引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Networks,WSN),是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的微型傳感器節(jié)點，通過無線通信方式形成的一個多跳的、自組織的網絡系統(tǒng)，它的主要作用和目的是協(xié)同感知、采集和處理網絡覆蓋區(qū)域中被監(jiān)測對象的信息，并將信息傳送給信息獲取者山。無線傳感器網絡技術綜合了傳感器技術、嵌入式計算技術、網絡技術、分布式信息處理技術和通信技術，其在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、交通、環(huán)保等諸多方面有著巨大的應用價值，已受到各國越來越多的關注,被美國《技術評論》雜志評選為未來10種改變世界的新興技術的第一位。

目前，我國的無線傳感器網絡研究已具初步規(guī)模，但對于軍事應用，尤其是情報搜集的研究尚處于起步階段。

1  無線傳感器網絡體系的結構特點

1.1  無線傳感器網絡的體系結構

典型的無線傳感器網絡系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(SensorNode)、接收發(fā)送器(Sink)、互聯(lián)網或通信衛(wèi)星(InternetandSatellite)、任務管理節(jié)點(TaskManagerNode)等組成。圖1所示是一個無線傳感器網絡的體系結構圖。

傳感器節(jié)點是一種微型嵌入式設備，由部署在感知對象附近大量的廉價微型傳感器模塊組成,可借助于節(jié)點中內置的各式傳感器來測量所在周邊環(huán)境中的熱紅外、聲納、雷達和地震波信號，從而探測包括溫度、濕度、振動、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等各種物理量。也可以通過人工放置、飛機撒播或炮彈發(fā)射等方式，將傳感器節(jié)點散布在監(jiān)測區(qū)域內，以采集監(jiān)測區(qū)域內的相關信息,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絡系統(tǒng),從而把傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)沿著其他節(jié)點逐跳傳輸?shù)絽R聚節(jié)點。

匯聚節(jié)點也稱數(shù)據(jù)中心或基站，它的處理能力、存儲能力和通信能力相對較強,通過連接傳感器網絡與互聯(lián)網等外部網絡，可實現(xiàn)兩種協(xié)議棧通信協(xié)議之間的轉換，同時發(fā)布管理節(jié)點的監(jiān)測任務，并將搜集到的數(shù)據(jù)轉發(fā)到外部網絡上。匯集節(jié)點既可以是一個具有增強功能的傳感器節(jié)點，有足夠的能量提供給更多的內存與計算資源;也可以是沒有監(jiān)測功能而僅帶有無線通信接口的特殊網關設備。

管理節(jié)點通過對整個系統(tǒng)的配置和管理,可實現(xiàn)對系統(tǒng)中各節(jié)點監(jiān)測任務的發(fā)布和監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集與處理。而反過來，管理節(jié)點也可以將數(shù)據(jù)傳輸給傳感器節(jié)點，實現(xiàn)網絡的再配置以及重新發(fā)布監(jiān)測任務。所以，傳感器網絡的數(shù)據(jù)傳輸是雙向的。

1.2  無線傳感器網絡的特點

無線傳感器網絡技術作為一門新興的網絡技術,與傳統(tǒng)網絡和移動自組網絡相比，具有顯著的特征。

1.2.1  生存能力強

理論上，無線傳感器網絡中密集分布在監(jiān)測區(qū)域的大量傳感器節(jié)點地位平等，沒有嚴格的控制中心。但在現(xiàn)實情況下,傳感器節(jié)點可能由于人為或環(huán)境因素而會受到破壞，這時，隨機分布的大量傳感器節(jié)點之間可以協(xié)調互補，動態(tài)連接成新的網絡系統(tǒng)，從而保證部分傳感器節(jié)點的損壞不會影響到全局任務。而且每個傳感器節(jié)點可以隨時加入或離開網絡，而不會影響整個網絡的正常運行。即使在惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境下，無線傳感器網絡仍有很強的生存能力。

