超/极低频通信技术

英文名称；Super/Extremely Low Frequency Communications Technique
检索词：超/极低频；通信；潜艇
技术类别：信息系统技术;电子技术;

[定义] 
　  超/极低频通信技术是利用无线电频谱中的超/极低频谱段(美国将3赫～3千赫频段称为极低频，前苏联将其划分为三个频段：3～30赫为极低频；30～300赫为超低频；300～3000赫为次低频)对潜航在安全深度的潜艇实现岸--潜通信的技术。

    实现超/极低频对潜通信，需要研究多种课题：在给定输入功率的情况下，如何使输出功率达到最大；要在给定通信距离和功率要求的条件下，选择最佳的发射频率；研究超/极低频通信的加密技术；如何提高通信的数据传输速率；什么样的地质构造适合建造超/极低频通信台站；超/极低频通信系统对环境生态的影响程度等。

    超/极低频通信技术的优缺点是：

    1.超/极低频信号在海水中的衰减远比世界各国对潜通信最常使用的甚低频系统低的多，它在海水中的衰减约为0.3分贝/米，比甚低频频段在海水中的衰减降低了一个数量级，因此，它穿透海水的深度足以达到潜艇潜航的安全深度。

    2.它利用地球表面与电离层之间的巨大"波导"传播，大气衰减非常小(在75赫工作时，其大气衰减在0.9～1.5分贝/千公里)，可以使超/极低频信号传输到很远，只要用一个发射机台站就能进行全球通信联络。

    3.用超/极低通信技术实施对潜通信，不必在国外设站，可以免受国际政治环境对设站的影响。

    4.超/极低频信号对不可靠的传播条件不敏感，传播稳定可靠，受电离层扰动干扰小，即使核爆炸也不会严重干扰它，是为数极少的几种不受电磁脉冲破坏的通信手段之一。

    5.抗干扰能力较强，任何干扰机，如果试图干扰超/极低频通信，它就必须要有比超/极低频通信号更强大的功率输出，从而也就需要更大的超/极低频天线系统，这样的干扰天线系统的成本效益是令人怀疑的。

    6.超/极低频通信系统最有效的发射机天线应有近似于波长同样大小的尺寸，要架设一付数千公里长的天线在工程施工和场地环境选择方面都十分困难，而且那样的天线系统目标庞大，在战时极易遭受敌人攻击，为降低天线系统的规模，只有在特定地质构造的地区进行选址，即超/极低频发射机台站要选在导电率在10（-4次方）欧姆/米或更低的地质年久的花岗岩地区。换句话说，实用的超/极低频发射台站只能在导电率在10（-4次方）欧姆/米以下的花岗岩地区建造。

    7.超/极低频通信系统天线效率很低，为发射能被远在几千公里以外的水下潜艇接收到的几瓦的信号，则需要有几兆瓦的功率输入。这个信号还必须与主要由地球周围的电报引起的高电平电磁噪声进行竞争。

    8.超/极低频潜通信系统由于频带很窄，只能以很低的数据率进行传输，即用较长的时间传送一份简短的电文。天线尺寸的任何折衷方案都将进一步降低效率，使数据率进一步降低，这就使得超/极低频通信系统只能起"振铃"作用，即当潜艇接收到超/极低频的简短极文后，再上升到一定深度来接收甚低频发出的正式电文。　

[相关技术]信息战技术；通信技术；舰船技术

[技术难点] 
　 建设超/极低频对潜通信系统关键在于大功率发信机的研制、极低导电率地址的选择、如何提高发信机的输出功率及信息传输速率等。

[国外概况] 
　 早在50年代末，美国开始研制北极星战略导弹核潜艇的同时就考虑其在深水的通信问题。尽管美国在第二次世界大战前、大战后以及50和60年代已在美国本土、巴拿马、日本、英国和澳大利亚等处建造了可以覆盖全球的甚低频(3～30千赫)对潜通信台站网，但这一频段的无线电信号在海水中传播的衰减率为3分贝/米，虽然具有一定的穿透海水能力，但在数千公里外穿透海水的深度一般只有几米，无法保证对潜航在80～100米以下潜艇指挥控制通信的需要，因此提出利用超/极低频来解决深潜潜艇的通信问题。

