无线传感器网络技术的军事应用

摘要：信息化战争对战场信息的获取提出了高时效性、高可靠性等亟待解决的要求。通过对无线传感器网络的结构和特点的深入分析认为，无线传感器技术可以在战场侦查与监控、目标定位、毁伤效果评估、核生化监测等军事应用领域发挥巨大的作用，实现战场的快速布控、战场信息的实时采集处理与传输，从而极大地提高指挥系统的战场感知能力，满足信息化战争对信息获取的需求。
关键词：无线传感器网络；军事应用；信息化战争

引言
    无线传感器网络(wireless Sensor Networks，WSN)是由一组随机分布的，集传感器、数据处理单元和通信模块于一体的微型传感器，以自组织方式构成的无线网络。其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并传送给信息获取者。WSN技术综合了传感器技术、嵌入式计算技术、网络技术、分布式信息处理技术和通信技术，在军事、工业、医疗、交通、环保等诸多方面有着巨大的应用价值，正受到各技术和军事强国越来越多的关注，被美国《技术评论》杂志评选为未来10种改变世界的新兴技术的第1位。
    由于WSN的探测节点可以通过飞机播撒或人工布置等方法大量部署于感知对象的附近，不断获得感知对象的各种信息，为军事指挥员的决策提供第一手信息资料，因此在当代信息化战争的形态下，具有广阔的军事应用前景。
    美国国防部及各军事研究部门对WSN技术都给予了高度重视，在C4ISR基础上提出了C4KISR计划，强调基于WSN技术的战场情报感知能力、信息综合能力和信息利用能力。作为很有代表性的WSN军事应用研究项目，“智能灰尘(Smart Dust)”和“沙地直线(A Line in the Sanel)”也取得了令人瞩目的研究成果。“智能尘埃”的设计思想是，在战场上抛撒数千个具有计算能力和无线通信功能的低成本、低功耗超微型传感器模块并组成网络，用于监控敌人的活动情况，并将采集到的原始数据进行简单处理后发送回指挥部。“沙地直线”是国防高级研究计划局的资助下开发的一种WSN系统。该系统可将探测节点散布到整个战场，侦测战区内高金属含量的运动目标。欧洲，德国、芬兰、意大利、法国、英国等国家的研究机构也纷纷开展了WSN技术基础理论与军事应用的相关研究工作。日本与韩国甚至将建设WSN系统提升到国家战略高度。
    我国目前的WSN技术研究已具初步规模，但对于WSN技术的军事应用研究尚处于起步阶段。

1 WSN的构成与特点
1．1 WSN的构成
    典型的WSN系统主要由信息管理节点、汇聚节点(Sink Nocle)、传感器节点(Sensor Node)和相关网络构成。
    传感器节点由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送到汇聚节点。各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点。一个WSN系统通常有数量众多的体积小、成本低的传感器节点。
    汇聚节点和传感器节点构成了底层数据采集和传输的网络系统，虽然单个节点功能有限，采集的数据也不够准确，但是大量具有一定计算能力、存储能力和通信能力的节点相互协作，构成一个具有高度抗毁性的网络系统，其采集数据的精度和广度得以很大提升，传回的数据完全能够作为用户决策的参考。
    汇聚节点通过通信卫星或其他其通信网络，将监测数据传输到管理节点。管理节点通过对整个系统的配置和管理，实现对系统中各节点监测任务的发布和监测数据的收集与处理。WSN典型结构如图1所示。

