无线技术:无线传感器网络在军事中应用各异

2010-05-0715:08

    编者语:无线传感器网络源于军事应用,在军事应用中也最成熟。

    信息技术正推动着一场新的军事变革。信息化战争要求作战系统“看得明、反应快、打得准”,谁在信息的获取、传输、处理上占据优势(取得制信息权),谁就能掌握战争的主动权。无线传感器网络以其独特的优势,能在多种场合满足军事信息获取的实时性、准确性、全面性等需求。

    无线传感器网络可以协助实现有效的战场态势感知,满足作战力量“知己知彼”的要求。典型设想是用飞行器将大量微传感器结点散布在战场的广阔地域,这些结点自组成网,将战场信息边收集、边传输、边融合,为各参战单位提供“各取所需”的情报服务。

    根据白宫的信息技术专家介绍,计算机、通信及小型化技术进步正引导美军进入一个新时代,在防御技术上产生“革命性”效果。隶属于总统办公厅的国家信息技术研究与发展综合办公室主任大卫•纳尔逊说,无线传感器网络技术,预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳,“能够在未来几十年内变革战场环境”。

    由于无线传感器网络具有密集型、随机分布的特点,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,使其非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资,判断生物化学攻击等多方面用途。友军兵力、装备、弹药调配监视;战区监控;敌方军力的侦察;目标追踪;战争损伤评估;核、生物和化学攻击的探测与侦察等。

    鉴于无线传感器网络在军事应用的巨大作用,引起了世界许多国家的军事部门、工业界和学术界的极大关注.美国自然科学基金委员会2003年制定了传感器网络研究计划,投资34 000 000美元,支持相关基础理论的研究.美国国防部和各军事部门都对传感器网络给予了高度重视,在C4ISR的基础上提出了C4KISR计划,强调战场情报的感知能力、信息的综合能力和信息的利用能力,把传感器网络作为一个重要研究领域,设立了一系列的军事传感器网络研究项目.美国英特尔公司、美国微软公司等信息工业界巨头也开始了传感器网络方面的工作,纷纷设立或启动相应的行动计划.日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣,纷纷展开了该领域的研究工作.

    无线传感器网络的典型应用模式可分为两类,一类是传感器结点监测环境状态的变化或事件的发生,将发生的事件或变化的状态报告给管理中心;一类是由管理中心发布命令给某一区域的传感器结点,传感器结点执行命令并返回相应的监测数据。与之对应的,传感器网络中的通信模式也主要有两种,一是传感器将采集到的数据传输到管理中心,称为多到一通信模式;一是管理中心向区域内的传感器结点发布命令,称为一到多通信模式。前一种通信模式的数据量大,后一种则相对较小。

    在这里收集了一些目前西方国家(主要是美国)在无线传感器网络军事应用方面的主要研究:

    1) 智能微尘(smart dust)

    智 能微尘(smart dust)是一个具有电脑功能的超微型传感器,它由微处理器、无线电收发装置和使它们能够组成一个无线网络的软件共同组成。将一些微尘散放在一定范围内,它们就能够相互定位,收集数据并向基站传递信息。近几年,由于硅片技术和生产工艺的突飞猛进,集成有传感器、计算电路、双向无线通信模块和供电模块的微尘器件的体积已经缩小到了沙粒般大小,但它却包含了从信息收集、信息处理到信息发送所必需的全部部件。未来的智能微尘甚至可以悬浮在空中几个小时,搜集、处理、发射信息,它能够仅依靠微型电池工作多年。智能微尘的远程传感器芯片能够跟踪敌人的军事行动,可以把大量智能微尘装在宣传品、子弹或炮弹中,在目标地点撒落下去,形成严密的监视网络,敌国的军事力量和人员、物资的流动自然一清二楚。

