凌步微波：中國北斗再立新功，神奇技術令美國汗顏
作者 :凌步微波 2019-02-02 10:40:38 審稿人 : admin 圍觀 : 次 評論
北斗再立新功，首次實現深海實時通信
1月31日，我國新一代遠洋綜合科考船“科學”號圓滿完成西太平洋綜合考察航次返回青島母港，科考隊員在本航次對西太平洋實時科學觀測網進行了維護升級，實現了由北斗衛星實時傳輸觀測網數據，提高了深海數據實時傳輸的安全性、自主性和可靠性。
本航次首席科學家、中國科學院海洋研究所研究員汪嘉寧說，科考隊員對西太平洋實時科學觀測網的20套潛標進行了維護升級，包括更換電池、優化站位和加裝北斗衛星通信模塊等。
由于北斗衛星一般應用于船舶和島礁，通信模塊大小和用電不受限制。而潛標容積非常小，只能靠電池供電，這就要求北斗衛星的通信模塊不僅要小、省電，還要運行穩定。為此，中國科學院海洋研究所專門研發了適合潛標的北斗通信模塊。
北斗助力中國海洋科考
“此外，潛標觀測的海水溫度、鹽度、流速和流向等數據每隔一小時通過衛星傳輸回陸地實驗室，數據量大。為此，我們又專門研發了多模塊通信傳輸技術。”汪嘉寧說，“就像是傳輸一部電影，我們把它分割成10份，用10臺手機同時傳輸給一臺電腦，傳輸效率得到大幅提升。接到不同的數據包后，后臺再合成為一部電影。”
據了解，自使用北斗衛星以來，西太平洋實時科學觀測網的實時數據傳輸非常穩定。
中國科學院海洋研究所所長王凡表示，西太平洋實時科學觀測網實現用北斗衛星傳輸實時觀測數據，改變了以往依賴國外衛星的歷史，提高了深海數據實時傳輸的安全性、自主性和可靠性。
“在這一航次中，另一項重大突破是我們融合感應耦合和水聲通信技術，首次實現了深海6000米大水深數據的實時傳輸，在大洋上層實現了每100米一個溫鹽流數據的實時傳輸，在大洋中深層實現每500米一個溫鹽流數據的實時傳輸。”王凡說，“6000米深海數據北斗衛星實時通信潛標自布放以來已經安全運行了1個多月，數據回傳正常。”
潛艇深海通信將不再是難題
6000米實時通信無障礙，那么600米就沒問題了。這項技術無疑對于我國解決潛艇深海通信難題有著極為重要的意義。
由于電磁波能量在海水中傳播容易衰減，而且頻率越高，衰減的越厲害，所以要與潛艇（特指隱藏在水下的潛艇）進行通信，只能使用甚低頻和極低頻波段，也就是俗稱的長波電臺，可穿透十幾米到幾十米深的海水，少數超長波電臺甚至可以穿透上百米深的海水。
不過，長波電臺的建造難度很高，系統非常龐大，天線陣由幾十上百座鐵塔組成，發射機的功率也特別大，通常要達到上千千瓦，不僅技術難度高，造價也是相當昂貴，全世界只有幾個國家能獨立研制建造長波發射臺，我國就是其中之一。
此前，潛艇通信主要依靠長波電臺
由于長波電臺的帶寬非常窄，通信速率極低，只能發射簡單的字符，像美國海軍的長波臺一次只發送3個字母，提醒潛艇上浮到潛望鏡深度，放出通信浮標通過短波或衛星通信來傳輸數據，可這樣一來，會增加潛艇暴露的幾率。
就在外界還在以為中國仍在大肆建設傳統的超巨型長波電臺之際，中國卻悄然依托北斗衛星實現深海6000米數據實時傳輸，通信時效性和效率完全不可同日而語，其中蘊含的技術跨越之大令人振奮。
中國建超大型天線陣列，幫助核潛艇潛伏？
香港《南華早報》1月1日稱，中國在華中地區建立一座“極低頻探地（WEM）工程”超級天線陣列，占地面積相當于五個紐約市大小，可能將用于提升中國核潛艇的遠距離通信能力。該報道迅速引起外界的胡亂猜想。
這座天線陣列占地約3700平方公里，外表上看與普通電網沒有什么不同，因此間諜衛星無法發現它的存在。而且它遠在中國內地，增大了敵方摧毀的難度。報道宣稱，該天線陣列能發射0.1-300赫茲之間的極低頻信號，不僅能在大氣層中傳播，還能穿透地殼，信號覆蓋范圍可達3500公里。隱藏在水下的潛艇也可以接收到它的信號，不需要再浮出水面接收指令，大大降低潛艇被發現的危險。
