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對潛通信:世界主要國家軍用低頻、甚低頻和極低頻長波電台概況

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發表於 17-7-2018 23:03:31 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
本帖最後由 VR2WAP 於 17-7-2018 23:09 編輯

文章來自互聯網:知遠戰略與防務研究所:助理研究員/明磊

作為戰略通信系統的一部分,頻率處於低頻段、波長大於數十千米的長波通信頻帶一直備受各國重視,其在軍事防務和國家安全方面的作用及意義非常重要。
引 言
在頻率寬廣的電磁頻譜中,有頻率高達30~300GHz、波長在1毫米~1厘米的極高頻電磁波;也有頻率低達3~30Hz、波長在100000~10000千米的極低頻電磁波。實驗證明,電磁波在水中衰減非常顯著,頻率越高的電磁波在水中衰減越是顯著,因此在陸地上廣泛使用的電磁波通信系統在水下是無法實現的,而且由於海水的高鹽度和複雜的溫度、洋流分布特性,其電導率和介電常數與空氣的電導率和介電常數均有很大的差別,水的電導率越高,電磁波的衰減越大,因此電磁波在水中(尤其是海水中)的傳播特性與在空氣中的傳播特性有極大的差異。
由於上述這些特點,電磁波在海水中的傳播距離有限。一般來說,低頻(LF)長波可穿透水的深度是幾米,甚低頻(VLF)甚長波穿透水深是10~20米(具體深度和電磁波源的發射功率、距離遠近和海水的鹽度、溫度等水文因素密切相關),極低頻(ELF)極長波穿透水深是100~200米(具體深度和電磁波源的發射功率、距離遠近和海水的鹽度、溫度等水文因素密切相關)。
可是在通信效率方面,卻又剛好相反:頻率越高,通信效率越高;頻率越低,通信效率越低。而且要產生低頻、甚低頻和極低頻電磁波,又需要極大功率的基站和龐大的發射天線,這些都使其只能作為一種戰略通信手段,單向發送簡短的報文指令信息,無法在水下進行通信組網。
然而上述劣勢並沒有抹殺低頻、甚低頻和極低頻電磁波在通信領域的價值,尤其是能夠長時間處於水下戰備巡航狀態的核動力潛艇的問世,讓低頻、甚低頻和極低頻電磁波在通信效率方面的劣勢被極大的弱化,而其在水下對潛通信方面的優勢卻被極大的強化,因此,它更被稱為海軍的基石。 001.jpeg
1甚低頻/極低頻/高頻/超高頻對潛通信示意圖(圖片來源於網路)


 樓主| 發表於 17-7-2018 23:09:04 | 顯示全部樓層
低頻和甚低頻長波電台
低頻(LF)長波(30kHz~ 300 kHz、波長在10 ~ 1 千米)和甚低頻(VLF)長波(3 Hz~ 30 kHz、波長在100 ~ 10千米)的電磁波穿透海水的深度雖不及極低頻(ELF)長波電台,但是它的通信效率卻更高,是目前世界各國處於運行狀態的最主要的長波電台,也是各國海軍對潛通信的主要裝備。
由於極低的頻帶寬度,甚低頻長波通信無法發送音頻信息,所有的信息都是以文本信息的形式以極低的比特流傳輸,信息調製模式主要有以下三種:
一是OOK/CWK(On-Off Keying/Continuous Wave Keying,幅移鍵控),這是一種最簡單的摩爾斯編碼調製方式,通過載波開啟來代表摩爾斯編碼的「點」和「線」,通過載波關閉來代表間隔。但這種發射方式很難達到較高的功率水平,信號也很容易被大氣層噪音掩蓋,所以這種調製方式僅僅在緊急情況或者測試的時候使用。
二是FSK(Frequency-Shift Keying,頻率偏移調製),這是最古老也是最簡單的一種數字無線電波調製方式,載波在兩個不同頻率之間不斷轉換,一種頻率代表二進位數字「1」,另一種頻率代表二進位數字「0」。FSK調製模式的傳輸速率為50比特/秒和75比特/秒。
三是MSK(Minimum-Shift Keying,最小頻移鍵控),一種相比於FSK調製模式更為複雜,但信息傳輸速率更高的調製模式,也是當今潛艇通訊的標準模式。信息傳輸速率可達300比特/秒或者大約35位元組/秒,這一速率也大約相當於每分鐘450個詞。
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2 世界各國軍用長波電台分布圖
