外国军用移动通信系统的技术特点

国智

　　随着现代化武器摧毁能力的迅速增强，近年来外军对国防通信系统的抗毁问题越来越重视。为了提高通信系统的抗毁能力，除了通常所采用的多手段、多途径的办法之外，许多国家特别提出应建立少量“打不断、炸不烂、绕不乱”、抗毁能力很强的通信系统来作为应急手段。在７０年代初，美国国防部就提出了组建最低限度紧急通信网的计划，该通信网包括四个抗毁通信系统。军事地方通信系统就是其中之一。这是由于该系统的收发信设备及天线全部架设在地下坑道之内，靠无线电波透过地层来传递信息，即使坑道内的几道密闭门全部关闭，也不影响通信，因此这种通信系统便具有了“与指挥机关相同的生存能力”。
　　但是要建立能穿透地下岩层进行通信的系统又谈何容易，其技术难点在于：为了提高电磁波的穿透能力，必须降低其频率，但过低的频率，会造成天线的效率太低，例如若采用的频率为３０ｋＨｚ，其波长即为１００００米，对于６００米长的水平天线而言，其天线的电长度只有０．０６，因此天线的辐射能力较弱，而且天线是架设在地下，岩层又是半导电介质，对电波的吸收严重，所以天线的效率就更低了。其次是接收点的信号非常微弱。在地下通信中，电波除了要经受比地面通信更为恶劣的传播损耗之外，还要多经受两次以上的“穿透损耗”和“折射损耗”，因此接收电的信号就更加微弱，要保证可靠的通信联络确实是非常困难的。再加上天电干扰很严重，根据ＣＣＩＲ３２２报告，在华南夏夜，中长波波段的天电干扰非常强烈，其噪声电平的中值可达９０～１２０ｄＢ（对短波波段一般不超过５０～７０ｄＢ），如遇本地或近地区发生雷电，天电干扰表现为一长串的强烈脉冲，通信就更加困难，解决这些技术难点的主要途径，除了加大天线的长度，并合理正确地架设，根据不同地区的自然条件和地层岩石电参数，选择最佳的工作频率之外，最重要的课题是如何解决对微弱信号的接收。根据信息论的基本原理，在通信系统中传输的对象是消息，消息所包含的信息数量用信息量Ｉ来衡量，消息要传送到对方，首先必须将它变换成电信号，接收到的电信号除了具有一定的带宽ＢＳ外，持续时间ＴＳ外，还具有一定的功率Ｐ，此外在信道中还会引入不希望的干扰功率Ｐ ，那么信号的动态范围Ｈ ，就可用下式表示：
　　Ｈ＝Ｉ
　　而信号的体积
　　 ＶＳ＝ＨＳ·ＢＳ·ＴＳ
　　信号含量Ｗ的含义为单位信号体积所载荷的信息量
　　从信息论的理论中得知：Ｗ 越大，系统的有效度就越高，但随着Ｗ的增大，系统的可靠性将有降低，Ｗ的值最大等于１，若Ｗ＞１就无法进行正确的接收，由此可见通信系统的有效度和可靠性是相互矛盾的。
　　对地下通信信道而言，由于接收点的信噪比很低，ＨＳ和Ｖ很小，使得Ｗ较大，所以地下通信的可靠性较差，那么如何才能减少Ｗ的值，提高通信可靠性呢？解决办法是：一方面，选用包含信息量Ｉ较小的通信方式，例如将“话音”改为“人工报”，就可以大大压缩传输的信息。话比报的信息量要大是因为话不仅可传递发话人要讲的基本内容，而且连说话人的语调、语气、音色都可以传过去。根据ＣＣＩＲ第３３９号规定，通单边带话音要求信噪比为＋１２ｄＢ，而通人工报则只要求－４ｄＢ即可。另一方面，就是设法增大信号的体积Ｖ。增大信号体积的方法有：一、增大发信机的功率，使Ｐ、Ｈ增大，也就是所谓的“用功率换取可靠性”，但发信机功率往往受坑道内的供电条件所限制，其功率也不宜过大。二、延长信息的传输时间ＴＳ，也就是所谓的“用时间换取可靠性”。将一份报文重复发送几遍或用低速报以增大码元的长度来提高通信的可靠性。但时间不宜延长过多，否则就不能满足军事通信“及时性”的要求。三、增大信号带宽ＢＳ，也就是所谓的 “用频带换取可靠性”。例如采用多进制移频键控方法，在信息速率相同的条件下，多进制移频键控所占用的频带要比二进制的宽。当我们选用信息速率较低的慢速报进行通信时，其信号的基带是很窄的，因此用增大信号带宽的方法以换取可靠性是很有潜力可挖的。四、采用脉冲噪声处理技术，例如采用时间分集技术，即将一个码元分成若干段，依次相隔一定时间发送，接收时只要其中一段不被干扰，就可以获得所需的信息，同时也可用相干锁相接收技术等方法。