    2)目标定位网络嵌入式系统技术

    目标定位网络嵌入式系 统技术(Network Embed System Technology)是战场应用实验是美国国防高级研究计划局主导的一个项目,它将实现系统和信息处理融合。项目的定量目标是建立包括10 ~100万个计算节点的可靠、实时、分布式应用网络。这些节点包括连接传感器和作动器的物理和信息系统部件。基础嵌入式系统技术节点采用现场可编程门阵列 (FPGA)模式。该项目应用了大量的微型传感器、微电子、先进传感器融合算法、自定位技术和信息技术方面的成果。项目的长期目标是实现传感器信息的网络中心分布和融合,显著提高作战态势感知能力。2003年该项目成功验证了能够准确定位敌方狙击手的传感器网络技术,它采用多个廉价音频传感协同定位敌方射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到1.5米,定位延迟达到2秒,甚至能显示出敌方射手采用跪姿和站姿射击的差异。

    防核生化袭击 美国Cyrano Sciences公司已将化学剂检测和数据解释组合到一种专有的芯片技术中,称为Cyrano NoseChip。基于这一技术可创建一个低成本的化学传感器系统,捕获和解释数据,并提供实时告警,以应付恐怖分子使用化学武器进行的攻击。该系统在前端使用一个C320手持传感器负责收集有关化学剂的数据,该传感建有与后方笔记本电脑的无线连接,电脑上运行着远程监控和服务器程序。该系统使用IBM公司的无线通信设备WebSphere MQ Everyplace传输数据,这个手持设备还可以小型化为微小结点,部署到监测环境中去,形成自主工作的无线传感器网络。

    3)灵巧传感器网络

    “灵 巧传感器网络”(SSW:Smart Sensor Web)是美国陆军提出的针对网络中心战的需求所开发的新型传感器网络。其基本思想是在战场上布设大量的传感器以收集和中继信息,并对相关原始数据进行过滤,然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心,从而将大量的信息集成为一幅战场全景图,当参战人员需要时可分发给他们,使其对战场态势的感知能力大大提高。SSW系统作为一个军事战术工具可向战场指挥员提供一个从大型传感器矩阵中得来的动态更新数据库,并及时向相关作战人员提供实时或近实时的战场信息,包括通过有人和无人驾驶的地面车辆、无人驾驶飞机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率数字地图、三维地形特征、多重频谱图形等信息。系统软件将采用预先制定的标准来解读传感器的内容,将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等前后相关信息,以及由其他传感器输入的信息相互关联,从而为交战网络提供诸如开火、装甲车的行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的实时信息。SSW系统是关于传感器基于网络平台的集成,这种集成是通过主体交互作用来实现的。例如,一个被触发的传感器主体可能会要求在其范围内激活其他传感器,达到对前后相关信息的澄清和确认,该要求信息同来自气候或武器层的SSW中的信息相结合,就生成一幅有关作战环境的全景图。

    4)无人值守地面传感器群

    美国陆军近期确立了“无人值守地面传感器群”项目,其主要目标是使基层部队指挥员具有在他们所希望部署传感器的任何地方灵活地部署传感器的能力.该项目是支持陆军“更广阔视野”的3个项目之一.

    5)战场环境侦察与监视系统

    美国陆军最近确立了“战场环境侦察与监视系统”项目.该系统是一个智能化传感器网络,可以更为详尽、准确地探测到精确信息,如一些特殊地形地域的特种信息 (登陆作战中敌方岸滩的翔实地理特征信息,丛林地带的地面坚硬度、干湿度)等,为更准确地制定战斗行动方案提供情报依据.它通过“数字化路标”作为传输工具,为各作战平台与单位提供“各取所需”的情报服务,使情报侦察与获取能力产生质的飞跃.该系统组由撒布型微传感器网络系统、机载和车载型侦察与探测设备等构成.

    6)传感器组网系统

    美国海军最近也确立了“传感器组网系统”研究项目.传感器组网系统的核心是一套实时数据库管理系统.该系统可以利用现有的通信机制对从战术级到战略级的传感器信息进行管理,而管理工作只需通过一台专用的商用便携机即可,不需要其他专用设备.该系统以现有的带宽进行通信,并可协调来自地面和空中监视传感器以及太空监视设备的信息.该系统可以部署到各级指挥单位.

