無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在軍事中的應用

引言

無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network, WSN)綜合了網(wǎng)絡技術(shù)、傳感器技術(shù)、分布式信息處 理技術(shù)和通信技術(shù)，能夠?qū)Ψ植紖^(qū)域內(nèi)的信息進行 實時監(jiān)測和采集，并傳送到后端進行分析和處理。 近年來，隨著無線通信技術(shù)和電子器件技術(shù)的快速 發(fā)展，使低成本、低功耗、多功能的無線傳感器的開 發(fā)和廣泛運用成為可能。

目前我國對無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的研究已初具 規(guī)模，但對于其在軍事領(lǐng)域的應用研究尚處于起步 階段。信息化戰(zhàn)爭要求作戰(zhàn)系統(tǒng)“看得明、反應快、 打得準”。利用無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)有利于提升我 軍的戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力，獲取對信息的制動權(quán)，從 而掌握戰(zhàn)爭的主動權(quán)，是現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭取勝的法寶。

1無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)優(yōu)勢

1. 1 無線傳感器網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)

無線傳感器網(wǎng)絡定義為^（1）：無線傳感器網(wǎng)絡是 由一組傳感器節(jié)點以自組織的方式構(gòu)成的無線網(wǎng) 絡,其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡覆蓋的地 理區(qū)域中感知對象的信息，并發(fā)布給觀察者。

典型的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點 (Sensor Node)、接收發(fā)送器(Sink),互聯(lián)網(wǎng)或通信 衛(wèi)星(Internet and Satellite)、任務管理節(jié)點(Task Manager Node)等組成^（2）。圖1所示是其結(jié)構(gòu)圖。

在無線傳感器網(wǎng)絡中，大量的傳感器節(jié)點被部署在感知區(qū)域的內(nèi)部或附近。這些節(jié)點通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、釆集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域內(nèi)的信息，并通過多跳中繼方式將收集到的數(shù)據(jù)傳送到接收發(fā)送器。傳感器節(jié)點和接收發(fā)送器構(gòu)成了底層數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)絡系統(tǒng)，通過大量具有一定計算能力、存儲能力和通信能力的節(jié)點相互協(xié)作，構(gòu)成一個具有高度抗毀性的網(wǎng)絡系統(tǒng)，采集數(shù)據(jù)的精度和廣度完 全可以滿足用戶決策需求。接收發(fā)送器通過通信衛(wèi)星或直接與Internet相連，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺蝿展芾砉?jié)點。任務管理節(jié)點通過對整個系統(tǒng)的配置和管理，實現(xiàn)對系統(tǒng)中各節(jié)點監(jiān)測任務的發(fā)布和監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與處理。

1. 2 無線傳感器網(wǎng)絡的技術(shù)優(yōu)勢

無線傳感器網(wǎng)絡具有諸多其他信息探測系統(tǒng)，和網(wǎng)絡系統(tǒng)相比，其獨特技術(shù)優(yōu)勢表現(xiàn)如下^（3）：

(1) 戰(zhàn)場適應能力強

由于無線傳感器網(wǎng)絡是一個節(jié)點對等的網(wǎng)絡， 每個節(jié)點都具有路由功能，網(wǎng)絡中不存在嚴格的中 心控制節(jié)點。無線傳感器網(wǎng)絡各個節(jié)點的工作不依 賴于任何預設(shè)的網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施，開機后節(jié)點就可以 快速自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡，具有很強的適應能力。

(2) 戰(zhàn)場生存能力強

當某些傳感器節(jié)點由于環(huán)境干擾或人為破壞而 無法正常工作時，無線傳感器網(wǎng)絡可以在無需外界 幫助的情況下有效地容納或剔除變化的節(jié)點，通過協(xié)調(diào)互補動態(tài)連接成新的網(wǎng)絡系統(tǒng)，繼續(xù)原來的工作，確保不會由于部分節(jié)點的損壞而對全局任務產(chǎn) 生不良的影響。這種自適應的可擴展性大大提高了無線傳感器網(wǎng)絡的戰(zhàn)場生存能力。

(3) 準確性高

無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)可以在監(jiān)測區(qū)域大量布設(shè)低成本的傳感器節(jié)點與監(jiān)測目標近距離的接觸，對監(jiān)測對象形成分布式、多角度、全方位的監(jiān)測能力。 這種多節(jié)點聯(lián)合和多方位信息的綜合能夠有效地提高信噪比，從而大大減少了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響，提高了監(jiān)測的準確性。此外，先線傳感器網(wǎng)絡具有較高的節(jié)點冗余、網(wǎng)絡鏈路冗余以及采集數(shù)據(jù)冗余，使得整個系統(tǒng)具備很強的容錯能力。無線傳感器網(wǎng)絡還可以根據(jù)戰(zhàn)場情況的變化，利用自適應路由算法和個別節(jié)點的移動性，對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行適時調(diào)整，有效地消除監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點， 從而進一步降低環(huán)境噪聲和提高探測的準確性。