1．2 WSN的特点
    WSN具有诸多其他信息探测系统和网络系统所不具备的独特优势，同时也具有一定局限性。
1．2．1 优 势
    (1)生存能力强
    WSN密集分布在监测区域的大量传感器节点地位平等，没有严格的控制中心。每个传感器节点可以随时加入或离开网络，而不会影响整个网络的正常运行。当某些传感器节点由于环境干扰或人为破坏而不能正常工作时，随机分布的大量传感器节点之间可以协调互补，动态连接成新的网络系统，保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。因此，WSN在恶劣的战场环境下有着很强的生存能力。
    (2)精确性和可靠性高
    由于WSN系统可以在监测区域大量布设低成本的传感器节点，使得传感器节点能够与探测目标近距离地接触，极大地消除了环境噪声对系统性能的影响。通过多种传感器的混合应用，可以在提高探测性能指标的同时从不同空间视角对监测对象进行监测，而多节点联合和多方位信息的综合能够有效地提高信噪比，形成覆盖面积较大的实时探测区域，从而提高监测准确性，克服卫星和雷达这类独立系统的技术难题。
WSN系统中传感器节点的大规模部署，使WSN通常具有较高的节点冗余、网络链路冗余以及采集数据冗余，为整个系统提供了很强的容错能力。此外，借助传感器节点中个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构进行调整，可以有效地消除探测区域内的阴影和肓点，进一步降低环境噪声和提高探测的准确性。
    (3)自组织能力强
    WSN是一个节点对等网络，每个节点都具有路由功能，网络中不存在严格的中心控制节点。其工作的展开不依赖于任何预设的网络基础设施，节点开机后就可以通过自我协调、自动布置，快速、自动地组成一个独立的网络。
    (4)可扩展性强
    WSN是一个动态的网络，网络内的节点随时可能因为种种原因退出或加入网络。此时，原有的WSN可以有效地容纳或剔除变化的节点，快速形成新的网络并继续原来的丁作，无需外界帮助。
1．2．2 局限性
    由低成本、低功耗的微型传感器节点构成的以自组织模式工作的WSN系统也具有一定的局限性：
    (1)能量的有限性
    WSN中的传感器节点体积微小，一般依赖能量有限的电池供电。其特殊的应用领域和大规模的应用数量，决定了使用过程中无法对其进行能量更新，一旦电池耗尽该节点便随即“死亡”。因此，在WSN设计过程中如何提高能量使用效率和节点生命周期，是需要考虑的首个重要因素。
    (2)硬件资源的有限性
    WSN系统对传感器节点这种需要大规模部署的微型嵌入式系统的要求非常高，包括体积小、价格低、功耗小等。受这些要求的限制，传感器节点的计算能力、程序空间和内存空间非常有限，同时面向WSN的算法计算设计也要尽可能简单，易于在传感器节点上实现。
    (3)通信能力的有限性
    由于无线通信所需能量与通信距离的n次方成正比，随着通信距离的增加，WSN中传感器节点的能耗将急剧增加。受能量因素的约束，节点必须在满足通信畅通和生命周期正常的条件下考虑提高通信距离。同时，受外界地理条件、自然环境等的影响，无线通信性能可能经常变化，会频繁出现通信中断等现象，这也使WSN系统的通信能力受到很大的限制。

