摘要：信息化戰(zhàn)爭對戰(zhàn)場信息的獲取提出了高時效性、高可靠性等亟待解決的要求。通過對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)和特點的深入分析認(rèn)為，無線傳感器技術(shù)可以在戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控、目標(biāo)定位、毀傷效果*估、核生化監(jiān)測等軍事應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮巨大的作用，實現(xiàn)戰(zhàn)場的快速布控、戰(zhàn)場信息的實時采集處理與傳輸，從而極大地提高指揮系統(tǒng)的戰(zhàn)場感知能力，滿足信息化戰(zhàn)爭對信息獲取的需求。

???? 引言

　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless Sensor Networks，WSN)是由一組隨機分布的，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)測對象的信息，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)用價值，正受到各技術(shù)和軍事強國越來越多的關(guān)注，被美國《技術(shù)*論》雜志*選為未來10種改變世界的新興技術(shù)的第1位。

　　由于WSN的探測節(jié)點可以通過飛機播撒或人工布置等方法大量部署于感知對象的附近，不斷獲得感知對象的各種信息，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)爭的形態(tài)下，具有廣闊的軍事應(yīng)用前景。

　　美國國防部及各軍事研究部門對WSN技術(shù)都給予了高度重視，在C4ISR基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃，強調(diào)基于WSN技術(shù)的戰(zhàn)場情報感知能力、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?！爸悄軌m埃”的設(shè)計思想是，在戰(zhàn)場上拋撒數(shù)千個具有計算能力和無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)控敵人的活動情況，并將采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單處理后發(fā)送回指揮部?！吧车刂本€”是國防高級研究計劃局的資助下開發(fā)的一種WSN系統(tǒng)。該系統(tǒng)可將探測節(jié)點散布到整個戰(zhàn)場，偵測戰(zhàn)區(qū)內(nèi)高金屬含量的運動目標(biāo)。歐洲，德國、芬蘭、意大利、法國、英國等國家的研究機構(gòu)也紛紛開展了WSN技術(shù)基礎(chǔ)理論與軍事應(yīng)用的相關(guān)研究工作。日本與韓國甚至將建設(shè)WSN系統(tǒng)提升到國家戰(zhàn)略高度。

　　我國目前的WSN技術(shù)研究已具初步規(guī)模，但對于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

　　1．1 WSN的構(gòu)成

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

　　傳感器節(jié)點由部署在感知對象附近大量的廉價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)域中感知對象的信息，并發(fā)送到匯聚節(jié)點。各模塊通過無線通信方式形成一個多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)沿著其他傳感器節(jié)點逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。一個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。

　　匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點構(gòu)成了底層數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，雖然單個節(jié)點功能有限，采集的數(shù)據(jù)也不夠準(zhǔn)確，但是大量具有一定計算能力、存儲能力和通信能力的節(jié)點相互協(xié)作，構(gòu)成一個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)完全能夠作為用戶決策的參考。

　　匯聚節(jié)點通過通信衛(wèi)星或其他其通信網(wǎng)絡(luò)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦芾砉?jié)點。管理節(jié)點通過對整個系統(tǒng)的配置和管理，實現(xiàn)對系統(tǒng)中各節(jié)點監(jiān)測任務(wù)的發(fā)布和監(jiān)測數(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

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

　　1．2．1 優(yōu) 勢

　　(1)生存能力強

　　WSN密集分布在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點地位平等，沒有嚴(yán)格的控制中心。每個傳感器節(jié)點可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，而不會影響整個網(wǎng)絡(luò)的正常運行。當(dāng)某些傳感器節(jié)點由于環(huán)境干擾或人為破壞而不能正常工作時，隨機分布的大量傳感器節(jié)點之間可以協(xié)調(diào)互補，動態(tài)連接成新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，保證部分傳感器節(jié)點的損壞不會影響到全局任務(wù)。因此，WSN在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下有著很強的生存能力。