 樓主| 發表於 17-7-2018 23:11:20 | 顯示全部樓層
甚低頻/低頻信號發送系統
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3 甚低頻/低頻信號發送系統示意圖(圖片來源於網路)
甚低頻/低頻信號發送系統對潛通信系統由潛艇作戰授權(SUBOPAUTH)部分和信號發送位點(TransmitSites)部分組成,兩部分再分別由各種功能諸元組成(如上圖),整個信號發送過程按照流程圖進一步闡述如下:
第一階段:潛艇作戰授權部分
經廣播控制授權和指揮控制信息處理器處理後,潛艇衛星信息交換系統(SSIXS)經由高數據率站點間鏈路(HDRISL)將信息傳遞給信號發送位點部分的集成潛艇自動化廣播處理系統(ISABPS)功能單元,進一步進行廣播處理。
第二階段:信號發送位點部分
集成潛艇自動化廣播處理系統單元將信號傳輸給甚低頻數字化信息網路發送終端(VERDIN Transmit Terminal),然後KG-38功能單元對信號進行加密處理,並進一步被處理和編碼。
然後,甚低頻數字化信息網路調製器(VERDIN Modulator)對加密傳輸過來的信息進行調製,並傳輸到甚低頻/低頻功率放大器(VLF/LF Power Amplifier)。
最後,經過加密、調製和功率放大後的信號通過甚低頻/低頻天線系統(VLF/LF Antenna)發送出去。

作為一種戰略通信系統,甚低頻/低頻信號發送系統除了能夠對水下潛艇等作戰力量通信之外,也可以對空基戰略轟炸機和陸基洲際彈道導彈發射指控中心進行類似的作戰授權通信。

 樓主| 發表於 17-7-2018 23:12:05 | 顯示全部樓層
世界主要軍用長波電台分布情況
美國
作為世界最大的軍事強國,美國的軍用長波電台也同樣是世界之最,除本土的長波電台之外,藉助於和北約成員國以及其他盟國的防務安全合作,其可調用的軍用長波電台資源更是遍布全球。
卡特勒(Cutler, MA.
位於緬因州的卡特勒甚低頻(VLF)長波電台始建於1960年,並於1961年1月4日投入運行,負責大西洋海域海軍潛艇水面或者水下單向通信。
該甚低頻通信站天線系統由兩個分隔且完全一樣的傘狀天線陣列組成,分別稱為「北陣列」和「南陣列」。每一個陣列由13個金屬天線桅杆通過電纜線水平連接到中心天線桅杆組成六角形雪花狀,兩個天線陣列既可以同時協同操作成為一個天線陣列,也可以在其中一個處於維護期間時,另一個獨立操作。中心天線桅杆高304米,然後是由6個266.7米高的內圈天線桅杆以556米半徑圍繞,外圈則由另6個243.5米高的天線桅杆以935.7米半徑圍繞。
這種傘狀天線陣列能夠在24kHz低的頻率下高效輻射,中心垂直天線桅杆輻射甚低頻無線電波,水平懸掛電纜陣列作為電容器來增加垂直輻射器的效率。其甚低頻無線電波由Continental Electronics公司建造的世界上唯一一台AN/FRT-31型發射機產生。
在海軍安納波利斯甚低頻長波通信站(呼號為NSS)被關閉以後,卡特勒的甚低頻長波通信站就是美國東海岸唯一的一個甚低頻長波通信站點了,在大西洋海域的軍事戰略通信方面發揮著不可替代的作用。
卡特勒甚低頻長波電台的呼號是NAA、頻率是24 kHz、輸出功率為1.8 MW,經緯度為44°38′47″N67°16′52″W。
吉姆溪(Jim Creek, WA.
位於華盛頓州的吉姆溪甚低頻(VLF)長波電台於1953年建成,它主要負責太平洋海域海軍潛艇水下單向通信。
吉姆溪的甚低頻長波通信站天線陣列由10個鏈狀電纜線(1719~2652米不等)組成,這些電纜線懸掛於跨越Wheeler山和Blue山之間山谷的12個61米左右的塔架。吉姆溪通信站的甚低頻無線電波由AN/FRT-3型發射機生成。
像吉姆溪這種甚低頻長波通信站天線類型被稱為跨越山谷型天線,其垂直電纜線是主要的輻射單元,水平懸掛的電纜線則是為了增加頂部天線的電容,進而增強其射頻發射功能。吉姆溪甚低頻長波通信站的5個天線單元可以分成兩個部分,每個部分有其單獨的傳輸線路,它們可以協作運行形成一個天線,也可以兩部分獨立運行,當其中一個關閉處於維護狀態時,另一個卻不受影響。
吉姆溪甚低頻長波電台的呼號是NLK、頻率是24.8 kHz、輸出功率是1.2 MW,經緯度為48°12′13″N121°55′0″W。
拉莫爾(LaMoure, ND.
