国外海军潜艇通信技术与装备发展*

陶 雯，陈鼎鼎，何宁宁

(中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江 嘉兴 314033)

国外海军潜艇通信技术与装备发展*

陶 雯，陈鼎鼎，何宁宁

(中国电子科技集团公司第三十六研究所,浙江 嘉兴 314033)

为推动潜艇从传统的“单打独斗”向“网络中心战”作战方式过渡，近年来国外海军对高效安全的潜艇通信系统的需求显著提升。同时随着现代电子对抗技术的发展，潜艇通信被侦察和干扰的可能性大大增加。因此，国外海军不断提升潜艇通信的现有技术，并大力发展新兴技术。主要讨论了国外海军潜艇在“网络中心战”背景下的通信方式，并介绍了外军潜艇通信当前与新兴技术与装备的发展。

潜艇；网络中心战；无线电通信；水声通信；蓝绿激光通信；中微子通信；量子通信

0 引 言

潜艇是一种重要的战略威慑力量，它长期潜航在海底深处，是典型的隐蔽性武器系统。因此，潜艇通信必须要确保潜艇的隐蔽与安全。在此基础上，国外海军为了推动潜艇从传统的“单打独斗”向“网络中心战”作战方式的过渡以及应对现代电子对抗技术的发展，不断提升对潜艇通信技术与装备的要求。

目前潜艇通信主要采用无线电和水声通信。其中，无线电在水下随频率增高衰减增大，在不借助拖曳天线、浮标等艇外传感器时，潜艇使用超长波、甚长波信号可使潜艇在深海(水深超过百米)或潜行(水深25～30米)状态下接收岸对潜通信信号；而使用短波、超短波、微波与岸站、水面舰船、飞机或其他潜艇进行通信则必须上浮至透气状态(透气孔露出水面)。水声通信目前还存在一些需要解决的问题，如大时延、带宽受限、高误码率和高能耗等，不过由于它可以实现潜艇深海远距离通信，因此是一种具有相当发展前景的通信方式。除了这两类通信技术外，蓝绿激光通信、中微子通信、量子通信等新兴对潜通信技术也在不断发展成熟。

1 “网络中心战”背景下外军潜艇通信方式

在现代作战中，传统潜艇“寂静”的独立作战方式已不能满足海军要求，无论是为了保证潜艇远程打击目标信息获取与武器精确打击，还是为了与整个舰队有效通信协同作战，潜艇成为“网络中心战”的完全参与者都势在必行。

美国海军“网络中心战”的构想在于共享信息以获取战略与战术优势。为让潜艇部队加入到“网络中心战”中，潜艇必须完全参与能够与联合部队互操作的基础信息网络中。这些网络将不仅仅为部队协同提供通用作战图(COP)，还将提供信息处理能力，它将帮助战斗人员更好地决策、执行联合作战任务、更高效地分配部队，并减少战术响应时间。美国海军的最终目标是开发一种射频与水声通信网络，将水下力量、水下与空中、水面力量无缝连接在一起。同时为了适应“网络中心战”所需的数据和信息交换要求，潜艇通信装备必须进行改革，通过网络计算机将多种通信线路连接在一起，以便潜艇能够以空前速率收发信息。美军“网络中心战”条件下潜艇作战的一个关键要素是潜艇通信支持系统(SCSS)，它适用于海军多种通信部件和能力，最大化地避免了只依赖唯一通信装备的情况。作为潜艇的外部通信系统，潜艇通信支持系统采用工业标准协议和商业技术，淘汰以往落后的技术和“烟囱”式体系结构，运用客户机/服务器系统互联体系结构，并提供一种具有开放体系结构的无线电室，通过无缝、广泛连接的共享通用通信链路来交换数据，充分发挥潜艇C4I系统的潜力。

当潜艇成为“网络中心战”的完全参与者，潜艇与其他平台协同作战就成为国外海军研究的重点之一。美英海军曾对潜艇直接支持水面舰艇作战进行过研究，最终结果是潜艇远距离支援是可行的，近距离直接支援则不切实际(因为潜艇很可能被误炸)。在远距离支援时，潜艇可通过无线电等向联合作战的水面部队提供信息，如战斗群附近的潜艇告诉水面部队敌军潜艇正在附近，并说明敌军潜艇所在位置。潜艇与水面部队之间的距离使它们可以采用非紧急通信，在确保潜艇隐蔽的同时可以给水面部队以充分的反应时间。

