水面舰艇新型中远距离通信方式分析与研究∗

宋 南 郑剑云 孙 欣 尚教凯

（海军大连舰艇学院信息系统系 大连 116018）

1 引言

随着我国海事活动日趋频繁和海洋经济的迅猛发展，我海上兵力活动范围不断扩大，海战场越来越广阔，这些都对海战场水面舰艇中远距离通信提出了越来越高的要求，而面对日益宽广海战场环境，现有的水面舰艇中远距离通信手段还不足以满足通信指挥联络需要，尤其是在远海大洋电磁环境更加复杂的陌生海域，一旦发生冲突、对抗或战争，原有的中远距离通信资源和通信经验远不能满足海战场通信指挥协同需要，会严重影响我兵力行动和作战能力。本文在分析海战场水面舰艇现有中远距离通信方式存在问题的基础上提出一种平流层通信方式，该通信方式能弥补短波电离层通信和卫星通信存在的不足，能够增强水面舰艇临近空间信息传输能力，能丰富海战场水面舰艇中远距离通信手段。

2 水面舰艇现有中远距离通信方式及存在问题

2.1 水面舰艇现有中远距离通信手段

在水面舰艇上现有中远距离通信手段有短波通信和卫星通信，如图1所示，水面舰艇可通过短波电离层或者利用卫星来实现中远距离舰艇双方信息传输。短波通信是利用1.5MHz～30MHz的短波频率实现无线电通信［1］，传输信号通过电离层反射传播，所以短波通信具有通信距离远、无需中继等优点，且短波通信电台简单，占用空间小，因此在舰艇上得到了广泛的应用。卫星通信是利用卫星作为中继，使信号能够通过微波进行大范围传输，卫星通信具有通信频带宽、信号覆盖范围广、速率高等优点。此外，卫星通信受地理条件影响小，组网迅速简洁、便于实现全球无缝链接，是远距离军事通信系统中不可缺少的部分［2］。目前，在舰艇中远距离通信上短波通信和卫星通信互为补充手段备用手段，此外还有利用直升机、预警机等作为中继来转信扩大通信距离，以此来达到中远距离通信的目的。

图1 水面舰艇现有中远距离通信方式

2.2 水面舰艇现有中远距离通信方式存在问题

2.2.1 短波通信存在问题

目前，短波通信存在的问题有：一是频率带宽少，信道数量有限，通信速率慢。现有单个短波电台的频带需要至少3.7KHz才能避免互扰，所以整个短波频率范围内所能容纳的通信信道数量为7700余个［3］。因短波扩展后的频带带宽仅为28.5MHz，远小于超短波、卫星通信频带带宽，所以短波通信速率较慢。二是通信质量受到电离层变化影响［4］。短波天波传播方式是依靠电离层这个时变信道反射传播的，所以短波天波通信不稳定，同时因电离层的变化，短波地波和天波传播存在信号盲区也是不确定的。三是短波选频较为困难。尤其是对陌生海区选频较为困难，难以保证通信双方实时有效的掌握通信质量较好的频点，无法保证可靠的通信联络和顺畅的指挥。此外，短波的频率预测模型还未准确有效应用起来，海战场中远距离短波电离层通信的可靠性难以保证。

2.2.2 卫星通信存在问题

目前，卫星通信存在的主要问题有，一是军事卫星资源相对较少，卫星通信点波束覆盖范围有限，难以满足海战场指挥、协同、报知需要。二是卫星通信会产生较长的延时，容易受到雨衰等其他因素的影响，会使信号质量变差甚至信号消失。如卫星受到人为因素的干扰时，有时会使通信链路中断，长时间不能恢复，当干扰上行链路或干扰卫星转发器干扰会使全部通信中断，干扰下行链会使相当范围内的通信中断。三是卫星运行轨道是暴露的，战时极易被掌握相关技术的敌方国家摧毁，卫星中继一旦被摧毁，重新部署会花费大量财力及人力。

