凌步微波：中国北斗再立新功，神奇技术令美国汗颜

大参考

　　长久以来，水下潜艇的通信，一直都是一个老大难的问题，而去年底刚刚开始正式提供全球服务的中国北斗却再次传来一个好消息。1月31日，我国新一代远洋综合科考船“科学”号顺利返回青岛，本航次的重大突破是首次实现了6000米深海潜标大容量数据的北斗卫星实时传输，改变了以往依赖国外通信卫星的历史，显著提高了深海数据实时传输的安全性、自主性和可靠性，中国北斗再次刷新了世人的认知。

　　北斗再立新功，首次实现深海实时通信

　　1月31日，我国新一代远洋综合科考船“科学”号圆满完成西太平洋综合考察航次返回青岛母港，科考队员在本航次对西太平洋实时科学观测网进行了维护升级，实现了由北斗卫星实时传输观测网数据，提高了深海数据实时传输的安全性、自主性和可靠性。

　　本航次首席科学家、中国科学院海洋研究所研究员汪嘉宁说，科考队员对西太平洋实时科学观测网的20套潜标进行了维护升级，包括更换电池、优化站位和加装北斗卫星通信模块等。

　　由于北斗卫星一般应用于船舶和岛礁，通信模块大小和用电不受限制。而潜标容积非常小，只能靠电池供电，这就要求北斗卫星的通信模块不仅要小、省电，还要运行稳定。为此，中国科学院海洋研究所专门研发了适合潜标的北斗通信模块。

　　北斗助力中国海洋科考

　　“此外，潜标观测的海水温度、盐度、流速和流向等数据每隔一小时通过卫星传输回陆地实验室，数据量大。为此，我们又专门研发了多模块通信传输技术。”汪嘉宁说，“就像是传输一部电影，我们把它分割成10份，用10台手机同时传输给一台电脑，传输效率得到大幅提升。接到不同的数据包后，后台再合成为一部电影。”

　　据了解，自使用北斗卫星以来，西太平洋实时科学观测网的实时数据传输非常稳定。

　　中国科学院海洋研究所所长王凡表示，西太平洋实时科学观测网实现用北斗卫星传输实时观测数据，改变了以往依赖国外卫星的历史，提高了深海数据实时传输的安全性、自主性和可靠性。

　　“在这一航次中，另一项重大突破是我们融合感应耦合和水声通信技术，首次实现了深海6000米大水深数据的实时传输，在大洋上层实现了每100米一个温盐流数据的实时传输，在大洋中深层实现每500米一个温盐流数据的实时传输。”王凡说，“6000米深海数据北斗卫星实时通信潜标自布放以来已经安全运行了1个多月，数据回传正常。”

　　潜艇深海通信将不再是难题

　　6000米实时通信无障碍，那么600米就没问题了。这项技术无疑对于我国解决潜艇深海通信难题有着极为重要的意义。

　　由于电磁波能量在海水中传播容易衰减，而且频率越高，衰减的越厉害，所以要与潜艇（特指隐藏在水下的潜艇）进行通信，只能使用甚低频和极低频波段，也就是俗称的长波电台，可穿透十几米到几十米深的海水，少数超长波电台甚至可以穿透上百米深的海水。

　　不过，长波电台的建造难度很高，系统非常庞大，天线阵由几十上百座铁塔组成，发射机的功率也特别大，通常要达到上千千瓦，不仅技术难度高，造价也是相当昂贵，全世界只有几个国家能独立研制建造长波发射台，我国就是其中之一。

　　此前，潜艇通信主要依靠长波电台

　　由于长波电台的带宽非常窄，通信速率极低，只能发射简单的字符，像美国海军的长波台一次只发送3个字母，提醒潜艇上浮到潜望镜深度，放出通信浮标通过短波或卫星通信来传输数据，可这样一来，会增加潜艇暴露的几率。

　　就在外界还在以为中国仍在大肆建设传统的超巨型长波电台之际，中国却悄然依托北斗卫星实现深海6000米数据实时传输，通信时效性和效率完全不可同日而语，其中蕴含的技术跨越之大令人振奋。

　　中国建超大型天线阵列，帮助核潜艇潜伏？

　　香港《南华早报》1月1日称，中国在华中地区建立一座“极低频探地（WEM）工程”超级天线阵列，占地面积相当于五个纽约市大小，可能将用于提升中国核潜艇的远距离通信能力。该报道迅速引起外界的胡乱猜想。

