基于低轨道卫星的激光星潜双向通信研究*

徐 涛，温 东，陈晓露

(海军潜艇学院 航海观通系,山东 青岛 266199)

基于低轨道卫星的激光星潜双向通信研究*

徐 涛，温 东，陈晓露

(海军潜艇学院 航海观通系,山东 青岛 266199)

针对潜艇通信的现状，描述蓝绿激光通信在大深度和高速率方面的优势，比较蓝绿激光对潜通信的三种平台——飞机、临近空间和卫星平台。从对潜通信军事需求和现实可行性出发，首次提出基于低轨道卫星的双向星潜通信方案，对潜艇主动取报的通信方案进行详细描述，并利用STK软件对典型的低轨道卫星对潜通信的覆盖区域和通信时间进行仿真，同时从信道角度分析星潜通信链路的可行性。结果表明，基于低轨道卫星的蓝绿激光星潜双向通信是完全可行的，这也是现阶段实现蓝绿激光星潜通信的最优方案。

潜艇通信；卫星通信；激光通信；低轨道卫星

0 引 言

现代高技术战争条件下，潜艇将是主要的海上战斗力。但是，由于海水对无线电磁波的衰减，使水下通信联络十分困难，极大地限制了对潜艇的指挥和控制。

目前，潜艇通信一般是单向定时通信，时效性差。潜艇缺乏有效的水下发信手段，需要发信时都是上浮到潜望或水面状态将天线伸出，然后利用短波、超短波或卫星通信来进行。而潜艇水下收信主要是甚低频（VLF：3～30 kHz）通信，具有一定的海水穿透深度。当采用磁性天线或环形天线时，水下收信深度可达15 m；当采用数百米长的拖曳天线时，水下收信深度可达50 m。甚低频通信方式具有一定的隐蔽性，但随着反潜探测技术的发展，50 m左右的深度对于潜艇来讲并不安全。同时，拖曳天线的使用对潜艇有一定的航速航向要求，会严重影响潜艇的机动性。为了实现更大深度的水下收信，又发展了超低频（SLF：30～300 Hz）通信。这种通信方式采用更长的拖曳天线，水下收信深度可达100 m。这虽然初步解决了大深度通信问题，但是数据传输速率极低，不超过1 bit/s。因为几分钟才能传输一个字符，无法进行大量或实时信息传输，所以通常只将其作为触发“振铃”使用。同时，甚低频和超低频通信需要岸台高功率的发射台站和庞大的天线系统。各国对潜通信的大功率发射台站，功率均达兆瓦级，天线长度达数百公里。然而，巨大的台站和天线，目标固定，抗毁能力差。

因此，如何满足潜艇未来作战的使命任务和作战需求，为潜艇提供大深度、高速率、强抗毁性的可靠对潜通信手段，是海军迫切需要解决的问题。

1 蓝绿激光通信现状

已经证明，海水存在一个传输损耗很小的光波“窗口”，该窗口落在可见光波中的蓝光和绿光之间。早在1945年，E.O. Hulburt就在实验室内初步发现蓝绿光波窗口[1]。1963年，S.Q. Duntley首次系统地描述了光在海水中的吸收和散射特性，并设计了锆灯作为准直光源的测量系统，实测了不同海域不同波长的衰减系数，用大量数据验证了此窗口[2]。1976年，N.G. Jerlov为了进一步研究光波窗口与海水类型的关系，将海水分为两大类，大洋型海水和近岸型海水；然后，又根据海水的浑浊度，将前者细分为Ⅰ～III类，将后者细分为1～9类。由于其概括性和方便性，这种分类方法至今仍被广泛地采用[3]。

已有的大量实验表明，不同波长光波在不同类型海水中的传输特性如图1所示。显见，光波在海水中传播蓝绿光具有明显的窗口，窗口范围和最佳波长与海水类型（取决于混浊度、生物含量、深度等）有关。实验表明，在沿海混浊的浅水区，最佳衰减窗口靠近绿光，约530 nm，衰减系数约为0.87 dB/m，对应透光率为82%；在清澈的深水区，此窗口移向蓝光，最佳衰减窗口落在约480 nm处，衰减系数为0.22 dB/m，对应透光率为95%。可见，蓝绿激光在水下传输衰减很小，穿透能力很强。在潜艇活动的大洋深处，若采用最佳波长传输，其每米透光度可以达到95%以上。

