光纤技术在美国海军舰船的应用

二、光纤技术在美国海军舰船的应用

由于现代化的舰艇装备有大量的通信、雷达、导航、传感器系统和武器指挥系统等电子设备，加上其它电气设备，因此造成了严重的电磁干扰、射频干扰等问题，为此， 80 年代初美国海军实施了开发大型新舰船用光纤区域网作为计算机数据总线的计划-AEGI S（宇斯盾）计划。1986 年初，美国海军海洋系统司令部又在此基础上成立了SAFENET （能抗毁的自适应光纤嵌入网）委员会。并于1987 年成立工作组指导制定了SAFENET－I 和SAFENE 一五两套标准。分别于1991 年1 月和1992 年1 月完成。前者是一种军用加强型IE EE802.5 令牌环网，传输速率16Mb／S，后者是基于ANSI 3XT9.5 FDDI（光纤分布数据接口）令牌杯网，传输速率100Mb／s。这些系统已安装在CG－47 Aegis 导弹巡洋舰、DDG 51 级导弹驱逐舰、乔治·华盛顿号航空母舰等舰艇上。 美国海上系统司令部和国防高级研究计划局还联合制定了利用同步光网（Sonet）、宽带综合业务网（B－ISDN）和异步传输模式（ATM）标准，开发高速光网（HSON）原型的计划，由海军研究实验室（NRL）负责开发和评价，从1991 年年中开始为期三年。该网利用单模光纤，传输速率从155Mb／S（OC－3）到2.4Gb／S（OC－48）。

1992 年实现了1.7Gb／S 的第一阶段目标。美国小石城号航母上的雷达数据总线传输容量就达到了1Gb／S，并使原来重量达90 吨的同轴电缆被半吨重的单模光缆所代替。 高级水下作战系统（SUBACS-Submarine Advanced Combat System），SUBACS 是美国海军最大的舰载水下光纤通信计划项目，该项目计划在所有的洛杉肌688 级攻击型核潜艇和新型“三叉戟”弹道导弹潜艇中装备光纤数据总线，将传感器与火控系统接入分布式计算机网，从而大大提高潜艇的数据处理能力，这就是所谓的AN／BSY－1。据报道，整个计划头两年的研制开发经费为6.38 亿美元，生产合同预计至少20 亿美元。以后又在1989 年以后生产的“海狼”SSN－21 级攻击型潜艇中采用通用电气公司海战部开发的AN／BSY－2 综合光纤作战控制声学系统。 1997 年11 月，美国在核动力航空母舰“杜鲁门号”（CYN75）上采用气送光纤技术完成了光纤敷设。后来又成功地在“企业号”（CVN 65）上进行了敷设。还计划在“ 里根号”（CVN 76）、“尼米兹号”（CVN68）及“USSWasp”号（LHD－1）上用气送光纤技术敷设光

纤系统。其中“杜鲁门号”上所用光纤达67.58km。

2、1 美国海军舰船用光缆概述

舰船用光缆是军用光缆的一大分支，它又是结构最复杂、要求最高的一种光缆。它必须满足MIL－C－00850450(海军)的要求，即具备低毒性、低卤或无卤、低发烟、低酸气、阻燃、极端的工作和贮存温度、严格的机械要求、很高的水压、耐高温有害流体以及一些其它要求。美国SIECOR 公司和AT＆T 贝尔实验室已分别研制成满足上述军用规范要求的舰用无卤阻燃系列，形成单芯、二芯、四芯、八芯等不同的规格。并可采用大芯径大数值孔径光纤及单模光纤，以满足不同需求。

根据MIL－F4929/A(1989)的规定，美军舰船用光缆中的单模光纤为8.5～10μm/125μm光纤，多模光纤为62.5μm/125μm 光纤。6.25μm/125μm 多模军用光纤能抗辐射，并具备损耗低、高带宽、微弯和宏弯性能好、光源—光纤耦合效率高与陆上系统兼容性好等优点。

