第8章 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事上的應(yīng)用

第8章無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事上的應(yīng)用8.1在偵察方面的應(yīng)用8.2在火控方面的應(yīng)用

8.1在偵察方面的應(yīng)用8.1.1軍事偵察應(yīng)用概述軍事偵察,是指為獲取國家安全和軍事斗爭所需情報而進(jìn)行的活動,按任務(wù)范圍分為戰(zhàn)略偵察、戰(zhàn)役偵察、戰(zhàn)術(shù)偵察;按軍種分為陸軍偵察、海軍偵察、空軍偵察、戰(zhàn)略導(dǎo)彈部隊偵察;按活動空間分為地面?zhèn)刹臁⒑Ｉ蟼刹?、空中偵?按活動方式分為武裝偵察、諜報偵察、技術(shù)偵察等。軍事偵察是組織軍事建設(shè)、指揮軍事行動以及取得軍事斗爭勝利的重要保障,隨著科技水平的不斷發(fā)展與進(jìn)步以及作戰(zhàn)方式的不斷調(diào)整與升級,偵察應(yīng)用技術(shù)的地位將會更加重要。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)偵察的過程可以概括為:首先對戰(zhàn)場中的地形、地貌、路況、氣象、水文、敵我雙方的兵力部署、武器配備和人員調(diào)動等進(jìn)行遠(yuǎn)程、精確、全天候和隱蔽的偵查與監(jiān)測,全方位地洞察戰(zhàn)場環(huán)境;然后對獲得的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、篩選、挖掘和融合,向戰(zhàn)場指揮員提供一個動態(tài)、實時更新的戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)庫,提升指揮員對戰(zhàn)場態(tài)勢的

感知水平;最終融合來自戰(zhàn)場的其他信息,形成完備的戰(zhàn)場態(tài)勢圖,為更準(zhǔn)確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù)。

應(yīng)用于軍事偵察中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要具有以下幾個特性。

1)戰(zhàn)場適應(yīng)能力強(qiáng)

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一個節(jié)點對等的網(wǎng)絡(luò),每個節(jié)點都具有路由功能,各個節(jié)點的工作不依賴任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施,所以網(wǎng)絡(luò)中不存在嚴(yán)格的中心控制節(jié)點,節(jié)點供電后就可以快速自動地組成一個獨立的網(wǎng)絡(luò),這一優(yōu)勢使無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很強(qiáng)的戰(zhàn)場適應(yīng)能力。

2)戰(zhàn)場生存能力強(qiáng)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中某些傳感器節(jié)點因受到環(huán)境干擾或人為破壞而無法正常工作時,網(wǎng)絡(luò)自身無需依賴外界的幫助,可通過有效地容納或剔除變化的節(jié)點,通過協(xié)調(diào)互補(bǔ)實現(xiàn)動態(tài)的連接,從而組建出新的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),維持原始工作狀態(tài),確保節(jié)點的損壞不會對全局任務(wù)的執(zhí)行帶來負(fù)面的影響。這種自適應(yīng)的可擴(kuò)展性大大提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的戰(zhàn)場生存能力。

3)準(zhǔn)確性高

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以通過在偵察區(qū)域布設(shè)大量低成本的傳感器節(jié)點,從而獲得與偵察目標(biāo)的近距離接觸,對偵察對象形成分布式、多角度、全方位的監(jiān)測。多節(jié)點聯(lián)合與多

方位信息融合的方式能夠有效地提高信號信噪比,減少環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響,提高偵察的準(zhǔn)確性。

