基于无线传感器网络的目标毁伤效果情报搜集

引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN),是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点，通过无线通信方式形成的一个多跳的、自组织的网络系统，它的主要作用和目的是协同感知、采集和处理网络覆盖区域中被监测对象的信息，并将信息传送给信息获取者山。无线传感器网络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，其在军事、工业、医疗、交通、环保等诸多方面有着巨大的应用价值，已受到各国越来越多的关注,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一位。

目前，我国的无线传感器网络研究已具初步规模，但对于军事应用，尤其是情报搜集的研究尚处于起步阶段。

1  无线传感器网络体系的结构特点

1.1  无线传感器网络的体系结构

典型的无线传感器网络系统主要由传感器节点(SensorNode)、接收发送器(Sink)、互联网或通信卫星(InternetandSatellite)、任务管理节点(TaskManagerNode)等组成。图1所示是一个无线传感器网络的体系结构图。

传感器节点是一种微型嵌入式设备，由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成,可借助于节点中内置的各式传感器来测量所在周边环境中的热红外、声纳、雷达和地震波信号，从而探测包括温度、湿度、振动、噪声、光强度、压力、土壤成分、移动物体的大小、速度和方向等各种物理量。也可以通过人工放置、飞机撒播或炮弹发射等方式，将传感器节点散布在监测区域内，以采集监测区域内的相关信息,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,从而把传感器节点采集到的数据沿着其他节点逐跳传输到汇聚节点。

汇聚节点也称数据中心或基站，它的处理能力、存储能力和通信能力相对较强,通过连接传感器网络与互联网等外部网络，可实现两种协议栈通信协议之间的转换，同时发布管理节点的监测任务，并将搜集到的数据转发到外部网络上。汇集节点既可以是一个具有增强功能的传感器节点，有足够的能量提供给更多的内存与计算资源;也可以是没有监测功能而仅带有无线通信接口的特殊网关设备。

管理节点通过对整个系统的配置和管理,可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。而反过来，管理节点也可以将数据传输给传感器节点，实现网络的再配置以及重新发布监测任务。所以，传感器网络的数据传输是双向的。

1.2  无线传感器网络的特点

无线传感器网络技术作为一门新兴的网络技术,与传统网络和移动自组网络相比，具有显著的特征。

1.2.1  生存能力强

理论上，无线传感器网络中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。但在现实情况下,传感器节点可能由于人为或环境因素而会受到破坏，这时，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，从而保证部分传感器节点的损坏不会影响到全局任务。而且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。即使在恶劣的战场环境下，无线传感器网络仍有很强的生存能力。

1.2.2  自组织能力强

在通常情况下，无线传感器网络不需要得到特别基础设施的支持,传感器节点的位置以及相互邻居关系在网络部署前也不知道，传感器节点通常被放置在没有电力基础设施的地方通过飞机播撒和炮弹发射等方式可以实现传感器节点的部署，但这些部署地区往往是人不可到达或危险的区域,这就要求传感器节点不但要具备自组织的方式组网的功能,还要有网络自动配置和自动维护的功能，以保证网络的通信效果。

1.2.3  准确可靠

在无线传感器网络的布置中，低成本的传感器节点可以触及监测区域内的众多目标，进而对监测目标形成分布式、多角度、全方位的侦察。这种多节点联合和多方位信息的综合能够有效地提高信噪比，从而大大减少环境噪声对系统性能的影响，提高监测的准确性。同时，无线传感器网络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，因而为整个系统提供了很强的容错能力。通过个别传感器节点的可移动性和网络拓扑结构的可调整性，可以进一步消除阴影和盲盲,进而降低环境噪声和提高探测的准确性。

1.2.4  拓扑结构可动态变化

传感器节盲作为一种微型嵌入式系统，其CPU的处理能力比较弱，存储器容量比较小，电池能量有限，但是需要完成监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节盲的任务请求、节盲控制等多种工作。因此在实际应用中，环境的影响、节盲能量耗尽或其它故障都可能造成节盲失效,传感器节盲、感知对象和用户这三个组成传感器网络的要素都可能具有移动性，为保证可靠性，随时可能有新的节盲加入网络。这种动态性要求其网络能够适应这种变化,并具有动态的系统可重构性。

2  目标毁伤效果情报的搜集

目标毁伤效果情报搜集起始于第一次世界大战，并在第二次世界大战中不断发展，其分析技术不断成熟，经过几十年的应用和验证，现已经成为信息化作战的一个重要组成部分。

2.1  概念及重要性

目标毁伤效果情报搜集,就是对计划打击或完成打击的目标可能产生或已经产生的毁伤效果的信息进行搜集。它贯穿于作战计划与作战实施的全过程。

目标毁伤效果情报搜集是进行目标毁伤效果预测与评估的基础。及时、准确地预测、评估毁伤效果，既是优化火力打击方案、高效配置打击资源、有效控制作战进程、推动作战顺利进行的重要保证,也是检验目标信息收集、目标研究、目标选择等工作质量的重要途径。目标毁伤效果情报搜集适用于各种武器系统，包括空中、陆上、海上和一些特殊的武器系统。

