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1、美军水下网络中心战技术发展及设想第31卷第2期2009年2月舰船科学技术SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYVo1.31,No.2Feb.,2009美军水下网络中心战技术发展及设想佟盛,张信学(中国船舶重工集团公司第七一四研究所,北京100192)摘要:水下网络中心战是美军维持2l世纪水下空间优势的重要保障.美海军濒海战略需求,水声组网技术和商用成品技术等推动了水下网络中心战理论和技术的发展.目前的水下网络能力建设已使可用于实战的通信网络,一体化水下监视系统等装备在水下网络中心作战中初具规模.在制定未来发展设想的同时,美军也注意到在网络稳定,通信容量,信息处理等方面存在的技术问题.
2、未来,美国海军将大力发展水下网络的互操作性,指挥控制,通信安全等技术领域.关键词:网络中心战;传感器;海网;水声网络;无线自组网;自主式分布传感器中图分类号:TB567文献标识码:A文章编号:16727649(2009)02015405DOl:10.3404/j.issn.16727649.2009.02.031ThetechnologicaldevelopmentandimagineofUSnavyunderwaternetworkcentricwarfareTONGSheng,ZHANGXinxue(The714ResearchInstituteofCSIC,Beijing100192,C
3、hina)Abstract:Underwaternetworkcentricwarfare(UWNCW)playsamostimportantroleforUSnavyintheunderwaterbattlefieldinthe21century.Thestrategyinlittoralwater,underwateracousticsnetworktechnologiesandcommercialoftheshelftechnology(COTS)acceleratethedevelopmentofUSnavalconceptandtechnologyofNCW.Atrecentyear
4、s,USnavyhaddonemanyexperimentseveryyear,focusontheabilityofUWNCW.AndnOW,theyhaveachievedsomemoreprogressinresearchingofSeaweb,deployableautonomousdistributedsystem,robustpassivesonarandIntegrateunderwatersurveillancesystem.Butatthemoment,therearealsoseveraltechnologicalproblemshaventbeenfixed,suchas
5、thestabilizationofnetwork,thebandwidthofcommunication,reliabilityofsensors,informationprocessing,networksecurityandSOon.Inthefuture,USnavywillcombinewithscientificorganizationsandlotsofmilitarycompaniesspendmorepowertofigureout.Keywords:networkcentricwarfare(NCW);sensor;Seaweb;DADS;underwateracousti
6、csnetwork;AdHoe0引言美军”网络中心战”是一种新的作战概念,它是利用通信系统和计算机系统组成信息网络,把地理上分散部署在陆,海,空,天的各种传感器(侦察探测系统),指挥控制系统和打击武器系统有机地,一体化地联接起来,形成态势共享,快速反应,统一高效的作战体系.美海军提出的水下网络中心战(UWNCW)是这一概念在水下战领域的具体应用.美海军认为,UWNCW将使海军可以快速和有效地执行各种水下作战任务,使海军一进入作战地区即成为水下联合部队的一部分,并决定性地影响水面和岸基作战,而且它将极大地加强海军和联合部队的能力,以感知环境,威慑敌人,且在威慑失败后所进行的战斗中取得胜利.按照水
7、下网络中心战概念发展起来的水下网络收稿日期:20080613;修回日期:20080623作者简介:佟盛(1981一),男,工程师,硕士研究生,从事舰船情报研究.第2期佟盛,等:美军水下网络中心战技术发展及设想?155?中心系统,利用水声数据链把多种作战平台和信息节点有机联合,通过获取水下信息优势,实现水下战场态势感知高度共享,快速指挥先敌行动和部队行动,以提高联合作战效能.1美军水下网络中心战体系的组成及功能UWNCW一般是以布放在海底或海水中的固定传感器节点,移动节点(潜艇,AUV等),主节点和负责与外部通信的网关节点之间的全双工声数据链构成的水声一无线通信网络为基础(见图1).各节点与主节