8.1.2智能塵埃

人們不愿意在自己的房屋、車輛或者辦公室中看到漂浮的塵埃,但是有一種塵埃另當(dāng)別論,它就是“智能塵埃”。“智能塵?！辈⒉皇钦嬲饬x上的塵埃,它是指20世紀(jì)90年代末由美國國防部提供資金、加州大學(xué)伯克利分校實施的一項科研課題,是一個由無數(shù)具有電腦功能的低成本、低功率的超微型傳感器(某些傳感器只有藥片那么大,絕大部分傳感器的體積相當(dāng)于一個傳呼機(jī),也稱塵埃)、微處理器、無線電收發(fā)裝置共同組成的監(jiān)測系統(tǒng),可以監(jiān)測周邊環(huán)境的溫度、光亮度和振動程度,甚至可以感知環(huán)境中的輻射或有毒化學(xué)物質(zhì)。將這些超微型傳感器散放在一定的監(jiān)測范圍內(nèi),就能夠?qū)崿F(xiàn)相互定位、收集數(shù)據(jù)并向基站傳遞信息。

全球定位系統(tǒng)(GPS)技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用使得對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點位置信息的感知成為可能。通常會設(shè)定一些條件和前提來降低節(jié)點定位技術(shù)的研究難度,比如節(jié)點具有測量與相鄰節(jié)點間距離的能力,節(jié)點不具有自主移動能力;或者如果有一定比例的節(jié)點,其位置已知或者具有GPS定位功能,那么這些節(jié)點就可以作為定位的參考點;等等。但需要說明的是,在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,并不需要為所有節(jié)點配備GPS接收裝置,這是因為一方面節(jié)點一般是廉價的,而GPS接收裝置的成本較高;另一方面GPS對使用環(huán)境有一定的限制,在水下、建筑物等環(huán)境中不能直接使用。

在軍事偵察中,要求對信息的感知全面而準(zhǔn)確,除了考慮探測需求的隱蔽性以及網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶厥庑?網(wǎng)絡(luò)的安全問題也是至關(guān)重要的,必須要保證各節(jié)點之間的穩(wěn)定及安全。傳統(tǒng)應(yīng)用中無線傳感網(wǎng)絡(luò)通常會承載很大的數(shù)據(jù)負(fù)荷,在數(shù)據(jù)的傳輸過程中很容易出現(xiàn)不穩(wěn)定或者數(shù)據(jù)錯誤,這種情況在軍事應(yīng)用中是致命的,一旦出現(xiàn)會給國防安全帶來毀滅性的后果,為了避免這種問題的出現(xiàn),必須將傳感器網(wǎng)絡(luò)重新設(shè)計優(yōu)化,同時采取相關(guān)的防護(hù)措施以應(yīng)對各種問題。

保密性、真實性、完整性與可擴(kuò)展性是安全防護(hù)中需要重點考慮的要素。保密性強(qiáng)調(diào)了傳感器網(wǎng)絡(luò)中認(rèn)證機(jī)制的重要性,因為攻擊方很可能打入內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)以竊取信息,所以用戶在接收數(shù)據(jù)時,首先需要分析和掌握數(shù)據(jù)來源是否存在安全隱患;真實性要求信息的傳播方和接收方經(jīng)過授權(quán)后按照一定的規(guī)則對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,通過加密手段在各節(jié)點之間實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的傳輸,接收方能夠不受外界的影響把信息正確地解讀出來;完整性是指在保密性得到有效保障后,攻擊方很難發(fā)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)或者竊取其中的內(nèi)容,

但是接收方也不能完全確定信息是否安全,因為在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中還會存在著數(shù)據(jù)篡改和截取等不可控威脅,這就需要使數(shù)據(jù)經(jīng)過驗證后再進(jìn)行傳播;經(jīng)過密鑰的管理,信息數(shù)據(jù)就擁有了可擴(kuò)展性,因為信息數(shù)據(jù)能夠經(jīng)過的節(jié)點很多,網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍很廣,所以在網(wǎng)絡(luò)部署完成后需要充分考慮對節(jié)點數(shù)量增減變化的支持。

8.1.3激光雷達(dá)