　　(2)精確性和可靠性高

　　由于WSN系統(tǒng)可以在監(jiān)測區(qū)域大量布設(shè)低成本的傳感器節(jié)點，使得傳感器節(jié)點能夠與探測目標(biāo)近距離地接觸，極大地消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響。通過多種傳感器的混合應(yīng)用，可以在提高探測性能指標(biāo)的同時從不同空間視角對監(jiān)測對象進(jìn)行監(jiān)測，而多節(jié)點聯(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時探測區(qū)域，從而提高監(jiān)測準(zhǔn)確性，克服衛(wèi)星和雷達(dá)這類獨立系統(tǒng)的技術(shù)難題。

　　WSN系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的大規(guī)模部署，使WSN通常具有較高的節(jié)點冗余、網(wǎng)絡(luò)鏈路冗余以及采集數(shù)據(jù)冗余，為整個系統(tǒng)提供了很強的容錯能力。此外，借助傳感器節(jié)點中個別具有移動能力的節(jié)點對網(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區(qū)域內(nèi)的陰影和肓點，進(jìn)一步降低環(huán)境噪聲和提高探測的準(zhǔn)確性。

　　(3)自組織能力強

　　WSN是一個節(jié)點對等網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點都具有路由功能，網(wǎng)絡(luò)中不存在嚴(yán)格的中心控制節(jié)點。其工作的展開不依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，節(jié)點開機后就可以通過自我協(xié)調(diào)、自動布置，快速、自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò)。

　　(4)可擴展性強

　　WSN是一個動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點隨時可能因為種種原因退出或加入網(wǎng)絡(luò)。此時，原有的WSN可以有效地容納或剔除變化的節(jié)點，快速形成新的網(wǎng)絡(luò)并繼續(xù)原來的丁作，無需外界幫助。

　　1．2．2 局限性

　　由低成本、低功耗的微型傳感器節(jié)點構(gòu)成的以自組織模式工作的WSN系統(tǒng)也具有一定的局限性：

　　(1)能量的有限性

　　WSN中的傳感器節(jié)點體積微小，一般依賴能量有限的電池供電。其特殊的應(yīng)用領(lǐng)域和大規(guī)模的應(yīng)用數(shù)量，決定了使用過程中無法對其進(jìn)行能量更新，一旦電池耗盡該節(jié)點便隨即“死亡”。因此，在WSN設(shè)計過程中如何提高能量使用效率和節(jié)點生命周期，是需要考慮的首個重要因素。

　　(2)硬件資源的有限性

　　WSN系統(tǒng)對傳感器節(jié)點這種需要大規(guī)模部署的微型嵌入式系統(tǒng)的要求非常高，包括體積小、價格低、功耗小等。受這些要求的限制，傳感器節(jié)點的計算能力、程序空間和內(nèi)存空間非常有限，同時面向WSN的算法計算設(shè)計也要盡可能簡單，易于在傳感器節(jié)點上實現(xiàn)。

　　(3)通信能力的有限性

　　由于無線通信所需能量與通信距離的n次方成正比，隨著通信距離的增加，WSN中傳感器節(jié)點的能耗將急劇增加。受能量因素的約束，節(jié)點必須在滿足通信暢通和生命周期正常的條件下考慮提高通信距離。同時，受外界地理條件、自然環(huán)境等的影響，無線通信性能可能經(jīng)常變化，會頻繁出現(xiàn)通信中斷等現(xiàn)象，這也使WSN系統(tǒng)的通信能力受到很大的限制。

　　2 傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事中的應(yīng)用

　　信息化戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場信息的及時獲取和反應(yīng)對于整個戰(zhàn)局的影響至關(guān)重要。由于WSN具有生存能力強、探測精度高、成本低等特點，非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中，執(zhí)行戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控、目標(biāo)定位、戰(zhàn)爭效能*估、核生化監(jiān)測以及國土安全保護(hù)、邊境監(jiān)視等任務(wù)。

2．1 戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控

　　戰(zhàn)場偵查與監(jiān)控的基本思想，是在戰(zhàn)場上布設(shè)大量的WSN，以收集和中繼信息，并對大量的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行過濾；然后把重要信息傳送到數(shù)據(jù)融合中心，將大量信息集成為一幅戰(zhàn)場全景圖，以滿足作戰(zhàn)力量“知己知彼”的要求，大大提升指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知水平。