美军舰船用光缆结构中的光纤设备开始采用外径为0.94mm 的紧包二次被覆光纤，8 根这样的光缆纤维围绕中心填充件绞合成缆芯。随舰船局域网的发展，分支增多，光缆也要分支。所以后来的光纤单元，多按规范MIL－C－85045/13(SH)和MIL－C－85045/14(SH)(1988)规定，采用OFCC(Optical Fiber Cable Component)结构。

舰船用光缆中的加强件通常用聚芳族酰胺纤维纱(Kevlar)或纤维增强塑料棒。这些材料强度大、重量轻、柔性好、热膨胀系数小，能满足舰船光缆的强度要求和环境要求。

美国通常采用阻燃聚烯烃聚合物(如阻燃聚乙烯)或阻燃弹性体聚合物作为舰船光缆的护套材料。它们既能满足阻燃、无卤、低烟的要求，又能在护套的加工成形过程中不影响光纤的性能。据报道，最近已研制出舰船用热固性的光缆护套材料。它具备工作温度范围更大，耐高温油的性能更好的特点。

2、2 舰用光纤的优点

(1)能消除电缆杂乱拥挤，节省空间。对于大型舰艇，可减少重量几万公斤。

(2)传送信息能力强。可将舰船的系统和分系统即控制、传感器、报警、武器、监视、视频、电信、管理等综合到舰上单一的抗毁性网络中。光缆的空间和重量减少，更有利于设计者解决冗余系统设计问题，从而增加舰船的作战能力和顽存性。

(3)可扩展容量，保证这种光纤网络能适应未来技术的发展和容量的增长需要。

(4)光纤能抗舰艇上许多雷达与通信系统所产生的电磁干扰和射频干扰，因而可实现抗电磁干扰、射频干扰和电磁脉冲且不要求护套接地的一种缆线路。

(5)可抗恶劣天气的影响，无串音可达100dBm，因而可敷设安全可靠的一种缆线路。

(6)光纤在恶劣和敌对环境中是可靠的，能抗腐蚀。光纤不受接地环路的影响和雷电冲击的影响。还能抗核爆炸引起的电磁脉冲。能抗敌人的干扰，满足TEMPEST 安全规范。

(7)安全电绝缘，无电火花/无易燃性。

(8)低衰减、与带宽无关等。

2.3 美国海军光纤局域网的发展情况

局域网产生于七十年代末，典型的产品是以太网。由Xerox 公司首先开发。随后GM 和IBM 公司先后开发了令牌总线和令牌环网。由于光纤技术的发展，相继开发出基于光纤的对应的局域网和FDDI 等高速局域网。国际标准化组织(ISO)开发了开放系统互连参考模型(OSI)。IEEE802 标准委员会的几个分委员会在80 年代先后制定了各种局域网标准。

局域网已经在海军舰船C3I 系统中得到了广泛的应用。如英国的ADAWS2000 系统，瑞典的9LV200Mark3／9SCSMark3 系统以及巴西的SICONTA 系统都使用了低速局域以太网。

70 年代初期， 美国海军开发了使用同轴电缆的舰载数据多路复用系统

(SDMS)——AN/USQ82(V)数据总线系统。1977 年开发了采用光纤的舰用数据多路复用系统(ES－SDMS)。已装备澳大利亚皇家海军Collins 级潜艇的综合作战系统(ISCS)。

80 年代初，美国海军实施开发大型新舰船(CG47)用的光纤系统作为计算机数据总线的计划，宙斯盾计划。按该计划开发了PMS－4000 舰用光缆结构(后来形成了MIL－85045/6舰用光缆标准),分线盒连接器、接头、应急修理程序、远程电动机控制系统、扭矩计系统、一系列的传感器和光开关。1986 年几个光纤网和系统装在USSMobileBay(CG53)舰上。1994装备新造的DDG51 舰。

1986 年初，美国海军海洋系统中心在宙斯盾光纤局域网取得经验的基础上，成立了SAFENET(能抗毁和自适应的光纤嵌入网)委员会。该委员会在1987 年成立工作组，指导制定SAFENETⅠ和SAFENETⅡ网两套标准的工作。第一个SAFENET－Ⅱ光纤局域网已计划安装在美国乔治·华盛顿(CVN7S)航空母舰上。