8、点,网关节点的连接一般采用分层中继结构.传感器节点采集的数据经压缩后层层传输给网关节点的无线电调制解调器,该调制解调器与岸上或水面平台控制中心相连,也可经网关节点与其他网络连接.水声网络节点间一般采用异步传输模式进行通讯,发射节点通常采用半双工方式并以分组的形式发送.通过网络可以从水下远程设备提取数据,并把控制和战术信息传递给网络中的每个设备.I处理中心l显控台lCl服务器链路终端l指挥中心;,f赫H托if撼H菹J网关节点网关节点,C=无线射频链路?一无线水声连接电缆网络连接一串口电连接图1水声网络示意图Fig.1UnderwateracousticsnetworkcomponentUWNCW
9、体系按照功能划分可以分为水下传感器系统,水声通信系统,指控系统和武器系统.水下传感器系统即网络感知节点,负责对战区内的水下环境和威胁进行全时,全景,近全频侦察,预警,探测和分辨,尽可能为水面舰或水下作战平台提供及时可靠的通用水下战术态势图,令水下战场透明化,所搜集的信息将成为指控和制定决策的首要参考.水声通信系统是连接指控系统和传感器系统的桥梁,主要以声波为载体,负责传输指控指令和经过压缩的传感器感知数据.水声网络通信主要涉及水下网络的物理层,介质访问控制(MAC)层和数据链路层,其高层结构和常规的TCP/IP协议兼容.物理层负责建立水声通信信道,将数字信息转换成在水声信道传输的水声信号,信道
10、的接收端将水声信号转换成数字信息.指控系统(包括火控)是整个体系的”大脑”,通常以水面指挥舰和潜艇指控系统作为核心,并间接接收岸基指控中心的指令,负责整个战区网络的正常运行和机动,并负责控制武器系统实施防御和攻击.2美军水下网络中心战的发展动因2.1濒海战略需求是水下网络中心战发展的原动力2O世纪9O年代以来,在”21世纪海上力量”和“由海向陆”等国防部顶层方针的指引下,美海军的战略重点逐渐由深海向浅海转移.由于浅海中的声场环境异常复杂,电磁波无法实现远距离信息传输,而水声信道的不稳定性又对新世纪水下作战的信息优势提出了挑战,因此从”网络中心战”诞生伊始,水下网络中心战计划就在美海军内部受到高
11、度重视.濒海水域作战大大增加了探潜,反潜和猎雷的难度,要求海军必须要增加水下探测距离和分辨率,提高水下战场信息控制能力,扩大水声预警探测范围.这些作战需求驱动着水下网络中心战的发展,同时美海军也不断利用作战概念及系统装备的试验验证来促进战术理论和战法的演变,指引水下网络中心战的发展方向.2.2水声组网技术不断促进水下网络中心战发展水声传感器和水声调制解调器(Modem)是组成水下网络中心系统的基本设备,而把这些基本设备连接起来的技术称之为水声组网技术.水声组网技术是水下网络中心战的关键技术,它是一类技术的集合,它涉及到水声数据的交换技术,传输技术,共用系统技术和宽带接人技术等.一般来说,其原理
12、是以不同传输协议和调制算法,利用水声Modem收发调制声波,在一定区域内依靠水声通信链路在多个节点和平台间传递指控和数据信息.在水声组网技术的推进下,水下网络中心系统均采用标准通信组件,因而它可将信息传输给任何其他战术网络,包括通过卫星数据链传输到岸基指挥控制中心.这种网络能够以较高的带宽更有效地传输数据,它使水下传感器与岸上系统以及战术部队兼容,从而实现海军全球指挥控?156?舰船科学技术第31卷制系统等与国防信息基础设施一通用操作环境兼容的部分进行无缝隙互连,强有力地支援水下协同作战.这种通信与互操作能力的提高将会大大地提高作战人员获取实时数据的能力,增强与舰艇外部分析人员对目标探测,分类
13、,提示和作战协同能力,不断地提高环境数据,战术数据和情报数据的获取能力,这些能力将最终转化为战斗力.2.3商用成品(COTS)技术广泛植入促进水下网络中心战的发展现代信息技术的快速发展以及在民用领域显示出的巨大潜能,牵动着全球军事技术和装备的深刻变革.在美国防部推动下,不久基于COTS技术的水下网络中心战系统硬件将超过海军专用设备的比例成为系统主体,所有同类设备的接口将统一,网络连通性和自适应性将有大的跨越.为尽快实现预期目标,美海军从官方机构到各级研究部门与多所高校和研发实力雄厚的公司合作,积极探索和开发适应新战略形势下的水下网络中心战设备与系统,积极考虑各种子系统的功能模块化和通用性,借助
