Mbit/s的水下光通信产品。可以看出,国外无人潜航器通过多种手段可与水下固定设施、舰机平台、卫星等实现通信链接,进行数据交换,并作为水下信息网格的重要节点,支持“互联、互通、互操作”的水下网络链接能力,并以此实现与潜艇、特种作战兵力、其他无人潜航器、水面舰等的通信联络。

       ⒉无人水面艇通信现状

       从国外公开的水面无人艇资料分析,无人水面艇基本上配备了卫星天线、超短波天线和GPS天线,可以推测主要通过卫星和超短波进行控制和通信。超短波主要用于视距高速数据传输,卫星通信用于远距离数据传输。

       依靠高效的通信手段,无人水面艇协同作战逐渐被世界各国关注。美国国防高级研究计划局从2000年开始启动了“无人集群战役研究”计划,进行集群作战研究,并于2014年8月在弗吉尼亚州詹姆士河上进行了13艘无人水面艇(8艘遥控、5艘自主控制)组成的集群作战演示。2016年10月,美国海军研究署再次开展了无人水面艇集群试验,在16平方海里海域内,4艘无人水面艇成功集群实现自主目标探测与识别、跟踪、巡逻,整个控制回路无需人工参与,首次真正实现了集群作战。

       ⒊空中无人机通信现状

国外无人机重点采用卫星、微波、超短波等通信手段,并发展综合化通信中继载荷,适应多种作战通信保障需要。

       “捕食者”无人机上配备的主要通信手段包括5.25GHz~5.85GHz的C频段的视距数据链和12.5GHz~18GHz的Ku频段卫通数据链,并配有30MHz~512MHz频段的ARC-210超短波电台,用于空管话音中继通信和指控备份。其中C波段下行速率4.5Mbps,Ku卫通下行速率最高可达50Mbps。

       “全球鹰”的机载综合化通信系统可为“全球鹰”无人机提供5条通信链路,包括3条窄带链路和2条宽带链路。MQ-4C广域海上监视无人机配置多体制通信手段,可实现360°、最大作用半径540km的空中通信。

       由于无人机可较长时间处于高空,通信信号可覆盖一定范围,发达国家已开展无人机战场中继通信应用研究,作为卫星通信的有效补充,实现特定区域的信息无缝覆盖。美军的4架EQ-4B“全球鹰”无人机搭载“战场机载通信节点”设备,具备UHF、L、Ku、Ka多频段通信中继能力,支持图像、视频、话音和数字文电的无缝传输。以色列Satixfy公司利用无人机平台实现Ku频段宽带中继通信,载荷采用8幅天线实现下视180°全向覆盖,具备36Mbps通信能力。

       四、无人平台通信关键技术

       从国外发展情况可以看出,国外军事强国在制定其无人平台发展战略时,均将通信技术发展放在重要位置,以保障无人平台顺利完成作战任务。结合工程实践,总结国外技术发展现状,梳理分析无人平台通信关键技术主要有以下几种。

       ⒈卫星通信技术

       卫星通信技术被广泛应用于水下、水面、空中各种无人平台中,是目前及今后一个时期无人平台主要的远程高速通信手段。根据平台类型不同,具体技术有所不同。无人潜航器上,多采用小型化全向卫星天线并与其它频段天线集成,通信频段和通信速率相对较低(如:UHF频段、速率几十至几千比特/秒),仅在平台浮出水面时短时间使用;无人水面艇上,可采用带伺服机构的较大尺寸高增益天线,通信频段有S/Ku/Ka等多种更高频段,通信速率也较高,需保证随时对外通信;空中无人机上,卫星通信天线多采用相控阵共形设计,保证无人机的流线外形,通信速率较高(可达数十兆比特/秒),并通常应用于数据链通信,保障各种战术数据信息传输。

       ⒉无线电通信技术

       除了卫星通信,各种无人平台还广泛采用短波、超短波、微波等无线电通信手段。短波通信主要保障远程通信,与卫星通信不同,它利用电离层反射实现天波远距离传输,不依赖信号中转,抗毁性较强,但为保证通信性能,需较长天线和较大功率,在重要且空间充足的无人平台上可以配置。超短波和微波通信手段主要保障近距离高速通信,其中空中无人机还常配置有微波数据链,从而实现战术信息互联。

       此外,无人潜航器还可能采用一类特殊的无线电通信——低频通信。低频通信采用频率低于300kHz的电磁波进行无线通信,目前主要有甚低频和超低频两种手段。由于低频电波发射需采用大功率发射机和超大尺寸天线,因此无人潜航器上不安装发射设备,仅单向接收低频信号。同时,由于低频通信频带较窄、速率较低,主要用于向无人潜航器发送简短指挥信息或振铃唤醒信息等。

