无人水下航行器 （UUV） 在水下时依靠一套仪器来确定飞行器的位置和轨迹，从而自主导航。在潜入水面以下之前，车辆 GPS 接收器的读数可以高精度地确定车辆的初始位置。一旦进入水下，其他仪器就会发挥主导作用，包括惯性导航系统 （INS） 和多普勒速度测井仪 （DVL）。来自这些仪器的位置、速度和航向信息不断馈送到导航计算机。该装置绘制飞行器的路线并向电机控制器发送控制信号，以精确调节推进器的功率和方向，提供正确的推进量以保持飞行器在轨道上行驶。

本文是作者试图将潜艇设计参数的基本概念与操作联系起来，并了解潜艇如何在海面、海面以下和海面底部以直立位置运行。

潜艇作业包括海面的水平运动，至少 10%，正浮力储备，以便在紧急情况下轻松潜水。海面下的潜艇可以在中性浮力下进行垂直和水平运动，并且完全取决于潜艇水上飞机的俯冲角度和压力船体承受与下潜深度成正比的强度增加的静水压力的能力。潜艇深潜的力量仅限于她的设计船体，这种结构限制称为塌陷深度。

潜艇还受到发送和接收通信信号的限制，以避免被发现。在水下传输和接收通信信号很困难，因为无线电波不能很好地穿过海水等良好的电导体。潜艇的主要防御完全取决于它隐藏在海洋深处的能力。

为了通信，潜艇的解决方案是靠近海平面，以便使用普通无线电传输。然而，这艘潜艇在靠近海面的水下巡航时很容易被发现。

该潜艇携带各种传感器阵列，仅依靠被动和主动 SONAR 来导航和定位目标。水是声音的极好导体。声音传播、投影和接收返回的“回声”是潜艇水下导航和目标跟踪的关键方面。

通讯系统

海底通信系统包括以下内容：

• 极低频 （VLF） – 3-30 kHz 的无线电波可以穿透距离海面至少 20 米深的海水。在极浅水域作业的潜艇使用此频率。它使用浮标上升几米，就在海面以下。

• 极低频 （ELF） – 3-300 kHz 的电磁波可以穿透 100 米或更深的海水。

• 通信通常尽可能单向传输。

• 标准无线电 – 在水面上，潜艇可以使用 HF、VHF 和 UHF 通过语音水下声学或水声信号传输信息。

SONAR 的工作原理

通过使用应答器进行声音传播和测量返回的回声，它利用物体方向的声波来映射和定位周围环境中的物体。

在反潜战中，主动式 SONAR 系统功能图如下图 1 所示。

图 1 主动式 SONAR 系统图

换能器阵列投射声音信号，并出于同样的目的接收返回的回波。

图 2 无源 SONAR 系统图

水听器阵列拾取并接收由换能器阵列或电传打印机调制投射的返回回波。

水下调制解调器

它们在水下使用 900 kHz 至 60 kHz 的声学声音（调制解调器和传真）频率传输数字信息，最远距离可达 17 英里。

声波和无线电传输的结合

水下发射器向指向海面的声学扬声器发送信号，以发送可以作为压力波传播的声音信号。当声波撞击表面时，会引起微小的振动。在水面上方，雷达不断从水面反射无线电信号。雷达可以检测振动，完成从水下扬声器到空中接收器的信号传输。这项技术仍处于起步阶段。

传感器系统

潜艇的好坏取决于它的电子检测系统。SONAR（声音导航和测距）提供了一个系统，用于在水下导航、通信或检测水下和海面上的物体。有两 （2） 种类型的 SONAR 系统。

• 无源声呐 – 水下传感器，主要用于监听水下或水面接触发出的声音。无源 SONAR 可以避免被检测到，因为它不会投射声音信号。

• 主动声呐 – 水下传感器，主要用于投影声音信号和聆听返回的“回声”。这两个传感器都可以定位和测量从极低（次声波）到极高（超声波）的声频率。这种类型的 SONAR 将揭示潜艇在水下的存在。

拖曳阵列 SONAR 系统

这是拖曳在潜艇或船只后面的水听器的线性阵列。它类似于可变深度 SONAR。线性阵列被拖曳在后面，以便将系统与船舶或潜艇机器产生的噪音隔离开来。

Towed Array 是 SURTAS 或 SUBTAS。SURTAS 用于水面舰艇，而 SUBTAS 用于潜艇。

图 3 拖曳阵列声呐系统 （TASS）

声纳浮标

这是飞机使用的小型独立 SONAR 系统。SONOBUOY 拾取的信息通过甚高频 （VHF） 无线电链路传回飞机。SONOBUOY 在一段时间后会自毁。它用于探测水下潜艇，并将信息提供给飞机，然后飞机将信息发送到潜艇。