2.2  情报搜集的方法和手段

目标毁伤效果评估的内容包括组织结构、评估流程、评估模型和情报搜集等，其中情报搜集是目标毁伤效果评估的基础，影响着武器装备性能的发挥甚至是战争的进程。例如，美国目标毁伤效果情报搜集技术的发展一直落后于其武器装备发展的脚步「词，海湾战争中，由于高新技术武器的运用，使得落后的情报收集、处理技术及评估程序难以及时、准确地对目标毁伤信息进行收集、分析及处理，从而难以满足战场指挥官对目标毁伤效果的需求、制约了美军及其盟军的各项军事行动。长期以来，目标毁伤效果情报主要是通过侦察卫星、侦察机、测绘等方法来获取。

2.2.1  航天侦察

信息化条件下的天际空间已经成为维护国家安全和利益的战略要地，侦察卫星也随之成为战场态势感知和目标毁伤效果评估的主要装备,各主要军事大国都在大力研究高分辨率的成像侦察卫星和高对抗性的电子侦察卫星，并通过卫星成像和电子侦察来搜集目标毁伤情报。

2.2.2  航空侦察

搭载侦察设备的有人和无人侦察机可以从空中获取图像情报、信号情报、测量和特征等情报，与侦察卫星相比,侦察机则可以更机动灵活的提供有关目标的毁伤信息，从而可为目标毁伤效果评估提供不可或缺的情报保障。

2.2.3  地面侦察

作为一种传统的侦察方式，地面侦察的手段很多,例如常见的光学侦察，即利用望远镜、测距仪、潜望镜、侦察经纬仪、地面远程摄影机等，此外还包括无线电通信侦察和雷达侦察等。

2.3  情报搜集存在的问题

虽然目标毁伤效果评估有了很大的发展,其客观性和准确性也不断提升,但相关的情报搜集方法仍存在着不少的问题。

2.3.1  侦察手段的局限性

侦察卫星是进行情报搜集的重要手段，但侦察卫星会受到过境时间限制。如果对目标的攻击时间不在卫星的过境侦察区域内，则会错失良好的战机。另外，当敌军计算好卫星过境时间时，会利用此时的间隙做好战斗准备及目标伪装。

有人和无人侦察机相对侦察卫星来说更为机动灵活，但如果在目标打击过后进行及时的侦察往往会有很高的风险性,而侧视大倾斜成像侦察的清晰度和地物遮盖又是影响其侦察效果不可忽略的因素。2.3.2环境因素的偶然性

高技术装备的性能发挥，往往需要很严格的客观条件。在航天侦察和航空侦察中，如果遇到不良天气，传感器的侦察效果就会大大降低，多云的天气则会影响成像侦察的效果。地面侦察（如无线电通信和雷达侦察）的效能发挥也跟环境因素息息相关。战场不是可以规划的舞台，环境因素错综复杂，战场形势瞬息万变,各种偶然因素的影响都是制约情报搜集的重要方面。

2.3.3  情报传输的复杂性

目标毁伤效果的情报信息需要从侦察平台传到指挥控制中心，虽然充足的信道有利于确保数据的接收，但在传输数据时，需要经过多个系统，这样既增加工作的时间，也增加了数据错误和分类错误的概率,而且，传输过程中还必须考虑情报传输的安全问题,这些都使得目标毁伤效果评估情报搜集构成变得更加复杂。

3  传感器网络在目标毁伤情报搜集中的应用

作为一种获取情报的重要技术手段，无线传感器网络的部署快速、自组织、隐蔽性和高容错性等特点，在很大程度上弥补了传统侦察方式（如航天、航空和地面侦察）的不足，它为目标毁伤效果情报搜集提供一种新的方法。

3.1  节点部署

在进行目标打击之前，或打击完成后的有效时间内，可通过人工设置、飞机播撒或炮弹发射等方式把传感器节点投送到相应的区域内。其中传感器节点的功能、时间同步和定位等问题是无线传感器网络展开应用的基础。

3.1.1  节点功能

由于传感器节点和战场环境的特殊性，在功能上，对传感器节点有很高的要求。传感器节点一般釆取电池供电，而当我们把节点播撒到战场上之后，给节点更换电池已经不现实，这就要求传感器节点的消耗能量要低;在播撒节点的过程中，我们无法仔细确定每个传感器节点的精确位置,只能通过节点的高密度性来搜集精确信息，所以，节点的成本要尽可能廉价，但还必须具备无线通信、信息监测、数据存储和简单的技术功能。