激光雷達(dá)分辨率高,可以采集如方位角俯仰角距離、距離速度強(qiáng)度等形式的三維數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)以圖像的形式顯示,從而獲得輻射的幾何分布圖像、距離選通圖像、速度圖像等,有潛力成為重要的偵察手段之一。

激光雷達(dá)的偵察能力無可置疑,但是它的應(yīng)用并未局限于此,經(jīng)?？梢栽诤芏嗥渌麍鼍爸邪l(fā)現(xiàn)激光雷達(dá)的蹤影。

(1)直升機(jī)障礙物規(guī)避激光雷達(dá)。

(2)化學(xué)戰(zhàn)劑探測激光雷達(dá)。

(3)機(jī)載海洋激光雷達(dá)。

(4)成像激光雷達(dá)。

8.1.4軍事衛(wèi)星

1.軍事偵察衛(wèi)星

軍事偵察衛(wèi)星是使用最為廣泛的軍事衛(wèi)星,按照衛(wèi)星所擔(dān)負(fù)任務(wù)和設(shè)備的不同,可分為電子偵察衛(wèi)星、預(yù)警衛(wèi)星等。這種衛(wèi)星可以在戰(zhàn)爭預(yù)備階段就投入使用,為后續(xù)的戰(zhàn)略

部署打下堅實的基礎(chǔ)。軍事偵察衛(wèi)星裝載著可見光、紅外以及多光譜等成像設(shè)備,具有成像偵察能力,雖然這些成像設(shè)備自身存在一定的缺點,但是經(jīng)過它們彼此間的有機(jī)配合卻可以實現(xiàn)全天候、全天時高質(zhì)量的成像偵察。其中,電子偵察衛(wèi)星是一種可以發(fā)出電磁信號來測定信號源位置的偵察衛(wèi)星,這類衛(wèi)星的特點是具有高靈敏度和高實時信息處理能力,在戰(zhàn)爭中有著極其重要的戰(zhàn)略地位。

當(dāng)代的軍事偵察衛(wèi)星,是一雙真正的千里眼,其主要優(yōu)勢包括以下幾個方面。

(1)運(yùn)行速度快。

(2)輻射范圍廣。

(3)限制條件少。

2.軍事通信衛(wèi)星

軍事通信衛(wèi)星是配置在空間無線電通信站、擔(dān)負(fù)各種通信任務(wù)的人造地球衛(wèi)星,具有通信距離遠(yuǎn)、容量大、質(zhì)量好、可靠性高、保密性強(qiáng)、生存能力強(qiáng)、靈活機(jī)動等特點。戰(zhàn)術(shù)

衛(wèi)星是軍事通信衛(wèi)星的典型代表,是指在戰(zhàn)場或作戰(zhàn)區(qū)域中,直接用于軍事行動指揮控制的衛(wèi)星通信裝備、服務(wù)和程序。

以下是軍事通信衛(wèi)星幾個典型的應(yīng)用。

1)空－地融合

2)地－地融合

3)軍事VSAT融合

8.2在火控方面的應(yīng)用

8.2.1火控系統(tǒng)概述火控系統(tǒng)是控制武器自動或半自動地實施瞄準(zhǔn)與發(fā)射的裝備的總稱,全稱是武器火力控制系統(tǒng)?，F(xiàn)代火炮、坦克炮、戰(zhàn)術(shù)火箭和導(dǎo)彈、機(jī)載武器(航炮、炸彈和導(dǎo)彈)、艦載武器(艦炮、魚雷、導(dǎo)彈和深水炸彈)等大部分都配有火控系統(tǒng)。

火控系統(tǒng)由目標(biāo)跟蹤器、火力控制計算機(jī)、系統(tǒng)控制臺、射擊控制儀、接口設(shè)備、必要的外圍設(shè)備等組成,按照用途分為艦面火控系統(tǒng)、航空火控系統(tǒng)、地面火控系統(tǒng),按照信號形式可分為模擬式火控系統(tǒng)和數(shù)字式火控系統(tǒng),按照武器種類又可以分為輕武器火控系統(tǒng)、重武器火控系統(tǒng)、裝甲火控系統(tǒng)等。