    1958年，美国海军开始研究利用超/极低频向核动力弹道导弹潜艇进行抗毁单向信息传输。1961年5月，一个专门委员会建议用一个实验性陆基超/极低频通信系统来论证最现实的技术和经济的方案，1962年在弗吉尼亚州和北卡罗来纳州架设起一付175公里长的传播试验天线，并成功地论证了在水下潜艇和在拉布拉多、冰岛、挪威和格陵兰等地接收信息的可行性。这些工作是以"桑格文"(Sanguine)计划的名义进行的。

    "桑格文"也有人称其为"血红"，原计划设想天线占地13750平方公里，投资10亿美元以上，建立一个能经受核打击、完全深埋的、100部发射机，采用全方向辐射，可达全球海域，向弹道导弹核潜艇发送紧急行动电文的对潜通信系统。1968年选定在威斯康星州克拉姆湖地区的花岗岩低导电率地质结构区开始建站，1969年建成各长22.5公里的十字型天线，发射机功率为2兆瓦的试验台。在1972年的试验中，海军成功地实施了与4600公里外，天线在水下102米深、航速为16节的潜艇进行通信联络。尽管美国在1968～1970年期间的研究中，在超/极低频信号接收和极文处理方面取得了技术性突破，可以使原计划投资和天线规模减少到原来设想的1/5或1/6，美国国家科学技术部门在1972年5月也核准了"桑格文"计划的技术可行性，原定1973年开始工程建设，1975年交付使用，然而，由于环境保护论者担心系统对人体有害，对电力设备、电话线路、放收围栏导线会诱发高电压造成伤害，再加上担心设站会招致前苏联的核打击以及美国国内方面的政治因素，迫使海军于1975年撤消了"桑格文"计划，重新提出缩小规模的"水手"(Seafarer)计划，并从1976年开始设计和论证工作。

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     "水手"计划与它前面的"桑格文"计划有大致相同的经历，也基本上是出于相同的原因，在1978年2月，被当时当选总统卡特先生宣布停止，但他同时建议海军首先寻找可供选择的站址，其次做议员和密执安地区居民的工作，使他们认识到建立超/极低通信系统的必要性。海军立即响应，提出了一个规模更小的"简易型"(Austere)计划，最后的选址也得到总统批准，但由于国会一直拒绝再给超/极低频计划拨款，卡特总统本人对此也不那么热心，使美国的超/极低频计划在1978～1981年间停歇了三年之久。

    1981年10月，新一届美国总统里根在第12号国家安全决策指令(NSDD-12)中指出，要把缩小规模的超极低频通信系统搞下去，使威斯康星州的试验台恢复工作，美国国防部也认为超/极低频对潜通信是提高战略指挥与控制能力的重要手段，并建议将威斯康星州试验台升级为正式工作台，还建议在密执安州半岛再建一个2×45公里天线的发射台，用电话线与试验台联合进行工作。两个台于1983年开工，但是，在1984年1月，地方法院又强制要求海军提供环境试验证明，证明这样的系统对人类健康无害，海军又委托美国生物科学研究所重做以前的试验。1985年拿出试验报告后，法院撤消强制要求，两台又恢复建设，地方又提出上诉，最高法院最后判决：同意地方法院撤消强制要求的决定，至此，这一公案才算了结。

    从1985年5月起，美国先后在太平洋舰队、地中海、西太平洋及北极冰盖条件下对潜极低频通信均试验成功。1986年底，两台同时完工，交付给海军投入使用，随后，在美国所有的核潜艇上逐步安装上超/极低频接收机。从50年代到80年代的近30年中，美国在超/极低频对潜通信技术的研究中，花去了数亿美元，仅1982年与通用电话和电子设备(GTE)的一项合同就达1.21亿美元之多。