2 国外潜艇通信现有技术与装备

2.1 无线电通信

无线电波在水中衰减很快，频率越高，衰减越快，只有波长较长的无线电波才能穿透一定深度的海水。因此通信信号的波长不同，其对潜通信特点也不相同。

2.1.1 SLF/VLF通信

超低频(SLF)、甚低频(VLF)等频段对潜通信的优点是可靠性高、抗干扰能力强、受电离层扰动干扰小，即使在磁暴、核爆等情况下也能进行远距离通信；缺点是发射机天线效率低、规模庞大、投资费用高，且战时易受到敌方攻击，同时由于带宽窄造成通信容量较小，传输速率低[1]。

超低频信号入水深度达100米。潜艇若采用先进接收设备和天线可以在400米深度接收信号。由于超低频通信是目前解决潜艇深水通信的唯一现实有效手段，因而备受关注。超低频对潜通信的通信速率极低，据称美国“紧缩”超低频通信系统，15分钟才能完成1个三字符码组，远远不能满足发射复杂作战指令的需求，通常只能用于发送短指令码或作为通知收报用的“振铃”。

甚低频信号可穿透20米深的海水，潜艇在接收信号时必须减速航行并上浮，这样可能被敌方发现，威胁到潜艇的生存。通过使用拖曳天线，潜艇可以在潜航状态下接收信号，不过潜艇运行可能会受到限制。甚低频通信是目前各国海军的主要对潜通信手段。美俄等海军都建有多座甚长波发信台，其中美国在北约国家及其本土所建的发信台已经形成了严密的对潜指挥通信网。另外，为提高发射台的生存能力，美国还研制出了“塔卡木”机载甚低频发射机，原先搭载在EC-130Q飞机上，目前改用EA-6B电子战飞机，用以执行对潜中继通信任务。日本于1991年交付使用的宫崎县虾野市对潜通信甚低频发射台，是日本对潜通信的主要手段，其发信覆盖区域包括日本主要海峡在内的潜艇全部活动区域，从而使海岸基地或舰艇等可与隐藏于水下10米的潜艇通信。2014年7月底，印度位于蒂鲁内尔维利卡塔波曼港的先进超低频发射台也开始服役，如图1所示[2]。

图1 位于卡塔波曼港的印度潜艇通信中心

2.1.2 HF/VHF/UHF/SHF/EHF通信

高频(HF)到极高频(EHF)对潜通信频段用于潜对岸、潜对舰、舰对潜、潜对空、空对潜以及潜艇与潜艇、潜艇与卫星之间的通信。这些频段的信号不能穿透海水，因此需要将桅杆天线露出水面或采用拖曳天线、无线电通信浮标等。

典型的HF/VHF/UHF对潜通信装备有Link 11、Link 16、Link 22数据链以及AN/URC-77小功率HF电台、AN/URC-88 HF电台和AN/URC-93 UHF电台等。

大多UHF/SHF/EHF对潜通信系统均采用卫星通信手段。美国各种频段的双向卫星通信在潜艇通信中起到不同的作用。UHF频段“特高频后续星”(UFO)等为潜艇提供了灵活的战术组网通信，实现了除高纬度地区外的全球覆盖；SHF频段可以实现高数据速率通信；EHF频段则提供高保密、低截获概率话音和电传通信。典型UHF/SHF/EHF对潜卫星通信装置包括美国潜艇搭载的AN/WSC-3型UHF卫星/视距通信收发信机及其替代型号AN/USC-42(V) UHF卫星通信设备、AN/USC-38(V)EHF卫星通信终端、AN/BRT-6一次性UHF卫星通信浮标、英美联合研发的“可重复使用的光纤系留”(RTOF)UHF卫星通信浮标、以及美国海军最新的“深海快速通信系统”(CSD)的一次性系缆铱星与UHF卫星通信浮标等。