图 4 声波浮标部署

SONOBUOY 的功能

以下是 SONOBUOY 的类型：

• DIFAR – 测向声学接收器;一个带有水上飞机阵列的无源系统，传输到飞机上。

• DICASS – 将脉冲传回飞机的定向命令有源系统

• VLAD – 垂直细线阵列水上飞机;通过降低潜艇的噪音，提高返回飞机的方向性。

双基地声纳

这是主动和被动声纳系统的组合，用于接收和传输反潜舰和反潜直升机共享水下目标的信息。

图 5

非声学检测

在水面附近的水下巡航的潜艇很容易被目视探测。潜望镜和天线或桅杆可以在水面上突出。桅杆会产生一种称为羽化的尾流。它还会在海面上留下一条长长的泡沫或气泡的残余疤痕。

雷达

暴露在水面之上的潜望镜桅杆可以被专门设计的雷达检测到。潜望镜通常很难被普通雷达探测到。ISAR（逆合成孔径雷达）在探测和跟踪潜艇潜望镜方面非常有效。

红外检测

推进系统发出的潜艇热量也容易受到红外线检测，并成为其热信号，尤其是在浮潜和为电池充电时。

磁性异常检测 （MAD）

它测量由于潜艇中存在大型磁性铁质材料而导致的地球磁场变化，这种物质可以在极浅的水中检测到。它可以提供有关潜艇确切位置的信息。

圆柱形换能器阵列

这是一个在垂直方向上投影的缩小梁。它安装在船体阵列上，只接收向下的声音。

图 6.圆柱形传感器阵列

FLANK ARRAY SONAR

这提供了形成扫描的高效光束，从而抑制了自身的船舶噪音、左舷和右舷光束。它在高速机动时具有更高的检测和分类性能。它具有出色的方位分辨率/鉴别力。

图 7.无源侧翼阵列声纳

建议

涉足潜艇设计的造船厂或船舶设计师可以采用本文作为有关装备柴油电动潜艇的一些基本通信和传感器的初步信息来源。

JANUS 的应用是无限的。在运营环境中，CMRE 已经成功测试了自动识别系统 AIS 数据的交付，其中包括使用 JANUS 标准化声学信息向水下资产提供船舶的识别、位置、航向和速度以及气象和海洋学 （METOC） 信息。信用：北约

北约国家已同意使用新型水下通信设备 JANUS 作为北约数字水下通信标准。这是数字水下通信协议首次在国际层面得到认可。实施 JANUS 为标准化的“水下物联网”铺平了道路，未来将有许多令人兴奋的应用。

空中和陆地通信方法在水下效果不佳。事实上，任何可用的通信协议都不能轻易地导出到海面下，以使用和增强新机器人技术的能力。为了解决这一限制，北约 STO 海事研究和实验中心 （CMRE） 开发了一种数字水下编码标准，旨在为水声通信提供称为 JANUS 的基线公分母。

JANUS 以罗马的开口和门户之神命名，现在被所有北约国家公认为北约标准，称为 STANAG，即标准化协议。该协议是一种将信息编码为足够简单的声音的方法，以便现有和新设备可以相对容易地符合标准。CMRE 正在努力支持有效的水下通信网络，使海底机器人能够协同工作并返回家园（见下面的信息图）。

在实践中，它的工作原理类似于 Lingua Franca，它可以使军用和民用、北约和非北约设备完全互操作。正如我们今天使用的 Wi-Fi 协议一样，JANUS 有可能利用水下的技术投资，使所有合规资产（及其网络）能够与强大的信号方法合作。

信用：北约

JANUS 在全球范围内采用，旨在阻止当前不同制造商和国家的调制解调器和系统之间的水下“巴别塔”。因此，JANUS 的开发过程从一开始就尽可能具有包容性，涉及学术界、工业界和政府机构。过去几年，CMRE 在北约研究船联盟 （NATO Research Vessel Alliance） 上进行了海上测试，并使用创新的 CMRE 沿海海洋观测站网络 （LOON），该网络通过创建一个监测声学网络来促进海洋机器人任务基地团队的实验，该网络将水下通信设备三脚架放在海床上，但世界各地的用户可以通过网络访问。

关于 CMRE。NATO STO CMRE（科学技术组织 - 海事研究和实验中心）位于意大利拉斯佩齐亚。该中心专注于以下领域的研究、创新和技术：保卫海上部队和设施免受恐怖主义和海盗侵害、安全网络、共同作战图景的开发、远征行动的海上组成部分、水雷对抗系统、港口和海港的非致命保护、反潜战、建模和模拟以及海洋哺乳动物风险缓解。

CMRE 运营着两艘船，一艘是北约研究船联盟，一艘长 93 米、3,180 吨的公海研究船，另一艘是沿海研究船莱昂纳多，一艘专为沿海作业而设计的小型船只。除了实验室外，该中心还配备了一支自主水下和水面车辆车队以及世界一流的航海传感器库存。

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