　　这座天线阵列占地约3700平方公里，外表上看与普通电网没有什么不同，因此间谍卫星无法发现它的存在。而且它远在中国内地，增大了敌方摧毁的难度。报道宣称，该天线阵列能发射0.1-300赫兹之间的极低频信号，不仅能在大气层中传播，还能穿透地壳，信号覆盖范围可达3500公里。隐藏在水下的潜艇也可以接收到它的信号，不需要再浮出水面接收指令，大大降低潜艇被发现的危险。

　　冷战时期美国也建造过一个较小的类似天线阵列，但该阵列已于2004年退役。目前美国海军转用甚低频对潜通信技术。该报道迅速引发西方媒体的关注和解读。

　　美国《战区》网站认为，中国的WEM超级天线阵列可向深海水域的中国海军战略核潜艇发射指令，能在短期内迅速提升中国的远洋对潜通信能力，确保中国核潜艇能长时间潜伏在水下，不受反潜侦测攻击威胁，“这对不断扩大的中国海基核力量至关重要”。报道还猜测，中国的超级天线阵列启动时间与094型核潜艇服役几乎同步展开，显示出中国正利用极低频通信工程，提高与潜艇部队的通信控制能力。

　　其实，被外媒炒作的WEM天线，其实是中船重工联合中国地震局和中国科学院联合建造的“地下资源探测、地震电磁异常监测和地震预测”科学设备。它可“提供稳定高精度电磁场信号，明显提高地下资源探测深度和探测精度；为大面积地下资源普查、地下深层资源的探测提供组网接收和三维探测的科学工具；在地震频发区域长期组网接收、观测所在区域有关信息，为确定地震发生地点提供最新科研工具”。

　　2010年该项目启动以来，国家地震局官网多次进行过公开报道，《中国工程科学》《舰船科学技术》等期刊也进行过权威解读。如今这个民用设备竟被猜成了核潜艇军用通信设施，实在莫名其妙。

　　中美争辉，美实现潜艇与飞机直接通信

　　中国在积极探索水下通信新方案，美国当然也没闲着。

　　长期以来水下潜艇无法与飞机直接进行通信。2018年8月22日，麻省理工学院媒介实验室（MIT Media Lab）发布了一项实现水下到空中通信的新技术，这堪称一项前所未有的壮举。

　　由于彼此的通信介质不匹配，因此长期以来水下潜艇无法与飞机进行直接通信。潜艇使用声纳，而飞机使用无线电信号、蜂窝系统或GPS。声纳信号无法穿透水面，而无线电信号在水下的传播效果不好。

　　但麻省理工学院有了解决方案。研究人员利用水下发射器向游泳池表面发送声纳信号，引起微小的震动。这种振动信号由敏感雷达所接收，随后雷达将以振动方式传输的1和0进行解码。该系统被称为“平移声学-射频通信”（TARF）。

　　《中外舰闻》主编、军事评论员吕田丰表示，“TARF系统的原理并不复杂，声呐和雷达两个分系统也不是特别先进，但雷达要在水面波浪的干扰中识别微小的声波振幅所需的算法却极其复杂且规模庞大，因此海面声波振幅的识别算法是TARF系统的核心技术，也是最大的技术难点。”

　　该研究论文合著者、媒介实验室助理教授法德尔·阿迪布（Fadel Adib）表示，这种通信系统是一个“里程碑”。

　　麻省理工学院表示，它可以用来寻找水下失踪的飞机，允许军用潜艇在无需浮出水面暴露位置的情况下与飞机进行通信，还可以让水下无人机持续性监测海洋生物，而无需浮出水面传输数据。

　　而中国科学家则在研制蓝绿激光通信，已成功实现了水下80米深某大型目标，与空中直升机的蓝绿激光通信试验，说明该技术离实用已经不远了。

　　此外，中国在量子通信技术方面进步也很快，还发射了第一个量子通信卫星，如果该技术成熟，也能用于对潜艇通信。另外我国在研制“蛟龙”号深潜器时，还采用了声呐通信方式，应用了具有世界先进水平的高速水声通信技术，未来也有可能在水下建设水声通信设施，直接从水下给潜艇发射信号。

　　中国借鲸鱼“语言”实现水下隐蔽通信

　　如何实现水下隐蔽通信一直是一个超级难题，中国还有更神奇的破解方式。

　　日前，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室蒋佳佳副教授模仿抹香鲸叫声串规律，借用鲸鱼“语言”首次实现深海隐蔽通信。这一新型仿生伪装隐蔽水声通信方法具有伪装诱骗性强，信息传输高度隐蔽，通信距离远等优点，在国防和军事领域极具应用前景。相关研究成果发表在新一期国际通信领域期刊《IEEE通信杂志》上。

