【無線電史話】冷戰(zhàn)時期利用長波段LF和VLF信號，通過地面和電離層波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸

奧斯卡-零導(dǎo)彈警報設(shè)施 分鐘人洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射控制中心（維基共享資源）

冷戰(zhàn)時期可生存低頻通信系統(tǒng)（SLFCS）

衷心感謝SWLing Post供稿人Dennis Dura分享以下關(guān)于冷戰(zhàn)時期低頻通信的文章，原文來自Hackaday：

冷戰(zhàn)期間，美國研發(fā)了可生存低頻通信系統(tǒng)（SLFCS）——該無線電網(wǎng)絡(luò)專為核打擊后仍能運(yùn)作而設(shè)計。該系統(tǒng)利用長波段的LF和VLF信號，通過地面和電離層波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離傳輸，在所有通信手段失效時仍能傳遞緊急發(fā)射指令。系統(tǒng)中巨大的塔樓和埋入地下的環(huán)形天線，映射出那個時代對可靠性的極致追求——即便在核爆環(huán)境下亦是如此。

無線電末日：可生存的低頻通信系統(tǒng)

作者：丹·馬洛尼

在全球核邊緣政策博弈中，機(jī)密就是通行貨幣。冷戰(zhàn)時期尤為如此，雙方派遣間諜大軍探查敵方動向、實(shí)力底細(xì)，以及戰(zhàn)時部署方案。盡管耗費(fèi)大量人力物力且令人不齒，但至少成功遏制了末日浩劫。

然而機(jī)密有時會適得其反，尤其當(dāng)威懾成為目標(biāo)時。相互確保摧毀（MAD）理論的核心在于：任何核先發(fā)制人的企圖都將招致即刻報復(fù)。這意味著雙方必須確信對方的殺傷力——不僅體現(xiàn)在彈頭與運(yùn)載平臺上，更在于控制與指揮系統(tǒng)的可靠性。發(fā)射命令傳輸系統(tǒng)中任何微小漏洞，都可能決定是走向核毀滅還是至少維持表面和平。

冷戰(zhàn)高峰期，恰如其名的“可生存低頻通信系統(tǒng)”成為美國核威懾體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。與GWEN、HFGCS和ERCS系統(tǒng)并列，SLFCS構(gòu)成了確保核彈必將投下的無線電系統(tǒng)體系——這些代號如同字母湯般復(fù)雜。

跳過跳頻

為科學(xué)而轟炸大氣層。海星計劃試驗證明，剝奪敵方電離層通信能力何其容易。來源：美國空軍第1352攝影中隊，公有領(lǐng)域。

業(yè)余無線電愛好者常言：“萬般手段失效時，業(yè)余無線電永不落空。”此言不虛，但存在重大局限——業(yè)余無線電依賴電離層反射高頻信號實(shí)現(xiàn)全球通信。若失去這層帶電粒子層，信號將直沖太空而非環(huán)繞地球傳播。

總體而言，電離層是業(yè)余無線電長距離通信網(wǎng)絡(luò)的可靠伙伴，其可靠性甚至促使冷戰(zhàn)時期的軍事規(guī)劃者將高頻鏈路納入核通信系統(tǒng)。但自1958年“阿格斯行動”和“哈特克行動”核試驗以來，美國便已知曉高空核爆對電離層的影響。1962年“海星計劃”的進(jìn)一步實(shí)驗揭示：電離層對直接攻擊極為脆弱，高頻通信網(wǎng)絡(luò)極易被破壞。

在最終催生SLFCS系統(tǒng)的初期設(shè)計會議上，美國空軍指揮官們始終將電離層的脆弱性銘記于心。他們構(gòu)想的系統(tǒng)基于電磁頻譜中低頻段（低頻LF與甚低頻VLF）的傳播特性。高頻段波長通常以米為單位，而低頻與甚低頻波長則更適宜以公里計，范圍介于1至100公里之間。

在這些波長下，無線電的傳播特性與高頻段截然不同。對于LF信號（30至300千赫），主要傳播方式是地面波——信號在地球表面感應(yīng)電流，這些電流緊貼地表傳播，隨地表曲率彎曲并實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。對于VLF信號（3至30千赫），地球-電離層波導(dǎo)傳播占據(jù)主導(dǎo)地位。由于其波長極大（與電離層最低層D層的典型高度相當(dāng)），這些波將地面與電離層之間的空間視為波導(dǎo)，形成低損耗路徑，高效地引導(dǎo)信號環(huán)繞地球傳播。

對SLFCS生存能力至關(guān)重要的是，這兩種傳播模式均能有效抵御核爆引發(fā)的電離層效應(yīng)。即使看似依賴完整電離層形成波導(dǎo)“穹頂”的VLF信號亦是如此——因核爆造成的擾動遠(yuǎn)小于其波長，電離層變化對其傳播幾乎不可察覺。

大棒

盡管低頻（LF）和甚低頻（VLF）傳播模式對設(shè)計用于核戰(zhàn)爭后生存的通信系統(tǒng)有利，但這些長波長也帶來了一些挑戰(zhàn)。首要挑戰(zhàn)在于實(shí)現(xiàn)這些波長所需天線的物理尺寸。通常天線尺寸與波長成正比，這使得LF和VLF天線體積龐大——至少在發(fā)射端如此。SLFCS系統(tǒng)采用兩處發(fā)射站點(diǎn)：一處位于內(nèi)布拉斯加州銀溪，另一處坐落于加利福尼亞州莫哈韋沙漠腹地的霍斯鎮(zhèn)。由于地面波傳播需要垂直極化信號，每個站點(diǎn)都架設(shè)了1226英尺（373米）高的拉線式桅桿輻射天線。