14、COTS技术的通用和互操作特性,在水下网络中心战相关系统中植入高速微处理器,先进算法,海洋水文数据等,并租借海洋通信卫星和商业遥感卫星提供通信和海域勘查服务.商业技术的植入和海洋数据的支持,促进了水下网络中心战计划得以快速发展.3美军水下网络中心战的技术发展及应用当前,美海军正在完善网络中心战概念,并致力于提高其技术基础,包括进一步发展水下网络中心战思想,开发适应性技术,制订条令,完善指挥控制和战技程序,调整组织结构.为了开发和实现与20102020年联合构想一致的系统,技术和概念,21世纪初的56年间,美海军进行了一系列作战实验,由海军作战发展司令部计划,协调并评审.舰队联合实验将作为试验,
15、评估和综合所有与实施网络中心战相关行动的核心.这些实验都是具有实战意义的联合部队演习,为在网络中心战环境下的水下作战奠定了基础.美海军目前的水下能力建设已使可用于实战的水下传感器网络初具规模.开发的传感器网络主要采用无线自组网(AdHoc)结构.正在实施的项目中比较典型的传感器网络是海网(Seaweb)水声网络,自主式分布传感器(DADS)系统和处于预研阶段的鲁棒被动声呐(RPS)系统.3.1Seaweb水声网络目前,规模最大的在研实用水声网络是美国的Seaweb(见图2),由美海军研究局和空间及海战系统中心主持,利用声Modem进行通信.Seaweb主要由1个由未来分布式自动传感器组成的固定
16、节点的海底广域网络构成.移动的AUV和潜艇在这个固定的海底广域网络栅格周围游弋并执行作战任务,通过这些固定的节点来获取导航信息和进行水下通信.其他指挥中心J水下信息网络ll从服务器ITCPIP图2海网组成示意图Fig.2Seawebcomponent网络中心CISR美海军自1998年起平均每两年进行一次广域Seaweb的海底水声通信网络试验.多次试验结果证明,在浅海恶劣环境条件下利用水声网络在广阔水域进行高质量数据传输是可行的.美国国防部在2003年度国防预算中已加大了与海军”网络中心战”建设有关的信息,网络,情报方面的投资,20042005年特别重点加强了包括Seaweb潜艇数据链(Subl
17、ink2004)在内的水声网络的发展,用于提高水下情报网络和国防部网络的互通性.2004年1011月在圣迭戈的反潜战演习(TASWEX04)中,Seaweb第一次在美海军潜艇部队得到作战应用.潜艇和水面舰艇利用Seaweb实现了水声通信.在Seaweb网络支持下,潜艇子数据链(Sublink)提供给潜艇隐蔽通信的新手段,克服传统通信手段隐蔽性差的弱点.这次演习是通过914kHz的声波收发信息的.3.2自主式分布传感器(DADS)系统DADS是美海军研究局和空间及海战系统司令部正在研发的未来海军濒海防雷反潜作战能力系统,DADS使用远程声呐调制解调技术构造出濒海反潜,猎雷作战的水下传感器栅格.D
18、ADS固定布设于水深50300m的海底.传感器节点间距25km,由潜艇,水面舰或飞机布设,也可由AUV布放.发展DADS系统的目的就是为了适应美海军作战重点由第2期佟盛,等:美军水下网络中心战技术发展及设想?157?深海转向浅海的战略变化.这种可快速布设和灵活使用的较廉价系统将会使美海军很容易在敌对国家的沿海部署水下信息探测网络,有效地对付这些国家的安静型潜艇和水雷的威胁.DADS系统具有多种优势,系统中多种关键设备为整个网络的顺畅运行提供支持.水声调制解调器(ATM885型)具有多路访问水声调制解调器节点和网关节点的功能,具有低误码率和低电能消耗,自适应控制发射功率和数据率等特点;中继节点为
19、传感器节点与岸基或水面指控中心提供多路数据传输,也有利于传感器节点远离网关节点部署,进而拓展了DADS覆盖域;双浮标网关节点为岸基指控中心提供两路实时通信信道;多网关节点增强了系统的可靠性,有利于控制水下节点部署,增强网络协调数据丢失或中继节点失效的能力.这样使得每个网关节点都能提供尽可能多的服务,从而减少系统露出海面部件的数量.3.3鲁棒被动声呐(RPS)计划另一个水下传感器网络技术应用的例子是美国国防高级研究计划局(DARPA)正在执行的RPS计划,该计划的目的是把水下的各种传感器联系到一起,来感知目标水域的水下环境,并分析得到声谱图,进而为作战服务.特别是民用船舶的航道和浅海水域是该系统
20、重点部署的目的地.RPS是一种创新的声呐系统,它是在濒海嘈杂环境中,用于安静型目标被动探测的一种利用水声换能器产生端对端高增益的最佳传感器.RPS是2000年由DAPRA提出的概念,从2003年开始有了较快的发展,陆续于20042005年选择某些敏感海域进行了数据采集试验,并成功绘制了声谱图,为美海军水下作战积累了可靠的第一手水下声场资料.4美军水下网络中心战的技术发展方向和当前存在的问题4.1美军UWNCW的技术发展方向美海军认为,要真正实现UWNCW的能力,需要解决的核心技术有:海水介质中的无缝,安全可靠的连通性和互操作性;信息管理与分发;在作战中能够做出响应的可靠的网络资源与服务;信息综