       ⒊水声通信技术

       水声通信可用于完成水下目标之间、水下目标与水面目标之间的双向通信,因此被配置于几乎所有的无人潜航器和部分无人水面艇上。水下声信道与无线电信道不同,水下声波的传播速率比电磁波的速率低五个数量级,导致水环境中的数据传播速率较低,从而增加了传播时延。此外,传统水声通信在海洋环境中受水体对声能的吸收衰减、海洋环境噪声、海水信道随机多径干扰等影响,通信效果一直不佳。研究发现,海面下600m~2000m之间存在一个声道,在该声道中,声波可传输到数千公里之外。针对无人潜航器通信需求,结合超深声道远程传播特点,研究声波在特定声道下的传播机理,采用扩频、多元信号并行、混沌序列等技术克服海浪、海涌、温度、密度等对声波有效传播的影响,将能实现水声通信性能的提升。

       ⒋光通信技术

       光通信由于频带宽、速率高,可以满足无人平台高速数据传输需要,特别是,近年来水下光通信技术的发展给无人潜航器水下近距离高速通信提供了一种手段。海水对蓝绿光(波长450nm~550nm)存在低损耗窗口,从而使蓝绿光穿透海水数百米,但恶劣环境中海水杂质粒子会对蓝绿光产生散射及吸收作用,光通信的两端还需进行较好的对准捕获方能高速通信。上述技术问题的进一步攻克,将有助于水下光通信技术向实用化推进。

       ⒌集群组网技术

       针对无人平台各通信手段在链路质量、时延、网络拓扑变化方面的差异,借鉴传统的自组织网络技术,可以实现同类型无人平台的集群组网或跨介质的异构组网。目前,国外无人艇、无人机等依托面向超短波/微波通信的组网技术,已经开展了无人平台集群无线自组织网络构建和作战演示。未来,无人潜航器的水声组网或其他手段组网,以及跨介质异构组网将成为发展方向,还需重点开展技术研究。

       五、对我国装备技术发展的启示

       国外军事强国十分重视发展无人装备及其通信技术,在其发展过程中形成的经验做法以及技术趋势值得我国借鉴,可用作我海军无人装备发展的参考和对照。总结国外发展情况,我海军无人平台及其通信技术的发展有如下启示。

       一是制定专门的发展计划或路线图。无人平台是一类特殊的装备,有其自身的特点和发展规律,需要专门研究和制定发展计划。美国等军事强国针对无人平台或系统制定专门的发展计划或路线图,并且分军兵种、分平台类型、分作战使用、分不同载荷制定更加细化的计划,用以指导相关研制工作的开展。目前,无人平台尚属于新兴领域,我国具备与国外军事强国一较高下、弯道超车的可能。我海军需要提前谋划、整体梳理,形成具备指导作用的发展计划并将其贯彻执行。

       二是重点发展高速数据传输技术。海军无人平台成功遂行各项任务需要强有力的通信技术作为保障。根据无人平台的任务类型,数据通信是其主要方式,并且随着联合作战体系的发展,高速实时的数据传输将成为无人平台的突出通信需求。国外大力发展并依靠卫星通信、微波通信、激光通信等手段实现海上、空中、水下的无人平台高速数据传输。我军应加强相关通信手段的研究以及卫星网络、水下信息网等基础设施的建设,海军无人平台应着重利用好上述通信手段实现高速数据传输。

       三是通信载荷向着小型化、模块化方向发展。无人平台通常体积小、重量轻、搭载能力有限,而其一般需配置多种通信手段综合保障任务达成。这就要求通信载荷在满足各方面功能性能要求的同时,最大程度地开展小型化、综合化设计,一款设备具备多种功能并满足适装性要求。同时,不同平台通信需求有所不同,同一平台也需搭载不同手段,通信载荷应做到模块化、标准化,可适配多种无人平台,实现通用化。

       四是采用多种手段突破水下通信瓶颈。海军无人平台的重要特色在于水下的无人潜航器。水下通信一直是困扰各国海军的难题,无人潜航器又需要在水下实现高速数据传输,对通信技术提出了更高要求。为此,世界各国海军研究利用低频通信、水声通信、激光通信、卫星通信等多种手段满足其水下通信需求,并结合水下信息网建设提供更高速快捷的通信接入。我海军发展无人平台应将水下通信作为一个专门课题进行研究,实现水下通信瓶颈的突破。

       六、结语

       无人平台是海军一类特殊的作战平台,是未来海战的“力量倍增器”,已成为国外军事强国争相发展的新型装备。无人平台的通信传输主要根据任务需求,为无人-有人平台间、无人-无人平台、无人-固定节点间提供可靠、有效的通信保障,支撑无人平台或其群组履行多重使命任务。国外军事强国已经在无人平台及其通信技术方面取得了长足的进步,通过分析其发展情况,总结梳理了对我国装备发展的启示,为我国海军无人装备发展提供借鉴和参考。