　　陆海空通信中，以海洋为典型代表的水下通信，仍是人类努力探索的通信领域。传统解决水下隐蔽通信的方法主要有两类，第一类方法是通过改变人造通信信号的参数，如跳频、跳时等，使截获概率降低，但这类方法容易被敌方侦察系统识别与分类。第二类方法是通过降低通信信号的发射功率，以增加敌方探测通信信号的难度，但功率降低大大限制通信距离，无法满足水下远距离隐蔽通信需求。

　　为破解这一难题，天大科研团队首次提出利用抹香鲸原始叫声作为通信信息载波，模拟抹香鲸原始叫声串构造仿生通信信号串，以仿生伪装策略实现水下通信信息隐蔽传输。科研人员基于自相关、互相关和相关性阈值等约束条件，从摘取出的叫声脉冲库里筛选出了大量满足时延差通信编码要求的叫声脉冲，并根据抹香鲸叫声串的规律，发展出了一种跳组差分时延差通信编解码方法。

　　被构造的仿生通信串具有非常强的伪装诱骗性能，从而能实现信息高度隐蔽传输。同时，由于通过伪装而不是通过降低通信波的发射功率来实现隐蔽，通信波不怕被敌方探测和截获到。

　　该项技术成果的有效性和伪装隐蔽性分别通过湖试测试和神经网络信号分类器测试，得到了很好的验证。

　　到时，如何确定雷达上那个向你游来的巨大物体到底是抹香鲸还是潜艇，就将是让敌方头疼的一个问题了。

　　北斗总师：将攻关室内和水下导航

　　在刚刚过去的2018年，北斗三号系统一年内完成10箭19星的发射，且100%成功，创下世界卫星导航系统建设和我国同一型号航天发射的新纪录。2018年12月27日，北斗三号基本系统完成建设，这意味着北斗系统服务范围开始由区域扩展为全球，北斗系统正式迈入全球时代。

　　1月21日，北斗系统工程总设计师杨长风表示，下一步本身北斗导航核心系统的性能更高、抗干扰能力更强、精度更高以外，还要把其他的一些系统组合进来，包括今后跟5G的结合和低轨通信的结合，水下一些导航系统，包括室内导航结合等等这些东西，这就是我们下一代要发展的。

　　杨长风称，目前我国卫星导航的弱项在于“不能在室内导航、不能到水下导航”。这将是我国北斗领域下一阶段的攻克目标，到那个时候北斗才可能是无缝衔接，无处不在的导航。

　　2018年11月，英国帝国理工学院研究人员和M Squared公司携手，研制出全球首款用于导航的量子加速度计，这款导航设备被称为“量子罗盘”。它是不依赖全球定位卫星（GPS）的防干扰导航装置。

　　“量子导航”出现，军用潜力巨大

　　从军事上来说，量子罗盘具有非常重要的现实意义。因为量子罗盘不需要卫星信号，它依靠自身的冷原子干涉就可以实现自主导航，这在军事上的价值巨大。比如在深海中，核潜艇需要在很深的海底航行，海水与空气不同，电磁波无法在深海里传播，所以在海底，依靠现有的卫星导航系统是不可能的，量子罗盘可以在核潜艇中使用。

　　中国在积极探索北斗系统水下导航的同时，也在积极推进量子罗盘等新一代惯性导航技术的发展。早在2016年，中国北京自动化控制设备研究所承担的，“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪关键技术”就已经完成了原理样机的研制。虽然与英国“冷原子、量子加速度计”有所差异，但目标都是一致的。都是在不依赖卫星定位的情况下，实现精度定位。

　　有北斗加持，中国核潜艇如虎添翼

　　北斗导航与核潜艇同为国之重器，都是中国与美国展开战略竞争的有力武器，此次中国率先实现深海北斗数据实时传输，无疑将使中国核潜艇的指挥与调度更加及时有效，真可谓如虎添翼；今后一旦水下导航获得突破，中国潜艇也将更加神出鬼没。如此一来，中国又何须再大举建设效率低下的超巨型长波电台呢？随着中国科技的全面进步，诸如量子通讯、激光通讯等也将获得快速发展，中国显然有足够多的手段来突破美国的科技封锁。中国科学家的聪明才智，使得中国军事科技又一次领先美国，长此以往，美军一向自视为天下第一的心理优势必将荡然无存。