潜载AN/USC-38(V)EHF卫星通信终端可以通过美国“特高频后续星”和“军事星”(MILSTAR)的EHF卫星通信载荷将潜艇与航母战斗群更紧密地连接在一起，提供可靠的低概率检测/截获和抗干扰通信，如图2所示。AN/USC-38(V)1型潜载终端使用安装在8型方式3(Type 8 Mode 3)潜望镜顶部的0.139米抛物面天线，实现与EHF卫星低数据率(LDR)端口的通信。未来升级后的潜载终端AN/USC-38(V)8/11/12/13，采用OE-562潜艇高数据率(Sub HDR)天线系统，并可利用EHF卫星中数据率(MDR)端口[3]。

图2 AN/USC-38(V)1型潜载通信终端天线(左)，1998年环太平洋联合军演中一位“帕萨迪纳”(SSN-752)号核潜艇艇员正等待Type 8潜望镜上的通信(右)

由洛克希德·马丁公司研发的“深海快速通信系统”将把深藏海底的核潜艇与美国国防部“全球信息栅格”(GIG)连结起来，首次实现潜艇与陆空的双向通信交流。“深海快速通信系统”要求潜艇在海面部署三个浮标：其中两个是与潜艇连接的固定浮标，即一次性系缆通信浮标(TECB)铱星系统(如图3所示)和一次性系缆通信浮标特高频系统，第三个则是自由漂浮的声纳浮标，即从声频到射频(A2RF)通路系统。固定浮标利用数英里长光缆实现数据传输，使得潜艇无论在任何深度都能利用UHF无线电波(特高频后继星等)或通过“铱星”卫星网络以最快的速度(分别为32Mbps、2.4Mbps)与外界进行交流[4]。

图3 “深海快速通信系统”一次性系缆通信浮标利用铱星系统通信

2.1.3 典型无线电通信天线

作为潜艇通信最大的技术挑战——高数据率天线的发展也值得引起关注。美国海军逐步淘汰了原先的AN/BRA-34型天线，致力于发展部署两种新型天线：OE-538多功能天线桅杆和OE-562潜艇高数据率天线系统，如图4所示。

图4 OE-538/BRC多功能天线系统组成(左)、OE-562潜艇高数据率天线系统(中上)、“弗吉尼亚”级潜艇天线桅杆(右)

OE-538/BRC标准系统覆盖AN/BRA-34的所有频段，支持VLF/LF接收(10 KHz～170 KHz)、MF/HF收发(2～30 MHz)、VHF视距双向通信(30～174 MHz)、VHF/UHF视距双向通信(225～400 MHz)、VHF/UHF卫星双向通信(240～400 MHz)、敌我识别应答、GPS接收。该系统可以与舰队卫星后继星、军事星低数据率进行全双工按需分配多址接入(DAMA)通信。OE-538/BRC改型系统支持铱星、移动用户目标系统(MUOS) UHF频段和Link 16收发功能，并提升了MF/HF、VHF/UHF卫星通信能力。据称，OE-538/BRC型天线是美国海军包括“弗吉尼亚”级在内的所有潜艇与飞机、舰艇以及陆上设施通信均使用的传统潜望深度天线[5]。

OE-562潜艇高数据率天线系统首次提供SHF/EHF多频段高数据率卫星通信能力，可用于收/发话音、数据、视频和图像。它采用一个约0.36米抛物面天线，能让潜艇在潜望镜深度通过军事星EHF低数据率/中数据率(LDR/MDR)、国防卫星通信系统(DSCS) SHF和全球广播服务(GBS)卫星进行通信。据2014年5月关于该天线的招标书显示，当前已有超过100套OE-562天线在美英海军潜艇中服役。其中，美国“弗吉尼亚”级潜艇上装有2套OE-562天线桅杆，可同时进行SHF和EHF频段通信，通信容量获得极大提升。

2.2 水声通信

声波在海水中的衰减比电磁波相对要小很多。研究表明，在海下600～2 000 m之间有一声道，声波在该声道中可传输到数千公里之外，其传播方式与光波在光波导内的传播类似。现代潜艇的下潜深度一般为250～400 m，而未来潜艇的潜深可能达到1 000 m。因此，水声通信将成为一种很有前景的对潜通信方式。

2.2.1 水声通信装备

美国海军曾利用ATM885型水声调制解调器从潜深约130 m的“海豚号”潜艇上向中继浮标站成功发送E-mail。利用多个水声调制解调器的相互通信，“海豚号”潜艇还能实现潜艇之间的双向通信[6]。