为了提供适应于分布式光纤网的标准，海军海洋系统中心规定了几条基本原则：(1)局域网必须以开放系统体系结构为基础；(2)任何选定的SAFENET 标准必须以工业标准为基础；(3)网络必须具有健全的重构方案，并且经过几级失效仍能生存下来等。

SAFENET网的体系结构基于ISO/OSI 参考模型，把数据通信功能分成七层。SAFENET－Ⅰ和Ⅱ标准分别以IEEE802.5 令牌环标准和ANSI3XT9.5FDDI 标准为基础。

SAFENET－Ⅰ网是一种军用加固型的IEEE802.5 令牌环网，传输率规定为16Mb/s。为增加抗毁能力和重构要求，网的基本配置采用双接站接到两个独立的反转环上。

SAFENET－Ⅱ网基于ANSI/X3T9.5FDDI 标准，采用令牌传递双反转环体系结构，传输数据率为100Mb/s。

SAFENET网用的光缆采用62.51/125μm 耐辐射光纤。光缆满足MIL－C－85045(海军)标准要求。接口连接器采用MIL－C－28876(海军)标准的重负载两芯光纤连接器。

2.4 美国海军光纤网发展计划

美国海军已配置了一支综合技术力量，确保光纤技术的实现，并制定订了把光纤技术应用于海军舰船、潜艇、飞机和岸基设施的规划。美国海军部的主要光纤开发集中在海军海上系统司令部。1985 年海军海上系统司令部建立了光纤计划办公室，接受委托制定光纤元件标准的规范。已制定了16 个规范并采用了60 多个商用试验程序。海军光纤网络开发计划主要是综合内部通信和控制(IC)2 系统、光纤数据复用系统－1/2(FODMS－1/2)、光纤综合话音通信系统、高速光网(HSON)和商用网络研究。

(1)FODMS－1 是对NA/USQ－82(V)舰用数据总线系统的升级。用四环SAFENET－Ⅱ(双SAFENET－Ⅱ)光纤数据网替代现行的电缆网。

(2)FODMS－2 完全基于工业的和海军的开放系统体系结构，包括Futurebus＋底板和电路插件板的格式，并完全遵照SAFENET－Ⅱ规范和协议。能改善计算机图形信号和其它实际作战系统信号，并能为用户选择与网连接的电或光接口。

(3)高速光网(HSON)要求能提供多媒体(话音、静止图像、视频和数据)业务。支持现有的网络协议(即SAFENET－Ⅱ)，满足保密性、延迟性等要求。美国海军海上系统司令部和国防部高级研究计划局联合制定了开发利用同步光网、宽带综合业务数字网和异步传输模式(ATM)标准的高速光网原型的计划，该计划在1991 年中期开始，为期三年，由海军研究实验室开发和评价。该网采用单模光纤，传输率从155Mb/s 到Gb/s。1992 年1.7Gb/s 的高速光纤局域网第一阶段目标已得到实现。

(4)商用局域网的研究计划：美国海军的舰队信息系统管理委员会认可了对商用局域网研究的需要，授权海军海上系统司令部研究。预计在五年内，商用局域网将为战术支持及其它选定的战术领域的舰队要求服务。

(5)综合内部和控制(IC)2 系统，其近中期研究工作主要根据系统各网络间必不可少的互联性，把正在开发的几个网综合成全舰一个(IC)2 系统。中期工作集中在利用工业的线路交换和海军的SAFENET－Ⅱ网标准，使ISDN 网性能成熟。远期的体系结构将采用支持全舰话音、数据和视频通信要求的宽带综合业务数字网的综合光纤网。主要计划的要求包括连接性和协同操作性、网络管理、合适的标准接口硬件和软件性能以及网络信息负载和延迟。并由海军水面武器系统中心证明了下述概念的可行性。

• 作战系统、导航系统、海军陆战队战术行动和内部通信网等网络的连接性；

• 三种数据传输体系结构的连接性；

• 用于多用途工作站的虚拟功能。