图1 光波在海水中的传输特性

从水下传输来看，即使和现有的潜艇长波通信相比（如图2所示），蓝绿激光也具有优势。与甚低频通信水下平均衰减系数3 dB/m及超低频通信的0.3 dB/m相比，蓝绿激光衰减更小，其平均衰减率只有甚低频的1/15，超低频的2/3。这是蓝绿激光可以与深达几百米下潜艇进行通信的主要原因，也是它的主要优势。其次，蓝绿激光的频率很高，能够满足高速率对潜通信要求。目前，国内外大气激光通信都早已超过每秒兆比特级。即使目前大功率蓝绿激光器脉冲重复频率不是很高（几赫兹至几百赫兹），但采用PPM调制时传输速率也可达每秒千比特级。这比极低频通信速率至少提高了3～4个量级，比甚低频提高1～2个量级。最后，蓝绿激光可以实现对潜双向通信。蓝绿激光通信无需复杂的发射系统和大口径的天线，目前研制的大功率激光器，体积和重量都不大，完全可以装备在潜艇和卫星等平台上。

图2 蓝绿光波海水传输与长波方式的比较

早在20世纪70年代，美军就明确提出蓝绿激光对潜通信（SLC）计划，并将其纳入战略计划中，准备实现卫星中继光学潜艇通信（OSCAR）系统。80年代后，美国全面开展蓝绿激光器和光滤波器等关键技术研究。同时，美国开始研制蓝绿激光对潜通信系统，并进行了多次海上实验。1981年，美国首次进行了飞机与水下300 m深处的潜艇之间进行的激光通信实验，昼夜24小时通信效果良好。1986年在太平洋舰队训练中，成功进行了机载蓝绿激光对潜通信的战术表演。同年，在P-3C飞机上把蓝绿激光信号传送到冰层下的潜艇。1991年，美国成功进行了机载激光对潜双向通信实验。结果表明，蓝绿激光能够通过云层和海洋被深海接收器接收，机载蓝绿激光能够在几乎是全天候的气象和各种海洋条件下向潜艇发送高速数据，这也证明蓝绿激光对潜通信良好的应用前景[4-6]。2 006年，美国又提出并实施“潜艇飞机数据交换提升发展计划”（SEADEEP），利用蓝绿激光作为无人机与潜艇之间的高速信息传输方式，并已在2012年环太平洋军演中进行了测试。

2 对潜通信平台分析

蓝绿激光通信需要以搭载平台为依托。按照对潜通信平台所处空间环境的不同，可将其分为三类，即高空的卫星、中空的临近空间飞行器和低空的航空器，各平台对潜通信如图3所示。

图3 不同平台蓝绿激光对潜通信示意

星潜通信是把蓝绿激光器安装在卫星上，由地面站通过微波信道向卫星发送信息。卫星上的接收机接 收信息后，经发射机转换成蓝绿激光信号，发送给潜航中的潜艇。临近空间平台潜艇通信是利用工作在临近空间的飞行器如飞艇、气球等，与潜艇之间实现通信，其高度介于卫星和飞机之间，具有空中滞留时间长、载荷大、易恢复、成本低等优点。机载平台潜艇通信是指将蓝绿激光器搭载在各种飞机上，由飞机作为载体至潜艇的临空区域，与潜艇进行的激光通信。由于飞行高度有限，通信覆盖区域较小，但其通信距离短，是容易实现且是唯一实现了的对潜通信。

与卫星平台相比，空基平台的高度较小，覆盖范围有限，无法实现大面积对潜通信，且通信只能临空达成，容易暴露潜艇的活动区域。因此，未来有重要应用价值的通信是星潜通信，需瞄准星潜通信技术进行研究。星载方案的最终设想类似于传统的卫星通信，即用三颗地球同步卫星（GEO）形成全球对潜通信系统。然而，由于通信距离遥远，光束覆盖面积太大，实现困难。按目前的激光器和接收器指标，还无法实现这样的通信。因此，兼顾当前的可行性和经济性，只能降低高度，采用低轨道卫星（LEO）来实现蓝绿激光星潜通信。为此，提出基于LEO卫星的蓝绿激光星潜通信，大大压缩卫星发射的光束来实现双向对潜通信，同时采用上行和下行链路分开的通信体制，避免大范围扫描搜索造成的功率浪费，不仅减少对器件的要求，而且是目前技术上唯一可行的方案。

3 基于低轨卫星的星潜通信方案

基于LEO的蓝绿激光星潜通信是利用距地球1 500 km以下的一个或多个LEO卫星实现与潜艇间的双向通信。最终目标是多个LEO卫星组成星座，保证任何时间都会有卫星经过，从而实现全球覆盖。

星潜通信有上行下行链路之分。从体制上看，上行链路即潜艇对卫星通信更容易实现。上行通信是将激光器放在潜艇内，对电源 和体积等要求没有卫星上严格，且卫星的轨迹固定。相对于潜艇而言，卫星的实时空间位置可预测，可在其过顶时主动进行通信，不需采用扫描搜索，避免了效率不高的问题。因此，要实现卫星潜艇通信，先要从上行通信开始。这种通信方案可以称为“潜艇主动取报方式”的蓝绿激光星潜通信。