1.2.2  自組織能力強

在通常情況下，無線傳感器網絡不需要得到特別基礎設施的支持,傳感器節(jié)點的位置以及相互鄰居關系在網絡部署前也不知道，傳感器節(jié)點通常被放置在沒有電力基礎設施的地方通過飛機播撒和炮彈發(fā)射等方式可以實現(xiàn)傳感器節(jié)點的部署，但這些部署地區(qū)往往是人不可到達或危險的區(qū)域,這就要求傳感器節(jié)點不但要具備自組織的方式組網的功能,還要有網絡自動配置和自動維護的功能，以保證網絡的通信效果。

1.2.3  準確可靠

在無線傳感器網絡的布置中，低成本的傳感器節(jié)點可以觸及監(jiān)測區(qū)域內的眾多目標，進而對監(jiān)測目標形成分布式、多角度、全方位的偵察。這種多節(jié)點聯(lián)合和多方位信息的綜合能夠有效地提高信噪比，從而大大減少環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響，提高監(jiān)測的準確性。同時，無線傳感器網絡通常具有較高的節(jié)點冗余、網絡鏈路冗余以及采集數(shù)據(jù)冗余，因而為整個系統(tǒng)提供了很強的容錯能力。通過個別傳感器節(jié)點的可移動性和網絡拓撲結構的可調整性，可以進一步消除陰影和盲盲,進而降低環(huán)境噪聲和提高探測的準確性。

1.2.4  拓撲結構可動態(tài)變化

傳感器節(jié)盲作為一種微型嵌入式系統(tǒng)，其CPU的處理能力比較弱，存儲器容量比較小，電池能量有限，但是需要完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和轉換、數(shù)據(jù)的管理和處理、應答匯聚節(jié)盲的任務請求、節(jié)盲控制等多種工作。因此在實際應用中，環(huán)境的影響、節(jié)盲能量耗盡或其它故障都可能造成節(jié)盲失效,傳感器節(jié)盲、感知對象和用戶這三個組成傳感器網絡的要素都可能具有移動性，為保證可靠性，隨時可能有新的節(jié)盲加入網絡。這種動態(tài)性要求其網絡能夠適應這種變化,并具有動態(tài)的系統(tǒng)可重構性。

2  目標毀傷效果情報的搜集

目標毀傷效果情報搜集起始于第一次世界大戰(zhàn)，并在第二次世界大戰(zhàn)中不斷發(fā)展，其分析技術不斷成熟，經過幾十年的應用和驗證，現(xiàn)已經成為信息化作戰(zhàn)的一個重要組成部分。

2.1  概念及重要性

目標毀傷效果情報搜集,就是對計劃打擊或完成打擊的目標可能產生或已經產生的毀傷效果的信息進行搜集。它貫穿于作戰(zhàn)計劃與作戰(zhàn)實施的全過程。

目標毀傷效果情報搜集是進行目標毀傷效果預測與評估的基礎。及時、準確地預測、評估毀傷效果，既是優(yōu)化火力打擊方案、高效配置打擊資源、有效控制作戰(zhàn)進程、推動作戰(zhàn)順利進行的重要保證,也是檢驗目標信息收集、目標研究、目標選擇等工作質量的重要途徑。目標毀傷效果情報搜集適用于各種武器系統(tǒng)，包括空中、陸上、海上和一些特殊的武器系統(tǒng)。

2.2  情報搜集的方法和手段

目標毀傷效果評估的內容包括組織結構、評估流程、評估模型和情報搜集等，其中情報搜集是目標毀傷效果評估的基礎，影響著武器裝備性能的發(fā)揮甚至是戰(zhàn)爭的進程。例如，美國目標毀傷效果情報搜集技術的發(fā)展一直落后于其武器裝備發(fā)展的腳步「詞，海灣戰(zhàn)爭中，由于高新技術武器的運用，使得落后的情報收集、處理技術及評估程序難以及時、準確地對目標毀傷信息進行收集、分析及處理，從而難以滿足戰(zhàn)場指揮官對目標毀傷效果的需求、制約了美軍及其盟軍的各項軍事行動。長期以來，目標毀傷效果情報主要是通過偵察衛(wèi)星、偵察機、測繪等方法來獲取。

