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美国水下战术通信网络系统完成关键技术开发

时间:10-27 00:00 阅读:5155次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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来源:大柳树防务

作者:丁宏

2017年1月,在DARPA“水下战术网络体系结构”(TUNA)项目资助下,华盛顿大学等机构开发出可利用波浪能发电的浮标,并改进设计了强韧的特种光缆,突破了TUNA系统能源与通信器件的关键技术,验证了海上自主供电、高速通信、深水锚定等能力。这种系统部署便捷、抗损性高,一旦投入使用,能在战时常规战术通信网络受到压制的情况下提供可靠稳定的通信中继,增强战场通信网络的顽存性,为美军提供“敌无我有”的非对称信息优势。

一、研发背景

(一)战术通信网络是美军联合作战的重要基础

战场通信网络系统是作战人员实现战场信息实时共享的先决条件,其中战术通信网络系统是战场通信系统中最基础、使用最频繁的通信系统,是美军通信保障能力建设的重点方向。在瞬息万变的信息化战场上,任何单一军种都难以“包打天下”,联合作战已是大势所趋。战术通信网络的发展,对美军提升联合作战能力与网络化协同作战水平,起到基础性支撑作用。

(二)美军认为其现有战术通信网络比较脆弱

为了促进联合作战与网络化协同作战水平提升,美军对其战术通信网络进行了全面评估,认为当前的战术网络系统高度依赖于卫星、飞机等中继设施,在强对抗环境中,通信中继设施易遭到攻击和压制,在这种环境中作战的平台与武器装备难以与基地进行无线通信,成为战场中的“孤岛”,使美军丧失网络化、体系化作战的优势。

(三)美军水下战能力是一项关键非对称优势

美军拥有技术先进的核潜艇部队、体系完备的水下战武器系统,水下作战能力在全球领先,但这些系统在强对抗海域中作战时,若难以与天基、空基战术通信网络互联,其作战效能将大打折扣。水下战术网络在海上联合作战中主要承担作战体系中潜艇、潜标、无人潜航器等水下作战平台之间的通信网络构建,并与其他通信网络协作完成潜艇、无人潜航器等水下平台与水面作战舰艇及空中平台之间的通信网络连接。如果能通过水面的浮标实现水上水下的网络通信,美军水下战将获得关键的非对称优势。

二、研究计划与研发历程

为了获得高性能、高可靠性的应急通信中继,DARPA战略技术办公室于2014年开始筹划开展海上应急战术通信网络研发,并发布了跨机构公告进行招标,2015年9月正式启动“水下战术网络体系结构”(TUNA)项目研制,旨在开发一种可通过作战舰艇或民船快速部署的战场中继通信系统,在空中远距离通信无法实现时,依靠光缆在水下形成数十万平方千米的稳定、隐蔽的通信网络,经多次中继后与常规战术通信网络连接,或直接与过顶的飞机和舰船等平台近距通信。

TUNA项目分两个阶段,第一阶段2015年9月开始,承包商包括华盛顿大学应用物理实验室、朗讯创新公司、林登光子公司等,主要工作包括系统设计与建模仿真、核心组件开发等,投资约1550万美元。2017年1月,各承包商已完成相应任务,开发出自主供电通信浮标、通信光缆和泊定系统等组件,并对其开展了测试。第二阶段从2017年3月开始,为期18个月,将研制端到端临时光纤主干通信网络系统样机,并在实验室和海洋环境下进行测试和评估,投资约2000万美元,华盛顿大学应用物理实验室和“海洋工程”(Oceaneering)公司已经获得了本阶段的研发合同。

三、系统组成与关键技术

(一)系统组成

海上应急战术通信网络持续运行时间超过30天,主要由三部分构成:

一是自主供电通信浮标。由2个圆筒状浮体、装载有发电装置与储能装置的中心舱、射频中继天线与通信网关、浮标架等组成,并设有即插即用的光缆接口,整体外形尺寸3.1米×3.7米×4.0米。