冷戰時期美國也建造過一個較小的類似天線陣列，但該陣列已于2004年退役。目前美國海軍轉用甚低頻對潛通信技術。該報道迅速引發西方媒體的關注和解讀。
美國《戰區》網站認為，中國的WEM超級天線陣列可向深海水域的中國海軍戰略核潛艇發射指令，能在短期內迅速提升中國的遠洋對潛通信能力，確保中國核潛艇能長時間潛伏在水下，不受反潛偵測攻擊威脅，“這對不斷擴大的中國海基核力量至關重要”。報道還猜測，中國的超級天線陣列啟動時間與094型核潛艇服役幾乎同步展開，顯示出中國正利用極低頻通信工程，提高與潛艇部隊的通信控制能力。
其實，被外媒炒作的WEM天線，其實是中船重工聯合中國地震局和中國科學院聯合建造的“地下資源探測、地震電磁異常監測和地震預測”科學設備。它可“提供穩定高精度電磁場信號，明顯提高地下資源探測深度和探測精度；為大面積地下資源普查、地下深層資源的探測提供組網接收和三維探測的科學工具；在地震頻發區域長期組網接收、觀測所在區域有關信息，為確定地震發生地點提供最新科研工具”。
2010年該項目啟動以來，國家地震局官網多次進行過公開報道，《中國工程科學》《艦船科學技術》等期刊也進行過權威解讀。如今這個民用設備竟被猜成了核潛艇軍用通信設施，實在莫名其妙。
中美爭輝，美實現潛艇與飛機直接通信
中國在積極探索水下通信新方案，美國當然也沒閑著。
長期以來水下潛艇無法與飛機直接進行通信。2018年8月22日，麻省理工學院媒介實驗室（MIT Media Lab）發布了一項實現水下到空中通信的新技術，
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由于彼此的通信介質不匹配，因此長期以來水下潛艇無法與飛機進行直接通信。潛艇使用聲納，而飛機使用無線電信號、蜂窩系統或GPS。聲納信號無法穿透水面，而無線電信號在水下的傳播效果不好。
但麻省理工學院有了解決方案。研究人員利用水下發射器向游泳池表面發
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《中外艦聞》主編、軍事評論員呂田豐表示，“TARF系統的原理并不復雜，聲吶和雷達兩個分系統也不是特別先進，但雷達要在水面波浪的干擾中識別微小的聲波振幅所需的算法卻極其復雜且規模龐大，因此海面聲波振幅的識別算法是TARF系統的核心技術，也是最大的技術難點。”
該研究論文合著者、媒介實驗室助理教授法德爾·阿迪布（Fadel Adib）表示，這種通信系統是一個“里程碑”。
麻省理工學院表示，它可以用來尋找水下失蹤的飛機，允許軍用潛艇在無需浮出水面暴露位置的情況下與飛機進行通信，還可以讓水下無人機持續性監測海洋生物，而無需浮出水面傳輸數據。
而中國科學家則在研制藍綠激光通信，已成功實現了水下80米深某大型目標，與空中直升機的藍綠激光通信試驗，說明該技術離實用已經不遠了。
此外，中國在量子通信技術方面進步也很快，還發射了第一個量子通信衛星，如果該技術成熟，也能用于對潛艇通信。另外我國在研制“蛟龍”號深潛器時，還采用了聲吶通信方式，應用了具有世界先進水平的高速水聲通信技術，未來也有可能在水下建設水聲通信設施，直接從水下給潛艇發射信號。
中國借鯨魚“語言”實現水下隱蔽通信
如何實現水下隱蔽通信一直是一個超級難題，中國還有更神奇的破解方式。
日前，天津大學精密測試技術及儀器國家重點實驗室蔣佳佳副教授模仿抹香鯨叫聲串規律，借用鯨魚“語言”首次實現深海隱蔽通信。這一新型仿生偽裝隱蔽水聲通信方法具有偽裝誘騙性強，信息傳輸高度隱蔽，通信距離遠等優點，在國防和軍事領域極具應用前景。相關研究成果發表在新一期國際通信領域期刊《IEEE通信雜志》上。
