美军航母编队通信网络发展研究
时间：2020-04-04 05:20:09 来源：千叶帆 本文已影响人
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摘 要： 航母编队通信网络是航母编队作战的中枢神经，是实现航母编队作战整体优势、统一指挥及资源共享的关键环节。在阐述美军航母编队通信网络组成及三层联合作战网络结构的基础上，分析了航母编队通信网络的发展趋势，并给出了航母编队通信网络发展的若干建议。
关键词： 网络结构；航母编队；CEC；自组织
中图分类号： TN927⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2013）21⁃0027⁃04
0 引 言
航母编队通信网络是航母编队作战的中枢神经，横向连接整个编队内各舰艇的传感器、信息处理与决策部门、武器打击力量， 纵向实现与海军岸基各级指挥所、国家最高作战指挥机关的互联，综合传输航母编队内部和外部的各类语音、数据、图像等作战应用信息，是实现作战整体优势、统一指挥、资源共享的关键环节。航母编队通信网络的传输能力、抗干扰能力、安全性、时效性、可靠性以及顽存性将直接决定海军航母编队综合指挥信息系统的作战效能。
1 航母编队信息网络基础设施
按照网络结构层次，美军航母编队信息网络[1]由编队网络骨干网、舰艇内部通信网和编队专用网络组成。骨干网承载着编队各舰艇间、编队与舰载机之间、编队与岸基各作战力量间的通信流量；舰艇内部通信网实现舰艇内部各C4ISR作战要素的信息接入，并提供舰艇内部局域网络的互联互通功能；编队专用网络一般为实现某种特定的功能而设计，如美国海军“协同作战系统[2]（CEC）”，其实质是一种物理的传感器组网专用网络通道。
1.1 航母编队骨干网
航母编队的移动性决定了骨干网必须由无线通信承载。国外航母编队通信系统使用卫星通信系统和短波电台组网[3]，与岸基指挥部、友邻编队通信， 使用超短波、电台和数据链与编队内舰艇、飞机通信；母舰与舰载机间设有专用数据链。
卫星通信是美航母和其他舰艇现使用的主要远程通信手段，包括特高频（UHF）、超高频（SHF）、极高频（EHF）卫星通信手段。目前，UHF/FO系统已取代较落后的UHF舰队卫星；军事战略/战术与中继的EHF频段MILSTAR卫星通信系统可在2 GHz频段上使用扩频和跳频，具有极强的抗干扰性、顽存性，在核战争中亦能有效工作；美海军还探索使用商用卫星进行编队骨干网的组网探索。
战术数据链是舰舰、舰机间传输战术数据的专用通信线路，Link4A用于舰载机的精密全天侯着舰，Link11供特混舰队成员间通信，Link14半自动数据链用于与未装配海军战术数据链的舰艇进行通信，Link16是美第二代三军通用数据链，以JTIDS通信协议为基础，提高通信通用性和协同能力。
短波通信是美军航母和其他水面舰艇远距离通信的重要手段，因传输带宽低而日益成为备用系统。
1.2 舰艇内部通信网
航母编队内部通信网一般由承载不同功能的子网组成，包括综合航空管制、情报、指控、补给、行政等部门，综合舰船上的各种工作，使其成为统一的战斗实体。
为满足舰载指挥控制系统的高速传输，目前外军舰艇内部广泛使用光纤数据总线和光纤局域网，美国“小鹰”号航母采用“哥白尼”结构的光纤综合内部通信和控制系统，使航母通信高度自动化，安全、可靠、顽存、联络畅通，具有足够的标准接口和网络管理能力，通用性、互操作性大大加强。
舰艇内部通信网络广泛采用双环形分布式光接入技术，通信控制管理方式为集中管理、分布控制、分散使用，同一类型的用户设备均可采用物理上分集的方式和骨干网的不同网络单元相连，网络部件、用户设备的局部损坏或故障对整个系统的影响很小，因此通信系统的可靠性高，顽存性好，特别适合恶劣作战环境，如图1所示。
1.3 协同作战能力网络
