无线传感器网络在军事领域的应用

无线传感器网络在军事领域的应用Abstract:WirelessSensorNetwork(WirelessSensorNetwork,WSN)isanemergingNetwork,itUSEStheWirelesscommunicationtechnology,iscomposedoftinySensor,WirelessSensorNetworknodeinductionability,informationprocessingandWirelesscommunicationability,maketheWirelessSensorNetworkhaswideapplicationprospects,whichcanbewidelyusedinmilitary,environment,healthcare,spaceexploration,andvariousbusinessapplications.IsnotonlythekeypointofthedevelopmentoftheInternetofthingstechnology,butalsohavebroadapplicationprospectsininformationoperations.Thispaperfirstintroducesthebasicconceptandstructureofthewirelesssensornetwork(WSN),secondly,theauthorintroducesthecharacteristicsofwirelesssensornetwork(WSN),finallydiscussestheapplicationofwirelesssensornetworksinmilitary,includingtheapplicationadvantagesandtheapplicationsituation.摘要：无线传感器网络(WirelessSensorNetwork，WSN)是新兴网络,它采用无线通信技术,由微小的传感器组成,无线传感器网络节点具备感应能力、信息处理能力和无线通信能力,使无线传感器网络有广阔的应用前景,可广泛用于军事、环境、医疗保健、空间探索及各种商业应用。不仅是物联网技术发展的重点，同时也在信息化作战中具有广阔的应用前景。本文首先介绍了无线传感器网络的基本概念和结构，其次介绍了无线传感器网络的特点，最后论述了无线传感器网络在军事中的应用，包括应用优势及应用情况。Keywords:wirelesssensornetwork(WSN);Architecture;Militaryapplications.引言：无线传感器网络是大量的静止或移动的传感器以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。它的英文是WirelessSensorNetwork,简称WSN。大量的传感器节点将探测数据，通过汇聚节点经其它网络发送给了用户。一、无线传感器网络的体系结构无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、观测节点传感节点和感知视场，另外，还需定义外部网络、远程任务管理单元和用户来完成对整个系统的应用刻画，如图1所示。大量传感节点随机部署，通过自组织方式构成网络，协同形成对目标的感知视场。传感节点检测的目标信号经本地简单处理后通过邻近传感节点多跳传输到观测节点。用户和远程任务管理单元通过外部网络，比如卫星通信网络或Internet，与观测节点进行交互。观测节点向网络发布查询请求和控制指令，接收传感节点返回的目标信息。传感节点具有原始数据采集、本地信息处理、无线数据传输及与其它节点协同工作的能力，依据应用需求，还可能携带定位，能源补给或移动等模块。节点可采用飞行器撒播、火箭弹射或人工埋置等方式部署。目标是网络感兴趣的对象及其属性，有时特指某类信号源。传感节点通过目标的热、红外、声纳、雷达或震动等信号，获取目标温度、光强度、噪声、压力、运动方向或速度等属性。传感节点对感兴趣目标的信息获取范围称为该节点的感知视场，网络中所有节点视场的集合称为该网络的感知视场。当传感节点检测到的目标信息超过设定阀值，需提交给观测节点时，被称为有效节点。观测节点具有双重身份。一方面，在网内作为接收者和控制者，被授权监听和处理网络的事件消息和数据，可向传感器网络发布查询请求或派发任务；另一方面，面向网外作为中继和网关完成传感器网络与外部网络间信令和数据的转换，是连接传感器网络与其它网络的桥梁。