3.1.2  时间同步

时间同步是实现无线传感器网络自身协议运行、数据融合、定位等的基础，是无线传感器网络的一项重要技术无线传感器网络的动态拓扑结构，要求时间同步要具有良好的扩展性，要既能实现整个网络的时间同步，相应的算法还要支持多跳方式。此外，定位技术也依赖于时间同步,在声波测距定位中，如果网络中的节点保持时间同步，则声波在节点间的传输时间很容易被确定。常用的时间同步机制包括基于接收者一接收者、基于发送者一接收者和基于轻量级的时间同步机制。

3.1.3  节点定位

传感器节点的自身定位是无线传感器网络应用的基础。它的表述为：依靠有限的位置己知节点，确定布设区中其它节点的位置，在传感器节点间建立起一定的空间关系3〕。一般来说，节点定位需要基于一些前提，例如有一定比例的节点位置已知或具有GPS定位功能，这些节点可以作为参考节点。此外，节点定位还需有先进的算法支撑，才能确定较好的定位精度，比如利用节点间通信的跳数场大小和互连性的免测距位置估计方法,或利用无线信号的衰减特征进行换算并融合多距离位置计算的定位方法等。

3.2  情报搜集

散布在监测区域内的传感器节点带有各式侦察传感器，这些传感器自组成网，在火力打击之后，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和传递，将战场打击目标（诸如核心指挥区域、有机生产设施、机场、公路、建筑和部队作战力量等目标）的毁伤效果情报信息相互融合，为战争指挥决策人员提供一个动态实时的、可以不断更新的战场信息数据库。这种全方位、及时的目标毁伤效果情报搜集也为各作战平台更准确地制定战斗行动方案提供情报保障，同时，情报人员可以根据战况快速调整和部署新的无线传感器网络,及时发现地方企图和对我方的威胁程度，实现对战场的全天候严密监控,使目标毁伤效果情报搜集产生质的飞跃。

3.3  数据管理和应用

无线传感器网络在战场获取的情报信息如何传输到指挥控制中心，从而形成准确实时的情报，并为作战决策提供高效的保障，离不开合理有效的协议栈、数据融合和数据安全。

3.3.1  协议栈

无线传感器网络的正常运行要靠合理高效的协议栈来支撑,与互联网的五层协议相对应，无线传感器网络的协议栈包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。为了使传感器节点能够按照高效的方式协同工作，还需要能量管理平台、移动管理平台和任务管理平台来实现节点移动中的数据转发和资源共享等3〕。

3.3.2  数据传输

无线传感器网络的数据传输是一个从下至上的数据上传和从上而下的命令下达传输过程。数据传输需要合理的系统框架，才能把传感器节点获取的目标毁伤信息快速高效地传输给汇聚节点，汇聚节点再把处理过的数据通过互联网或卫星通信系统传输给指挥总部。同样，指挥员对无线传感器网络的命令下达、部署调整等也是通过数据传输的。

3.3.3  数据融合

数据融合是对传感器节点产生的多份数据或信息进行处理,组合出更有效、更符合用户需求的数据的过程。在目标毁伤效果评估中，指挥员更多地是关心侦察的结果，而不是需要收到大量的原始数据，数据融合就是通过处理传感器的数据，得出准确判断的过程。

3.3.4  数据安全

传感器网络中的安全隐患主要是无线传感器网络的广播特性西。无线传感器网络的广播特性是指通信信号在物理空间上是暴露的，任何设备，只要调制方式、频率、振幅、相位都和发送信号匹配，就能够获得完整的通信信号。这种广播特性使传感器网络的节点部署高效，只要保证一定部署的密度，就容易实现网络的连通特性，但同时也带来了安全隐患，例如信息泄密和空间攻击。新型的网络安全机制应从维护路由和协议方面出发,釆用扩频通信、接入认证/鉴权、数据水印、数据加密等技术，在一定程度上加强数据的安全性。

3.3.5  数据管理及评估应用

数据管理和处理包括感知数据的存储、査询、分析、挖掘、理解等,其目的是将传感器网络的数据处理方法与物理实现方法分离，使指挥员只需要关心查询数据的逻辑结构,而无需关心无线传感器网络具体如何获取信息的细节。

数据管理和处理的结果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。从而一方面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,为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的利用率。

4  结语

战场态势感知越来越受到世界各国的重视，无线传感器网络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等独特优势,在目标毁伤效果情报搜集中的应用体现出信息化作战中把握制信息权的重要性。同时，由于若干技术问题尚未解决，无线传感器网络在军事领域仍处于理论研究和小规模试验阶段,距离实际应用还存在一定距离。但是，我们相信，随着相关问题的不断解决,无线传感器网络必将对信息化战争产生深远的影响。

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