图5 “深海警报战术寻呼浮标”通信示意图

图6 “深海警报战术寻呼浮标”作战应用实例

2009美国财年开始运行的“深海快速通信系统”项目增量0中“深海警报战术寻呼浮标”(DSTPB)由潜艇发射，声学通信距离超过50海里如图5、6所示。“深海警报战术寻呼浮标”的升级型号是项目增量1中的“从声频到射频”浮标，其能力得到增强。“深海警报战术寻呼浮标”只能传输几比特寻呼信息，且只能用于岸/舰向潜艇单向通信，而“从声频到射频”浮标可提供双向水声通信功能。“从声频到射频”浮标可从潜艇或飞机上投放，通过水下声学通信装置，既能与潜艇进行双向近程通信，也可以使潜艇进行单向远程通信以接收来自指挥机构的广播信息[7]。

2.2.2 水声通信网络

随着各种水下水声通信装备及水面浮标等的研发成功，以美国为代表的多个国家已着手建立先进的水声通信网络，如“海网”(SEAWEB)、“持久濒海水下监视网络”(PLUSNet)等。

美国海军自1998年开始启动的水下网络重点项目“海网”可在浅海恶劣条件下利用水声网络在广阔海域进行高质量数据传输，并支持潜艇、潜航器等水下移动节点的加入[8]。“海网”体系架构包括采用远程通信声纳(telesonar)无线声链路的固定和移动节点。网络骨干由自主固定节点如可部署监视传感器和中继站组成。海床上的固定转发器节点通过水下传播信道交换并处理水声调制数据。“海网”移动节点包括自主潜航器等。靠近水面部署的无线电-水声通信(RACOM)网关浮标节点可以与水下、海面、空中以及岸上的指挥中心连接。图7展示了“海网”整个网络架构。“海网”网络至少已经成功部署了超过50套，并正不断升级改进。据称，前述“深海快速通信系统”增量2中将增加与“海网”的通信能力。

图7 “海网”网络体系架构示意图

美国2005年启动的“持久濒海水下监视网络”项目可长期部署用于执行监视任务如浅海海域特别是西太平洋的舰船与潜艇跟踪，具备持久探测、识别、定位与跟踪能力，同时也能提升潜艇与各种无人潜航器、滑翔器之间的水声通信能力。“持久濒海水下监视网络”由网关浮标、移动网关、固定海底节点和移动传感器节点组成。其中，网关浮标与移动网关提供水下与岸上的射频链路。固定海底节点则向岸上报告由移动传感器节点获取的数据，并接收来自控制中心的指令。自主潜航器等移动节点与固定节点合作，通过水声探测跟踪舰船，并通过移动水声-卫星通信网关如SeaGlider(美国相关研究机构曾在2004年反潜战演习TASWEX 04中将SeaGlider部署到东海进行演示验证)、Spray等将数据中继到岸上。图8展示了“持久濒海水下监视网络”的体系架构[9]。

图8 “持久濒海水下监视网络”体系架构示意图

3 国外潜艇通信新兴技术与装备

3.1 蓝绿激光通信

蓝绿激光通信是指利用0.47～0.54 μm波长的高能蓝绿激光通过卫星、飞机等平台实现对潜双向通信。研究表明，海水对这一波长的衰减较小，仅为其他波长的1%。通过蓝绿激光实施对潜通信，其海水穿透能力可达600 m以上，并具有信息容量大、传输速率高、抗干扰、接收天线小等优点，可保证潜艇通信时的隐蔽与安全。

1997年，美国海军于就曾将蓝绿激光通信机搭载在E-6B飞机上，实现了与水下深达400 m以上的潜艇通信。

2010年初，美国国防高级研究计划局(DARPA)发布了一份战术中继信息网络(TRITON)项目广泛机构公告，以研发一种蓝光潜艇通信系统。该系统用于美国海军2012年6月的环太平洋演习，要求使用飞机或中高空飞机(替代卫星)作为平台，并必须包括上、下行链路接收机。TRITON项目是用于验证潜艇潜航时与飞机的通信能力以及技术成熟度，其技术是基于DAPRA 20世纪90年代的战术机载激光通信(TALC)项目。战术机载激光通信项目中，上行链路采用蓝光激光器和455.6纳米铯原子线谐振接收机，下行链路则是绿光二级管泵浦激光器和搭载在潜艇上的532纳米接收机。该项目测试了潜航状态下的潜艇与P-3海上巡逻机之间通过蓝绿激光器的通信[10]。