盡管桅桿和拉線系統(tǒng)已盡可能加固，但此類結(jié)構(gòu)抵御核爆的能力終究有限。盡管如此，這些設(shè)施仍被評定為能在半徑10英里（16公里）范圍內(nèi)承受“中等強(qiáng)度”核爆。這似乎與系統(tǒng)“可生存性”的目標(biāo)相悖——畢竟早在1960年代末SLFCS投入使用時，蘇聯(lián)洲際彈道導(dǎo)彈的精度已完全在該安全范圍內(nèi)。但矛盾之處在于：SLFCS本就僅作為向洲際彈道導(dǎo)彈發(fā)射基地傳遞發(fā)射指令的備用手段，旨在初始核打擊摧毀其他更重要目標(biāo)（如導(dǎo)彈發(fā)射井本身）并使電離層嚴(yán)重受損后，發(fā)動反擊。

低頻/甚低頻通信的另一挑戰(zhàn)在于其固有的低數(shù)據(jù)傳輸速率。LF和VLF信號的可用帶寬僅為千赫茲級甚至低至赫茲級，意味著其數(shù)據(jù)編碼速率僅能達(dá)到每秒數(shù)十比特。如此低的速率只能支持最基礎(chǔ)的調(diào)制方式，如頻移鍵控（FSK）及其頻譜效率更高的變體——最小移鍵調(diào)制（MSK）。SLFCS發(fā)射機(jī)還支持傳統(tǒng)連續(xù)波（CW）調(diào)制，使操作員能在緊急情況下快速發(fā)送摩爾斯電碼。當(dāng)所有手段失效時，這確實(shí)是最后的手段。

無論采用何種調(diào)制方式，SLFCS的設(shè)計理念都是在極端惡劣條件下以犧牲通信速度和信息密度為代價，換取絕對可靠性。為此，SLFCS僅用于傳輸緊急行動指令（EAM）——這些簡短的字母數(shù)字串為地下發(fā)射設(shè)施中的導(dǎo)彈指揮官編碼了具體操作指令。

地下環(huán)路

在羅納德·里根民兵導(dǎo)彈州立歷史遺址的奧斯卡-零發(fā)射控制中心，SLFCS接收設(shè)備散發(fā)著《輻射》游戲般的末日氛圍。

SLFCS系統(tǒng)中，發(fā)射端看似矛盾地脆弱，接收端卻堅不可摧。這些散布于中西部上部的導(dǎo)彈警戒設(shè)施（MAFs）由十座地下發(fā)射井組成，每座井內(nèi)僅部署一枚民兵III型洲際彈道導(dǎo)彈，并配有一座地下發(fā)射控制中心（LCC）。地面上的LCC配備著覆蓋幾乎整個射頻頻譜的天線陣列，地下還埋藏著幾處驚喜——例如酷炫的高頻天線控制系統(tǒng)（HFGCS）天線井，能在LCC遭遇核打擊后，通過爆炸裝置從地下彈出六根單極天線中的任意一根接收緊急行動指令。

LCC地下還隱藏著另一處無線電驚喜：埋藏的SLFCS天線。這種埋設(shè)天線利用地面波傳播中感應(yīng)的地球電流，盡管低頻天線通常體積龐大，但實(shí)際結(jié)構(gòu)相當(dāng)緊湊。天線采用磁環(huán)設(shè)計，數(shù)英里長的導(dǎo)線纏繞在直徑約1.5米的圓形半剛性框架上。每座天線由兩個正交安裝的環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，整體呈現(xiàn)類球體外觀。每圈天線均涂覆樹脂以增強(qiáng)防水性并強(qiáng)化其柔軟結(jié)構(gòu)，隨后埋入LCC圍欄內(nèi)的坑道中。由于SLFCS系統(tǒng)于1980年代中期退役時多數(shù)天線原地廢棄，如今地面上僅存寥寥數(shù)例。不過近期有一座天線被發(fā)掘出來，現(xiàn)陳列于亞利桑那州的泰坦導(dǎo)彈博物館。

時代印記

與許多冷戰(zhàn)項目相似，SLFCS的最初規(guī)劃從未完全實(shí)現(xiàn)。最初計劃部署約20個收發(fā)站，配備拖曳長達(dá)一英里以上天線的飛機(jī)，并在美國及盟國境內(nèi)設(shè)立300余個純接收站點(diǎn)。但待計劃完成采購流程時，技術(shù)已取得足夠進(jìn)步，軍事規(guī)劃者確信現(xiàn)有通信模式組合足以勝任任務(wù)。最終僅內(nèi)布拉斯加州與加利福尼亞州的收發(fā)站點(diǎn)投入使用，而空中發(fā)射器的構(gòu)想也因拖曳線過長導(dǎo)致空氣阻力過大而擱置。盡管如此，SLFCS的塔樓與埋地環(huán)形天線持續(xù)服役至1980年代中期，而將低頻與甚低頻作為戰(zhàn)略通信可靠后備的理念，至今仍通過空軍的“最低限度應(yīng)急通信網(wǎng)絡(luò)”延續(xù)著生命力。

source: hackaday.com