协同作战系统（CEC）是美海军信息网络一种专用的信息基础设施，可在传感器之间近乎实时地共享数据， 每个平台将本地雷达数据与其他平台发来的雷达数据融合，生成精确统一的目标合成航迹。CEC具有极高的速率、极强的定向性和实时性，其装载的数据订阅分发系统（DDS）采用相控阵通信天线和大功率行波管发射机，能可靠、近实时地交换分配群体数据，传输能力比通常的战术数据链高几个数量级。
CEC联合合成航迹网络如图2所示。以CEC单元为基础的联合合成航迹网络通过DDS系统，接收来自CEC单元或非CEC平台的目标航迹，由数据融合引擎分拣多重航迹并与来自CEC的目标合成航迹进行融合，在消除目标航迹的多重性的同时，提高航迹精度。目标航迹亦可通过数据链、卫通等手段发送到非CEC系统用户，扩展CEC能力的使用范围。
CEC网络系统起初应用在防空系统方面，它的研制成功被认为是编队通信系统的重大革命，美海军计划对其应用范围逐步扩展到反潜、反舰作战、对陆攻击等方面，最终实现整个海军作战网络化，全面增强航母战斗群的作战能力。目前，美海军一直在对现有的CEC系统进行技术改进，包括使用单片微波集成电路技术，制造出性能好、重量轻、成本低、功耗小的相控阵通信天线；使用专用集成电路技术，减小系统的体积和重量，提高可靠性等。
2 作战网络结构
在网络中心战这一框架下，讨论航母编队的作战网络结构已无法局限于编队通信网络本身，必须将其置于联合作战的背景下进行。
美国航母编队通信网络的作战网络结构由3层联合作战网络构成[4]，如图3所示。在国防部骨干路由器网的支持下，将包括海军在内的多军兵种联合部队的C4ISR实现综合，改进系统的互操作性，优化带宽容量，提高联合部队的战斗能力，彰显联合网络的信息优势和决策优势。
国防部骨干网包括JWICS（联合全球情报通信系统） 、SIPRNET（保密IP路由器网） 和NIPRNET（非密IP路由器网）。JWICS是高速多媒体路由器网络，负责保密传输大容量的数据、语音、影视和图像信息；SIPRNET使用串行链路将众多的国防部骨干IP 路由器及其服务连接成网，在保密环境下传输秘密数据；NIPRNET负责在“内部用户”交换非密级的敏感数据。
联合计划网络（JPN）由海军全球指挥控制系统（GCCS⁃M）实施。GCCS⁃M是面向海军各级作战指挥官的C4I系统，是一种保密的、分布式客户机⁃服务器体系结构的战术局域网，它建立和维护的通用作战图（COP）支持全球分布的海军或联合部队共同制定和实施联合作战计划。舰载IT⁃21（21世纪信息技术）扩展了GCCS⁃M功能，实现全球点对点的无缝连接。
联合数据网络（JDN）由联合战术信息发布系统（JTIDS）实施。它的用户数量不多于500，信息时延为秒级，信息精度达到兵力控制的需求。JTIDS是一种无网络中心节点、大容量、多功能、保密安全、抗干扰的战术数据链Link⁃16的通信部件。它近乎实时地分发通用战术图（CTP）信息支持指挥官的战术行动。
联合传感器网络由协同作战能力（CEC）实施，其信息时延小于0.5 s，精度达到武器控制质量，提供战术级的作战综合态势图像的保障。
3 发展趋势
3.1 技术体系架构向SONA转变
为适应海军软件体系向面向服务体系架构（SOA）的演进趋势，新一代网络的体系架构也将向面向服务的网络架构（SONA）方向转变。新一代网络系统的技术结构将由局域紧耦合模式转变为广域松耦合模式，从主要依托各种指挥专网向依托栅格化信息基础网络转变。美军航母编队网络作为全球栅格化信息网络的一部分，担负着编队各传感器、武器及指控等节点的栅格化接入，如图4所示。
3.2 通信系统“三互”能力不断加强
今后，航母通信系统及装备的发展将利用短波通信、超短波通信、战术数据链、卫星通信形成一体化作战信息交换平台，采用不同的通信协议、标准，实现不同通信装备之间灵活组网，互连互通，并采用统一的安全协议；随着美军“21世纪信息技术（IT⁃21）计划”及网络中心战计划的不断推进，航母编队的“互联互通互操作”能力将不断步入新台阶。
3.3 通信自组织能力不断增强