2.2.1  航天偵察

信息化條件下的天際空間已經成為維護國家安全和利益的戰(zhàn)略要地，偵察衛(wèi)星也隨之成為戰(zhàn)場態(tài)勢感知和目標毀傷效果評估的主要裝備,各主要軍事大國都在大力研究高分辨率的成像偵察衛(wèi)星和高對抗性的電子偵察衛(wèi)星，并通過衛(wèi)星成像和電子偵察來搜集目標毀傷情報。

2.2.2  航空偵察

搭載偵察設備的有人和無人偵察機可以從空中獲取圖像情報、信號情報、測量和特征等情報，與偵察衛(wèi)星相比,偵察機則可以更機動靈活的提供有關目標的毀傷信息，從而可為目標毀傷效果評估提供不可或缺的情報保障。

2.2.3  地面?zhèn)刹?

作為一種傳統(tǒng)的偵察方式，地面?zhèn)刹斓氖侄魏芏?例如常見的光學偵察，即利用望遠鏡、測距儀、潛望鏡、偵察經緯儀、地面遠程攝影機等，此外還包括無線電通信偵察和雷達偵察等。

2.3  情報搜集存在的問題

雖然目標毀傷效果評估有了很大的發(fā)展,其客觀性和準確性也不斷提升,但相關的情報搜集方法仍存在著不少的問題。

2.3.1  偵察手段的局限性

偵察衛(wèi)星是進行情報搜集的重要手段，但偵察衛(wèi)星會受到過境時間限制。如果對目標的攻擊時間不在衛(wèi)星的過境偵察區(qū)域內，則會錯失良好的戰(zhàn)機。另外，當敵軍計算好衛(wèi)星過境時間時，會利用此時的間隙做好戰(zhàn)斗準備及目標偽裝。

有人和無人偵察機相對偵察衛(wèi)星來說更為機動靈活，但如果在目標打擊過后進行及時的偵察往往會有很高的風險性,而側視大傾斜成像偵察的清晰度和地物遮蓋又是影響其偵察效果不可忽略的因素。2.3.2環(huán)境因素的偶然性

高技術裝備的性能發(fā)揮，往往需要很嚴格的客觀條件。在航天偵察和航空偵察中，如果遇到不良天氣，傳感器的偵察效果就會大大降低，多云的天氣則會影響成像偵察的效果。地面?zhèn)刹欤ㄈ鐭o線電通信和雷達偵察）的效能發(fā)揮也跟環(huán)境因素息息相關。戰(zhàn)場不是可以規(guī)劃的舞臺，環(huán)境因素錯綜復雜，戰(zhàn)場形勢瞬息萬變,各種偶然因素的影響都是制約情報搜集的重要方面。

2.3.3  情報傳輸?shù)膹碗s性

目標毀傷效果的情報信息需要從偵察平臺傳到指揮控制中心，雖然充足的信道有利于確保數(shù)據(jù)的接收，但在傳輸數(shù)據(jù)時，需要經過多個系統(tǒng)，這樣既增加工作的時間，也增加了數(shù)據(jù)錯誤和分類錯誤的概率,而且，傳輸過程中還必須考慮情報傳輸?shù)陌踩珕栴},這些都使得目標毀傷效果評估情報搜集構成變得更加復雜。

3  傳感器網絡在目標毀傷情報搜集中的應用

作為一種獲取情報的重要技術手段，無線傳感器網絡的部署快速、自組織、隱蔽性和高容錯性等特點，在很大程度上彌補了傳統(tǒng)偵察方式（如航天、航空和地面?zhèn)刹欤┑牟蛔?，它為目標毀傷效果情報搜集提供一種新的方法。