2.2.3 利用直升机、预警机等中继通信存在问题

目前，现有直升机、预警机空中停留时间短，实现长时间中继通信时必须部署多个直升机或预警机来接替作为通信中继，且单个中继通信距离有限，实现中远距离通信时同样需要部署多个直升机或者预警机来中继转信。此外，直升机、预警机速度快，运动中通信多普勒频移明显，通信质量较差。

3 利用平流层通信平台来实现水面舰艇中远距离通信联络

3.1 平流层通信平台

平流层通信是当今无线通信领域的一种新的应用形式［5］，平流层通信一般指在离海平面17km～22km的高空区域，利用平流层稳定的气象条件，将飞机、飞艇、飞船等临近空间航空器作为平台长时间驻留在平流层中，把通信设备放置在驻空平台中，可与地面设备以及无线用户终端进行通信，同时也可以与平流层平台或卫星进行通信［6］，可以提供多用户、多用途的通信服务。

3.2 平流层通信优点

由于平流层良好稳定的气候环境，各类通信设备和平台能够在平流层中安全稳定的运行。平流层通信具有以下优势：一是建设成本更低且容易部署。平流层通信可采用临近空间航空器（部署时间仅为几小时）作为搭载平台，可以在战场上迅速建立起来，将战场信息迅速准确地传输。平流层通信平台可通过人为控制使其降落，进行回收和维修，实现各类设备的重复使用［7］，大大降低成本。二是通信效率较高。因通信平台与海面距离近，延时时间降低，提高了通信效率。和卫星通信相比，平流层通信平台的高度大约是同步卫星、中轨卫星和低轨卫星的1/1800、1/400和1/40，延迟时间只有0．5ms［6］。三是平流层通信距离远，覆盖区域广［8］。因平台布置的高度较高，所以通信距离足够远，当仅利用一个平台通信时，利用该平台进行有效的通信覆盖直径可达到数百公里，比卫星区域性覆盖更有优势。当平流层通信平台作为系统的一个节点时，平台间的中继距离可达到1000km［9］。

3.3 平流层通信在海战场通信中发挥的作用

水面舰艇只有能在更广阔的海域实现高速、宽带、综合化的信息传输，才能适应未来海战场通信要求，把平流层通信系统应用于海战场舰艇通信，会极大丰富海战场水面舰艇通信体系，提高舰艇通信抗干扰、抗摧毁能力，适应未来海战场舰艇通信要求。

3.3.1 为海战场提供长时间全天候的信息保障

平流层平台工作环境相对稳定，具有长期驻空能力，可在指定区域连续长时间工作，或者根据任务需要，重新部署平台组网全天候工作，保持长期通信，迅速准确地传递信息。

3.3.2 有效弥补海战场卫星通信和短波通信的不足

现有的卫星和短波通信设备难以胜任复杂的海战场电磁环境，短波中远距离传输信号质量差，卫星通信抗毁抗扰能力有限，通信延时较长。平流层通信可以克服这些缺点，把地面上的超视距通信转化为视距通信，实现远距离，高质量的战场通信。

3.3.3 增加战场通信覆盖范围，增强战场无线通信整体效能

单个平流层通信平台覆盖半径可达数百公里，利用多个平台组网，可以覆盖更大的海域，平流层通信平台与地面设施、空中飞机和卫星可以组成可靠的通信体系。增强战场无线通信整体效能，提高通信系统的稳定性和可靠性［10］。

4 平流层通信平台覆盖区仿真分析

平流层通信平台对海面的覆盖范围如图2所示。图中A1为平流层通信平台，A2为平流层平台在海面上的投影，O为地球球心，平台离地的高度A1A2为h，在现有平流层通信研究中，平流层平台的高度最佳为17km～25km，通信距离A1A3为d，天线仰角为α，平台高度角为θ，地球半径为R，通信覆盖半径A2A3为r，r的地心角为β。在以平流层平台、水面舰艇和地心三者构成的三角形中应用正弦定理可得，平台的高度角为