传统的编队通信网络骨干网大多采用集中式结构，整个编队的通信指挥通过母舰进行的，体系结构不够合理，鲁棒性不强，一旦母舰不能正常工作，整个编队就会瓦解，极大影响系统的可靠性和战场生存能力。因此，编队内部具备无线通信自组织能力，实现网络拓扑结构的动态化的分布式组网方案，是航母编队通信网络发展的必然趋势。
对编队的通信自组织能力研究较多的方向如Ad hoc网络在航母编队的应用[5]，它具有无中心、自组织、可快速展开、分布式等特点，由于具有较好的抗毁性和灵活性而得到广泛的重视。
3.4 利用新技术，提供更高的带宽和传输可靠性
现代指挥自动化、资源共享及云计算、物联网等技术在海军舰艇通信的应用，对航母编队通信网络的带宽提出了更高的要求。光纤通信等舰内信息高速公路的建设暂时缓解了舰艇内部通信网的带宽压力，通信带宽的瓶颈集中于编队骨干网。
目前，航母编队支持更高带宽的新技术的研究与应用主要基于利用各种军用、商用新技术，对已有的数据链、卫通等传统无线信道的改进与完善。如利用正交频分复用（OFDM）调制技术，在提高频谱利用效率的同时获得更大的信道容量；基于多输入多输出（MIMO）的宽带数据链[6]信号检测技术可在传输可靠性和传输带宽上获得最佳的平衡等。
另外，以激光通信为代表的量子通信技术，由于具备比光纤通信更高的带宽（可达160 Gb/s，数倍于光纤通信）、可提供空间立体通信等优点而成为研究热点，量子通信在航母编队通信上的应用研究已广泛展开[7]，其发展前景广阔。
3.5 采用多种手段提高抗干扰能力
未来航母编队通信网络系统将配置更多类型的抗干扰通信设备，具备更多通信抗干扰的手段[8⁃9]。如在卫星通信网络中，EHF、SHF采用直接序列扩频技术，比UHF信号具有更强的抗干扰和防截获能力；在HF通信网络中，采用自适应跳频、跳频等抗干扰措施；在超短波通信网络中，采用了直接序列扩频、跳频等抗干扰措施。
4 启 示
通过以上对外军航母编队信息网络基础设施及发展趋势的分析，为适应未来航母编队作战要求，航母编队通信网络的设计可考虑以下几个方面。
4.1 注重顶层设计
美军GIG、航母编队三层联合作战网络等概念的提出表明，网络中心环境下的航母编队通信网络和装备的开发建设必须置于航母打击群的综合体系结构中和武器装备一体化的网络环境中来统一考虑、规划和设计，应建立航母编队通信网络、海战场综合电子信息系统乃至全军综合电子信息系统的统一体系框架，确保集成度和互联互通互操作性。
4.2 立足国情，大力发展网络基础设施
航母编队通信网络基础设施发展重点，应在紧密结合各国海军航母编队的现状和发展需要的前提下，勾画航母编队通信网络在作战、系统和技术三个体系视图的定位，分析现有技术差距，针对差距和需求建立技术队伍，组织论证、开发和实施工作。在这期间，要立足国情，例如大多数国家现阶段并不具备像美海军那样丰富的卫星通信资源，一方面可大力发展卫星通信；另一方面，利用现有丰富的短波、超短波等一切可利用的手段组建航母编队无线通信骨干网。
4.3 螺旋式发展路线
在通信网络的建设步骤方面，采用分步走的螺旋式发展路线，边研究边部署，最终实现网络体系结构和基本技术上的全面突破。美军有计划、有步骤地对诸多建立在传统的客户/服务器（C/S）、多层次技术体系结构上的航母编队通信网络系统，通过不断地加以完善和改造，有计划、有步骤地升级为面向服务的网络体系结构（SONA），实现技术体制的平滑过渡；在网络体系结构方面的建设同样如此，由局部化到全球化的作战网络建立，CEC从防空系统的应用扩展到全方面作战应用，前后都将经历几十年的时间，是个螺旋式的发展过程。
4.4 其他设计上的考虑
其他设计上的考虑包括网络设计的可升级，扩展性；设计之初注重与新技术、新作战理念的集成，例如网络设计对赛博空间作战的支持；网络设计的可靠性、顽存性考虑；在航母编队通信网络的研制和生产中，广泛吸收和利用民用技术等。
参考文献
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