对潜通信:世界主要国家军用低频、甚低频和极低频长波电台概况

来源:知远战略与防务研究所 时间:2018-07-16
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作为战略通信系统的一部分,频率处于低频段、波长大于数十千米的长波通信频带一直备受各国重视,其在军事防务和国家安全方面的作用及意义非常重要。

引 言

在频率宽广的电磁频谱中,有频率高达30~300GHz、波长在1毫米~1厘米的极高频电磁波;也有频率低达3~30Hz、波长在100000~10000千米的极低频电磁波。实验证明,电磁波在水中衰减非常显著,频率越高的电磁波在水中衰减越是显著,因此在陆地上广泛使用的电磁波通信系统在水下是无法实现的,而且由于海水的高盐度和复杂的温度、洋流分布特性,其电导率和介电常数与空气的电导率和介电常数均有很大的差别,水的电导率越高,电磁波的衰减越大,因此电磁波在水中(尤其是海水中)的传播特性与在空气中的传播特性有极大的差异。

由于上述这些特点,电磁波在海水中的传播距离有限。一般来说,低频(LF)长波可穿透水的深度是几米,甚低频(VLF)甚长波穿透水深是10~20米(具体深度和电磁波源的发射功率、距离远近和海水的盐度、温度等水文因素密切相关),极低频(ELF)极长波穿透水深是100~200米(具体深度和电磁波源的发射功率、距离远近和海水的盐度、温度等水文因素密切相关)。

可是在通信效率方面,却又刚好相反:频率越高,通信效率越高;频率越低,通信效率越低。而且要产生低频、甚低频和极低频电磁波,又需要极大功率的基站和庞大的发射天线,这些都使其只能作为一种战略通信手段,单向发送简短的报文指令信息,无法在水下进行通信组网。

然而上述劣势并没有抹杀低频、甚低频和极低频电磁波在通信领域的价值,尤其是能够长时间处于水下战备巡航状态的核动力潜艇的问世,让低频、甚低频和极低频电磁波在通信效率方面的劣势被极大的弱化,而其在水下对潜通信方面的优势却被极大的强化,因此,它更被称为海军的基石。

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图1甚低频/极低频/高频/超高频对潜通信示意图(图片来源于网络)

低频和甚低频长波电台

低频(LF)长波(30kHz ~ 300 kHz、波长在10 ~ 1 千米)和甚低频(VLF)长波(3 Hz ~ 30 kHz、波长在100 ~ 10千米)的电磁波穿透海水的深度虽不及极低频(ELF)长波电台,但是它的通信效率却更高,是目前世界各国处于运行状态的最主要的长波电台,也是各国海军对潜通信的主要装备。

由于极低的频带宽度,甚低频长波通信无法发送音频信息,所有的信息都是以文本信息的形式以极低的比特流传输,信息调制模式主要有以下三种:

一是OOK/CWK(On-Off Keying/Continuous Wave Keying,幅移键控),这是一种最简单的摩尔斯编码调制方式,通过载波开启来代表摩尔斯编码的“点”和“线”,通过载波关闭来代表间隔。但这种发射方式很难达到较高的功率水平,信号也很容易被大气层噪音掩盖,所以这种调制方式仅仅在紧急情况或者测试的时候使用。

二是FSK(Frequency-Shift Keying,频率偏移调制),这是最古老也是最简单的一种数字无线电波调制方式,载波在两个不同频率之间不断转换,一种频率代表二进制数字“1”,另一种频率代表二进制数字“0”。FSK调制模式的传输速率为50比特/秒和75比特/秒。

三是MSK(Minimum-Shift Keying,最小频移键控),一种相比于FSK调制模式更为复杂,但信息传输速率更高的调制模式,也是当今潜艇通讯的标准模式。信息传输速率可达300比特/秒或者大约35字节/秒,这一速率也大约相当于每分钟450个词。

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图2 世界各国军用长波电台分布图

甚低频/低频信号发送系统

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图3 甚低频/低频信号发送系统示意图(图片来源于网络)