2無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)在軍事中的應用

2. 1 戰(zhàn)場目標定位

無線傳感器網(wǎng)絡具有良好的擴展性、實時性和隱蔽性，適合對戰(zhàn)場中運動的目標進行實時定位，以便及時地為指揮控制中心提供戰(zhàn)場目標的實時位置信息。2003年美國國防高級研究計劃局主導的 Network Embed and System Technology 項目成功驗證了無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)的準確定位能力。該項目利用音頻傳感器網(wǎng)絡可以對敵軍所有參戰(zhàn)人員的三維位姿進行精確的定位,定位精度可達L 5 m,定 位延遲達2 s。2003年8月，美國陸軍在俄亥俄州開展了“沙地直線(A Line in the Sand)系統(tǒng)”項目的研究，此系統(tǒng)主要研究無線傳感器網(wǎng)絡在目標識別、 目標分類和目標跟蹤方面的實現(xiàn)。

2. 2 戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)測

在關(guān)鍵區(qū)域和可能路線通過飛機或其他手段可以布置大量的無線傳感器節(jié)點，各個節(jié)點之間建立同步時鐘，形成多條的自組網(wǎng)網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng) 絡首先可以對戰(zhàn)場中的地形、地貌、路況、氣象、水 文、敵我雙方的兵力部署、武器配備和人員調(diào)動等進 行遠程、精確、全天候和隱蔽的偵查與監(jiān)測，透明地 洞察戰(zhàn)場環(huán)境，然后對獲得的原始數(shù)據(jù)進行傳輸、篩選、挖掘和融合，向戰(zhàn)場指揮員提供一個動態(tài)、實時 更新的戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)庫，最終融合來自戰(zhàn)場的其他信息,形成己方完畢的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，為更準確地制定 戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù)和服務，提升指揮員對 戰(zhàn)場態(tài)勢的感知水平。美國海軍開展的“協(xié)同作 戰(zhàn)官旨力"(Cooperative Engagement Capability, CEC)計劃可以使指揮中心感知整個作戰(zhàn)空間的全 貌。美國陸軍開展的“無人值守地面?zhèn)鞲衅?和'‘戰(zhàn) 場環(huán)境偵查與監(jiān)視系統(tǒng)”項目的研究也已經(jīng)取得實質(zhì)性的進展。美軍的“智能微塵(Smart Dust)”可以 形成嚴密的監(jiān)視網(wǎng)絡，對敵國的軍事力量和人員、物資的流動做到了如指掌。

2.3 戰(zhàn)場效果評估

戰(zhàn)場效果評估是對火力打擊后目標毀傷情況的科學評價，是后續(xù)作戰(zhàn)行動決策的重要依據(jù)。戰(zhàn)場效果評價能力不佳會導致很高的重復打擊率，造成物力和人力資源的浪費，削弱作戰(zhàn)的有效性，因此應 該開展實時戰(zhàn)場效果評估方面的研究。但是，戰(zhàn)場 效果評估是一項極具風險而又要求很高的工作。通 常釆用的是依托于偵察衛(wèi)星、無人機等的手段，但是 這些手段均受到敵方打擊威脅、不良天氣、飛行距離 近、過頂時間短等因素的制約，無法對全天候的對毀 傷效果做出正確評估?？梢酝ㄟ^飛機、導彈或精確 制導炸彈將造價低廉、生存能力強的傳感器節(jié)點散 布于攻擊目標附近并自組網(wǎng)，收集復雜電磁環(huán)境中 的戰(zhàn)場上的相關(guān)信息進行分析，使指揮員實時地進 行有效的戰(zhàn)場目標毀傷效果評估，以便指揮員能夠掌握火力打擊任務的完成情況，適時調(diào)整火力打擊計劃和火力打擊重點，并且也可以最大限度地優(yōu)化打擊火力配置，集中優(yōu)勢火力對關(guān)鍵目標進行打擊, 從而大大提高作戰(zhàn)資源利用率。海灣戰(zhàn)爭后，美軍加大了利用無線傳感器網(wǎng)絡進行戰(zhàn)場效果評估系統(tǒng)的研究力度。