通过高度角θ，可以推导出平流层平台对海面的覆盖中心角为

再根据余弦定理和弧长计算公式，可得出空中平台至地面站的通信距离d和覆盖半径r分别为

图2 单个平流层平台通信覆盖半径

如图3所示，从利用Matlab仿真程序得到的平台通信覆盖半径与天线仰角和平台高度的关系图来看。在不同的舰艇天线仰角下，平流层通信平台的覆盖半径与平台高度之间呈现逐渐增加趋势，但在相同的平流层平台高度下，平台覆盖半径与天线仰角之间呈减少趋势［11］。在实际通信中，我们要考虑到通信时天线仰角大小，天线仰角越低，通信距离越远，受大气环境的影响越大，通信链路损耗越大，严重时会导致无法通信，所以在实际卫星通信中舰艇天线通信的仰角一般要大于15°才能保证舰艇间通信畅通。因平流层平台离地面较近，通信链路损耗远小于利用卫星通信的链路损耗，所以利用平流层平台通信时，舰艇有效通信时天线仰角可以小于15°。如图4所示，当平流层平台高度为20km时，在舰艇天线仰角为5°的条件下，平台通信覆盖半径为194.1km，这一距离可以满足水面舰艇中远距离通信需要，高度为20km的平流层通信平台极限条件下最大通信覆盖半径达到504.1km，随着天线仰角的增加，平流层平台通信覆盖半径减少。20km高度的平流层平台与10km高度的预警机在舰艇天线仰角为5°、10°、15°时，通信覆盖半径分别为194.1km和104.3km、107.9km和55.3km、72.8km和36.9km，在相同的舰艇天线仰角下平流层平台的通信覆盖半径是预警机通信覆盖半径的两倍左右，由此可见利用平流层平台通信比利用预警机通信距离更远。

图3 平台通信覆盖半径与天线仰角和平台高度的关系

图4 20km高度的平流层平台与10km高度的预警机通信覆盖半径

5 平流层通信组网运用方式

平流层通信系统可与现有海战场通信网络融合，丰富现有海战场水面舰艇中远距离通信方式，平流层通信组网运用方式如图5所示。一是平流层通信平台可与水面舰艇等海面作战单元通信。平流层平台可与水面舰艇现有军事通信装备（包括短波、超短波、数据链等）实现互联互通，平流层平台可利用超短波、微波与通信设备通信。二是平流层通信平台之间互通。在平流层通信系统中可以根据任务需要布置一个或多个平台，各个平台不仅可以与水面舰艇进行通信，平台之间也可以进行通信。多个平台比单个的平台可以覆盖更大的区域，具有更多的链路和更大的空间［12］。三是平流层通信平台可与卫星网络组网通信。平流层平台与卫星的组网通信会丰富空中信息传输系统，扩展了地面设备与卫星通信的渠道，信息不仅可以由水面舰艇直接发送给卫星，也可以通过平流层平台来转发给卫星。四是平流层通信平台可与预警机、指挥专网组网通信。可将平流层平台收集到的战场信息及时传输给预警系统，由预警系统再对信息分析、处理，分发给其他网络［12］。

图5 平流层通信组网方式

6 结语

本文从海战场水面舰艇现有中远远距离通信方式出发，分析短波电离层和卫星中远距离通信存在的问题，针对存在的问题和未来海战场通信要求，提出用平流层通信平台来丰富现有海战场水面舰艇中远距离通信方式，平流层通信方式能有效弥补短波通信和卫星通信存在的问题，能为海战场通信提供有效的通信保障，将在海战场通信中发挥巨大作用。画图说明了平流层通信平台通信覆盖半径算法，并利用Matlab仿真程序做了仿真分析，得到平台高度在17km～25km范围时，天线仰角为15°、20°、25°时的通信覆盖半径变化曲线图，同时也仿真出20km高度的平流层通信平台与10km高度的预警机作为通信中继时，平台通信覆盖半径与天线仰角的关系图，通过对比分析说明了平流层平台比预警机在通信距离上更适于与海战场水面舰艇中远距离通信。最后，详细说明了平流层通信组网方式，这种组网方式能丰富海战场水面舰艇现有通信体系，提升海战场水面舰艇通信的抗毁能力。