陸海空通信中，以海洋為典型代表的水下通信，仍是人類努力探索的通信領域。傳統解決水下隱蔽通信的方法主要有兩類，第一類方法是通過改變人造通信信號的參數，如跳頻、跳時等，使截獲概率降低，但這類方法容易被敵方偵察系統識別與分類。第二類方法是通過降低通信信號的發射功率，以增加敵方探測通信信號的難度，但功率降低大大限制通信距離，無法滿足水下遠距離隱蔽通信需求。
為破解這一難題，天大科研團隊首次提出利用抹香鯨原始叫聲作為通信信息載波，模擬抹香鯨原始叫聲串構造仿生通信信號串，以仿生偽裝策略實現水下通信信息隱蔽傳輸。科研人員基于自相關、互相關和相關性閾值等約束條件，從摘取出的叫聲脈沖庫里篩選出了大量滿足時延差通信編碼要求的叫聲脈沖，并根據抹香鯨叫聲串的規律，發展出了一種跳組差分時延差通信編解碼方法。
被構造的仿生通信串具有非常強的偽裝誘騙性能，從而能實現信息高度隱蔽傳輸。同時，由于通過偽裝而不是通過降低通信波的發射功率來實現隱蔽，通信波不怕被敵方探測和截獲到。
該項技術成果的有效性和偽裝隱蔽性分別通過湖試測試和神經網絡信號分類器測試，得到了很好的驗證。
到時，如何確定雷達上那個向你游來的巨大物體到底是抹香鯨還是潛艇，就將是讓敵方頭疼的一個問題了。
北斗總師：將攻關室內和水下導航
在剛剛過去的2018年，北斗三號系統一年內完成10箭19星的發射，且100%成功，創下世界衛星導航系統建設和我國同一型號航天發射的新紀錄。2018年12月27日，北斗三號基本系統完成建設，這意味著北斗系統服務范圍開始由區域擴展為全球，北斗系統正式邁入全球時代。
1月21日，北斗系統工程總設計師楊長風表示，下一步本身北斗導航核心系統的性能更高、抗干擾能力更強、精度更高以外，還要把其他的一些系統組合進來，包括今后跟5G的結合和低軌通信的結合，水下一些導航系統，包括室內導航結合等等這些東西，這就是我們下一代要發展的。
楊長風稱，目前我國衛星導航的弱項在于“不能在室內導航、不能到水下導航”。這將是我國北斗領域下一階段的攻克目標，到那個時候北斗才可能是無縫銜接，無處不在的導航。
2018年11月，英國帝國理工學院研究人員和M Squared公司攜手，研制出全球首款用于導航的量子加速度計，這款導航設備被稱為“量子羅盤”。它是不依賴全球定位衛星（GPS）的防干擾導航裝置。
“量子導航”出現，軍用潛力巨大
從軍事上來說，量子羅盤具有非常重要的現實意義。因為量子羅盤不需要衛星信號，它依靠自身的冷原子干涉就可以實現自主導航，這在軍事上的價值巨大。比如在深海中，核潛艇需要在很深的海底航行，海水與空氣不同，電磁波無法在深海里傳播，所以在海底，依靠現有的衛星導航系統是不可能的，量子羅盤可以在核潛艇中使用。
中國在積極探索北斗系統水下導航的同時，也在積極推進量子羅盤等新一代慣性導航技術的發展。早在2016年，中國北京自動化控制設備研究所承擔的，“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺儀關鍵技術”就已經完成了原理樣機的研制。雖然與英國“冷原子、量子加速度計”有所差異，但目標都是一致的。都是在不依賴衛星定位的情況下，實現精度定位。
有北斗加持，中國核潛艇如虎添翼
北斗導航與核潛艇同為國之重器，都是中國與美國展開戰略競爭的有力武器，此次中國率先實現深海北斗數據實時傳輸，無疑將使中國核潛艇的指揮與調度更加及時有效，真可謂如虎添翼；今后一旦水下導航獲得突破，中國潛艇也將更加神出鬼沒。如此一來，中國又何須再大舉建設效率低下的超巨型長波電臺呢？隨著中國科技的全面進步，諸如量子通訊、激光通訊等也將獲得快速發展，中國顯然有足夠多的手段來突破美國的科技封鎖。中國科學家的聰明才智，使得中國軍事科技又一次領先美國，長此以往，美軍一向自視為天下第一的心理優勢必將蕩然無存。
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