3.1  節(jié)點部署

在進行目標打擊之前，或打擊完成后的有效時間內，可通過人工設置、飛機播撒或炮彈發(fā)射等方式把傳感器節(jié)點投送到相應的區(qū)域內。其中傳感器節(jié)點的功能、時間同步和定位等問題是無線傳感器網絡展開應用的基礎。

3.1.1  節(jié)點功能

由于傳感器節(jié)點和戰(zhàn)場環(huán)境的特殊性，在功能上，對傳感器節(jié)點有很高的要求。傳感器節(jié)點一般釆取電池供電，而當我們把節(jié)點播撒到戰(zhàn)場上之后，給節(jié)點更換電池已經不現(xiàn)實，這就要求傳感器節(jié)點的消耗能量要低;在播撒節(jié)點的過程中，我們無法仔細確定每個傳感器節(jié)點的精確位置,只能通過節(jié)點的高密度性來搜集精確信息，所以，節(jié)點的成本要盡可能廉價，但還必須具備無線通信、信息監(jiān)測、數(shù)據(jù)存儲和簡單的技術功能。

3.1.2  時間同步

時間同步是實現(xiàn)無線傳感器網絡自身協(xié)議運行、數(shù)據(jù)融合、定位等的基礎，是無線傳感器網絡的一項重要技術無線傳感器網絡的動態(tài)拓撲結構，要求時間同步要具有良好的擴展性，要既能實現(xiàn)整個網絡的時間同步，相應的算法還要支持多跳方式。此外，定位技術也依賴于時間同步,在聲波測距定位中，如果網絡中的節(jié)點保持時間同步，則聲波在節(jié)點間的傳輸時間很容易被確定。常用的時間同步機制包括基于接收者一接收者、基于發(fā)送者一接收者和基于輕量級的時間同步機制。

3.1.3  節(jié)點定位

傳感器節(jié)點的自身定位是無線傳感器網絡應用的基礎。它的表述為：依靠有限的位置己知節(jié)點，確定布設區(qū)中其它節(jié)點的位置，在傳感器節(jié)點間建立起一定的空間關系3〕。一般來說，節(jié)點定位需要基于一些前提，例如有一定比例的節(jié)點位置已知或具有GPS定位功能，這些節(jié)點可以作為參考節(jié)點。此外，節(jié)點定位還需有先進的算法支撐，才能確定較好的定位精度，比如利用節(jié)點間通信的跳數(shù)場大小和互連性的免測距位置估計方法,或利用無線信號的衰減特征進行換算并融合多距離位置計算的定位方法等。

3.2  情報搜集

散布在監(jiān)測區(qū)域內的傳感器節(jié)點帶有各式偵察傳感器，這些傳感器自組成網，在火力打擊之后，通過對目標的可見光、無線電通信、人員部署等信息進行收集和傳遞，將戰(zhàn)場打擊目標（諸如核心指揮區(qū)域、有機生產設施、機場、公路、建筑和部隊作戰(zhàn)力量等目標）的毀傷效果情報信息相互融合，為戰(zhàn)爭指揮決策人員提供一個動態(tài)實時的、可以不斷更新的戰(zhàn)場信息數(shù)據(jù)庫。這種全方位、及時的目標毀傷效果情報搜集也為各作戰(zhàn)平臺更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報保障，同時，情報人員可以根據(jù)戰(zhàn)況快速調整和部署新的無線傳感器網絡,及時發(fā)現(xiàn)地方企圖和對我方的威脅程度，實現(xiàn)對戰(zhàn)場的全天候嚴密監(jiān)控,使目標毀傷效果情報搜集產生質的飛躍。

3.3  數(shù)據(jù)管理和應用

無線傳感器網絡在戰(zhàn)場獲取的情報信息如何傳輸?shù)街笓]控制中心，從而形成準確實時的情報，并為作戰(zhàn)決策提供高效的保障，離不開合理有效的協(xié)議棧、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)安全。