    7)防生化网络

    2002年5 月,美国Sandia国家实验室与美国能源部合作,共同研究能够尽早发现以地铁、车站等场所为目标的生化武器袭击,并及时采取防范对策的系统.该研究属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环.该系统融检测有毒气体的化学传感器和网络技术于一体.安装在车站的传感器一旦检测到某种有害物质,就会自动向管理中心通报,自动进行引导旅客避难的广播,并封锁有关入口等.该系统除了能够在专用管理中心进行监视之外,还可以通过WWW进行远程监视.

    8)网状传感器系统CEC

    美 国海军最近开展的网状传感器系统CEC(cooperative engagement capability)是一项革命性的技术.CEC是一个无线网络,其感知数据是原始的雷达数据.该系统适用于舰船或飞机战斗群携带的电脑进行感知数据的处理.每艘战船不但依赖于自己的雷达,还依靠其他战船或者装载CEC的战机来获取感知数据.例如,一艘战船除了从自己的雷达获取数据以外,还从舰船战斗群的20个以上的雷达中获取数据,也可以从鸟瞰战场的战机上获取数据.空中的传感器负责侦察更大范围的低空目标,这些传感器也是网络中重要的一部分.利用这些数据合成图片具有很高的精度.由于CEC可以从多方面探测目标,极大地提高了测量精度.利用CEC数据可以准确地击中目标.CEC还可以快速而准确地跟踪混乱战争环境中的敌机和导弹,使战船可以击中多个地平线或地平线以上近海面飞行的超声波目标.因此,即使是今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时地监测到并被击中.

    9)沙地直线(A Line in the Sand)

    2003年8月,俄亥俄州开发“沙地直线”(A Line in the Sand),这是一种无线传感器网络系统。在国防高级研究计划局的资助下,这个系统能够散射电子绊网到任何地方,也就是到整个战场,以侦测运动着的高金属含量目标。这种能力意味着一个特殊的军事用途,例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。这项技术有着广泛的应用可能,正如所提及的这些现象,它不仅可以感觉到运动的或静止的金属,而且可以感觉到声音、光线、温度、化学物品,以及动植物的生理特征。

    10)C4ISRT系统

    无线传感器网络的研究直接推动了以网络技术为核心的新军事革命,诞生了网络中心战的思想和体系。传感器网络将会成为C4ISRT(command,control communication,computing,intelligence,surveillance,reconnaissance and targeting)系统不可或缺的一部分.C4ISRT系统的目标是利用先进的高科技技术,为未来的现代化战争设计一个集命令、控制、通信、计算、智能、监视、侦察和定位于一体的战场指挥系统,受到了军事发达国家的普遍重视.因为传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的,自组织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的崩溃,这一点是传统的传感器技术所无法比拟的,也正是这一点,使传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中,包括监控我军兵力、装备和物资,监视冲突区,侦察敌方地形和布防,定位攻击目标,评估损失,侦察和探测核、生物和化学攻击.在战场,指挥员往往需要及时准确地了解部队、武器装备和军用物资供给的情况,铺设的传感器将采集相应的信息,并通过汇聚节点将数据送至指挥所,再转发到指挥部,最后融合来自各战场的数据形成我军完备的战区态势图.在战争中,对冲突区和军事要地的监视也是至关重要当然,也可以直接将传感器节点撒向敌方阵地,在敌方还未来得及反应时迅速收集利于作战的信息.传感器网络也可以为火控和制导系统提供准确的目标定位信息.在生物和化学战中,利用传感器网络及时、准确地探测爆炸中心将会为我军提供宝贵的反应时间,从而最大可能地减小伤亡.传感器网络也可避免核反应部队直接暴露在核辐射的环境中.在军事应用中,与独立的卫星和地面雷达系统相比,传感器网络的潜在优势表现在以下几个方面:

    (1)分布节点中多角度和多方位信息的综合有效地提高了信噪比,这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题之一.

    (2)传感器网络低成本、高冗余的设计原则为整个系统提供了较强的容错能力.

    (3)传感器节点与探测目标的近距离接触大大消除了环境噪声对系统性能的影响.

    (4)节点中多种传感器的混合应用有利于提高探测的性能指标.

    (5)多节点联合,形成覆盖面积较大的实时探测区域.

    (6)借助于个别具有移动能力的节点对网络拓扑结构的调整能力,可以有效地消除探测区域内的阴影和盲点.

