舰船超短波通信系统初探.pdf

信息技术Information Technology?2009年第 3 期?中图分类号:TN925?文献标识码:A?文章编号:1009-2552(2009)03-0104-04舰船超短波通信系统初探郭晋宏,李建涛(中国人民解放军 91635部队,北京 102249)摘?要:对舰船超短波通信系统进行了介绍,讨论了海上舰船超短波视距通信的特点,并分析了舰船超短波通信的抗干扰、反侦察能力,最后对舰载超短波通信的发展趋势作了探讨。关键词:舰船超短波通信;视距通信;抗干扰;反侦察Study of shipboard ultrashort wave communication systemGUO Jin?hong,LI Jian?tao(91635 Troops of PLA,Beijing 102249,China)Abstract:This paper made a brief introduction to the shipboard ultrashort wave communication system,anddiscussed the characteristics of shipboard ultrashort wave LOS communication,and analyzed the capability ofcounter?countermeasure and anti?reconnaissance.At last,the development trend of the shipboard ultrashortwave communication system was discussed.Key words:shipboard ultrashort wave communication;LOS communication;counter?countermeasure;anti?reconnaissance0?引言军事领域一直是超短波通信最重要的应用范围。在复杂的海上环境中,超短波通信是舰船之间、舰船与飞机、舰船近岸通信的一种主要手段,为协调舰船行动提供信息交换,是舰船通信系统重要的组成部分。1?舰船超短波通信系统介绍舰船通信与海上舰船作战活动相伴而生,19 世纪末至今,随着海上兵力组成以及海上作战环境的日益复杂多变,舰船通信更显示了作为舰船神经耳目的重要作用。舰船通信的主要任务包括保障岸上指挥部门对舰船、舰艇编队的指挥、组织编队内各兵力之间的协同,以及为保障对各种武器系统的指挥控制而在各兵力之间交换实时战术数据等。海上作战的经验证明,舰船通信是舰船生命力和实现作战效能的重要保证。超短波通信系统是舰船通信系统的重要组成部分,自 1930 年发现超短波,超短波通信的发展就与舰船通信的发展紧密相连,从模拟体制电台到数字化电台、从定频电台到跳频电台再到扩频电台等都有舰船超短波通信的身影。舰船超短波通信系统是指在舰船平台上利用频率为 30MHz 88MHz的甚高频(VHF)和频率为 100MHz 400MHz 的甚?特高频(V?UHF)频段的无线电波,为实现无线电通信所需的信道、电路、终端和交换设备以及所有辅助设备组成的系统。一般分为对海超短波通信系统和对空超短波通信系统。对海超短波通信系统由对海超短波电台(频率为 30MHz 88MHz)及其保密机、天线与进出港无线电话(频率为 156MHz 162MHz)及保密机、天线和多路耦合器等设备组成,主要完成编队内舰艇作战指挥系统战术组网通信、舰艇近岸通信。双频段V?UHF(频率为 100MHz 174MHz 和 225 MHz400MHz)超短波电台可用于对空、对海通信,其通信系统由超短波电台及保密机和天线、多路耦合器等设备组成,主要完成舰与舰及舰与飞机之间的视距战术组网通信。舰船超短波主要通信业务有明密话、报文、数据传输等,主要工作方式为半双工。对收稿日期:2008-07-07作者简介:郭晋宏(1978-),男,海军装备研究院硕士研究生,研究方向为作战软件。?104?海超短波电台和进出港无线电话一般采用的调制方式为调频,对空超短波电台采用调频、调幅等调制方式。工作体制主要有定频通信、跳频通信、扩频通信、猝发通信等。