無線傳感器網(wǎng)絡在軍事的應用

信息技術正推動著一場新的軍事變革。信息化戰(zhàn)爭要求作戰(zhàn)系統(tǒng)“看得明、反應快、打得準”，誰在信息的獲取、傳輸、處理上占據(jù)優(yōu)勢(取得制信息權)，誰就能掌握戰(zhàn)爭的主動權。無線傳感器網(wǎng)絡以其獨特的優(yōu)勢，能在多種場合滿足軍事信息獲取的實時性、準確性、全面性等需求。

無線傳感器網(wǎng)絡可以協(xié)助實現(xiàn)有效的戰(zhàn)場態(tài)勢感知，滿足作戰(zhàn)力量“知己知彼”的要求。典型設想是用飛行器將大量微傳感器結點散布在戰(zhàn)場的廣闊地域，這些結點自組成網(wǎng)，將戰(zhàn)場信息邊收集、邊傳輸、邊融合，為各參戰(zhàn)單位提供“各取所需”的情報服務。

　　根據(jù)白宮的信息技術專家介紹，計算機、通信及小型化技術進步正引導美軍進入一個新時代，在防御技術上產(chǎn)生“革命性”效果。隸屬于總統(tǒng)辦公廳的國家信息技術研究與發(fā)展綜合辦公室主任大衛(wèi)•納爾遜說，無線傳感器網(wǎng)絡技術，預示著為戰(zhàn)場上帶來新的電子眼和電子耳，“能夠在未來幾十年內(nèi)變革戰(zhàn)場環(huán)境”。

　　由于無線傳感器網(wǎng)絡具有密集型、隨機分布的特點，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，使其非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資，判斷生物化學攻擊等多方面用途。友軍兵力、裝備、彈藥調(diào)配監(jiān)視;戰(zhàn)區(qū)監(jiān)控;敵方軍力的偵察;目標追蹤;戰(zhàn)爭損傷評估;核、生物和化學攻擊的探測與偵察等。

　　鑒于無線傳感器網(wǎng)絡在軍事應用的巨大作用，引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學術界的極大關注.美國自然科學基金委員會2003年制定了傳感器網(wǎng)絡研究計劃,投資34 000 000美元,支持相關基礎理論的研究.美國國防部和各軍事部門都對傳感器網(wǎng)絡給予了高度重視,在C4ISR的基礎上提出了C4KISR計劃,強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力,把傳感器網(wǎng)絡作為一個重要研究領域,設立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡研究項目.美國英特爾公司、美國微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡方面的工作,紛紛設立或啟動相應的行動計劃.日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡表現(xiàn)出了極大的興趣,紛紛展開了該領域的研究工作.

　　無線傳感器網(wǎng)絡的典型應用模式可分為兩類，一類是傳感器結點監(jiān)測環(huán)境狀態(tài)的變化或事件的發(fā)生，將發(fā)生的事件或變化的狀態(tài)報告給管理中心;一類是由管理中心發(fā)布命令給某一區(qū)域的傳感器結點，傳感器結點執(zhí)行命令并返回相應的監(jiān)測數(shù)據(jù)。與之對應的，傳感器網(wǎng)絡中的通信模式也主要有兩種，一是傳感器將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾碇行?，稱為多到一通信模式;一是管理中心向區(qū)域內(nèi)的傳感器結點發(fā)布命令，稱為一到多通信模式。前一種通信模式的數(shù)據(jù)量大，后一種則相對較小。

 在這里收集了一些目前西方國家(主要是美國)在無線傳感器網(wǎng)絡軍事應用方面的主要研究：

　　1) 智能微塵(smart dust)