甚低频/低频信号发送系统对潜通信系统由潜艇作战授权(SUBOPAUTH)部分和信号发送位点(TransmitSites)部分组成,两部分再分别由各种功能诸元组成(如上图),整个信号发送过程按照流程图进一步阐述如下:

第一阶段:潜艇作战授权部分

经广播控制授权和指挥控制信息处理器处理后,潜艇卫星信息交换系统(SSIXS)经由高数据率站点间链路(HDRISL)将信息传递给信号发送位点部分的集成潜艇自动化广播处理系统(ISABPS)功能单元,进一步进行广播处理。

第二阶段:信号发送位点部分

集成潜艇自动化广播处理系统单元将信号传输给甚低频数字化信息网络发送终端(VERDIN Transmit Terminal),然后KG-38功能单元对信号进行加密处理,并进一步被处理和编码。

然后,甚低频数字化信息网络调制器(VERDIN Modulator)对加密传输过来的信息进行调制,并传输到甚低频/低频功率放大器(VLF/LF Power Amplifier)。

最后,经过加密、调制和功率放大后的信号通过甚低频/低频天线系统(VLF/LF Antenna)发送出去。

作为一种战略通信系统,甚低频/低频信号发送系统除了能够对水下潜艇等作战力量通信之外,也可以对空基战略轰炸机和陆基洲际弹道导弹发射指控中心进行类似的作战授权通信。

世界主要军用长波电台分布情况

美国

作为世界最大的军事强国,美国的军用长波电台也同样是世界之最,除本土的长波电台之外,借助于和北约成员国以及其他盟国的防务安全合作,其可调用的军用长波电台资源更是遍布全球。

卡特勒(Cutler, MA.)

位于缅因州的卡特勒甚低频(VLF)长波电台始建于1960年,并于1961年1月4日投入运行,负责大西洋海域海军潜艇水面或者水下单向通信。

该甚低频通信站天线系统由两个分隔且完全一样的伞状天线阵列组成,分别称为“北阵列”和“南阵列”。每一个阵列由13个金属天线桅杆通过电缆线水平连接到中心天线桅杆组成六角形雪花状,两个天线阵列既可以同时协同操作成为一个天线阵列,也可以在其中一个处于维护期间时,另一个独立操作。中心天线桅杆高304米,然后是由6个266.7米高的内圈天线桅杆以556米半径围绕,外圈则由另6个243.5米高的天线桅杆以935.7米半径围绕。

这种伞状天线阵列能够在24kHz低的频率下高效辐射,中心垂直天线桅杆辐射甚低频无线电波,水平悬挂电缆阵列作为电容器来增加垂直辐射器的效率。其甚低频无线电波由Continental Electronics公司建造的世界上唯一一台AN/FRT-31型发射机产生。

在海军安纳波利斯甚低频长波通信站(呼号为NSS)被关闭以后,卡特勒的甚低频长波通信站就是美国东海岸唯一的一个甚低频长波通信站点了,在大西洋海域的军事战略通信方面发挥着不可替代的作用。

卡特勒甚低频长波电台的呼号是NAA、频率是24 kHz、输出功率为1.8 MW,经纬度为44°38′47″N67°16′52″W。

吉姆溪(Jim Creek, WA.)

位于华盛顿州的吉姆溪甚低频(VLF)长波电台于1953年建成,它主要负责太平洋海域海军潜艇水下单向通信。

吉姆溪的甚低频长波通信站天线阵列由10个链状电缆线(1719~2652米不等)组成,这些电缆线悬挂于跨越Wheeler山和Blue山之间山谷的12个61米左右的塔架。吉姆溪通信站的甚低频无线电波由AN/FRT-3型发射机生成。

像吉姆溪这种甚低频长波通信站天线类型被称为跨越山谷型天线,其垂直电缆线是主要的辐射单元,水平悬挂的电缆线则是为了增加顶部天线的电容,进而增强其射频发射功能。吉姆溪甚低频长波通信站的5个天线单元可以分成两个部分,每个部分有其单独的传输线路,它们可以协作运行形成一个天线,也可以两部分独立运行,当其中一个关闭处于维护状态时,另一个却不受影响。

吉姆溪甚低频长波电台的呼号是NLK、频率是24.8 kHz、输出功率是1.2 MW,经纬度为48°12′13″N121°55′0″W。

拉莫尔(LaMoure, ND.)

