0 引　言

随着海上贸易的日渐繁荣和军事力量的发展，海上航行的各类船舶与空中、岸上和其他船舶间的通信需求越来越多，也变得愈发重要，如何保障船舶在海上的正常通信始终是世界各国面临的一个挑战。无线光通信技术作为一种新型信息传输手段，在船舶海上通信应用方面具有较大潜力和发展前景。近年来，美国、德国、日本等国家先后制定了30余项无线光通信研究计划，针对舰载、机载、车载以及地面固定平台等节点开展了不同链路的无线光通信技术研究。而国内船舶通信依旧采用卫星通信和微波通信方式，在复杂恶劣的海洋环境下，卫星和微波通信均会受到影响，造成通信中断。随着船舶与各平台之间传输的数据信息量日益增长，对传输速率、信息安全性和通信稳定性的要求也越来越高，因此构建大宽带、高速、安全、灵活的组网模式是保障船舶编队可靠通信的关键。

1 船舶海上通信现状

目前，船舶海上通信主要有卫星通信和微波通信2种手段。

1.1 船舶卫星通信

船舶卫星通信系统主要由卫星主站设备、通信卫星、船舶卫星通信设备（动中通和静中通）组成^[1]。根据船舶通信的环境特点及应用要求，卫星通信技术具有以下优点：1）具有同时开展多种通信业务的能力；2）卫星通信技术先进、工作可靠、性能优良；3）操作方便，具有一定的自动化、智能化功能；4）能与公用互联网、国防通信网及军队指挥自动化网互联互通等。

基于上述优势，卫星通信技术在军民等领域应用广泛，但也存在以下缺点：1）由于是无线传输，频率资源紧张，使用受限，系统数据传输率和可靠性较低；2）传输时延较大，大约为500～800 ms；3）为了避免各通信系统间相互干扰，同步卫星轨道的位置受限，不能无限制增加卫星数量；4）卫星的发射成功率为80%，卫星造价高，发射成本高昂^[2]。

1.2 船舶微波通信

微波通信系统主要由微波发信机、收信机、天馈线系统、多路复用设备及用户终端等组成。其优点为频带宽、容量大且传输距离较远等，因此微波通信技术是国家通信网的一种重要通信手段。微波通信系统也有以下缺点：1）微波通信是视距通信，超过视距就需要中继站转发，而海上不能设置中继站，因此只能短距离通信，使用受限严重；2）损耗随距离增大而快速增加，并且受天气影响较大；3）随着微波应用不断增加，传输区域会出现相互重叠，造成相互干扰的情况。

2 无线光通信技术及应用前景 2.1 无线光通信技术原理

利用光作为载波空间(空气、水、真空)直接进行信息的无线传输，对比光纤通信，无线光通信技术具有无需布缆，施工周期短，机动性强，可用光谱范围更广等特点；对比无线电通信，无线光通信技术具有更大的容量，抗干扰、抗截获能力强等特点^[3]。无线光通信系统主要由光学分系统、伺服稳定分系统、通信分系统、ATP分系统等部分组成，其系统组成如图1所示。

其中，通信分系统主要完成电光转换及光信号的大功率输出、长距离传输后小功率信号的高灵敏度接收以及信道纠错编码等功能；光学分系统主要完成信号光及信标光的发射、接收；ATP分系统主要完成在开通阶段的扫描和捕获功能，然后完成通信阶段的跟踪功能，以及保持光学天线的对准功能，其中信标光的发射与接收在光端机里,跟踪执行机构在伺服稳定系统里；伺服稳定分系统主要隔离船舶、飞机、车辆等移动平台的高频低幅振动，使其转化为跟踪系统能够承受的低频低幅振动，并且使外界大幅扰动，如船舶转弯、飞机盘旋等限制在动态跟踪环的可进行正常跟踪范围内^[4]。