　　智 能微塵(smart dust)是一個具有電腦功能的超微型傳感器，它由微處理器、無線電收發(fā)裝置和使它們能夠組成一個無線網(wǎng)絡的軟件共同組成。將一些微塵散放在一定范圍內(nèi)，它們就能夠相互定位，收集數(shù)據(jù)并向基站傳遞信息。近幾年，由于硅片技術和生產(chǎn)工藝的突飛猛進，集成有傳感器、計算電路、雙向無線通信模塊和供電模塊的微塵器件的體積已經(jīng)縮小到了沙粒般大小，但它卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時，搜集、處理、發(fā)射信息，它能夠僅依靠微型電池工作多年。智能微塵的遠程傳感器芯片能夠跟蹤敵人的軍事行動，可以把大量智能微塵裝在宣傳品、子彈或炮彈中，在目標地點撒落下去，形成嚴密的監(jiān)視網(wǎng)絡，敵國的軍事力量和人員、物資的流動自然一清二楚。

　　2)目標定位網(wǎng)絡嵌入式系統(tǒng)技術

　　目標定位網(wǎng)絡嵌入式系 統(tǒng)技術(Network Embed System Technology)是戰(zhàn)場應用實驗是美國國防高級研究計劃局主導的一個項目，它將實現(xiàn)系統(tǒng)和信息處理融合。項目的定量目標是建立包括10 ~100萬個計算節(jié)點的可靠、實時、分布式應用網(wǎng)絡。這些節(jié)點包括連接傳感器和作動器的物理和信息系統(tǒng)部件?；A嵌入式系統(tǒng)技術節(jié)點采用現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA)模式。該項目應用了大量的微型傳感器、微電子、先進傳感器融合算法、自定位技術和信息技術方面的成果。項目的長期目標是實現(xiàn)傳感器信息的網(wǎng)絡中心分布和融合，顯著提高作戰(zhàn)態(tài)勢感知能力。2003年該項目成功驗證了能夠準確定位敵方狙擊手的傳感器網(wǎng)絡技術，它采用多個廉價音頻傳感協(xié)同定位敵方射手并標識在所有參戰(zhàn)人員的個人計算機中，三維空間的定位精度可達到1.5米，定位延遲達到2秒，甚至能顯示出敵方射手采用跪姿和站姿射擊的差異。

　　防核生化襲擊 美國Cyrano Sciences公司已將化學劑檢測和數(shù)據(jù)解釋組合到一種專有的芯片技術中，稱為Cyrano NoseChip?；谶@一技術可創(chuàng)建一個低成本的化學傳感器系統(tǒng)，捕獲和解釋數(shù)據(jù)，并提供實時告警，以應付恐怖分子使用化學武器進行的攻擊。該系統(tǒng)在前端使用一個C320手持傳感器負責收集有關化學劑的數(shù)據(jù)，該傳感建有與后方筆記本電腦的無線連接，電腦上運行著遠程監(jiān)控和服務器程序。該系統(tǒng)使用IBM公司的無線通信設備WebSphere MQ Everyplace傳輸數(shù)據(jù)，這個手持設備還可以小型化為微小結點，部署到監(jiān)測環(huán)境中去，形成自主工作的無線傳感器網(wǎng)絡。

