無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事中的應(yīng)用

引言

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, WSN)綜合了網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集，并傳送到后端進(jìn)行分析和處理。 近年來(lái)，隨著無(wú)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(wú)線傳感器的開 發(fā)和廣泛運(yùn)用成為可能。

目前我國(guó)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究已初具 規(guī)模，但對(duì)于其在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用研究尚處于起步 階段。信息化戰(zhàn)爭(zhēng)要求作戰(zhàn)系統(tǒng)“看得明、反應(yīng)快、 打得準(zhǔn)”。利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有利于提升我 軍的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知能力，獲取對(duì)信息的制動(dòng)權(quán)，從 而掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)，是現(xiàn)代信息戰(zhàn)爭(zhēng)取勝的法寶。

1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1. 1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

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

典型的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn) (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(wù)管理節(jié)點(diǎn)(Task Manager Node)等組成^（2）。圖1所示是其結(jié)構(gòu)圖。

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被部署在感知區(qū)域的內(nèi)部或附近。這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)無(wú)線通信方式形成一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、釆集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的信息，并通過(guò)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(diǎn)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(luò)系統(tǒng)，通過(guò)大量具有一定計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力和通信能力的節(jié)點(diǎn)相互協(xié)作，構(gòu)成一個(gè)具有高度抗毀性的網(wǎng)絡(luò)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(guò)通信衛(wèi)星或直接與Internet相連，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)饺蝿?wù)管理節(jié)點(diǎn)。任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的配置和管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)任務(wù)的發(fā)布和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的收集與處理。

1. 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有諸多其他信息探測(cè)系統(tǒng)，和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)相比，其獨(dú)特技術(shù)優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)如下^（3）：

(1) 戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)能力強(qiáng)

由于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有路由功能，網(wǎng)絡(luò)中不存在嚴(yán)格的中 心控制節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的工作不依 賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，開機(jī)后節(jié)點(diǎn)就可以 快速自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。

(2) 戰(zhàn)場(chǎng)生存能力強(qiáng)

當(dāng)某些傳感器節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境干擾或人為破壞而 無(wú)法正常工作時(shí)，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在無(wú)需外界 幫助的情況下有效地容納或剔除變化的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)協(xié)調(diào)互補(bǔ)動(dòng)態(tài)連接成新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，繼續(xù)原來(lái)的工作，確保不會(huì)由于部分節(jié)點(diǎn)的損壞而對(duì)全局任務(wù)產(chǎn) 生不良的影響。這種自適應(yīng)的可擴(kuò)展性大大提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

(3) 準(zhǔn)確性高

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以在監(jiān)測(cè)區(qū)域大量布設(shè)低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)目標(biāo)近距離的接觸，對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象形成分布式、多角度、全方位的監(jiān)測(cè)能力。 這種多節(jié)點(diǎn)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(duì)系統(tǒng)性能的影響，提高了監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。此外，先線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有較高的節(jié)點(diǎn)冗余、網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集數(shù)據(jù)冗余，使得整個(gè)系統(tǒng)具備很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)還可以根據(jù)戰(zhàn)場(chǎng)情況的變化，利用自適應(yīng)路由算法和個(gè)別節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整，有效地消除監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點(diǎn)， 從而進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲和提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。

2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在軍事中的應(yīng)用

2. 1 戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)定位

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有良好的擴(kuò)展性、實(shí)時(shí)性和隱蔽性，適合對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，以便及時(shí)地為指揮控制中心提供戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的實(shí)時(shí)位置信息。2003年美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局主導(dǎo)的 Network Embed and System Technology 項(xiàng)目成功驗(yàn)證了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的準(zhǔn)確定位能力。該項(xiàng)目利用音頻傳感器網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)敵軍所有參戰(zhàn)人員的三維位姿進(jìn)行精確的定位,定位精度可達(dá)L 5 m,定 位延遲達(dá)2 s。2003年8月，美國(guó)陸軍在俄亥俄州開展了“沙地直線(A Line in the Sand)系統(tǒng)”項(xiàng)目的研究，此系統(tǒng)主要研究無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)識(shí)別、 目標(biāo)分類和目標(biāo)跟蹤方面的實(shí)現(xiàn)。