位於北達科他州的拉莫爾甚低頻(VLF)長波電台(NRTF LaMoure)原來是OMEGA導航系統通信站,隨著GPS的全面運行,其導航作用就大打折扣,在1997年9月30日,拉莫爾甚低頻長波電台的OMEGA導航系統就被關閉了,並轉交美國海軍用來對潛通信。
拉莫爾甚低頻長波電台的呼號是NML、頻率是25.2 kHz,經緯度是46°21′58″N98°20′8″W。
盧阿盧阿萊(Lualualei, HI.
位於夏威夷州的盧阿盧阿萊甚低頻(VLF)長波電台是位於太平洋中部服務於美軍太平洋戰區最大的甚低頻長波電台,建於1972年。它由兩個拉索傘狀天線組成,每一個高度都是458.11米。
盧阿盧阿萊甚低頻長波電台的呼號為NPM、頻率為21.4 kHz和23.4 kHz、經緯度為21°25′12″N158°8′54″W。
除了在美國本土建設低頻/甚低頻長波電台外,美國在海外盟國也建設了幾個低頻/甚低頻長波電台:
哈羅德霍特(Harold E. Holt, Australia.
哈羅德霍特甚低頻(VLF)長波電台位於澳大利亞西北海岸,埃克斯茅斯鎮以北6千米,這個小鎮幾乎和哈羅德霍特甚低頻通信站同時建立,以支撐該通信站的運行。哈羅德霍特甚低頻長波通信站由美國海軍和澳大利亞皇家海軍共同使用,主要服務於西太平洋和東印度洋的水面艦船和水下潛艇。
哈羅德霍特甚低頻通信站的天線系統由13個天線塔組成,最高的天線塔位於中心,塔高387米,然後是圍繞中心天線塔的6個內圈天線塔,塔高364米,最後是圍繞中心天線塔的6個外圈天線塔,塔高304米。
哈羅德霍特甚低頻長波電台的呼號是NWC、頻率是19.8 kHz,經緯度為21°48′59″S114°9′56″E。
阿瓜達(Aguada, Puerto Rico.
阿瓜達低頻(LF)長波電台位於加勒比海沿岸國家波多黎各,最開始有三個拉索天線塔架,其中兩個已被拆除,現存並仍然使用的是367.3米的最高塔架。
阿瓜達低頻長波電台的呼號是NAU、頻率是40.75kHz,經緯度為18°23′55″N67°10′38″W。
凱夫拉維克(KeflavikIceland.
凱夫拉維克低頻長波電台位於冰島境內的格林達維克,是由美國海軍建設的海外低頻長波電台。
凱夫拉維克低頻長波電台的呼號是NRK、頻率是37.5 kHz,經緯度是63˚51′1″N,22˚28′0″W。
錫戈內拉(SigonellaItaly.