　　3)靈巧傳感器網(wǎng)絡

　　“靈 巧傳感器網(wǎng)絡”(SSW:Smart Sensor Web)是美國陸軍提出的針對網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的需求所開發(fā)的新型傳感器網(wǎng)絡。其基本思想是在戰(zhàn)場上布設大量的傳感器以收集和中繼信息，并對相關原始數(shù)據(jù)進行過濾，然后再把那些重要的信息傳送到各數(shù)據(jù)融合中心，從而將大量的信息集成為一幅戰(zhàn)場全景圖，當參戰(zhàn)人員需要時可分發(fā)給他們，使其對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力大大提高。SSW系統(tǒng)作為一個軍事戰(zhàn)術工具可向戰(zhàn)場指揮員提供一個從大型傳感器矩陣中得來的動態(tài)更新數(shù)據(jù)庫，并及時向相關作戰(zhàn)人員提供實時或近實時的戰(zhàn)場信息，包括通過有人和無人駕駛的地面車輛、無人駕駛飛機、空中、海上及衛(wèi)星中得到的高分辨率數(shù)字地圖、三維地形特征、多重頻譜圖形等信息。系統(tǒng)軟件將采用預先制定的標準來解讀傳感器的內(nèi)容，將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等前后相關信息，以及由其他傳感器輸入的信息相互關聯(lián)，從而為交戰(zhàn)網(wǎng)絡提供諸如開火、裝甲車的行動以及爆炸等觸發(fā)傳感器的真實事件的實時信息。SSW系統(tǒng)是關于傳感器基于網(wǎng)絡平臺的集成，這種集成是通過主體交互作用來實現(xiàn)的。例如，一個被觸發(fā)的傳感器主體可能會要求在其范圍內(nèi)激活其他傳感器，達到對前后相關信息的澄清和確認，該要求信息同來自氣候或武器層的SSW中的信息相結合，就生成一幅有關作戰(zhàn)環(huán)境的全景圖。

　4)無人值守地面?zhèn)鞲衅魅?/span>

　　美國陸軍近期確立了“無人值守地面?zhèn)鞲衅魅骸表椖?其主要目標是使基層部隊指揮員具有在他們所希望部署傳感器的任何地方靈活地部署傳感器的能力.該項目是支持陸軍“更廣闊視野”的3個項目之一.  

5)戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)

　　美國陸軍最近確立了“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”項目.該系統(tǒng)是一個智能化傳感器網(wǎng)絡,可以更為詳盡、準確地探測到精確信息,如一些特殊地形地域的特種信息 (登陸作戰(zhàn)中敵方岸灘的翔實地理特征信息,叢林地帶的地面堅硬度、干濕度)等,為更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù).它通過“數(shù)字化路標”作為傳輸工具,為各作戰(zhàn)平臺與單位提供“各取所需”的情報服務,使情報偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍.該系統(tǒng)組由撒布型微傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)、機載和車載型偵察與探測設備等構成.

　　6)傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)

　　美國海軍最近也確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項目.傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)的核心是一套實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng).該系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的通信機制對從戰(zhàn)術級到戰(zhàn)略級的傳感器信息進行管理,而管理工作只需通過一臺專用的商用便攜機即可,不需要其他專用設備.該系統(tǒng)以現(xiàn)有的帶寬進行通信,并可協(xié)調(diào)來自地面和空中監(jiān)視傳感器以及太空監(jiān)視設備的信息.該系統(tǒng)可以部署到各級指揮單位.

　　7)防生化網(wǎng)絡

　　2002年5 月,美國Sandia國家實驗室與美國能源部合作,共同研究能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊,并及時采取防范對策的系統(tǒng).該研究屬于美國能源部恐怖對策項目的重要一環(huán).該系統(tǒng)融檢測有毒氣體的化學傳感器和網(wǎng)絡技術于一體.安裝在車站的傳感器一旦檢測到某種有害物質(zhì),就會自動向管理中心通報,自動進行引導旅客避難的廣播,并封鎖有關入口等.該系統(tǒng)除了能夠在專用管理中心進行監(jiān)視之外,還可以通過WWW進行遠程監(jiān)視.

　　8)網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC

　　美 國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC(cooperative engagement capability)是一項革命性的技術.CEC是一個無線網(wǎng)絡,其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達數(shù)據(jù).該系統(tǒng)適用于艦船或飛機戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進行感知數(shù)據(jù)的處理.每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達,還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載CEC的戰(zhàn)機來獲取感知數(shù)據(jù).例如,一艘戰(zhàn)船除了從自己的雷達獲取數(shù)據(jù)以外,還從艦船戰(zhàn)斗群的20個以上的雷達中獲取數(shù)據(jù),也可以從鳥瞰戰(zhàn)場的戰(zhàn)機上獲取數(shù)據(jù).空中的傳感器負責偵察更大范圍的低空目標,這些傳感器也是網(wǎng)絡中重要的一部分.利用這些數(shù)據(jù)合成圖片具有很高的精度.由于CEC可以從多方面探測目標,極大地提高了測量精度.利用CEC數(shù)據(jù)可以準確地擊中目標.CEC還可以快速而準確地跟蹤混亂戰(zhàn)爭環(huán)境中的敵機和導彈,使戰(zhàn)船可以擊中多個地平線或地平線以上近海面飛行的超聲波目標.因此,即使是今天最先進的反艦巡航導彈也會被實時地監(jiān)測到并被擊中.。