　　从国外透露的资料可以看出，外军早已将地下通信付诸于实际的军事应用之中。例如：６０年代初，美军为了对付当时苏联的核袭击，在“大力神”导弹基地及“民兵”洲际导弹基地，都建立了“上－越－下”传播模式的地下通信系统，作为地下控制中心与发射井之间的备用线路。
　　１９６１年，北美防空司令部决定在夏延山５００米深的花岗岩层下，建立地下综合作战指挥中心，１９６１年５月开始动工，为了预防核爆炸引起的震动，全部建筑物坐落在９３７个螺旋弹簧和液压减震器上。该指挥中心同外界的通信是通过四条电缆线路和两条无线电线路来实现的，此外，还有一条通过岩石和地层的甚低频无线地下通信线路作为应急通信之用。
　　数年前，美国Ｍ－Ｘ导弹的Ｃ３ 系统，在平时是由两个地面控制中心通过埋地光纤网来实现指挥与控制的，若地面控制中心不能工作，则此系统自动地转由机载的中频无线电控制中心来指挥，若在被袭击之后，地面与空中控制中心都不能工作，这时每枚生存下来的导弹，能利用架设在防御坑道之内的长波天线，直接接收和执行由国家地下指挥所用ＶＬＦ和ＬＦ发送的命令，进行核报复。
　　１９７５年５月，美国公布了题为“透过导电地层的电磁通信”的研究报告。此报告是研究与开发协会（Ｒ＆Ｄ Ａｓｓｏｃｉａｔｅｓ）为国防核武器局（ＤＥＦＥＮＳＥ ＮＵＣＬＥＡＲ ＡＧＥＮＣＹ）而提出的。其研究的目的是为了解决地下核爆炸时各种试验数据，由地下传送到地面，因为在核爆炸中心地区，其强烈的张力、压力和剪力，会使有线电缆损坏，无法保证可靠的信息传输，只有借助透过地层的电磁信号来实现。从这份报告可以看出，美国已将地下通信用于地下核爆炸试验现场。
　　从这些情况可看出，外军在地下通信的应用情况，主要是将它设置在核导弹基地和重要的指挥机关及通信枢纽，作为一种抗毁的应急通信手段。
　　对潜艇的通信，也是属于地下通信的范畴。因为海水也是属于半导电介质。海水对电磁波的衰减也是很大的，当频率为２０千赫时，海水的传输衰减约为每英尺有１ｄＢ的损耗。 频率越高，衰减越大。电波穿透海水的深度与波长成正比，与频率成反比。在频率为１～２０千赫时，电磁波穿透海水的深度只有１５～３０米。由此可见，对深潜的核潜艇通信也是相当困难的。
　　为了适应军用潜艇发展的需要，使潜通信得到迅猛发展，除了目视通信、声纳通信、无线通信之外，１９８４年又将中微子通信实际应用在对核潜艇的通信之中。为了最大限度地减少被敌人发现的危险，要求潜艇能长期潜伏或游弋在水下，作战深度距离上万公里以外，保持通信畅通，对此超低频无线通信也显得无能为力，所以中微子通信就应运而生。
　　１９８４年，美国西海岸某海军基地的一艘核潜艇悄然下水，开始了漫长的环球潜行。这艘核潜艇经过近两周的潜航，从未露出水面，一直下潜到海域能允许的最深深度航行。核潜艇操纵台上的大屏幕清楚地显示出潜艇正前方、上方、下方及两侧的景象，字幕清晰地映出潜艇的所在位置、航速及深度。而在地球另一面的海军主控室大屏幕上显示内容和各种数据与正潜航的核潜艇完全相同，在主控室的指挥下，潜艇完成了环球潜航。
　　中微子通信就是直接利用核反应堆中射线束。β射线在衰变过程中能放出电子和中微子。利用微型高能质子同步加速器，当能量达到了５千亿电子伏特时?中微子束的速度即达到光速。只要控制中微子束的能流密度，把所有的信息，如视音频信号，数据信号等，加载到中微子束上面，即可实现任意距离点与点之间，具有光通信容量的保密通信，可以双向传输多路电视，音频信号，并与计算机并网，对潜艇进行遥控遥测等，将来用到无人驾驶的核潜艇上也是可能的。
　　中微子通信的解调是利用“契伦科夫效应”进行的。中微子束不管通过的距离多么遥远，只要在接收端通过４００米以上的水深时，便与水原子的中子发生核反应，生成高能量的的负μ子。在水中负μ子能以接近光速的速度前进，当它穿越６０～７０米长的距离时，产生“契伦科夫效应”，即产生０．４～０．７μｍ连续分布可见光——称为契伦科夫光。光线与负μ子的前进方向成４１０夹角。在水中用光电信增管直接检测可见光，就可以解调出发送端的全部信号，同时可进一步精确地利用负μ子跟踪定位发送端的方位。中微子通信具有微波和光通信的容量大、直线性和保密性的特点。