    11)先进布放式系统、濒海机载超光谱传感器和远程微光成像系统

    美海军已经选定多种水下系统和无人操作系统,这些系统将于明年进行试验,以促进服役装备的现代化计划。海军还选定了要开展的若干技术研究项目,分别应用于反潜战中的高优先领域、水下通信及无人潜航器。

    对于反潜战,美国海军将对三种系统进行试验,使目前服役的装备形成一个水下传感器网络,能够快速有效的侦察敌方潜艇。它们是"先进布放式系统"(ADS)、 "濒海机载超光谱传感器"(LASH)和"远程微光成像系统"。ADS是一种被动水下声学传感器网络。它可以提供实时信息,在濒海区域监视敌方潜艇和水面舰艇。该系统正由洛克希德•马丁公司研制,美海军计划把它部署在未来的濒海作战舰上。

    LASH系统利用非声超光谱传感器提供近实时的目标探测、分类和识别,用于反潜战、搜索和营救,及区域绘图。而非声RULLI系统采用光子密度测量法来探测微光条件下和黑暗中的物体。在改善水下通信的速度和深度方面,将从以下四个项目对技术进行测试:"海洋网络/子数据链2004" (SeaWeb/Sublink2004)、"战术控制网络水声信息链"(TCN Hail)、"一次性系索浮标"和"先进声通信系统"。

    对现役装备来说,"海洋网"是一种可自由部署的水下网络系统。它可以提供水下指挥、控制、通信和导航,采用"远程声呐调制解调器",能够利用固定或移动的水下节点通过声传播来实现通信。

    通信的速度和深度对于潜艇的发展来说至关重要,特别是改善了潜艇只能在海洋表面或潜望镜深度以内才可以通过卫星的无线电频率通信的问题。

    同样,TCN Hail也是利用声学技术,而利用无线电通信频率的"一次性系索浮标"正在被发展成为供低成本的系索浮标系统,可为潜航的潜艇提供实时通信.

    12)NASA/JPL(喷气推进实验室)传感器网

    计划始于1997年, NASA对传感器网的兴趣源自他们本希望在行星上部署这样一个网络,而不是地球。NASA(美国航空航天局)喷气推进实验室的八位工程师组成的团队正致力于新一代无线传感器网络的开发。用这样一个网络来帮助控制环境和工业过程的潜力非常大。根据NASA/JPL,传感器网的设计可以把对许多环境的监控和控制扩展到许多领域,包括农业和生态学,安全和国土防御,也包括太空探索。目前为止传感器网只是以监控角色进行部署,不过其技术的核心概念已被证明可靠。现在科研小组正在进行实验,将传感器网络的功能从单纯监控扩展到对周围环境做出反应并进行控制。

    结论:无线传感器网络源于军事应用,在军事应用中也最成熟。以上是对美国到目前为止在无线传感器网络的军事应用进行的初步总节,相信在不远的未来无线传感器网络在军事中的应用将更加广泛和更加重要。同样,TCN Hail也是利用声学技术,而利用无线电通信频率的"一次性系索浮标"正在被发展成为供低成本的系索浮标系统,可为潜航的潜艇提供实时通信.

    12)NASA/JPL(喷气推进实验室)传感器网

    计划始于1997年, NASA对传感器网的兴趣源自他们本希望在行星上部署这样一个网络,而不是地球。NASA(美国航空航天局)喷气推进实验室的八位工程师组成的团队正致力于新一代无线传感器网络的开发。用这样一个网络来帮助控制环境和工业过程的潜力非常大。根据NASA/JPL,传感器网的设计可以把对许多环境的监控和控制扩展到许多领域,包括农业和生态学,安全和国土防御,也包括太空探索。目前为止传感器网只是以监控角色进行部署,不过其技术的核心概念已被证明可靠。现在科研小组正在进行实验,将传感器网络的功能从单纯监控扩展到对周围环境做出反应并进行控制。

    无线传感器网络源于军事应用,在军事应用中也最成熟。以上是对美国到目前为止在无线传感器网络的军事应用进行的初步总节,相信在不远的未来无线传感器网络在军事中的应用将更加广泛和更加重要。

(来源:赛迪技术整理    作者:)

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