　　9)沙地直線(A Line in the Sand)

　　2003年8月，俄亥俄州開發(fā)“沙地直線”(A Line in the Sand)，這是一種無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。在國防高級研究計劃局的資助下，這個系統(tǒng)能夠散射電子絆網(wǎng)到任何地方，也就是到整個戰(zhàn)場，以偵測運動著的高金屬含量目標。這種能力意味著一個特殊的軍事用途，例如偵察和定位敵軍坦克和其他車輛。這項技術有著廣泛的應用可能，正如所提及的這些現(xiàn)象，它不僅可以感覺到運動的或靜止的金屬，而且可以感覺到聲音、光線、溫度、化學物品，以及動植物的生理特征。

　　10)C4ISRT系統(tǒng)

　　無線傳感器網(wǎng)絡的研究直接推動了以網(wǎng)絡技術為核心的新軍事革命，誕生了網(wǎng)絡中心戰(zhàn)的思想和體系。傳感器網(wǎng)絡將會成為C4ISRT(command，control communication,computing，intelligence，surveillance，reconnaissance and targeting)系統(tǒng)不可或缺的一部分.C4ISRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術，為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng)，受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視.因為傳感器網(wǎng)絡是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的，自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導致整個系統(tǒng)的崩潰，這一點是傳統(tǒng)的傳感器技術所無法比擬的，也正是這一點，使傳感器網(wǎng)絡非常適合應用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資，監(jiān)視沖突區(qū)，偵察敵方地形和布防，定位攻擊目標，評估損失，偵察和探測核、生物和化學攻擊.在戰(zhàn)場，指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況，鋪設的傳感器將采集相應的信息，并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)送至指揮所，再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部，最后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖.在戰(zhàn)爭中，對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關重要當然，也可以直接將傳感器節(jié)點撒向敵方陣地，在敵方還未來得及反應時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息.傳感器網(wǎng)絡也可以為火控和制導系統(tǒng)提供準確的目標定位信息.在生物和化學戰(zhàn)中，利用傳感器網(wǎng)絡及時、準確地探測爆炸中心將會為我軍提供寶貴的反應時間，從而最大可能地減小傷亡.傳感器網(wǎng)絡也可避免核反應部隊直接暴露在核輻射的環(huán)境中.在軍事應用中，與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比，傳感器網(wǎng)絡的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面：

　　(1)分布節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比，這一直是衛(wèi)星和雷達這類獨立系統(tǒng)難以克服的技術問題之一.

　　(2)傳感器網(wǎng)絡低成本、高冗余的設計原則為整個系統(tǒng)提供了較強的容錯能力.

　　(3)傳感器節(jié)點與探測目標的近距離接觸大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響.

　　(4)節(jié)點中多種傳感器的混合應用有利于提高探測的性能指標.

(5)多節(jié)點聯(lián)合，形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域.

　　(6)借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡拓撲結構的調(diào)整能力，可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點.