　　在海湾战争中，多国部队各军兵种之间的通信联络，从天上的直升机、轰炸机、歼击机到地面的坦克、装甲车、运兵车；从司令部、各战斗分队、从单个士兵到海军舰船、航母编队等，大部分采用Ｒａｃａｌ通信公司生产的“美洲虎”军用跳频电台。
　　如今的军用跳频电台已发展成窄频带、宽频带俱有，垂直跳频设置和非垂直跳频设置并存的多功能、高机动性的军用电台。它融尖端的现代电子技术、计算机技术和数字处理技术于一体，具有很强的抗干扰、反窃听的能力。它不仅通信速度快、质量好、容量大，而且体积小巧、适应性强、自动化程度高，而且它的发信装置可根据实战需要预先设置在３０～８８ＭＨｚ甚高频段和２２５～４００ＭＨｚ超高频段范围内进行跳跃式发射信号，根据设置的程序，不断地从一个频率自动跳到另一个频率上发送信息，接收端配有高度同步装置，使它能自动跟踪发信端的频率变化，同步调频接收。要真正地做到同步，必须达到收发双方的调频频率相同，跳频的序列相同，跳频的时钟相同。三者缺一不可。
　　从９０年代以来，国外某些国家也陆续研制出一些新的军用移动通信系统，如法国的ＡＬＣＡ－ＴＥＬⅢ、意大利的ＳＯＴＲＩＮ和德国、荷兰联合研制的ＳＣＲＡ等，它们都具备了较强的抗干扰能力，在系统体制、功能、工作方式等方面都有相似之处。其技术特点介绍如下：
　　１．它们都采用全频段跳频体制，时分双工方式，其频段范围为３３～８８ＭＨｚ。采用这种跳频（或跳频加直扩）体制具备的抗干扰能力已经过实践考验，如美国应用多年的ＳＩＮＧＡＲＳ网。在双工方式下，为了得到尽可能大的扩频处理增益千万不要采用频分双工方式，因为该方式除了需要划分收发频段外，还需要留出额外的保护频带，这就浪费了宝贵的频率资源。但时分双工方式可以很好地解决这个问题，它既可以充分地利用频率资源、提高抗干扰能力，又给系统的电磁兼容性带来好处。抗干扰能力与跳频的速度有关，目前只能做到每秒１００～５００跳。现在已研制出１０００跳／秒的跳频电台。只有跳频速率达到５０００跳／秒时，才能摆脱跟踪式干扰机的干扰。
　　２．这些系统都能提供８条可用的无线电信道。该系统可以做到，彼此相距近的移动用户通信时，可以不必通过系统中心台转接而直通。这个特点可大大减轻中心台８个信道的负担，提高系统的利用率。经计算表明：若８个信道都工作，有２４个移动用户，每个用户的业务密度为０．２爱尔兰时，呼叫的成功率高于９５％。但系统的控制就相当复杂。因此，能直通的移动用户就不要去占用信道。
　　３．采用共路信令与随路信令相结合的方式。即在共路信令信道上采用随机接入的控制协议，为移动用户提供呼叫申请信道，当中心台接收到申请信息后，即可为移动用户分配一个业务信道，其后续的信令方式过程均可在业务信道上，以ＣＰＣ码的共路信令的方式进行传输，直到通话结束。这就将共路信令的高效率和随路信令的高可靠性结合起来。既能为众多移动用户提供可控的接入通道，又能保证整个信令接续过程的可靠传输。
　　４．德荷联合研制的ＳＣＲＡ。它的多路合路方式的特点是将系统覆盖频段划分为８个子频段，按顺序依次为Ｆ１、Ｆ２……Ｆ８。整个发射系统由信道机（小信号）、射频开关矩阵、滤波器、功放单元及多路愈合器和天馈系统组成。系统中８个信道机射频输出都是小信号的，且覆盖整个工作频段。当信道机在Ｆ１工作时，控制开关矩阵将信号输入Ｆ１通道，其它信道的工作与此相似，都由开关矩阵控制，由此实现８个信道共用两副天线。这种共用方式的优点：第一，由于划分８个子频段，功放模块制作容易，匹配问题较好解决；第二，通过带通滤波器，多路共用器的隔离度指标可以做得很高；第三，射频开关矩阵在功放前容易实现，而且开关的换损不影响系统性能；第四，通道扩展容易，便于信道从８路增至１２路、１６路等，都可用相同的原理，实现共用两副天线，而且不会明显增加合路损耗。这些都是值得我们借鉴的。