位于北达科他州的拉莫尔甚低频(VLF)长波电台(NRTF LaMoure)原来是OMEGA导航系统通信站,随着GPS的全面运行,其导航作用就大打折扣,在1997年9月30日,拉莫尔甚低频长波电台的OMEGA导航系统就被关闭了,并转交美国海军用来对潜通信。

拉莫尔甚低频长波电台的呼号是NML、频率是25.2 kHz,经纬度是46°21′58″N 98°20′8″W。

卢阿卢阿莱(Lualualei, HI.)

位于夏威夷州的卢阿卢阿莱甚低频(VLF)长波电台是位于太平洋中部服务于美军太平洋战区最大的甚低频长波电台,建于1972年。它由两个拉索伞状天线组成,每一个高度都是458.11米。

卢阿卢阿莱甚低频长波电台的呼号为NPM、频率为21.4 kHz和23.4 kHz、经纬度为21°25′12″N 158°8′54″W。

除了在美国本土建设低频/甚低频长波电台外,美国在海外盟国也建设了几个低频/甚低频长波电台:

哈罗德霍特(Harold E. Holt, Australia.)

哈罗德霍特甚低频(VLF)长波电台位于澳大利亚西北海岸,埃克斯茅斯镇以北6千米,这个小镇几乎和哈罗德霍特甚低频通信站同时建立,以支撑该通信站的运行。哈罗德霍特甚低频长波通信站由美国海军和澳大利亚皇家海军共同使用,主要服务于西太平洋和东印度洋的水面舰船和水下潜艇。

哈罗德霍特甚低频通信站的天线系统由13个天线塔组成,最高的天线塔位于中心,塔高387米,然后是围绕中心天线塔的6个内圈天线塔,塔高364米,最后是围绕中心天线塔的6个外圈天线塔,塔高304米。

哈罗德霍特甚低频长波电台的呼号是NWC、频率是19.8 kHz,经纬度为21°48′59″S114°9′56″E。

阿瓜达(Aguada, Puerto Rico.)

阿瓜达低频(LF)长波电台位于加勒比海沿岸国家波多黎各,最开始有三个拉索天线塔架,其中两个已被拆除,现存并仍然使用的是367.3米的最高塔架。

阿瓜达低频长波电台的呼号是NAU、频率是40.75kHz,经纬度为18°23′55″N 67°10′38″W。

凯夫拉维克(Keflavik,Iceland.)

凯夫拉维克低频长波电台位于冰岛境内的格林达维克,是由美国海军建设的海外低频长波电台。

凯夫拉维克低频长波电台的呼号是NRK、频率是37.5 kHz,经纬度是63˚51′1″N,22˚28′0″W。

锡戈内拉(Sigonella,Italy.)

锡戈内拉低频长波电台位于意大利,是由美国海军建设的海外低频长波电台。

意大利锡戈内拉低频长波电台的呼号是NSY、频率是45.9kHz,经纬度是37˚24′6″N,14˚55′20″E。

俄罗斯

俄罗斯继承了大量前苏联解体后遗留下来的低频/甚低频通信资产,但自苏联解体以后,俄罗斯经济长期低迷,大量的长波电台资产被迫关停、闲置或者拆卸。同时,俄罗斯地处高纬度地带,出海口也毗邻北极圈,这也给选址建设低频/甚低频长波电台带来极大的困难,再加之对信息的封锁和保密也使外界对其长波电台的分布、功能以及运行参数等知之甚少。

俄罗斯的甚低频长波电台中,可以查到位置的大多是阿尔法导航基站和贝塔授时站点,甚低频长波军用电台的准确位置很难查到,以下是几个服务于俄罗斯海军的甚低频长波电台呼号和频率参数:

呼号为RSDN、频率为11.91kHz;

呼号为RDL、频率为20.2 kHz和21.1 kHz;

呼号为RJH、频率为25 kHz。

英国

英国除了可以使用自己本国的甚低频/低频长波电台通信站外,还可以使用北约国家以及美国的甚低频/低频长波电台通信站发送信息。

安托尔(Anthorn)