    英国和法国也是有核潜艇的国家，尽管它们可以利用美国的超/极低频对潜通信系统，但是，它们还是在研究自己的超/极低频对潜通信技术。从1984年12月起，美国官方首次公开了它们在建立自己的超/极低频对潜通信系统。1985年8月，美国派出了一个专家小组去帮助英国在苏格兰地区考察发射机站址，1986年在那里选站架设一付22公里长的发射天线，进行技术论证。法国也是从1984年开始从事有关研究工作，法国汤姆逊无线电公司和CGE公司就在从事这方面的研究工作。

    前苏联1967年开始研究潜艇的深水通信问题，他们首先在克里米亚建起了一个50～100千瓦的超低频试验台，租用了一段22公里的输电线路，将其两端接地作为天线进行试验，选用30～400赫频段，它论证了在几百公里外的深航潜艇可以接收到超低频信号。

    1975～1980年，他们在北部的科拉半岛设台，租用长达180公里的输电线作为试验天线，利用闸流管研制功率为500～1000千瓦的超低频发射机，工作频率选用30～300赫，每天试验6～8小时，论证了它的通信距离可达5000～8000公里。在这期间，他们对超低频的发射原理、发信机结构、发射天线、电波传播、接收机、超低频信号对周围环境的影响，对人身安全等方面的问题进行了大量研究。

    1981～1991年，他们正式在科拉半岛建造永久性的发射台，选用30～200赫频段工作，发射天线为2根平行的各长60公里，两端接地，彼此相距10.5公里，各有一部发射机，由一个总控制台控制。发射机功率为兆瓦级。据说，该台从1983年就开始了发信，当工作频率选用81±3.13赫时，可对6000公里远100米深的潜艇进行通信，其最大通信距离可达1万公里。由于科拉台的天线是东西向平行走向，它对大西洋和西太平洋的覆盖较好，对地中海和东太平洋、印度洋则方向性较差。他们从

    1993年起，还利用该台进行了更低的工作频率(30赫以下)的试验，认为如果工作频率选用10赫，有可能对水下270米深的潜艇进行通信。苏联解体后，俄罗斯对超/极低频技术仍在继续研究。
　

[影响] 
　 潜艇(尤以核动力潜艇)由于它可长时间地潜伏在水中，大大增加了它们的隐蔽性并提高了作战行动的突击性，在现代高技术条件下的作战中具有极为重要的地位。攻击型核潜艇对水面舰艇、水下潜艇以及运输补给船队威胁很大，尤其是战略弹道导弹核潜艇可以携带多枚多弹头战略导弹，是当今最难防御的战略核威慑力量，是美国、俄罗斯、英国、法国战略核力量的最重要组成部分，因此，世界各大国都在研究各种技术，以便对其进行侦察监视和跟踪。

    星载高灵敏度红外观察仪，利用潜航潜艇大面积航迹温差，可以发现水下50米之内的潜艇。机载磁力探测仪，激光探测仪可以发现水下300米(垂直)的潜艇。由此可见，通过潜艇以防碰撞深度(25～30米)作为安全深度已不适用，潜艇潜航越深，被发现的概率就越小，所以就越隐蔽，也越安全，其威慑力量也就越强大。为了更安全，当今俄罗斯的潜艇可以在700米水下深处航行，因此，在航渡和待机状况下的潜艇航行深度一般应在80～100米以下，由此可见，长期以来普遍采用的甚低频(3～30千赫)对潜指挥控制通信系统已不能满足对数千公里外深水下航行的核动力潜艇进行指挥控制的需要。超/极低频技术，可以穿透100米以下海水，除了用于指挥控制深水潜艇外，还可对水中兵器进行遥控。

    由此可见，超/极低频技术用于对潜通信对于保持战略核威慑力量，充分发挥潜艇的隐蔽性、安全性和在战争中的突击性显得格外重要。超/极低频对岩石、土壤也有很强的穿透能力，可在大面积国土范围内对深处的掩体、坑道实施指挥与控制，加上它对电离层扰动不敏感，即使核爆炸也不会严重干扰它，人为干扰也很困难，使它在未来战争的极端恶劣环境条件下成为提供大面积应急指挥控制通信的一种重要手段。除此之外，这种技术在地球物理探查方面也具有很大潜力，在地震预报、监测和资源勘察、地质勘探、水库和大坝以及核电站等地质结构稳定地点的选择等会有远大的前途。