基于主动取报方式的蓝绿激光星通信如图4所示，一次双向通信由三步达成。

（1）通信由潜艇发起，当潜艇有通信需求时，根据星历计算出卫星的运行轨迹，预测出下一次卫星过顶的时间窗口，调节激光发射机对准卫星轨道，装载报文做好发射准备。一旦落在时间窗口内，潜艇上的发射机即开始发送调制后的蓝绿激光强脉冲，以一定的发散角穿透海水和大气投向卫星，供卫星上的光学天线和接收机接收。同时，卫星上装有光束捕获、对准和跟踪系统（APT），能够根据接收光束调整，同时使卫星上的激光发射机调整姿态，瞄准来光区域，为下行通信做好准备。或者卫星没有APT系统，但潜艇首次发送报文的时候将自己位置坐标发来，一样可以让卫星知道潜艇的位置，进而调整发射机瞄准潜艇区域，为下行通信做好准备。

图4 采用主动取报方式的蓝绿激光星潜通信

（2）卫星上的光接收机接收到一次完整的通信脉冲后，将接收报文利用微波以瞬间快速报的方式立即转发给岸基站。岸基站收到潜艇发来的信号后，自动启动岸站发报，将已经准备好的指令报文快速发回卫星，从而完成一次星地快速报通信过程。由于是短报文微波通信，所以此过程时间很短。目前，潜艇利用同步卫星实现一次双向通信不超过几秒。

（3）卫星接收到岸站报文后，立即启动卫星平台上的蓝绿激光发射机向潜艇发射，潜艇位置已由卫星上的APT系统锁定，经大气和海水信道后，由水下潜艇上的光学天线接收，并送往接收机接收。至此，一次完整的蓝绿激光星潜双向通信达成。

这种星潜通信方案由水下的潜艇发起，采取潜艇主动取报方式达成，并实现双向通信。这种方案既避免了天基平台扫描搜索潜艇带来的一系列问题，又通过半双工方式避免了上行和下行相互干扰的问题。卫星和潜艇可以采用同一波长的激光器，仅需在卫星上装载具有跟踪瞄准功能的APT系统即可。一次通信时间也可以很短，只有几秒至几十秒（取决于报文的长短和激光器的重频）。根据链路分析，这种方案也是目前可以实现的方案，具有较强的可行性。

4 星潜通信仿真分析

蓝绿激光通信必须满足视轴通视的条件。而LEO卫星时刻围绕地球旋转，会受到地球的遮挡，破坏激光通信的视轴通视性，造成低轨道卫星的可通信时间有限。鉴于此，可以通过理论方法对LEO卫星覆盖范围和通信时间进行分析[7-8]，也可通过专业软件，如美国分析图形有限公司（AGI）的STK软件，进行精确的仿真分析。

以圆轨道LEO卫星为例，高度为785 km，轨道倾角为45°，升交点赤经（RAAN）为0°。潜艇站选择青岛站（北纬36.1484°，东经120.4341°），可视条件通过不同的最低仰角来选择，利用STK软件仿真出一天内对此处潜艇的通信覆盖区域和通信时间，结果如图5所示。当通信最低仰角10°时，青岛站与特定的LEO卫星在一天的时间内有6次可见，其中最长持续时间为659.31 s（约11 min），最短持续时间378.85 s（约6 min）。可见，由于运行速度很快，低轨道卫星的可通信时间很短。

图5 典型LEO卫星对地覆盖区域及通信时间

同样，选择其他仰角，可得不同的通信时间。当最低仰角增大到40°时，青岛站与LEO卫星在一天时间内仅有3次可见，最长持续时间238.34 s，最短持续时间73.76 s。当最低仰角增大到70°时，青岛站与LEO卫星在一天时间内仅有1次可见，持续时间为42.31 s。随着仰角的继续增大，甚至发生一天均不可见无法通信的情况。从这点考虑，最低仰角应尽量小。然而，激光通信易受大气湍流、海浪起伏等因素的影响，容 易造成光束的偏折和扰动。若仰角很小，不仅路径上的障碍会造成影响，而且光束的微小变化能使覆盖面变化很大，容易造成通信失败。因此，实际应用时必须折中选择。

为了克服单个LEO卫星覆盖较小这一缺点，可以增加轨道上的卫星数量，用一系列卫星组成星座联合起来通信，类似美国“铱”星通信系统。

5 星潜通信链路可行性分析

激光对潜通信信道由大气、空气/海水界面和海水三部分组成。由于光功率的分散，再加上散射和吸收造成的衰减，使到达接收机的信号很微弱。要能够达成对潜通信，潜艇上的接收机必须接收到一定的能量或功率，以触发接收门限，满足信号接收的最低要求。