二是通信光缆。在鱼雷光缆的基础上改进,由二氧化硅光纤芯部、液晶聚合物中间层和外皮保护层构成,可在海水中悬浮,外径小于2毫米,单段长度可达到100千米,试验表明,信号衰减率低于0.25分贝/千米,通信速率高于100兆比特/秒,抗拉强度大、耐磨耐腐蚀。

三是伞形水动力泊定系统。由伞形锚与锚链构成,伞形锚张开面积约5平方米,通过60米长的锚链与浮标架连接。

(二)关键技术

该系统已突破三项关键技术:

一是浮标供电技术。浮标的两个圆筒状浮体在波浪作用下,产生相对位置变化,带动中心舱内发电机发电。浮标海上部署试验表明,2级海况下峰值发电功率达2千瓦,平均功率106瓦,可持续供电,解决了通信网关、中继放大器等相关有效负载的持续供电问题。

二是轻质高强韧光缆材料。光缆中间层采用抗拉强度超过700兆帕的轻质高强韧液晶聚合物材料,大幅增强了光缆抗拉能力,通过调配各层厚度,使光缆可悬浮在海水中,避免了光缆因自重受拉和在水面漂浮易被破坏的问题。三是深水泊定技术。伞形锚通过半封闭“伞面”结构从60米深的海水中获取“抓力”,抵消表层风浪运动的影响,实现浮标位置相对固定。

(三)存在的困难与弱点

目前,TUNA系统还存在几大困难和弱点:

一是大规模组网不方便。各浮标之间通过光缆实现连接,可扩展为很长的链条,但单链形式的中继系统较为脆弱,部署后一旦被敌方切断一处,系统整体就断裂了,而要扩展为网状链路,工程难度较大。

二是浮标还不够小,这就导致其难以通过飞机等实现快速部署,且目标较大,易被敌方发现。

三是目前在研的系统样机还不能直接实现水下与空中通信的互通,尚在浮标上集成声信号收发和处理功能。

四、军事应用前景及影响

关键技术突破与核心组件的研制成功,标志着美国海上应急战术通信网络研制达到关键里程碑。2017年3月,DARPA向华盛顿大学、“海洋工程”公司授出项目第二阶段合同,主要研制端到端通信网络系统,并在实验室和海洋环境下进行测试和评估。研制成功后,这种通信网络有望以多种形式得以应用。

一是通过多个浮标和光缆接力的方式,形成规模数百上千千米的有线链路,跨越高对抗海区,经多次中继后与常规战术通信网络连接,在通信条件良好的区域利用浮标上的天线与其他战术通信网实现联网。自发电浮标可以为通信中继器等提供电能,补偿光缆通信信号衰减。在通信被压制的区域,则通过浮标上的天线与过顶的舰船和飞机进行短距离通信。TUNA系统具有通用数据接口,可与Link-16数据链等典型战术通信网络互联互通。

图2 海上应急战术通信网络系统示意图

二是通过水声换能器等设备,与水下平台及系统进行水声通信。潜艇、无人潜航器、海底预置武器等通过水声通信,要实现与卫星等网络连通,需浮上海面或通过浮标通信。借助TUNA系统的浮标及水声换能器设备,可打破水中通信与空中通信的壁垒,实现水下战术网络与空中无线战术网络的连接,将水下作战平台、传感器和武器装备纳入到多层次的通信网络之中。

三是为其他海上传感器、无人系统等提供电能。自发电浮标能够提供较大功率的电能,为附近的海上态势感知传感器、无人水面艇等充电供能。分布式的浮标不仅是特定海域的“通信基站”,也可以成为给传感器和部分无人系统的“充电站”,从而提高部署海域内的态势感知与控制能力。

根据计划,DARPA的TUNA战术通信网络系统将于2018年9月完成系统样机海上测试,如果顺利,这种通信网络系统最快可在5~10年内可实现部署,届时将可大幅提高美国战术通信网络部署灵活性,使美军将在战术通信领域形成非对称优势。

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