21、合,显示和决策支持;分布式协同支持等.为此,美军为发展UWNCW而提出的重点投资领域为:数据传输技术,信息分发管理技术,分布式处理基础设施,合作处理/决策支持技术,人机界面,有关建模与仿真及信息管理,信息再现技术等.4.1.1增强互操作性和更大范围的联合指挥建立一体化水下指挥控制系统,实现更大范围的联合指挥.这一水下指挥控制系统具有与各种通信系统和计算机系统互联的接口,是联合军种全球指挥控制系统的海上补充系统,可为水下部队提供通用作战态势图,使其能够与联合部队共享该信息态势图.建立水下广播业务系统,提供大容量的通信信道,通过单向传输信息将信息分发给驻防的部队,行进中的部队,已部署的部队及盟国部
22、队,解决将信息分发给前沿部队时降低通信容量的问题.建立美海军一盟国海军通用协同网络,以一个安全的网络代替许多独立的网络,为美国和盟国的海军部队的所有人员建立一个标准的端对端语音,视频和数据通信系统,最终实现水下,水面等平台的无缝信息交流,实现联合部队与盟国部队中的各个分队之间的互操作性.4.1.2更迅速安全的通信建立海军通用数据链,为航母战斗群或联合特遣部队内未被利用的情报,监视和侦察传感器数据提供关键的下行链路,使航母战斗群,海上远征部队,潜艇编队有能力直接接收如下数据:来自水下固定传感器网络,分布式传感器,声呐浮标,潜艇声呐,AUV等系统搜集的图像和情报数据.建立保密的分布式通信网关节点,
23、与天基,机载,舰载的情报,监视,侦察信息搜集设备以及情报分析处理设施实现安全的较远距离的互操作,而且能够访问这些情报,监视,侦察资源的情报数据库,从而综合评估水下战场态势,使情报,监视和侦察能力达到最佳.4.1.3更灵敏的探测和更完备的数据库建立一体化水下监视系统(拖曳阵列传感器监视系统和低频有源拖曳阵列传感器监视系统是一体化水下监视系统的延伸),加强分布式传感器系统的试验与应用,解决自持力,数据压缩,传输,融合等技术问题,为快速精确打击提供先决条件.建立完备的水文数据库系统,形成基于网络的请求,回答和预约服务系统,用于分发目标海域水文信息,为作战人员提供精确而可靠的水文数据,用以支持通用战术
24、态势图并执行水下武器投送.4.2存在的技术问题虽然目前已有许多令人信服的证据证明水下网络中心战理论的正确和可行性,以及它可以成为美军?158?舰船科学技术第31卷水下战的能力倍增器.但迄今为止的应用,仅仅触及该理论及其全部可能能力的一小部分,各类早期试验的成果也仅仅是水下网络中心能力在当前技术条件下的一般表现.可以预见的是,未来将会有更多更强的水下网络中心功能被开发和应用,但不可否认的是在水下网络中心战的前进道路上还存在许多障碍,还有许多重大的技术挑战和相应问题需要解决.如不同系统间互操作性,水下传感器的抗干扰能力,网络通信能力,水声传感器信息处理等问题.4.2.1互操作性方面互操作是网络连通
25、的直接目的,是网络中心系统成熟的标志之一.但诸多因素限制了系统的互操作能力.这其中主要包括各系统执行不同的工业标准和编译语言;同类各系统异构及接口不通用;没有统一的联合信息交换需求(JIER)数据库;为了保证信息安全而建立的保密加密机制限制了互通等因素.4.2.2传感器技术方面主要包括延长传感器的自持力和抗干扰技术.分布式传感器节点的能量来源不同于舰载或岸基传感器,目前主要来自各类电池,这样在目标海域的工作时问受到电力供应的限制,不利于执行持续性侦察和探测任务;浅海混响和多途效应是传感器工作的最大干扰源,如何降低濒海水域的干扰和保证水声传感器搜集数据的有效性和可靠性是亟待解决的问题.4.2.3
26、通信技术方面主要是通信安全,传输速率,距离,带宽等瓶颈限制了网络的通信能力.通信安全如果得不到保证,不但不能提高作战效能,而且会被敌方截获造成不可估量的损失;恶劣的海洋环境对信息的传输速率,误码率都有较大影响,而水声频带又受到传输协议和信道的限制,不可能扩展到理想情况,因此满足高码率远距离水声信息传输是长久以来的难题.虽然Seaweb网络在试验海域实现了水下10km甚至更远节点间的图像传输而无需中继,但在未知海域实战中要实现这一目标还有待验证.4.2.4信息处理技术方面包括简化信息流程,信息传输和融合等.网络信息流的起点到终点一般要经过信息搜集,存储,识别,压缩,发送,过滤,融合等步骤.另外,
27、在不同的数据标准间还要进行算法转换,如此众多的运行步骤对系统的连通性有一定的影响,将在信息传输过程中产生时延和信息分发障碍等状况.参考文献:1CarofA,MonkK.AdvancedDistributedUWSensingGridC.UDTEurope,2004:374379.2SonichsenF.CommunicationoptionsforunderwaterscientificnetworksJ.SeaTechnology,2005,(5):4650.3MuesA.NewconceptsofunderwatercommunicationC.UDTEurope,2004.4JonesM
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