錫戈內拉低頻長波電台位於義大利,是由美國海軍建設的海外低頻長波電台。
義大利錫戈內拉低頻長波電台的呼號是NSY、頻率是45.9kHz,經緯度是37˚24′6″N,14˚55′20″E。
俄羅斯繼承了大量前蘇聯解體後遺留下來的低頻/甚低頻通信資產,但自蘇聯解體以後,俄羅斯經濟長期低迷,大量的長波電台資產被迫關停、閑置或者拆卸。同時,俄羅斯地處高緯度地帶,出海口也毗鄰北極圈,這也給選址建設低頻/甚低頻長波電台帶來極大的困難,再加之對信息的封鎖和保密也使外界對其長波電台的分布、功能以及運行參數等知之甚少。
俄羅斯的甚低頻長波電台中,可以查到位置的大多是阿爾法導航基站和貝塔授時站點,甚低頻長波軍用電台的準確位置很難查到,以下是幾個服務於俄羅斯海軍的甚低頻長波電台呼號和頻率參數:
呼號為RSDN、頻率為11.91kHz;
呼號為RDL、頻率為20.2 kHz和21.1 kHz;
呼號為RJH、頻率為25 kHz。
英國
英國除了可以使用自己本國的甚低頻/低頻長波電台通信站外,還可以使用北約國家以及美國的甚低頻/低頻長波電台通信站發送信息。
安托爾(Anthorn
安托爾長波電台通信站位於英格蘭的坎布里亞,經緯度是54°54′42″N3°16′43″W。
該長波電台通信站可以發送三類不同的長波信號:甚低頻長波信號;低頻長波信號和增強型「羅蘭」信號(一種由接收機獲取陸基站點發出的低頻電磁波進行定位導航的低頻長波信號)。
位於安托爾的甚低頻(VLF)長波電台呼號為GQD,對潛通信頻率為19.6 kHz,同時也是北約四大甚低頻長波電台之一。
位於安托爾的低頻(LF)長波電台呼號為MSF,頻率為60 kHz,功率17 kW。該低頻長波電台屬於英國國家物理實驗室的一部分,其主要功能是授時服務。
而增強型「羅蘭」則主要是為海員提供導航服務。
斯凱爾頓(Skelton
作為Rugby電台的繼任者,斯凱爾頓的甚低頻(VLF)長波電台於2001年投入運行,使命是為潛艇發送編碼指令。
斯凱爾頓甚低頻長波電台的呼號為GBZ,頻率為19.58kHz,經緯度為54°43′56″N2°53′01″W。
義大利
塔沃拉臘(Tavolara
呼號為ICV、頻率為20.27kHz,經緯度為40°55′23″N9°43′52″E。
法國
羅奈(Rosnay
法國羅奈的甚低頻長波電台天線系統由13個拉索天線桅杆組成,中心天線桅杆最高,為357米;內圈6個天線桅杆310米;外圈6個天線桅杆270米。
羅奈的甚低頻長波電台呼號為HWU、頻率為15.1 kHz、20.9 kHz和21.7 kHz,經緯度為46°42′47″N1°14′39″E。
德國
勞德爾費恩(Rhauderfehn
勞德爾費恩甚低頻(VLF)長波電台,呼號為DHO38、頻率為23.4kHz,經緯度為53˚8′9″N,7˚34′29″E。該甚低頻長波電台也是北約可互相操作的潛艇廣播系統的一部分。
挪威
挪威人(Noviken
挪威人甚低頻長波電台位於Gildeskal附近,呼號為JXN、頻率為16.4kHz,經緯度為66°58′58″N13°52′23″E。該長波電台也是北約可互相操作的潛艇廣播系統的一部分。
瑞典
瓦爾貝里(Grimeton
呼號為SRC、頻率為40.4 kHz,經緯度為57.11°N12.4°E,為瑞典海軍提供加密信息通信服務。該站點還有一個呼號為SAQ、頻率為17.2kHz的頻道,只在每年的亞利桑德遜日(六月最後一個星期日)和聖誕前夜向世界發送信號。
冰島
格林達維克(Grindavik
格林達維克的無線電通信站是美國海軍於1976年就開始運行的甚低頻長波無線電基站,除了甚低頻長波無線電通信外,該基站也進行短波通信。呼號為TFK、頻率為37.6kHz,經緯度為63.85°N22.45°W。
土耳其
巴法(Bafa
位於土耳其巴法的甚低頻(VLF)長波電台,呼號為TBB、頻率為26.7 kHz,經緯度為37°24′46″N27°19′24″E。
日本
蝦野(Ebino
蝦野甚低頻長波電台位於宮崎市,呼號為JJI、頻率為22.2 kHz,經緯度為46°42′47″N1°14′39″E。蝦野的甚低頻長波電台還有另一個呼號NDT,該呼號供美國海軍使用。
泡瀨(Awase
泡瀨低頻長波電台位於沖繩島,呼號為NDI、頻率為54kHz,經緯度為26˚19′26″N,127˚49′46″E。
韓國
木浦市(Mokpo
木浦甚低頻長波電台位於韓國西南地區全羅南道港口城市木浦,呼號為UNID25、頻率為25 kHz,經緯度為34°40′45″N126°26′43″E。
印度
南泰米爾納德邦(South Vijayanarayanam
印度曾經在孟買和南泰米爾納德邦建設了甚低頻長波電台,孟買的已經關停,現在仍在運行的是南泰米爾納德邦的甚低頻長波電台。該長波電台由13個天線桿組成,中心天線桿高301米,其餘12個天線桿每6個一組分兩組圍繞中心天線桿呈環形分布,內環天線桿高276.45米,外環天線桿高227.45米。南泰米爾納德邦的甚低頻長波電台呼號是VTX3、18.2kHz,經緯度為8°25'59.88"N 77°48'00"E。
巴基斯坦
卡拉奇(KarachiSindh.