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),火控系統(tǒng)的功能可以非常強(qiáng)大,具體有:

(1)目標(biāo)搜索與辨識。

利用觀測器材搜索目標(biāo)是火控系統(tǒng)的第一項任務(wù)。火控系統(tǒng)中常用的觀測器材有雷達(dá)、光學(xué)或激光測距儀、紅外或微光夜視儀、戰(zhàn)場偵察電視、聲測器材、聲吶、地圖與航空

(或衛(wèi)星)照片等,系統(tǒng)搜索到目標(biāo)之后會進(jìn)一步對目標(biāo)的類型、型號、數(shù)量及其敵我屬性進(jìn)行辨識。

(2)目標(biāo)參數(shù)測量。

目標(biāo)參數(shù)一般包括目標(biāo)位置參數(shù)與目標(biāo)運(yùn)動參數(shù)兩種:目標(biāo)位置參數(shù)是指目標(biāo)相對地理坐標(biāo)系或觀測坐標(biāo)系的坐標(biāo),如距離、方位角、高低角等都屬于目標(biāo)位置參數(shù);目標(biāo)運(yùn)動

參數(shù)包括航速、航向、舷角、加速度等,它們是求取射擊諸元(標(biāo)尺、高低、方向等)不可缺少的數(shù)據(jù)。用于測量目標(biāo)參數(shù)的觀測器材具有較高的精度,而且針對運(yùn)動目標(biāo),觀測器材

還必須能夠?qū)崿F(xiàn)實時跟蹤,測量出一系列的參數(shù)值,為目標(biāo)的瞬時位置與運(yùn)動參數(shù)的估計提供條件。

(3)氣象與彈道條件測量。

氣溫、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象參數(shù)和彈丸初速偏差、彈藥溫度、彈重偏差等彈道條件參數(shù)均會對實際彈道產(chǎn)生重大的影響,因此必須及時對這些參數(shù)進(jìn)行測量。氣象雷達(dá)、彈丸初速測量雷達(dá)是較為先進(jìn)的氣象與彈道條件測量設(shè)備。由于氣象條件作用于全彈道范圍,氣象測量點應(yīng)該實現(xiàn)彈道的全覆蓋。

(4)運(yùn)載體運(yùn)動參數(shù)測量。

運(yùn)載體運(yùn)動過程中,運(yùn)載觀測器材與配置火力系統(tǒng)的車輛、飛機(jī)、艦船的自由度變化會使觀測條件惡化同時改變彈道參數(shù),嚴(yán)重影響射擊的效果,因此對運(yùn)動參數(shù)的測量是非常重要的。

(5)脫靶量測量。

由于存在種種難以控制與修正的隨機(jī)因素,首發(fā)或首群發(fā)的彈頭可能出現(xiàn)脫靶的情況,這時應(yīng)測量脫靶量,以對之后的射擊諸元進(jìn)行校射操作。對固定目標(biāo)或相對武器系統(tǒng)運(yùn)動緩慢的目標(biāo),凡是能夠觀測炸點、估測出炸點對目標(biāo)偏差的器材均可以完成校射任務(wù)。

(6)數(shù)據(jù)處理。

現(xiàn)代火控系統(tǒng)主要由數(shù)字電子計算機(jī)來完成數(shù)據(jù)處理的工作,這種計算機(jī)稱為火控計算機(jī)或指揮儀,它是火控系統(tǒng)的核心部件,主要任務(wù)是:存儲有關(guān)目標(biāo)、脫靶量、氣象條件、彈道條件、運(yùn)載體運(yùn)動參數(shù)等的所有數(shù)據(jù)與信息;計算瞬時目標(biāo)的位置與運(yùn)動參數(shù);根據(jù)實戰(zhàn)條件下的彈道方程或存儲于火控計算機(jī)中的射表求解命中點坐標(biāo),計算射擊諸元;根據(jù)歷史脫靶量修正射擊諸元;評估射擊效果;等等。

