美国海军水下传感器网络发展回顾

美国海军于1997年提出“网络中心战”概念后，在国防部骨干路由器网的支持下，以协同作战能力网络为主体，为实现对地面、空中、太空、水面通信平台的全球点对点链接，建立起实施网络中心战的联合传感器网络，可以对陆海空实施广泛而连续的监视。由于水下通信节点的缺失，这个强大的立体信息网无法为美国海军提供监视水下目标的能力，因而建立海底传感器网络，完备联合传感器网络功能成为关注的焦点。为了弥补这一缺憾，增强海洋数据收集和水下预警能力，美国海军自1998年起持续开展了广域“海网”（Sea web）的海底水声通信网络试验，很快证实了利用声学进行水下组网的可行性，并衍生出一系列水声网络计划和应用，展现了水声网络应用的广阔前景。

发展背景

水下传感器网络是由布放在海底、海中的传感器节点和海面浮标节点以及它们之间的双向声链路组成的分布式、多节点、大面积覆盖水下三维区域，可以对信息进行采集、处理、分类和压缩，并可以通过水下通信网节点以中继方式回传到陆基或海基的信息控制中心的综合系统。美国是最早开展水下传感器网络研究的国家，在最近二三十年里取得了长足的进步。美国海军大力开展水下无线网络通信能力建设，有着深刻的历史背景和紧迫的现实需要。

濒海作战需求是水下传感器网络发展的根本动力。20世纪90年代以来，在“由海向陆”等国防部战略方针的指引下，美国海军的战略重点逐渐由深海向浅海转移，并制定了深化这一战略的《21世纪海上力量》和《海军转型规划纲要》，提出建设水下传感系统，打造海军“军队网络”的水下网络，发展“由海底到太空”的网络联通能力，从而实现对濒海战场环境及时和准确的认知。

美国海军现有水下侦测能力的不足是水下传感器网络发展的现实因素。由于缺乏有效监视水下目标的能力，特别是面对濒海作战的探潜、反潜和猎雷需求，美国海军必然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。为此，美国海军大力发展水下传感器网络，将之作为防御战场和安全屏障，保卫美国的领海安全、海军部队和海上力量。

水声组网技术日趋成熟是水下传感器网络发展的推动因素。水声组网技术是水下传感器网络的关键技术，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入技术等。自20世纪90年代以来，水声组网技术研究不断克服海洋环境对水下传感器网络的影响，技术性能日趋成熟。在水声组网技术的推动下，水下传感器网络系统逐步完善，广泛采用标准通信组件和商用成品技术，呈现出大规模、自组织、动态性等特点，提高了对环境数据、战术数据和情报数据的获取能力。

美海军水下传感器网络概念图

美海军水下战示意图

发展情况

美国海军在建设水下传感器网络的过程中，采取了传统的科研院校-产业部门-军事单位相结合的研发模式，以“海网”相关技术的研发为核心，经历了概念研发、研制试验和应用部署三个主要阶段。通过近20年的发展，“海网”已成功应用于海军舰队作战实验（FBE-I项目）、浅海反潜战ASW（HYDRA项目）、水下通信等任务中。

概念研发阶段（20世纪50年代至90年代中期）水声通信技术处于理论研究和技术研究阶段，早期以建立模拟系统、开展水声相干通信技术研究为主。至20世纪90年代中期，浅海环境的水声通信速率和距离实现了较大发展，使水下网络的建立成为可能。

研制试验阶段（20世纪90年代后期至21世纪初期）在此阶段，水声通信技术和水下网络技术在同时稳步发展，经过多次组网试验，包括水声调制解调器在内的各种水下传感器网络组网技术和设备日趋完善，性能不断提高。美国海军自1998年开始了“海网”年度实验，验证水下传感器网络概念。

应用部署阶段（21世纪初期至今）美国海军经过多次试验证明了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的可行性，随即开展了水下传感器网络的应用研究，并于2004财年开始建设包括“海网”潜艇数据链在内的多个水声网络应用项目。在2004年圣迭戈的反潜战演习中，“海网”第一次在美国海军潜艇部队得到作战应用，潜艇和水面舰艇利用“海网”实现了隐蔽的水声通信。在“海网”网络支持下，美国海军还实施了“近海水下持续监视网”计划。

水下传感器与潜艇的“非对称”通信

未来，美国海军将以建设近海水下持续监视网和自主式分布传感器系统为重点，力图在潜在敌国的沿海建立水下信息探测网络，密切监视并预测海洋环境，从而有效应对这些国家的安静型柴电潜艇的威胁。

构成及其功能

典型的水下传感器网络系统包括分布式传感器节点、接收发送器、互联网和用户界面等。互联网和用户界面由各种网络设备和应用程序构成，主要用于实现水下传感器网络的C4I功能。