3.3.1  協(xié)議棧

無線傳感器網絡的正常運行要靠合理高效的協(xié)議棧來支撐,與互聯(lián)網的五層協(xié)議相對應，無線傳感器網絡的協(xié)議棧包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層。為了使傳感器節(jié)點能夠按照高效的方式協(xié)同工作，還需要能量管理平臺、移動管理平臺和任務管理平臺來實現(xiàn)節(jié)點移動中的數(shù)據(jù)轉發(fā)和資源共享等3〕。

3.3.2  數(shù)據(jù)傳輸

無線傳感器網絡的數(shù)據(jù)傳輸是一個從下至上的數(shù)據(jù)上傳和從上而下的命令下達傳輸過程。數(shù)據(jù)傳輸需要合理的系統(tǒng)框架，才能把傳感器節(jié)點獲取的目標毀傷信息快速高效地傳輸給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再把處理過的數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網或衛(wèi)星通信系統(tǒng)傳輸給指揮總部。同樣，指揮員對無線傳感器網絡的命令下達、部署調整等也是通過數(shù)據(jù)傳輸?shù)摹?

3.3.3  數(shù)據(jù)融合

數(shù)據(jù)融合是對傳感器節(jié)點產生的多份數(shù)據(jù)或信息進行處理,組合出更有效、更符合用戶需求的數(shù)據(jù)的過程。在目標毀傷效果評估中，指揮員更多地是關心偵察的結果，而不是需要收到大量的原始數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)融合就是通過處理傳感器的數(shù)據(jù)，得出準確判斷的過程。

3.3.4  數(shù)據(jù)安全

傳感器網絡中的安全隱患主要是無線傳感器網絡的廣播特性西。無線傳感器網絡的廣播特性是指通信信號在物理空間上是暴露的，任何設備，只要調制方式、頻率、振幅、相位都和發(fā)送信號匹配，就能夠獲得完整的通信信號。這種廣播特性使傳感器網絡的節(jié)點部署高效，只要保證一定部署的密度，就容易實現(xiàn)網絡的連通特性，但同時也帶來了安全隱患，例如信息泄密和空間攻擊。新型的網絡安全機制應從維護路由和協(xié)議方面出發(fā),釆用擴頻通信、接入認證/鑒權、數(shù)據(jù)水印、數(shù)據(jù)加密等技術，在一定程度上加強數(shù)據(jù)的安全性。

3.3.5  數(shù)據(jù)管理及評估應用

數(shù)據(jù)管理和處理包括感知數(shù)據(jù)的存儲、査詢、分析、挖掘、理解等,其目的是將傳感器網絡的數(shù)據(jù)處理方法與物理實現(xiàn)方法分離，使指揮員只需要關心查詢數(shù)據(jù)的邏輯結構,而無需關心無線傳感器網絡具體如何獲取信息的細節(jié)。

數(shù)據(jù)管理和處理的結果可以使作戰(zhàn)指揮員及時準確地進行戰(zhàn)場目標毀傷效果評估。從而一方面使指揮員能夠掌握火力打擊任務的完成情況，適時調整火力打擊計劃和火力打擊重點,為實施正確的決策提供科學依據(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)勢火力對關鍵目標進行打擊，從而大大提高作戰(zhàn)資源的利用率。

4  結語

戰(zhàn)場態(tài)勢感知越來越受到世界各國的重視，無線傳感器網絡作為戰(zhàn)場信息獲取的源頭和途徑，以其生存能力強、可靠性和準確性高以及戰(zhàn)場感知實時能力強等獨特優(yōu)勢,在目標毀傷效果情報搜集中的應用體現(xiàn)出信息化作戰(zhàn)中把握制信息權的重要性。同時，由于若干技術問題尚未解決，無線傳感器網絡在軍事領域仍處于理論研究和小規(guī)模試驗階段,距離實際應用還存在一定距離。但是，我們相信，隨著相關問題的不斷解決,無線傳感器網絡必將對信息化戰(zhàn)爭產生深遠的影響。

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