假设蓝绿激光器输出的单脉冲能量为Ep，考虑整个信道链路的衰减情况，如图6所示，潜艇上接收到的光脉冲能量可表示为

图6 蓝绿激光星潜通信链路分析

其中，A为接收光学天线的面积，S为接收处水下光斑的面积，f(A/S)代表了由面积比引入的接收系数，若光斑近似均匀分布，即等效为A/S。(为发射机光学系统的透射率；La为大气分子散射的透射率，存在整个大气信道中；Lc为云层的透射率，与传输路径上云层的状态有关；Law为海水界面的透射率，即光由空气进入海面时，能量的界面透射率，与海水的折射率、海面浪涌和海水泡沫有关；Lw为海水的透射率，取决于海水的水质和深度；fr(Φr)表示和视场角有关的因子[9-10]。

上述各因素对整个信道的衰减情况影响不同。衰减的主要项是面积比，其次是海水和云层，其他的衰减因素则相对较小。目前，各因素具体的衰减规律还有待进一步确定，可从已有文献和实验进行初步估算。如图6所示，卫星为1 000 km高度处的低轨道卫星，激光发散角为1 mrad，这样在海面投射出直径约1 km的圆光斑，潜艇上接收天线直径1 m，接收面积比造成的衰减约60 dB。潜艇处于100 m深度清澈的大洋中，按现有数据来看，平均衰减系数约为0.1 m-1（对应0.4 dB/m），于是海水造成的衰减约为40 dB。加上其余衰减因素，整体衰减为130 dB左右。

对于接收机的灵敏度，从现有雪崩光电二极管（APD）性能来看，等效噪声功率可控制在nW级以下，可以接收0.1μW甚至nW级的微弱光信号（与接收机滤光特性有关）。这样，对一个持续时间1 s，脉冲能量10 J的激光脉冲（高能量激光器已实现的性能指标），相当于峰值功率10 MW，能够满足接收机接收可容许的衰减范围为140～160 dB。与实际相比，还有10～30 dB的余量。因此，可以得出结论，基于主动取报方式的蓝绿激光星潜通信在技术上是可行的。当然，这些只是初步估算，各因素的影响还要通过实验测量来验证。

6 结 语

本文对蓝绿激光对潜通信军事意义进行分析，针对潜艇通信的现状，描述蓝绿通信的特点，特别是在大深度和高速率方面的优势。对蓝绿激光对潜通信的三种平台——飞机、临近空间和卫星平台进行比较，并在此基础上首次提出基于LEO卫星的星潜通信方案，对潜艇主动取报的通信体制进行了详细描述，利用STK对LEO卫星通信覆盖范围和通信时间进行了仿真，同时从运行体制、信道衰减等方面进行了通 信 链路可行性分析。结果表明，基于低轨道卫星的蓝绿激光星潜通信是完全可行的，也是现阶段实现蓝绿激光星潜通信的唯一方案。

当然，这种方案也存在着一些缺点，如由潜艇主动发起的激光通信在夜间容易被探测到而造成自身的暴露，必须采取一些特殊的措施加以避免。我们期待着对通信体制和关键技术的进一步研究，以推动蓝绿激光星潜通信的工程化，从而为解决潜艇的安全隐蔽通信奠定基础。

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徐 涛（1977—），男，博士，讲师，主要研究方向为军事通信、测试计量技术等；

温 东（1971—），男，博士，副教授，主要研究方向为军事通信、电子系统仿真等；

陈晓露（1976—），女，博士，讲师，主要研究方向为军事遥感、海洋仿真等。

Scheme Research on Satellite and Submarine Blue-green Laser Two-way Communication Initiated with LEO Satellite

XU Tao, WEN Dong, CHEN Xiao-lu
(Navy Submarine Academy,Qingdao Shandong 266199,China)

Compared with wireless radio means, the characteristics of blue-green laser submarine communication are summarized, and the special advantages of big depth and high rate are emphasized. Three typical communication platforms and corresponding communication mechanisms based on the aircrafts, near-space platforms and the satellites are compared. Considering the military requirement and practical feasibility, a scheme of submarine laser communication adopting LEO satellites is put forward, and the detailed communication plans initiated by submarine are described in detail. Then the simulation of communication coverage and time for a typical LEO satellite is performed with STK software. Finally, the channel attenuation of communication link is calculated. Results show that the two-way blue-green laser communication between LEO satellite and submarine can be realized and it is the optimal feasible scheme at present.

Submarine communication; Satellite communication; Laser communication; LEO satellite

TN929

：A

：1002-0802(2016)-06-0656-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.06.002

2016-02-04;

：2016-05-06 Received date:2016-02-04;Revised date:2016-05-06

国家高技术研究发展计划(863计划)资助 （No.2015AA7014043）

Foundation Item:Supported by National High Technology Research and Development Program of China（No.2015AA7014043）