2 传感器网络在军事中的应用
    信息化战争中，战场信息的及时获取和反应对于整个战局的影响至关重要。由于WSN具有生存能力强、探测精度高、成本低等特点，非常适合应用于恶劣的战场环境中，执行战场侦查与监控、目标定位、战争效能评估、核生化监测以及国土安全保护、边境监视等任务。
2．1 战场侦查与监控
    战场侦查与监控的基本思想，是在战场上布设大量的WSN，以收集和中继信息，并对大量的原始数据进行过滤；然后把重要信息传送到数据融合中心，将大量信息集成为一幅战场全景图，以满足作战力量“知己知彼”的要求，大大提升指挥员对战场态势的感知水平。
    典型的WSN应用方式是用飞行器将大量微传感器节点散布于战场地域，并自组成网，将战场信息边收集、边传输、边融合。系统软件通过解读传感器节点传输的数据内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等相关信息，以及其他WSN的信息相互融合，向战场指挥员提供一个动态的、实时或近实时更新的战场信息数据库，为各作战平台更准确地制定战斗行动方案提供情报依据和服务，使情报侦察与获取能力产生质的飞跃。
    对战场的监控可以分为对己方的监控和对敌方的监测，包括军事行动侦察与非军事行动的监测。通过在己方人员、装备上附带各种传感器，并将传感器采集的信息通过汇聚节点送至指挥所，同时融合来自战场的其他信息，可以形成己方完备的战场态势图，帮助指挥员及时准确地了解部队、武器装备和军用物资的部署和供给情况。
    通过飞机或其他手段在敌方阵地大量部署各种传感器，对潜在的地面目标进行探测与识别，可以使己方以远程、精确、低代价、隐蔽的方式近距离地观察敌方布防，迅速、全方位地收集利于作战的信息，并根据战况快速调整和部署新的WSN，及时发现敌方企图和对我方的威胁程度。通过对关键区域和可能路线的布控WSN，可以实现对敌方全天候的严密监控。
2．2 目标定位
    WSN中感知目标信息的节点将感知信息广播(无线传送)到管理节点，再由管理节点融合感知信息，对目标位置进行判断的过程称为目标定位。目标定位是WSN的重要应用之一，为火力控制和制导系统提供精确的目标定位信息，从而实现对预定目标的精确打击。
    由于WSN具有扩展性强、实时性和隐蔽性好等特点，使得它非常适合对运动目标进行跟踪定位，为指挥中心提供被跟踪对象的实时位置信息。WSN的目标定位应用方式可以分为侦测、定位、报告三个阶段。在侦测阶段，每个传感器节点随机“启动”以探测可能的目标，并在目标出现后计算自身到目标的距离，同时向网络广播包括节点位置及与目标的距离等内容的信息。在定位阶段，各节点根据接收到的目标方位与自身位置信息，通过最大似然、三边测量或三角测量等方法，获得目标的位置信息，然后进入报告阶段。在报告阶段，WSN会向距离目标较近的传感器节点广播消息，使之启动并加入跟踪过程，同时WSN将目标信息通过汇聚节点传输到管理节点或指挥所，实现对目标的精确定位。
    2003年美国国防高级研究计划局主导的Network Embed and System Technology项目成功验证了WSN技术的准确定位能力。该项目采用多个廉价音频传感器节点协同定位敌方狙击手，并标识在所有参战人员的个人计算机中，三维空间的定位精度可达1．5 m，定位延迟达2 s，甚至能显示出敌方狙击手采用跪姿和站姿射击的差异，使指挥员和战斗员的作战态势感知能力产生了质的飞跃。
2．3 毁伤效果评估
    战场目标毁伤效果评估是对火力打击后目标毁伤情况的科学评价，是后续作战行动决策的重要依据。当前应用较多的目标毁伤效果评估系统主要依托于无人机、侦察卫星等手段，但这些手段均受到飞行距离近、过顶时间短、敌方打击威胁或天气等因素的制约，无法全天时对打击目标进行抵近侦查并对毁伤效果做出正确评估。
    WSN系统中，价格低、生存能力强的传感器节点可以通过飞机或火力打击时的导弹、精确制导炸弹附带散布于攻击目标周围。在火力打击之后，传感器节点通过对目标的可见光、无线电通信、人员部署等信息进行收集、传递，并经过管理节点进行相关指标分析，可以使作战指挥员及时准确地进行战场目标毁伤效果评估。这一方面可以使指挥员能够掌握火力打击任务的完成情况，适时调整火力打击计划和火力打击重点，实施正确的决策提供科学依据；另一方面，也可以最大限度地优化打击火力配置，集中优势火力对关键目标进行打击，从而大大提高作战资源利用率。
2．4 核生化监测
    将微小的传感器节点部署到战场环境中形成自主工作的WSN系统，并让其负责采集有关核生化数据信息的采集，形成低成本、高可靠的核生化攻击预警系统。这一系统可以在不耗费人员战斗力的条件下，及时而准确地发现己方阵地上的核生化污染，为参战人员提供宝贵的快速反应时间，从而尽可能地减少人员伤亡和装备损失。
    在核生化战争中，对爆炸中心附近及时、准确的数据采集工作非常重要。能否在最短的时间内监测到爆炸中心的相关参数，判断爆炸类型，并对产生的破坏情况进行估算，是快速采取应对措施的关键，这些工作常常需要专业人员携带装备进入沾染区进行探测。而通过无人机、火箭弹等方式向爆炸中心附近布撒WSN传感器节点，依靠自主工作的WSN系统进行数据采集，则可以在遭受核生化袭击后无需派遣人员即可快速获取爆炸现场精确的探测数据，从而避免核反应部队探测数据时直接暴露在核辐射的环境中而受到核辐射的威胁。

结语
    信息化战争要求作战系统“看得清、反应快、打得准”，战争双方谁在信息的获取、传输、处理上占据优势，谁就能取得制信息权，进而掌握战争的主动权。WSN作为战场信息获取的源头和途径，以其生存能力强、可靠性和准确性高以及战场感知实时能力强的独特优势，能够在信息化战争的战场上发挥独特的作用。随着研究的深入和技术的进步，未来功耗低、安全性高的WSN系统，必将对信息化战争产生深远的影响。