　　典型的WSN應(yīng)用方式是用飛行器將大量微傳感器節(jié)點散布于戰(zhàn)場地域，并自組成網(wǎng)，將戰(zhàn)場信息邊收集、邊傳輸、邊融合。系統(tǒng)軟件通過解讀傳感器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)內(nèi)容，將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等相關(guān)信息，以及其他WSN的信息相互融合，向戰(zhàn)場指揮員提供一個動態(tài)的、實時或近實時更新的戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)庫，為各作戰(zhàn)平臺更準(zhǔn)確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù)和服務(wù)，使情報偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。

　　對戰(zhàn)場的監(jiān)控可以分為對己方的監(jiān)控和對敵方的監(jiān)測，包括軍事行動偵察與非軍事行動的監(jiān)測。通過在己方人員、裝備上附帶各種傳感器，并將傳感器采集的信息通過匯聚節(jié)點送至指揮所，同時融合來自戰(zhàn)場的其他信息，可以形成己方完備的戰(zhàn)場態(tài)勢圖，幫助指揮員及時準(zhǔn)確地了解*、武器裝備和軍用物資的部署和供給情況。

　　通過飛機或其他手段在敵方陣地大量部署各種傳感器，對潛在的地面目標(biāo)進(jìn)行探測與識別，可以使己方以遠(yuǎn)程、精確、低代價、隱蔽的方式近距離地觀察敵方布防，迅速、全方位地收集利于作戰(zhàn)的信息，并根據(jù)戰(zhàn)況快速調(diào)整和部署新的WSN，及時發(fā)現(xiàn)敵方企圖和對我方的威脅程度。通過對關(guān)鍵區(qū)域和可能路線的布控WSN，可以實現(xiàn)對敵方全天候的嚴(yán)密監(jiān)控。

　　2．2 目標(biāo)定位

　　WSN中感知目標(biāo)信息的節(jié)點將感知信息廣播(無線傳送)到管理節(jié)點，再由管理節(jié)點融合感知信息，對目標(biāo)位置進(jìn)行判斷的過程稱為目標(biāo)定位。目標(biāo)定位是WSN的重要應(yīng)用之一，為火力控制和制導(dǎo)系統(tǒng)提供精確的目標(biāo)定位信息，從而實現(xiàn)對預(yù)定目標(biāo)的精確打擊。

　　由于WSN具有擴展性強、實時性和隱蔽性好等特點，使得它非常適合對運動目標(biāo)進(jìn)行跟蹤定位，為指揮中心提供被跟蹤對象的實時位置信息。WSN的目標(biāo)定位應(yīng)用方式可以分為偵測、定位、報告三個階段。在偵測階段，每個傳感器節(jié)點隨機“啟動”以探測可能的目標(biāo)，并在目標(biāo)出現(xiàn)后計算自身到目標(biāo)的距離，同時向網(wǎng)絡(luò)廣播包括節(jié)點位置及與目標(biāo)的距離等內(nèi)容的信息。在定位階段，各節(jié)點根據(jù)接收到的目標(biāo)方位與自身位置信息，通過最大似然、三邊測量或三角測量等方法，獲得目標(biāo)的位置信息，然后進(jìn)入報告階段。在報告階段，WSN會向距離目標(biāo)較近的傳感器節(jié)點廣播消息，使之啟動并加入跟蹤過程，同時WSN將目標(biāo)信息通過匯聚節(jié)點傳輸?shù)焦芾砉?jié)點或指揮所，實現(xiàn)對目標(biāo)的精確定位。

　　2003年美國國防高級研究計劃局主導(dǎo)的Network Embed and System Technology項目成功驗證了WSN技術(shù)的準(zhǔn)確定位能力。該項目采用多個廉價音頻傳感器節(jié)點協(xié)同定位敵方狙擊手，并標(biāo)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(dá)1．5 m，定位延遲達(dá)2 s，甚至能顯示出敵方狙擊手采用跪姿和站姿射擊的差異，使指揮員和戰(zhàn)斗員的作戰(zhàn)態(tài)勢感知能力產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍。