通信过程可以归纳为搜索、捕获、通信、撤收4个阶段，其工作流程如图2所示。

1）搜索阶段，双方光学天线在陀螺伺服装置的控制下保持稳定，首先利用寻北仪粗略定位对方后，两端发射信标光，向对方方位的大致范围内进行扫描搜索；2）捕获阶段，当双方所发射的信标光束均进入对方接收天线的视场范围时，捕获CCD检测到对方发来的光束，立即停止快速扫描，双方天线互逆调整，驱动光学天线相互瞄准对方，完成捕获过程，转入激光光束的跟踪和瞄准，建立通信连接；3）通信阶段，光学天线通过ATP系统感测载体漂移造成的光束瞄准误差，伺服光束相互跟踪瞄准，维持无线光通信的畅通；4）通信结束后，控制计算机发出撤收指令，将光学天线归正水平，切断有源伺服天线电源，完成撤收过程^[5]。

2.2 无线光通信应用前景

其应用前景主要有以下方面：

1）船舶与船舶的通信。主要用于渔船、货船、军舰等在海上航行的正常通信。当船舶在海上航行时，通过安装在船两舷或者桅杆上的无线光通信设备，进行船舶之间的点对点直连通信，可用于文电收发、语音通话、视频通话及调度等^[6]。

2）船舶与飞机的通信。主要运用于海军、海警的军用设备上。当军舰编队进行巡海、搜救、演习等任务时，各艘军舰距离较远，可通过无线光通信设备与直升机、无人机进行点对点直连，指令下达后，飞机接受指令迅速、准确传达到编队中其他军舰，从而保证任务的顺利进行。

3）船舶与岸岛的通信。当船舶距离岸岛较远时，一般用卫星通信与岸岛进行通信，但卫星通信带宽有限，如遇需要传输实时高清视频和图像等资源的情况时，采用无线光通信技术将大大加快传输速率，取得更好的效果^[7]。

4）潜艇与水上的通信。目前对潜通信手段主要依靠通信声呐以及一些专用装备，但通信速率低，传输信息有限，不适合文本、图像等资料的传输。依托海底固定式光纤传输网络，利用水下近距离无线光通信技术，达成与潜艇近距离高速率信息传输，将极大提升对潜指挥通信能力和指挥信息系统与潜艇信息交互能力，提高各型任务的综合效率。

3 船舶编队组网模式

由于船舶编队在海上不断航线行和改变方向，船舶和潜艇与岸岛的相对位置在不断发生变化，因此船舶编队与岸岛之间的通信只能采用无线通信方式，而传统的无线通信主要依靠卫星通信和微波通信，往往存在以下问题：

1）船舶对外通信仅采用一种通信设备，当此设备在海上出现故障时就会导致通信中断；

2）船舶遇到复杂海况如大雨、大雾、巨浪等，造成通信设备的通信距离急剧缩短、传输速率变慢等紧急状况出现，可能导致一段时间的通信中断；

3）当船舶航行距离较远，超出某种无线通信设备通信范围，导致船舶间通信中断；

4）通信设备操作较为复杂，可能存在操作人员错误操作或无法排除故障从而导致通信中断的情况。

因此本文提出了无线光通信技术与传统通信方式互补互备的建议^[8]。

3.1 多种无线通信方式组网模式

为确保船舶编队海上通信稳定畅通，在传统组网模式中加入无线光通信技术，采用多种无线通信方式提供通信保障。船舶编队组网模式的核心是冗余、自动和可靠，当发生网络故障时，网络系统可以自动检测、自动路由选择、自动中继、自动恢复，然后选择其中最合理的通信方式进行通信，尽可能减少操作人员的维修、调试工作量，非硬件故障情况下不再对网络设备进行参数调整和测试，将设备操作最简化、自动化^[9]。

船舶编队通信组网包括船−船、船−岸、船−空、船−潜、潜−岸的互联互通，通信方式包括无线光通信、卫星通信、微波通信等关键技术，组网结构如图3所示。

无线光通信技术的运用能够弥补传统通信方式的不足，船舶编队组网模式采用多种无线通信技术，其优势有：

1）在复杂电磁环境下，卫星、微波通信受干扰严重，而利用无线光通信技术可以为船舶、飞机等移动平台建立可靠的信息传输通路，解决移动平台在复杂电磁环境下的通信保障问题。