超短波通信在舰船上得到广泛应用主要是因为可以使用比较小的天线,主要包括盘锥形天线、鞭状天线、笼型天线、偶极子天线等,这些天线体积小,适合空间有限的舰船上安装;舰船超短波通信主要在视距范围内进行通信,通信发射机可采用较小的发射功率,使在视距范围外的敌方不易侦测到信号;可利用的带宽较宽,适合采用扩频技术,能够增强舰船超短波通信的反侦察和抗干扰能力。海上超短波视距传播同陆地上通信相比,有自己独特的环境特点。首先,在地形上,海上障碍物比较少,这样使得电波传播余隙大,所以在海上传播时,绕射损耗比陆地上小;其次,传播余隙增大,增加了电波反射,使得反射波的影响要比陆地上大;再次,严重地受到海洋气象、水文的影响,海浪对电磁波的传播产生不规则的反射和散射,海水对电磁波有较大的衰减和吸收作用,海上雨、雾、雪天气对超短波的传播都会起到衰减作用。2?舰船超短波视距通信在超短波的传输过程中,大气层起着重要作用,包括对电波的折射、吸收、散射等作用。由于超短波的波长短,沿地表面波传播时所感应的电流较大,衰减快,所以超短波不能依靠地表面波作较远距离的传输。超短波通信的频率高于电离层所能反射的最大可用频率,对电离层有强穿透能力,所以超短波也不能通过电离层反射进行远距离传输。超短波主要通过空间波(直射波)传播,属于视距通信。超短波最大传播距离的计算与收/发信机等设备的技术指标无关,取决于收发两地的天线高度,传输路径上是否有障碍物阻挡,地球表面的曲率,大气对电波的折射等因素。超短波视距通信有效通信区域示意图如图 1 所示。图 1?超短波视距通信有效通信区域示意图图1中 h1,h2,h3表示舰船天线、飞机相对于海平面的高度,R 表示地球半径,d 表示舰船与舰船或者舰船与飞机之间的视线距离。根据上图通信实体的几何关系,超短波通信的视线距离可以求得:d=2Rk(h1(km)+h2(km)(km)上式中表示地球半径约为 6370km,k 为考虑大气折射率时的等效地球半径因子,其值根据不同的气候特征而不同,h1,h2分别表示发射天线、接收天线相对于海平面的高度,带入上式得d=3.57 k(h1(m)+h2(m)(km)考虑大气层所引起的电波折射、电离层散射、地球表面反射、大气波导等因素的影响,都不同程度地延伸了超短波通信的通信距离。在标准大气压下,k取值为 4?3,超短波最大视距传输距离约为:d=4.12(h1(m)+h2(m)(km)海上超短波通信距离由视距传播决定。舰对舰以及舰对岸通信距离主要由舰船上安装的天线的高度决定,舰对空通信距离除与空中飞机的高度有关外,还与发射机功率有关。超短波传播主要考虑干涉衰减和绕射衰减两种因素,干涉衰减是由于反射波与直射波的干涉效应引起的,扰射衰减是由于收发天线之间的第一菲涅尔区受地形地物阻挡时引起的附加衰减。对于海上超短波视距传播,由于在收发天线之间很少受到地形地物阻挡,所以只考虑干涉衰减。无线电波的传播距离远近受环境的影响很大,建筑物群的分布和密度、植被覆盖等都会对传播路径场强产生影响,所以要准确得到传播损耗、对接收点场强进行预测是非常困难的,研究人员一般通过结合经验模式和确定性模式来得到具体的路径损耗值。在实际工作中最常用到的场强预测模式有自由空间模式、奥村模式(Okumura)、Hata 模式、COST231?Hata 模式、Egli 模式等,具体的环境选择具体的合适的模式。Egli 给出了适合于海上超短波通信的电波传输损耗经验公式:LM=88+20lgf+40lgd-20lghrhs-Kh其中,LM(dB)为中值路径损耗;d 表示通信双方收发天线的距离;hr,hs表示收发天线中点相对于海平面的高度;Kh表示地形校正因子,因为在海上,海平面近乎为规则的平面,所以 Kh取值为零。即:LM=88+20lgf+40lgd-20lghrhs通过损耗,根据发射天线的发射功率,可以求出接收电台收到信号功率为:Pr(dBW)=Ps+Gs-Lb-LM+Gr其中,Pr为接收机收到的中值信号功率;Ps为发射?105?机的发射功率;Lb为发射端馈线损耗;LM(dB)为中值路径损耗;Gr为接收天线增益。3?海上超短波通信系统的反侦察能力分析舰船超短波通信系统的主要设备是超短波电台,它一般是对陆地上使用的超短波电台进行改造,使之能够适应舰船海上通信后安装在舰船上的。