安托尔长波电台通信站位于英格兰的坎布里亚,经纬度是54°54′42″N 3°16′43″W。

该长波电台通信站可以发送三类不同的长波信号:甚低频长波信号;低频长波信号和增强型“罗兰”信号(一种由接收机获取陆基站点发出的低频电磁波进行定位导航的低频长波信号)。

位于安托尔的甚低频(VLF)长波电台呼号为GQD,对潜通信频率为19.6 kHz,同时也是北约四大甚低频长波电台之一。

位于安托尔的低频(LF)长波电台呼号为MSF,频率为60 kHz,功率17 kW。该低频长波电台属于英国国家物理实验室的一部分,其主要功能是授时服务。

而增强型“罗兰”则主要是为海员提供导航服务。

斯凯尔顿(Skelton)

作为Rugby电台的继任者,斯凯尔顿的甚低频(VLF)长波电台于2001年投入运行,使命是为潜艇发送编码指令。

斯凯尔顿甚低频长波电台的呼号为GBZ,频率为19.58kHz,经纬度为54°43′56″N 2°53′01″W。

意大利

塔沃拉腊(Tavolara)

呼号为ICV、频率为20.27kHz,经纬度为40°55′23″N 9°43′52″E。

法国

罗奈(Rosnay)

法国罗奈的甚低频长波电台天线系统由13个拉索天线桅杆组成,中心天线桅杆最高,为357米;内圈6个天线桅杆310米;外圈6个天线桅杆270米。

罗奈的甚低频长波电台呼号为HWU、频率为15.1 kHz、20.9 kHz和21.7 kHz,经纬度为46°42′47″N 1°14′39″E。

德国

劳德尔费恩(Rhauderfehn)

劳德尔费恩甚低频(VLF)长波电台,呼号为DHO38、频率为23.4kHz,经纬度为53˚8′9″N,7˚34′29″E。该甚低频长波电台也是北约可互相操作的潜艇广播系统的一部分。

挪威

挪威人(Noviken)

挪威人甚低频长波电台位于Gildeskal附近,呼号为JXN、频率为16.4kHz,经纬度为66°58′58″N 13°52′23″E。该长波电台也是北约可互相操作的潜艇广播系统的一部分。

瑞典

瓦尔贝里(Grimeton)

呼号为SRC、频率为40.4 kHz,经纬度为57.11°N 12.4°E,为瑞典海军提供加密信息通信服务。该站点还有一个呼号为SAQ、频率为17.2kHz的频道,只在每年的亚利桑德逊日(六月最后一个星期日)和圣诞前夜向世界发送信号。

冰岛

格林达维克(Grindavik)

格林达维克的无线电通信站是美国海军于1976年就开始运行的甚低频长波无线电基站,除了甚低频长波无线电通信外,该基站也进行短波通信。呼号为TFK、频率为37.6 kHz,经纬度为63.85°N 22.45°W。

土耳其

巴法(Bafa)

位于土耳其巴法的甚低频(VLF)长波电台,呼号为TBB、频率为26.7 kHz,经纬度为37°24′46″N27°19′24″E。

日本

虾野(Ebino)

虾野甚低频长波电台位于宫崎市,呼号为JJI、频率为22.2 kHz,经纬度为46°42′47″N1°14′39″E。虾野的甚低频长波电台还有另一个呼号NDT,该呼号供美国海军使用。

泡濑(Awase)

泡濑低频长波电台位于冲绳岛,呼号为NDI、频率为54kHz,经纬度为26˚19′26″N,127˚49′46″E。

韩国

木浦市(Mokpo)

木浦甚低频长波电台位于韩国西南地区全罗南道港口城市木浦,呼号为UNID25、频率为25 kHz,经纬度为34°40′45″N126°26′43″E。

印度

南泰米尔纳德邦(South Vijayanarayanam)

印度曾经在孟买和南泰米尔纳德邦建设了甚低频长波电台,孟买的已经关停,现在仍在运行的是南泰米尔纳德邦的甚低频长波电台。该长波电台由13个天线杆组成,中心天线杆高301米,其余12个天线杆每6个一组分两组围绕中心天线杆呈环形分布,内环天线杆高276.45米,外环天线杆高227.45米。南泰米尔纳德邦的甚低频长波电台呼号是VTX3、18.2 kHz,经纬度为8°25'59.88"N 77°48'00"E。

巴基斯坦

卡拉奇(Karachi,Sindh.)