　　2．3 毀傷效果*估

　　戰(zhàn)場目標(biāo)毀傷效果*估是對火力打擊后目標(biāo)毀傷情況的科學(xué)*價，是后續(xù)作戰(zhàn)行動決策的重要依據(jù)。當(dāng)前應(yīng)用較多的目標(biāo)毀傷效果*估系統(tǒng)主要依托于無人機、偵察衛(wèi)星等手段，但這些手段均受到飛行距離近、過頂時間短、敵方打擊威脅或天氣等因素的制約，無法全天時對打擊目標(biāo)進(jìn)行抵近偵查并對毀傷效果做出正確*估。

　　WSN系統(tǒng)中，價格低、生存能力強的傳感器節(jié)點可以通過飛機或火力打擊時的導(dǎo)彈、精確制導(dǎo)炸彈附帶散布于攻擊目標(biāo)周圍。在火力打擊之后，傳感器節(jié)點通過對目標(biāo)的可見光、無線電通信、人員部署等信息進(jìn)行收集、傳遞，并經(jīng)過管理節(jié)點進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)分析，可以使作戰(zhàn)指揮員及時準(zhǔn)確地進(jìn)行戰(zhàn)場目標(biāo)毀傷效果*估。這一方面可以使指揮員能夠掌握火力打擊任務(wù)的完成情況，適時調(diào)整火力打擊計劃和火力打擊重點，實施正確的決策提供科學(xué)依據(jù)；另一方面，也可以最大限度地優(yōu)化打擊火力配置，集中優(yōu)勢火力對關(guān)鍵目標(biāo)進(jìn)行打擊，從而大大提高作戰(zhàn)資源利用率。

　　2．4 核生化監(jiān)測

　　將微小的傳感器節(jié)點部署到戰(zhàn)場環(huán)境中形成自主工作的WSN系統(tǒng)，并讓其負(fù)責(zé)采集有關(guān)核生化數(shù)據(jù)信息的采集，形成低成本、高可靠的核生化攻擊預(yù)警系統(tǒng)。這一系統(tǒng)可以在不耗費人員戰(zhàn)斗力的條件下，及時而準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)己方陣地上的核生化污染，為參戰(zhàn)人員提供寶貴的快速反應(yīng)時間，從而盡可能地減少人員傷亡和裝備損失。

　　在核生化戰(zhàn)爭中，對爆炸中心附近及時、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)采集工作非常重要。能否在最短的時間內(nèi)監(jiān)測到爆炸中心的相關(guān)參數(shù)，判斷爆炸類型，并對產(chǎn)生的破壞情況進(jìn)行估算，是快速采取應(yīng)對措施的關(guān)鍵，這些工作常常需要專業(yè)人員攜帶裝備進(jìn)入沾染區(qū)進(jìn)行探測。而通過無人機、火箭彈等方式向爆炸中心附近布撒WSN傳感器節(jié)點，依靠自主工作的WSN系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，則可以在遭受核生化襲擊后無需派遣人員即可快速獲取爆炸現(xiàn)場精確的探測數(shù)據(jù)，從而避免核反應(yīng)*探測數(shù)據(jù)時直接暴露在核輻射的環(huán)境中而受到核輻射的威脅。

　　結(jié)語

　　信息化戰(zhàn)爭要求作戰(zhàn)系統(tǒng)“看得清、反應(yīng)快、打得準(zhǔn)”，戰(zhàn)爭雙方誰在信息的獲取、傳輸、處理上占據(jù)優(yōu)勢，誰就能取得制信息權(quán)，進(jìn)而掌握戰(zhàn)爭的主動權(quán)。WSN作為戰(zhàn)場信息獲取的源頭和途徑，以其生存能力強、可靠性和準(zhǔn)確性高以及戰(zhàn)場感知實時能力強的獨特優(yōu)勢，能夠在信息化戰(zhàn)爭的戰(zhàn)場上發(fā)揮獨特的作用。隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，未來功耗低、安全性高的WSN系統(tǒng)，必將對信息化戰(zhàn)爭產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

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