2010年9月底，据报道QinetiQ北美子公司获得了这份TRITON项目合同。该公司此前还参与了美国潜艇使能机载数据交换与增强(SEADEEP)项目(如图9)，研发可搭载在无人机上的蓝光通信系统，验证了“以家庭宽带因特网速度进行空-海通信”的能力。目前，DARPA认为美国蓝绿激光通信的各种关键技术已经足以用于实际军事系统中[11]。

3.2 中微子通信

中微子是原子核内的质子或中子发生衰变时的产物，其最显著的特性是能够沿直线传播，可穿透地层，进入深海传输信息，而且在传播过程中不发生反射、折射、散射和传播衰减等现象，不易被对方侦察、干扰、截获和摧毁，具有较高的保密性和极强的抗干扰能力。由于中微子能够冲破电磁波不可逾越的地下与水下两大禁区，因此可为深海潜航的潜艇提供通信。

2012年，美国费米国家加速试验室进行了一次中微子通信试验。科学家们使用一台2.5英里(约合4023米)长的粒子加速器将信息编码成中微子束而后发射并穿过240米厚的岩石。目前，国外对中微子的研究还处于初步阶段，因此，中微子对潜通信方面的应用仍有很长一段路要走[12]。

3.3 量子通信

由于量子的不可克隆性和测不准原理以及以光子为载体具备的高速超大容量传输特点，量子通信成为一种安全高效的潜艇通信手段，因此倍受各国军事部门的重视。目前多个国家已经开展了自由空间量子通信实验方面的工作，据称，基于量子通信的密钥分发方案已经开始走向实用。

2011年底，ITT Exelis公司提出一种被称为量子密钥分发(QKD)的技术。该技术将密钥通过极化编码加密成光子进行密钥分发。据称该技术可以使潜艇在水下100m深处通过激光脉冲与卫星之间建立安全通信连接，并将确保潜艇在几周内都不会被探测到。公司的仿真实验表明，其传输速率可达170 Mb/s[13]。

2012年2月有报道称ITT Exelis公司正在为美国研发包括量子算法、传感器以及通信系统的量子信息课题解决方案。据称最近在加纳利岛进行的实验中，该公司首次获得144千米自由空间量子通信的成功，显示出未来自由空间量子通信的可行性。ITT Exelis还在研究水下装置的量子通信理论可行性问题，试图解决量子在水和自由空间的传输挑战(例如在水下传输过程中保护光子脉冲的量子态)并开发出安全通信的量子密钥分发协议。等到理论模型研究完成后，它将接受美国海军研究实验室的一系列实验验证。如果实验通过，那么就会进入下一阶段的研究——在5年内研制出合适的实验样机。不过ITT研究的前提是QinetiQ北美公司正在研究的潜艇与卫星之间激光链路项目获得成功[14]。

4 结 语

潜艇由于能够利用水层掩护进行隐蔽活动和对敌发动突袭，并且具有较大的续航力和作战半径，可远离基地，长时间在大范围海域甚至深入敌方海域独立作战，因此是世界各海军强国重点发展的战略装备之一。在“网络中心战”时代，潜艇被赋予了更多的作战任务，包括实施远程精确打击、与水面战斗群内的其他平台协同作战等。这些任务对潜艇通信能力有更高的要求，确保水下安全、高效地传输潜艇指挥控制、态势感知等信息势在必行。为此，外军纷纷致力于改进现有水声、无线电等对潜通信的技术与手段，并持续探索更加安全、高效的蓝绿激光、中微子、量子通信等新技术。

[1] 江明月.对潜通信系统及其发展探讨[J]. 无线电工程,2003(9)：21-23,32. JIANG Ming-yue. The Discussion about Submarine Communication System and Its Development[J]. Radio Engineering of China,2003(9)：21-23,32.

[2] Rajat Pandit. Navy Gets New Facility to Communicate with Nuclear Submarines Prowling Underwater [EB/OL]. (2014-7-31) [2014-8-20]. URL：http://timesofindia.indiatimes.com/india/Navy-gets-new-facility-to-communicate-with-nuclear-submarines-prowling-underwater/articleshow/39371121.cms.