位于巴基斯坦信德省卡拉奇海岸的甚低频长波电台建成于2016年,是巴基斯坦国第一个拥有甚低频发射能力的无线电台,它主要服务于在阿拉伯海区域活动的巴基斯坦海军潜艇部队。卡拉奇甚低频长波电台的呼号是PNSH、频率为14-25.2 kHz,经纬度为24.855°N 66.74°E。

阿根廷

蒙特格兰德(Monte Grande)

蒙特格兰德甚低频长波电台是服务于阿根廷海军的无线通信设施,它由10个分布成T形的天线桅杆组成,其中8个210米高、2个219米高。蒙特格兰德甚低频长波电台的呼号是LPZ,频率17.33 kHz或23.6 kHz(不确定),经纬度为34.76°S 58.51°W。

极低频长波电台

极低频(ELF,Extremely Low Frequency)长波是一类频率在3~30Hz、波长在100000 ~ 10000 千米范围的电磁波。由于其极低的频率和极长的波长,使其能够轻而易举实现全球通信传播,并能穿透海水100~200米。

由于极高的技术复杂性,到目前为止,世界上只有美国、苏联/俄罗斯和印度三个国家建设过极低频通讯设施,而美国的极低频长波电台已于2004年退役,所以现在全球处于运行状态的极低频长波电台就只有俄罗斯和印度的两个。

极低频长波电台信号发送流程和甚低频/低频信号发送流程基本一样,在此不再赘述。

美国的极低频长波电台(Project ELF)

美国的极低频长波电台项目Project Sanguine立项于1968年,由于该项目需要占用威斯康辛州近2/5的面积,并且该项目所规划的巨大天线阵列很难在核打击下幸存,同时因为潜在的环境影响和威斯康辛州居民的反对,该项目最终并未落实。

紧随其后的还有SHELF(Super Hard ELF)项目,该项目是一个深埋地下的极低频通信系统;然后是SEAFARER项目,该项目的方案是浅层埋设ELF天线的地表部署ELF通信系统。这两个方案最终由于种种原因都未能得到落实。

而最终付诸实施的还是现在众所周知的Project ELF项目,该项目由分别位于威斯康辛州和密歇根州相距148英里的两个站点和地上天线阵列组成。1969年开始建设,1982年进行官方测试,1989年正式投入运行。工作频率为76 Hz,备用频率为45 Hz。

由于过于庞大脆弱易遭致命打击,加上当地居民抗议,美国海军于2004年关闭了这个美国唯一的极低频长波电台通信站。

苏联/俄罗斯的极低频长波电台(ZEVS)

ZEVS极低频长波电台位于Kola半岛摩尔曼斯克附近,由于其很高的战略重要性,关于这个设施几乎没有什么官方信息,所有的相关信息几乎都来源于卫星图片。

ZEVS极低频长波电台的频率为82Hz,它由两个分离的电极和天线组成,其中一个电极的经纬度为 68.813321°N 33.7517427°E、另一个电极的经纬度为 68.7163557°N 33.7078248°E,整个极低频长波电台通信站设施的输出功率约为10MW ~ 14MW,直到前苏联解体之后,这个秘密的军事通信设施才为外界所知。

印度的极低频长波电台(INS Kattabomman)

印度的极低频长波电台和甚低频长波电台都位于南印度泰米尔纳德邦靠近内尔维利城一个叫Vijayanarayanam的地方(8°23'14"N,77°45'6"E)。该极低频长波电台设施始建于2012年,据称承建公司为印度Larsen&Toubro公司,相传俄罗斯曾紧密参与该设施的研发。目前,关于这个极低频长波电台的呼号频率等信息知之甚少。

本文链接:http://www.globalview.cn/html/military/info_25772.html

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责任编辑:笋溪

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