由于海上电磁环境越来越复杂多变,舰船通信受到的威胁也越来越大,容易受到他国舰船、侦察机、岸基侦察站等的侦察。舰船超短波通信系统在不断的发展过程中,也不断地提升了其反侦察能力,当前舰船超短波通信系统主要采用了直扩、跳频等先进技术来增强其反侦察能力。3?1?直扩(DS)技术直扩通信即直接序列扩频通信,是用高速伪随机码采用各种调制方式,在发射端将信号的频谱进行扩展,其信号功率谱密度低,在远处接收端信号电平低于背景噪声电平,信号被淹没在噪声之下,因而具有很强的隐蔽性。要对直扩通信进行侦察,一方面需要对直扩信号进行搜索、截获和分析,并测得其载频、伪码速率、电平等技术参数,另一方面还需要对直扩通信进行解扩,即获得直扩通信信号序列,解扩伪码序列而分解出信号信息。可见对直扩的通信侦察存在着相当大的难度。3?2?跳频(FH)技术跳频通信技术是一种具有高抗干扰性、高抗截获能力的扩频技术,它通过控制收发双方传输信号的载波频率按照双方约定的规律在一定的频率范围内进行随机跳变而进行通信。由于其载频是伪随机变化的,所以难以被截获,给侦察设备造成极大困难,且跳频码越长,跳频图案延续时间越长,敌方破译越难。对跳频体系的侦察是对跳频通信信号的搜索、截获和分析,并测得其跳频频道、频率集、跳频速率和跳频图案等技术参数,所以,较之常规定频通信的侦察,对跳频侦察技术难度更高,大大降低了敌方对己方通信信号的截获概率。目前甚高频?特高频跳频电台的跳频速率一般在 100 1000 跳?秒。英国海军舰船上广泛安装的!弓箭手系统 VHF 电台就采用了跳频技术。跳频通信的缺点是隐蔽性不好。3?3?跳?扩频(FH?DS)混合技术跳?扩频通信是将跳频和直扩技术相结合而产生的具有很强通信反侦察能力的通信方式。跳?扩频通信一方面采用跳频技术,利用载波伪随机跳变,降低了通信信号的被截获概率,另一方面采用直扩技术,覆盖了一部分频带,信号的谱密度降低,从而使跳?扩频信号又具有一定的隐蔽性。因此,舰船超短波通信系统采用跳频?扩频混合技术使其反侦察性能比单一的跳频或直扩通信有更大的改善和提高。意大利研制的 HYDRA?V 甚高频电台就是一种采用直接序列和跳频技术的混合系统,调频速率在100 200 跳?秒,具有很强的反侦察和抗测向能力,已经在多艘舰船上安装使用。4?海上超短波通信系统的抗干扰能力分析随着现代通信技术的发展,空中海上岸上的无线电设备的使用越来越广泛,使得海上电磁环境变得异常复杂,海上舰船通信受到的干扰也越来越严重,对实现通信的迅速准确保密和不间断要求提出了严峻的挑战。现代舰船超短波通信系统综合了跳频、空闲信道扫描、直接序列扩频、猝发等先进技术提高了抗干扰能力,适应了现代高技术条件下的海上战争。4?1?跳频(FH)技术在固定频率下传递信息容易被敌方截获或干扰,而跳频技术采用通信双方约定的伪随机序列控制通信频率以某种速度在一定的频段上跳变频率,从而躲避敌方的截获,将干扰排除在通信信道以外,即使有部分频点被干扰,仍能在其他未被干扰的频点上进行正常的通信,从而达到抗干扰的目的。跳频通信系统的抗干扰能力与频率跳动的速度、跳频带宽,频率集数量、跳频码重复周期等指标有关。VHF?UHF 跳频通信具有跳频速度快,跳频带宽大,频率集数量大,跳频码重复周期长等特点,使得敌方很难高概率对其跟踪和截获,对其测向、干扰就更加困难。4?2?空闲信道扫描技术空闲信道扫描技术,是在通信时通过实时监测敌方的干扰情况,从全部有效工作频段中自动选择最佳工作波道进行通信,可以自动避开受干扰的波道,由于在每次发送信息时都先进行自适应频率搜索,即使大部分通信频段受到干扰,也可以找到合适的波道进行通信。4?3?直扩(DS)技术直扩技术的抗干扰性能是通过扩展频谱来体现的。如果对原始信号进行干扰,只要窄带干扰就可以实现,但是将窄带信息进行扩频后,比如信号扩频宽度为 100 倍,窄带干扰基本上不起作用,若使用相同的功率进行宽带干扰,则强度降低了 100 倍,如要保持窄带干扰强度,则总功率需提高 100 倍,在目前来讲,还难以实现。因为信号接收时需要用与发射端相同的扩频编码进行相关解扩处理才能得到原始?106?的信息,所以即使以同类型信号进行干扰,在不知道扩频编码的情况下,由于不同扩频编码之间的弱相关性,干扰也很难起到作用。4?4?猝发技术猝发通信是指瞬间快速通信,使电台发射的信号能够稍纵即逝,尽量减少信息传播的时间,从而降低敌方的侦收概率,增加敌方破译的难度。