[3] Dahlgren. Naval Space Command Naval Telecommunications Procedures——Navy Extremely High Frequency Satellite Communications (NTP 2 SECTION 3 (B)) [EB/OL]. (2001-3)[2014-8-21].URL：http://navybmr.com/study%20material/NTP%202%20SECTION%203.pdf.

[4] 2011核潜艇走进E时代 探秘大洋深处的网络 [EB/OL]. (2010-7-19) [2014-8-21]. URL：http://news.163.com/10/0719/08/6BUKGG48000146BC.html. 2011 Nuclear Submarine Go to E-Age, Explore the Network of Deep Sea [EB/OL]. (2010-7-19) [2014-8-21]. URL：http://news.163.com/10/0719/08/6BUKGG48000146BC.html.

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[8] 朱永建,徐鹏飞.水声通信网的研究进展及其应用[J]. 通信技术,2012(6)：36-38. ZHU Yong-jian, XU Peng-fei. Development and Applications of Underwater Acoustic Communication Networks[J]. Communications Technology,2012(6)：36-38.

[9] David L, Martin.Autonomous Platforms in Persistent Littoral Undersea Surveillance: Scientific and Systems Engineering Challenges [EB/OL]. (2005-10-6) [2014-8-21]. URL：http://www.nps.edu/Academics/Institutes/Meyer/docs/Autonomous%20Platfors%20in%20Persistent%20Littorl.pdf.

[10] John Keller.DARPA Pushes Submarine Laser Communications Technology for ASW Operations [EB/OL]. (2010-1-31) [2014-8-21]. URL：http://www.militaryaerospace.com/articles/2010/01/darpa-pushes-submarine-laser-communications-technology-for-asw-operations.html.

[11] QinetiQ lands $32M submarine laser project[EB/OL]. (2010-9-27) [2014-8-21]. URL：http://optics.org/news/1/4/21.

[12] 刘翠海,王文清.外军潜艇通信关键技术与发展趋势[J]. 电讯技术,2011(7)：187-191. LIU Cui-hai, WANG Wen-qing. Key Technology and Developing Trend of Foreign Navies' Submarine Communications[J]. Telecommunication Engineering,2011(7)：187-191.

[13] 量子技术将带来潜艇通信革命 [EB/OL]. (2011-11-4) [2014-8-21]. URL：http://news.xinhuanet.com/world/2011-11/04/c_122237399.htm. Quantum Technology will Bring a Revolution of Submarine Communication [EB/OL]. (2011-11-4) [2014-8-21]. URL：http://news.xinhuanet.com/world/2011-11/04/c_122237399.htm.

[14] Deep Secretsecure Submarine Communication on a Quantum Level[EB/OL]. (2012-2-1)[2014-8-21].URL：http://www.naval-technology.com/features/featuredeep-secret-secure-submarine-communication-on-a-quantum-level/.

Development of Foreign Navy Submarine Communication Technology and Equipment

TAO Wen，CHEN Ding-ding，HE Ning-ning

(No.36 Institute of CETC ,Jiaxing Zhejiang 314033, China)

Recently, in order to promote the transition of submarine combat mode from conventional “fight alone” to “network-centric warfare”, foreign navy becomes extremely anxious for efficient and safe submarine communication. Furthermore, the developments of modern electronic warfare technology greatly enhances the reconnaissance and interference possibility of submarine communication. Therefore, foreign navy keeps on improving the existing submarine communication technologies and devotes major efforts to developing new submarine communication technologies. Foreign submarine communication mode in “network. centric warfare” is discussed,and the existing and emerging communication technology and equipment of foreign military submarines is also described in this paper.

submarine; network-centric warfare; radio communication; acoustic communication; blue-green laser communication; neutrino communication; quantum communication

date:2014-12-27；Revised date：2015-02-10

TN924:TN929.3

A

1002-0802(2015)04-0375-07

陶 雯(1982—)，女，学士，工程师，主要研究方向为海军通信、海军通信电子战等；

陈鼎鼎(1972—)，男，学士，高级工程师，主要研究方向为无线通信、通信电子战等；

何宁宁(1986—)，男，学士，工程师，主要研究方向为无线通信技术等。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.04.001

2014-12-27；

2015-02-10