2. 2 戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境偵察與監(jiān)測(cè)

在關(guān)鍵區(qū)域和可能路線通過(guò)飛機(jī)或其他手段可以布置大量的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間建立同步時(shí)鐘，形成多條的自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)首先可以對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)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(dòng)等進(jìn) 行遠(yuǎn)程、精確、全天候和隱蔽的偵查與監(jiān)測(cè)，透明地 洞察戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，然后對(duì)獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、篩選、挖掘和融合，向戰(zhàn)場(chǎng)指揮員提供一個(gè)動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí) 更新的戰(zhàn)場(chǎng)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，最終融合來(lái)自戰(zhàn)場(chǎng)的其他信息,形成己方完畢的戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)圖，為更準(zhǔn)確地制定 戰(zhàn)斗行動(dòng)方案提供情報(bào)依據(jù)和服務(wù)，提升指揮員對(duì) 戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的感知水平。美國(guó)海軍開展的“協(xié)同作 戰(zhàn)官旨力"(Cooperative Engagement Capability, CEC)計(jì)劃可以使指揮中心感知整個(gè)作戰(zhàn)空間的全 貌。美國(guó)陸軍開展的“無(wú)人值守地面?zhèn)鞲衅?和'‘戰(zhàn) 場(chǎng)環(huán)境偵查與監(jiān)視系統(tǒng)”項(xiàng)目的研究也已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。美軍的“智能微塵(Smart Dust)”可以 形成嚴(yán)密的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò)，對(duì)敵國(guó)的軍事力量和人員、物資的流動(dòng)做到了如指掌。

2.3 戰(zhàn)場(chǎng)效果評(píng)估

戰(zhàn)場(chǎng)效果評(píng)估是對(duì)火力打擊后目標(biāo)毀傷情況的科學(xué)評(píng)價(jià)，是后續(xù)作戰(zhàn)行動(dòng)決策的重要依據(jù)。戰(zhàn)場(chǎng)效果評(píng)價(jià)能力不佳會(huì)導(dǎo)致很高的重復(fù)打擊率，造成物力和人力資源的浪費(fèi)，削弱作戰(zhàn)的有效性，因此應(yīng) 該開展實(shí)時(shí)戰(zhàn)場(chǎng)效果評(píng)估方面的研究。但是，戰(zhàn)場(chǎng) 效果評(píng)估是一項(xiàng)極具風(fēng)險(xiǎn)而又要求很高的工作。通 常釆用的是依托于偵察衛(wèi)星、無(wú)人機(jī)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(guò)頂時(shí)間短等因素的制約，無(wú)法對(duì)全天候的對(duì)毀 傷效果做出正確評(píng)估。可以通過(guò)飛機(jī)、導(dǎo)彈或精確 制導(dǎo)炸彈將造價(jià)低廉、生存能力強(qiáng)的傳感器節(jié)點(diǎn)散 布于攻擊目標(biāo)附近并自組網(wǎng)，收集復(fù)雜電磁環(huán)境中 的戰(zhàn)場(chǎng)上的相關(guān)信息進(jìn)行分析，使指揮員實(shí)時(shí)地進(jìn) 行有效的戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)毀傷效果評(píng)估，以便指揮員能夠掌握火力打擊任務(wù)的完成情況，適時(shí)調(diào)整火力打擊計(jì)劃和火力打擊重點(diǎn)，并且也可以最大限度地優(yōu)化打擊火力配置，集中優(yōu)勢(shì)火力對(duì)關(guān)鍵目標(biāo)進(jìn)行打擊, 從而大大提高作戰(zhàn)資源利用率。海灣戰(zhàn)爭(zhēng)后，美軍加大了利用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)效果評(píng)估系統(tǒng)的研究力度。