传感器节点通过不同类型的传感器来获取水下物理现象的参数，并通过声学调制解调器把信息发送出去。其组成包括4个基本单元:传感单元（由传感器和模数转换功能模块组成）、处理单元（包括CPU、存储器、嵌入式操作系统等）、通信单元（由声学调制解调器组成）以及电源。此外，可以选择的其他功能单元包括定位系统和移动系统等。

接收发送器是将水声传感器网络接入陆地或空中常规网络的关键节点，其功能是集中接收水声传感器网络的数据包，经过转换，变成无线网络或有线网络所接收的数据包，再转发出去。如果接收发送器用于无线网络的接入，这个节点可以是一个水面站，专用浮标或水面船为载体; 如果接收发送器用于有线网络的接入，那么这个节点可以是一个岸基站。

无人水下探测器“蓝鳍金枪鱼”也可用作传感器网络的节点

总体而言，对水下传感器节点所覆盖的区域进行中长期的水下预警、目标检测、海洋水文环境要素监测是水下网络的一个重要用途；同时，在未来由多基地和舷外分布式传感器系统构成的庞大的反潜战网络中，水下数据通信是关键，而水下传感网承担着探测、数据通信的重要使命。

典型网络

目前，美国海军正在实施的项目中比较典型的水下传感器网络包括“海网”水声网络、自主式分布传感器系统和“近海水下持续监视网”等，其中“海网”是目前比较成功的水声网络，也是美国海军规模最大的在研实用水声网络。

“海网”由美国海军研究局和航天海战系统司令部主持建设，利用水声调制解调器进行通信，可兼作军民两用网络，被视为水下版的“军队网络”，是水声传播、声纳系统工程、数字通信、信号处理、计算机网络工程、换能器设计等多学科综合研究和应用的产物。对于军用，构建可布放的自主式分布传感器，用于沿海广大区域的警戒、反潜战和反水雷系统，实施指挥、控制、通信和导航功能；对于民用，构建对沿海大陆架监测的遥测前沿观测网和气象海洋系统。它们都以远程声纳为水下通信的工具，以“海网”的概念构成水下网络，但根据应用的需求不同，采用了不同类型的水下传感器。

“海网”实质是由分布式自动传感器组成的固定节点的海底广域网络，移动节点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（传感器节点和水声中继节点）来获取导航信息和进行水下通信。“海网”利用水声通信链路将固定节点、移动节点和网关节点（包括固定浮标网关节点和移动网关节点）连接成网。指控中心部署在舰艇、潜艇、飞机或岸基中心，它通过卫星链路或陆地局域网接入浮标网关节点。网关节点具有水声通信接口和无线通信接口功能，前者用于实现与“海网”的水声通信链接，后者用于提供“海网”与岸基、飞机或卫星的无线链接。移动网关节点在水下运动中采集传感器节点数据，然后适时浮出海面与岸基或舰基指控中心进行无线通信。潜艇在潜行中使用水声通信链路访问“海网”网络资源或通过“海网”与远程浮标网关通信。远程指控中心通过卫星链路或陆地局域网接入浮标网关节点。目前，“海网”已具有很强的自组功能，如自动进行节点识别、时钟同步，节点位置定位、适应环境的发射功率控制、节点更新和失效后的网络重新配置等。

“海网”2005年试验网络节点部署图

美国海军的“海网”计划，从1998年开始启动了每年度的“海网”试验，目的在于推动远程声纳和“海网”技术的发展。“海网”的试验过程，也是水下传感器网络由提供基本的通信功能向构建水下无线网络、多重路径访问结构以及采用复合通信协议、实现高级服务功能发展的过程。

从试验的技术细节来看，“海网”可以支持2000字节长度的数据包和2400比特/秒的通信速率，但是为了改善网络性能和电池续航能力，采用了350字节长度的数据包，标称速率为800比特/秒。常用带宽为9000～14000赫兹，点对点最大通信距离10千米，部署深度小于1000米。

在“海网”服务器和主控节点的控制下，“海网”部署要经过四个阶段，其中包括：准备阶段，其主要任务是分析任务需求和设计网络分布模型；安装和启动阶段，其主要任务是测试和激活网络节点；系统初始化和注册登记阶段，其主要任务是获取网络链路信息和主节点数据；优化组合和运行阶段，其主要任务是选择网络路由、指定协议和优化节点性能。

《美国海军信息优势路线图（2013-2028）》将建设水下数据通信能力，实现更为精准的水下定位和导航，作为确保顺利完成海上的定位、导航及授时工作，决胜未来海洋战场的一项重要能力。按照网络中心战概念发展起来的水下网络系统，利用水下数据链把多种作战平台和信息节点有机地联接起来，通过获取水下信息优势，实现水下战场态势感知的高度共享，快速指挥先敌行动和实施部队机动，从而大大提高联合作战效能。

结语

虽然目前已有研究成果证明了水下网络通信的可行性以及它发挥的美军水下作战能力倍增器作用，未来也将会有更多更强的水下网络通信功能被开发和应用，但不可否认的是迄今为止的应用成果，仅仅是整个架构的冰山一角，在水下传感器网络研究的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。