跳时方式就是猝发技术的一种,它是通过伪随机码序列控制通信的时间和周期。猝发通信使敌方很难截获到信号,并无法测向,所以抗干扰性能比较好。5?舰船超短波通信系统的发展趋势舰船超短波通信系统的发展适应了现代舰船通信对无线电通信系统的可靠性、兼容性、互通性、灵活性以及抗干扰、抗毁性、保密性、安全性等要求。为了适应未来信息化战争中联合作战的需要,在信息和通信技术的推动下,舰船超短波通信系统的发展呈现出以下发展趋势:(1)软件无线电以其极强的灵活性和开放性代表着无线电通信系统的发展趋势,也代表着舰船超短波通信系统的发展趋势。它把硬件作为无线通信的公用平台,尽可能地用软件来实现其通信功能,具有通用的系统结构,使各种功能实现灵活,系统升级和改变很方便,能够使各种系统之间达到互通互操作,信号处理能力强。舰船超短波各种体制的电台,波形、参数、协议不一致,给互通带来了很大的困难。而软件无线电在一个硬件平台上实现多种电台的通信体制和不同的通信业务,这有效解决了战术通信领域的互联互通,也成为解决舰船超短波通信系统和其它通信系统互联互通的最佳有效途径,成为舰船超短波通信系统发展的重要方向。(2)抗干扰能力是舰船超短波系统性能的一项重要指标。跳频、扩频、空闲信道扫描等技术都极大提高了舰船超短波通信系统的抗干扰能力,但各种技术都有其弱点,跳频速率的大小、空闲信道扫描的时间长短等都不同程度影响了系统抗干扰能力的发挥。由于跳频技术具有高抗干扰、高抗截获能力,各国都在积极研究高速跳频技术以及可变速率跳频技术,不仅提高舰船超短波通信的抗干扰能力,还将使各种抗干扰电台在跳频体制上实现互联互通。将各种抗干扰技术结合使用,发挥各种技术的长处,已成为舰船超短波抗干扰方面重要的研究方向。(3)随着各种先进电子技术,特别是跳频扩频技术、猝发通信技术、数据传输技术和分组交换技术在超短波通信中的应用,超短波通信系统中出现了各种新体制的舰船超短波电台。由于频率资源的制约,新型的舰船超短波电台已向调制方式多样化和可供更多波道选择的方向发展。参 考 文 献:1?张晶.软件无线电技术及其在军事通信的应用研究 J.信息技术,2007(8):39-42.2?徐辉.V?UHF 波段电波的视距传播J.无线电,2005(1):45-46.3?刘选谋.无线电波传播M.高等教育出版社,1987.4?蒋同洋.现代移动通信系统M.北京电子工业出版社,1994.5?郭梯云,等.移动通信M.西安电子科技大学出版社,2003.责任编辑:么丽苹(上接第 103 页)影响学兵训练成绩的因素分布,超越了传统的均值、方差成绩分析模式,把对数据的应用从低层次的简单查询,提升到从数据中挖掘知识提供决策支持 2。从而实现更好地开展教育训练工作、提高训练质量的目标。4.4?基于 Ajax 技术的系统优化设计Ajax 的一个最大的特点是无需刷新页面便可向服务器传输或读写数据,这样即减轻了服务器的负担又加快了响应速度,缩短了用户等候时间。基于Ajax 在用户和服务器之间加了?个中间层,使用户操作与服务器响应异步化。并不是所有的用户请求都提交给服务器,只有确定需要从服务器读取新数据时再由Ajax 引擎代为向服务器提交请求。5?应用情况目前,本系统已在全军各卫训机构和总卫训业务指导部门应用。军队卫训管理信息平台系统的开发与应用,使各种不同规模的卫训机构不仅从形式上实现规范化、现代化,而且能够从实际功能上有效地提高管理效率和自动化训练组织指挥水平,有利于基层卫训队整体训练管理能力最优化的实现。应用本系统后,将日常管理工作与学兵培养过程紧密结合起来,基于数据库技术、Web 等技术开发的卫训管理信息平台,能有效解决军队卫训工作中存在的训练管理模式单一、管理过程控制不到位等问题,增强了卫训管理的可预见性、管理过程的规范和科学性。经过实践检验,其作用和效果非常明显,系统的应用不仅大大提高了管理效率,同时为提升卫生员训练质量创造了条件。参 考 文 献:1?杨华民,梁水.Delphi 函数参考大全(明日科技)M.北京:人民邮电出版社,2006,12:211-300.2?李贺,刘彬彬.SQL Server 2000应用与开发范例宝典M.北京:人民邮电出版社,2006,7:258-298.责任编辑:肖滨?107?