無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的軍事應(yīng)用

摘要：信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)信息的獲取提出了高時(shí)效性、高可靠性等亟待解決的要求。通過(guò)對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)的深入分析認(rèn)為，無(wú)線傳感器技術(shù)可以在戰(zhàn)場(chǎng)偵查與監(jiān)控、目標(biāo)定位、毀傷效果*估、核生化監(jiān)測(cè)等軍事應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)的快速布控、戰(zhàn)場(chǎng)信息的實(shí)時(shí)采集處理與傳輸，從而極大地提高指揮系統(tǒng)的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力，滿(mǎn)足信息化戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)信息獲取的需求。

引言

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless Sensor Networks，WSN)是由一組隨機(jī)分布的，集傳感器、數(shù)據(jù)處理單元和通信模塊于一體的微型傳感器，以自組織方式構(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)覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息，并傳送給信息獲取者。WSN技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式計(jì)算技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)和通信技術(shù)，在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)保等諸多方面有著巨大的應(yīng)用價(jià)值，正受到各技術(shù)和軍事強(qiáng)國(guó)越來(lái)越多的關(guān)注，被美國(guó)《技術(shù)*論》雜志*選為未來(lái)10種改變世界的新興技術(shù)的第1位。

　　由于WSN的探測(cè)節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)飛機(jī)播撒或人工布置等方法大量部署于感知對(duì)象的附近，不斷獲得感知對(duì)象的各種信息，為軍事指揮員的決策提供第一手信息資料，因此在當(dāng)代信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的形態(tài)下，具有廣闊的軍事應(yīng)用前景。

　　美國(guó)國(guó)防部及各軍事研究部門(mén)對(duì)WSN技術(shù)都給予了高度重視，在C4ISR基礎(chǔ)上提出了C4KISR計(jì)劃，強(qiáng)調(diào)基于WSN技術(shù)的戰(zhàn)場(chǎng)情報(bào)感知能力、信息綜合能力和信息利用能力。作為很有代表性的WSN軍事應(yīng)用研究項(xiàng)目，“智能灰塵(Smart DuST)”和“沙地直線(A Line in the Sanel)”也取得了令人矚目的研究成果。“智能塵埃”的設(shè)計(jì)思想是，在戰(zhàn)場(chǎng)上拋撒數(shù)千個(gè)具有計(jì)算能力和無(wú)線通信功能的低成本、低功耗超微型傳感器模塊并組成網(wǎng)絡(luò)，用于監(jiān)控?cái)橙说幕顒?dòng)情況，并將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單處理后發(fā)送回指揮部。“沙地直線”是國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的資助下開(kāi)發(fā)的一種WSN系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將探測(cè)節(jié)點(diǎn)散布到整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)，偵測(cè)戰(zhàn)區(qū)內(nèi)高金屬含量的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。歐洲，德國(guó)、芬蘭、意大利、法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)也紛紛開(kāi)展了WSN技術(shù)基礎(chǔ)理論與軍事應(yīng)用的相關(guān)研究工作。日本與韓國(guó)甚至將建設(shè)WSN系統(tǒng)提升到國(guó)家戰(zhàn)略高度。

　　我國(guó)目前的WSN技術(shù)研究已具初步規(guī)模，但對(duì)于WSN技術(shù)的軍事應(yīng)用研究尚處于起步階段。

　　1 WSN的構(gòu)成與特點(diǎn)

　　1．1 WSN的構(gòu)成

　　典型的WSN系統(tǒng)主要由信息管理節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)(Sink Nocle)、傳感器節(jié)點(diǎn)(Sensor Node)和相關(guān)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)由部署在感知對(duì)象附近大量的廉價(jià)微型傳感器模塊組成，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)。各模塊通過(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)，傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)。一個(gè)WSN系統(tǒng)通常有數(shù)量眾多的體積小、成本低的傳感器節(jié)點(diǎn)。

　　匯聚節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成了底層數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，雖然單個(gè)節(jié)點(diǎn)功能有限，采集的數(shù)據(jù)也不夠準(zhǔn)確，但是大量具有一定計(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)，其采集數(shù)據(jù)的精度和廣度得以很大提升，傳回的數(shù)據(jù)完全能夠作為用戶(hù)決策的參考。

　　匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)通信衛(wèi)星或其他其通信網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點(diǎn)。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。WSN典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　1．2 WSN的特點(diǎn)

　　WSN具有諸多其他信息探測(cè)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所不具備的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具有一定局限性。

　　1．2．1 優(yōu) 勢(shì)

　　(1)生存能力強(qiáng)

　　WSN密集分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域的大量傳感器節(jié)點(diǎn)地位平等，沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，而不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。當(dāng)某些傳感器節(jié)點(diǎn)由于環(huán)境干擾或人為破壞而不能正常工作時(shí)，隨機(jī)分布的大量傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以協(xié)調(diào)互補(bǔ)，動(dòng)態(tài)連接成新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證部分傳感器節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響到全局任務(wù)。因此，WSN在惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下有著很強(qiáng)的生存能力。

　　(2)精確性和可靠性高

　　由于WSN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)，使得傳感器節(jié)點(diǎn)能夠與探測(cè)目標(biāo)近距離地接觸，極大地消除了環(huán)境噪聲對(duì)系統(tǒng)性能的影響。通過(guò)多種傳感器的混合應(yīng)用，可以在提高探測(cè)性能指標(biāo)的同時(shí)從不同空間視角對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而多節(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，形成覆蓋面積較大的實(shí)時(shí)探測(cè)區(qū)域，從而提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確性，克服衛(wèi)星和雷達(dá)這類(lèi)獨(dú)立系統(tǒng)的技術(shù)難題。

　　WSN系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的大規(guī)模部署，使WSN通常具有較高的節(jié)點(diǎn)冗余、網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集數(shù)據(jù)冗余，為整個(gè)系統(tǒng)提供了很強(qiáng)的容錯(cuò)能力。此外，借助傳感器節(jié)點(diǎn)中個(gè)別具有移動(dòng)能力的節(jié)點(diǎn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，可以有效地消除探測(cè)區(qū)域內(nèi)的陰影和肓點(diǎn)，進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲和提高探測(cè)的準(zhǔn)確性。

　　(3)自組織能力強(qiáng)

　　WSN是一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)等網(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)。其工作的展開(kāi)不依賴(lài)于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)開(kāi)機(jī)后就可以通過(guò)自我協(xié)調(diào)、自動(dòng)布置，快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。

　　(4)可擴(kuò)展性強(qiáng)

　　WSN是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點(diǎn)隨時(shí)可能因?yàn)榉N種原因退出或加入網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，原有的WSN可以有效地容納或剔除變化的節(jié)點(diǎn)，快速形成新的網(wǎng)絡(luò)并繼續(xù)原來(lái)的丁作，無(wú)需外界幫助。