2）无线光通信技术可用于大容量、长距离通信，以及不便于铺设光缆的场所，该技术的应用提供了一种快速架通的无线通信手段，可以提高大容量信息传输能力、抗毁抗扰能力和广域机动部署能力^[10]。

3）无线光通信技术具有安全保密性强、无电磁辐射、体积小、重量轻、安装架设快捷方便等特点，应用灵活机动，适用于对通信要求高的舰舰、舰潜、舰空等通信场所，满足各种作战环境需求，军事经济效益明显。

4）在复杂恶劣的海洋环境下，卫星、微波通信均会受到影响，随时造成船舶编队通信中断的情况，而多种无线通信手段互补互备，能够提高海上通信系统整体的容错率，为海上船舶提供更安全、可靠、稳定的通信保障。

3.2 存在问题及解决方法 3.2.1 长距离无线光通信不稳定问题

对于超20 km的长距离无线光通信，其关键在于克服大气湍流的影响。针对这个问题，可以采取多种解决方法。

1）在总体上采取冗余设计方式，即留下足够的功率余量，在一定大气湍流条件下，即使光斑跳动引起功率变化，也有足够的功率进行通信。为提高功率余量，采用了信道编码技术，EDFA功率发大技术、EDFA前放技术等；

2）在光学天线设计上，通过研究大气信道的特性，采取空间分集发射技术，即多路发射技术，即使某一路光被大气湍流影响，但其余几路还可被正常接收；

3）为克服大气湍流引起的信标光束跳动，根据实际试验取得的数据对后续的处理程序进行优化设计，特别是在DSP中对信标光捕获识别算法进行优化，可以将大气湍流引起的光束跳动抑制在很低范围内，确保ATP系统准确跟踪。

通过这些设计可有效克服大气湍流的影响，实现超20 km的长距离可靠通信^[11]。

3.2.2 长距离无线光通信对准问题

当船舶编队执行任务时，常常会遇到无线光通信距离太长、无法采用望远镜进行光学天线对准的情况，只能采用自动扫描、捕获的方式使双端天线相互对准。而扫描的不确定区域太大会影响系统的捕获时间，造成时机延误。因此，系统在进行扫描之前应大致确定好初始朝向，以缩小扫描不确定区域范围。根据执行任务时电磁环境的复杂程度，制定了2种方案：

1）GPS或北斗定位+小区域扫描、捕获方案

该方案是先利用GPS或者北斗卫星进行定位，然后利用寻北仪进行天线初始朝向确定，就限制扫描区域在一个很小的范围内，最后在这个小范围内进行信标光的扫描和捕获。该方案的优点是大大降低了系统的扫描、捕获时间，不需另外增加大功率脉冲激光器及多孔径CCD镜头等扫描、捕获辅助设备，缺点是在敌方进行全频段电磁压制的情况下会失效^[12]。

2）大范围全光扫描、捕获方案

在初始制定任务计划时，已得知2个通信节点的大致位置及海拔高度，利用这些数据可计算出双方天线所需的大致朝向，然后利用寻北仪进行辅助确定，缩小系统的扫描区域至一定范围内，再在此范围内进行全光扫描、捕获。该方案的优点是在复杂电磁环境甚至无线电静默时期仍可使用，缺点是扫描、捕获时间较长，且需要增加大功率脉冲激光器及多孔径CCD镜头等设备进行大范围的扫描、捕获。

4 结　语

本文首先介绍船舶海上通信现状，针对其传统方式距离受限、传输率低、受环境影响大等不足，提出了无线光方式与传统通信方式互补互备的建议。无线光通信技术在近几年迅速发展，是一种新型信号传输的手段，传输率高、通信距离长，能够在电磁干扰环境和复杂恶劣海况下提供安全、稳定的通信保障，其应用前景广阔，具有实际意义。为确保船舶编队海上通信稳定畅通，采用多种无线通信方式组网模式，网络系统会自动选择最合适的通信手段进行通信，提高船舶编队在海上航行通信的容错率和可靠性。最后，对无线光长距离通信常见问题的解决办法提出建议。