11)先進布放式系統(tǒng)、瀕海機載超光譜傳感器和遠程微光成像系統(tǒng)

　　美海軍已經(jīng)選定多種水下系統(tǒng)和無人操作系統(tǒng)，這些系統(tǒng)將于明年進行試驗，以促進服役裝備的現(xiàn)代化計劃。海軍還選定了要開展的若干技術研究項目，分別應用于反潛戰(zhàn)中的高優(yōu)先領域、水下通信及無人潛航器。

　　對于反潛戰(zhàn)，美國海軍將對三種系統(tǒng)進行試驗，使目前服役的裝備形成一個水下傳感器網(wǎng)絡，能夠快速有效的偵察敵方潛艇。它們是‘先進布放式系統(tǒng)‘(ADS)、 ‘瀕海機載超光譜傳感器‘(LASH)和‘遠程微光成像系統(tǒng)‘。ADS是一種被動水下聲學傳感器網(wǎng)絡。它可以提供實時信息，在瀕海區(qū)域監(jiān)視敵方潛艇和水面艦艇。該系統(tǒng)正由洛克希德•馬丁公司研制，美海軍計劃把它部署在未來的瀕海作戰(zhàn)艦上。

　　LASH系統(tǒng)利用非聲超光譜傳感器提供近實時的目標探測、分類和識別，用于反潛戰(zhàn)、搜索和營救，及區(qū)域繪圖。而非聲RULLI系統(tǒng)采用光子密度測量法來探測微光條件下和黑暗中的物體。在改善水下通信的速度和深度方面，將從以下四個項目對技術進行測試：‘海洋網(wǎng)絡/子數(shù)據(jù)鏈2004‘ (SeaWeb/Sublink2004)、‘戰(zhàn)術控制網(wǎng)絡水聲信息鏈‘(TCN Hail)、‘一次性系索浮標‘和‘先進聲通信系統(tǒng)‘。

對現(xiàn)役裝備來說，‘海洋網(wǎng)‘是一種可自由部署的水下網(wǎng)絡系統(tǒng)。它可以提供水下指揮、控制、通信和導航，采用‘遠程聲吶調(diào)制解調(diào)器‘，能夠利用固定或移動的水下節(jié)點通過聲傳播來實現(xiàn)通信。

　　通信的速度和深度對于潛艇的發(fā)展來說至關重要，特別是改善了潛艇只能在海洋表面或潛望鏡深度以內(nèi)才可以通過衛(wèi)星的無線電頻率通信的問題。

　　同樣，TCN Hail也是利用聲學技術，而利用無線電通信頻率的‘一次性系索浮標‘正在被發(fā)展成為供低成本的系索浮標系統(tǒng)，可為潛航的潛艇提供實時通信。

　　12)NASA/JPL(噴氣推進實驗室)傳感器網(wǎng)

　　計劃始于1997年， NASA對傳感器網(wǎng)的興趣源自他們本希望在行星上部署這樣一個網(wǎng)絡，而不是地球。NASA(美國航空航天局)噴氣推進實驗室的八位工程師組成的團隊正致力于新一代無線傳感器網(wǎng)絡的開發(fā)。用這樣一個網(wǎng)絡來幫助控制環(huán)境和工業(yè)過程的潛力非常大。根據(jù)NASA/JPL，傳感器網(wǎng)的設計可以把對許多環(huán)境的監(jiān)控和控制擴展到許多領域，包括農(nóng)業(yè)和生態(tài)學，安全和國土防御，也包括太空探索。目前為止傳感器網(wǎng)只是以監(jiān)控角色進行部署，不過其技術的核心概念已被證明可靠。現(xiàn)在科研小組正在進行實驗，將傳感器網(wǎng)絡的功能從單純監(jiān)控擴展到對周圍環(huán)境做出反應并進行控制。

結論：無線傳感器網(wǎng)絡源于軍事應用，在軍事應用中也最成熟。以上是對美國到目前為止在無線傳感器網(wǎng)絡的軍事應用進行的初步總節(jié)，相信在不遠的未來無線傳感器網(wǎng)絡在軍事中的應用將更加廣泛和更加重要。同樣，TCN Hail也是利用聲學技術，而利用無線電通信頻率的‘一次性系索浮標‘正在被發(fā)展成為供低成本的系索浮標系統(tǒng)，可為潛航的潛艇提供實時通信。