位於巴基斯坦信德省卡拉奇海岸的甚低頻長波電台建成於2016年,是巴基斯坦國第一個擁有甚低頻發射能力的無線電台,它主要服務於在阿拉伯海區域活動的巴基斯坦海軍潛艇部隊。卡拉奇甚低頻長波電台的呼號是PNSH、頻率為14-25.2 kHz,經緯度為24.855°N66.74°E。
阿根廷
蒙特格蘭德(Monte Grande
蒙特格蘭德甚低頻長波電台是服務於阿根廷海軍的無線通信設施,它由10個分布成T形的天線桅杆組成,其中8個210米高、2個219米高。蒙特格蘭德甚低頻長波電台的呼號是LPZ,頻率17.33 kHz或23.6 kHz(不確定),經緯度為34.76°S58.51°W。

 樓主| 發表於 17-7-2018 23:12:42 | 顯示全部樓層
極低頻長波電台
極低頻(ELF,Extremely Low Frequency)長波是一類頻率在3~30Hz、波長在100000 ~ 10000 千米範圍的電磁波。由於其極低的頻率和極長的波長,使其能夠輕而易舉實現全球通信傳播,並能穿透海水100~200米。
由於極高的技術複雜性,到目前為止,世界上只有美國、蘇聯/俄羅斯和印度三個國家建設過極低頻通訊設施,而美國的極低頻長波電台已於2004年退役,所以現在全球處於運行狀態的極低頻長波電台就只有俄羅斯和印度的兩個。
極低頻長波電台信號發送流程和甚低頻/低頻信號發送流程基本一樣,在此不再贅述。
美國的極低頻長波電台(Project ELF
美國的極低頻長波電台項目Project Sanguine立項於1968年,由於該項目需要佔用威斯康辛州近2/5的面積,並且該項目所規劃的巨大天線陣列很難在核打擊下倖存,同時因為潛在的環境影響和威斯康辛州居民的反對,該項目最終並未落實。
緊隨其後的還有SHELF(Super Hard ELF)項目,該項目是一個深埋地下的極低頻通信系統;然後是SEAFARER項目,該項目的方案是淺層埋設ELF天線的地表部署ELF通信系統。這兩個方案最終由於種種原因都未能得到落實。
而最終付諸實施的還是現在眾所周知的Project ELF項目,該項目由分別位於威斯康辛州和密歇根州相距148英里的兩個站點和地上天線陣列組成。1969年開始建設,1982年進行官方測試,1989年正式投入運行。工作頻率為76 Hz,備用頻率為45 Hz。
由於過於龐大脆弱易遭致命打擊,加上當地居民抗議,美國海軍於2004年關閉了這個美國唯一的極低頻長波電台通信站。
蘇聯/俄羅斯的極低頻長波電台(ZEVS
ZEVS極低頻長波電台位於Kola半島摩爾曼斯克附近,由於其很高的戰略重要性,關於這個設施幾乎沒有什麼官方信息,所有的相關信息幾乎都來源於衛星圖片。
ZEVS極低頻長波電台的頻率為82Hz,它由兩個分離的電極和天線組成,其中一個電極的經緯度為 68.813321°N33.7517427°E、另一個電極的經緯度為 68.7163557°N33.7078248°E,整個極低頻長波電台通信站設施的輸出功率約為10MW~ 14MW,直到前蘇聯解體之後,這個秘密的軍事通信設施才為外界所知。
印度的極低頻長波電台(INS Kattabomman
印度的極低頻長波電台和甚低頻長波電台都位於南印度泰米爾納德邦靠近內爾維利城一個叫Vijayanarayanam的地方(8°23'14"N,77°45'6"E)。該極低頻長波電台設施始建於2012年,據稱承建公司為印度Larsen&Toubro公司,相傳俄羅斯曾緊密參與該設施的研發。目前,關於這個極低頻長波電台的呼號頻率等信息知之甚少。

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