(7)武器發(fā)射控制。

武器發(fā)射控制的目的是控制武器到達(dá)正確的射擊位置,并按照預(yù)定的方式進(jìn)行射擊。通常會采用液壓式或機(jī)電式隨動系統(tǒng)控制武器的射角、方位角與引信分劃等射擊諸元,使

之與火控計算機(jī)的輸出值一致。當(dāng)武器與運(yùn)載體完全或部分固連時,某些大口徑自行火炮的方位角則同車體保持一致,此時火控計算機(jī)的輸出信息應(yīng)傳送給自動控制機(jī)構(gòu),驅(qū)動運(yùn)載體按照能夠使彈頭命中目標(biāo)的方向運(yùn)動。

8.2.2火控系統(tǒng)應(yīng)用案例

下面介紹幾個火控系統(tǒng)中結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的典型案例。

1)網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)技術(shù)(NEST)戰(zhàn)場應(yīng)用實驗

NEST戰(zhàn)場應(yīng)用實驗是美國國防高級研究計劃局主導(dǎo)的一個應(yīng)用了大量微型傳感器、先進(jìn)傳感器融合算法、自定位技術(shù)等優(yōu)秀研究成果的科研項目。2003年,該項目成功地驗

證了傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對于準(zhǔn)確定位敵方狙擊手的優(yōu)勢及可行方案。利用廣泛散布于特定區(qū)域、檢查站、建筑物和護(hù)衛(wèi)車隊等地的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,作戰(zhàn)人員能夠?qū)﹄[蔽的射手

進(jìn)行定位,甚至辨識敵方射手的射擊姿態(tài)。除此之外,節(jié)點還能跟蹤子彈產(chǎn)生的沖擊波信號,在節(jié)點范圍內(nèi)測定子彈發(fā)射時產(chǎn)生的聲震和槍震時間,判定子彈的發(fā)射源。

2)沙地直線

美國陸軍研究實驗室組織的戰(zhàn)略評估研討會中有觀點認(rèn)為:依靠復(fù)雜的大功率傳感器進(jìn)行通信是不切實際的,未來戰(zhàn)場感知的資源可能是大量部署的簡單、廉價的單個設(shè)備。當(dāng)分布式探測系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)目成千上萬或上百萬地增加時,必須最大程度提高對組網(wǎng)和信息處理的重視程度。俄亥俄州開發(fā)的“沙地直線”(ALineintheSand)項目,嚴(yán)格來說,就是滿足這種要求的一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),主要研究如何將低成本的傳感器覆蓋至整個戰(zhàn)場,使系統(tǒng)能夠散射電子絆網(wǎng)到任何地方以獲得準(zhǔn)確的戰(zhàn)場信息,自動偵察和定位高金屬含量目標(biāo)(如敵軍坦克和其他車輛)的運(yùn)動,為炮火提供定位和制導(dǎo)信息,實現(xiàn)對地面戰(zhàn)場的目標(biāo)探測、分類識別和跟蹤等任務(wù)。

3)機(jī)載火控系統(tǒng)

機(jī)載火控系統(tǒng)是在航空瞄準(zhǔn)具的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。20世紀(jì)40年代中期,英、美等國開始在飛機(jī)上裝備雷達(dá)系統(tǒng),并與瞄準(zhǔn)具交聯(lián)使用,形成了最早的機(jī)載火控系統(tǒng),但是這種系統(tǒng)將射擊和轟炸獨立開來,而且僅支持在晝間簡單氣象條件下實施尾追攻擊或水平俯沖轟炸任務(wù)。

4)現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng)

現(xiàn)代坦克火控系統(tǒng),有些僅配置1~