二、无线传感器网络的特点大规模网络为了获取精确信息，在监测区域通常部署大量传感器节点，传感器节点数量可能达到成千上万，甚至更多。传感器网络的大规模性包括两方面的含义：一方面是传感器节点分布在很大的地理区域内，如在原始大森林采用传感器网络进行森林防火和环境监测，需要部署大量的传感器节点；另一方面，传感器节点部署很密集，在一个面积不是很大的空间内，密集部署了大量的传感器节点。自组织网络在传感器网络应用中，通常情况下传感器节点被放置在没有基础结构的地方。传感器节点的位置不能预先精确设定，节点之间的相互邻居关系预先也不知道，如通过飞机播撒大量传感器节点到面积广阔的原始森林中，或随意放置到人不可到达或危险的区域。这样就要求传感器节点具有自组织的能力，能够自动进行配置和管理，通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监测数据的多跳无线网络系统。在传感器网络使用过程中，部分传感器节点由于能量耗尽或环境因素造成失效，也有一些节点为了弥补失效节点、增加监测精度而补充到网络中，这样在传感器网络中的节点个数就动态地增加或减少，从而使网络的拓扑结构随之动态地变化。传感器网络的自组织性要能够适应这种网络拓扑结构的动态变化。动态性网络传感器网络的拓扑结构可能因为下列因素而改变：①环境因素或电能耗尽造成的传感器节点出现故障或失效；②环境条件变化可能造成无线通信链路带宽变化，甚至时断时通；③传感器网络的传感器、感知对象和观察者这三要素都可能具有移动性；④新节点的加入。这就要求传感器网络系统要能够适应这种变化，具有动态的系统可重构性。可靠的网络传感器网络特别适合部署在恶劣环境或人类不宜到达的区域，传感器节点可能工作在露天环境中，遭受太阳的暴晒或风吹雨淋，甚至遭到无关人员或动物的破坏。传感器节点往往采用随机部署，如通过飞机撒播或发射炮弹到指定区域进行部署。这些都要求传感器节点非常坚固，不易损坏，适应各种恶劣环境条件。由于监测区域环境的限制以及传感器节点数目巨大，不可能人工“照顾”每个传感器节点，网络的维护十分困难甚至不可维护。传感器网络的通信保密性和安全性也十分重要，要防止监测数据被盗取和获取伪造的监测信息。因此，传感器网络的软硬件必须具有鲁棒性和容错性。应用相关的网络传感器网络用来感知客观物理世界，获取物理世界的信息量。客观世界的物理量多种多样，不可穷尽。不同的传感器网络应用关心不同的物理量，因此对传感器的应用系统也有多种多样的要求。不同的应用背景对传感器网络的要求不同，其硬件平台、软件系统和网络协议必然会有很大差别。所以传感器网络不能像Internet一样，有统一的通信协议平台。对于不同的传感器网络应用虽然存在一些共性问题，但在开发传感器网络应用中，更关心传感器网络的差异。只有让系统更贴近应用，才能做出最高效的目标系统。针对每一个具体应用来研究传感器网络技术，这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。无线传感器网络在军事中的应用优势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。

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。无线传感器网络具有快速部署、隐蔽性强、自组织以及良好的容错性等特点，在军事上具有广泛的应用前景。在战场上，战斗环境恶劣，作战态势瞬息万变，战机稍纵即逝，作战指挥员需要即时了解掌握部队全方位的情况。铺设在作战区域内的传感器节点可以采集相应的信息，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，形成完备的战区事态图。无线传感器网络在军事应用中的潜在优势表现在以下几个方面：（1）部署方便快捷。传感器节点可以通过飞机投递或者炮弹发射直接部署于敌方阵地内，近距离获取战场信息。（2）隐蔽性。传感器节点是一种微型设备，其体积可以不超过1mm3，这一优势使得传感器节点不易被敌方发现。（3）容错性。网络由大量廉价的传感器节点组成，使得网内存在许多冗余节点，为整个系统提供了较强的容错能力。（4）准确性。传感器覆盖区域广阔，从不同空间视角采集多方位信息，具有更大的信噪比。（5）无人值守。传感器节点密集分布于监测环境中，每个节点依靠自带电源或自主获取电源维持工作供电，采用启发式的节点唤醒/睡眠机制，无需人工值守，在恶劣的战场中能发挥重要作用。四、无线传感器网络在军事中的应用情况无线传感器网络较传统通信网络有其自身潜在的优势，能在战场环境中发挥“神经元”的作用，因此受到世界各军事强国的广泛关注。美国国防部较早开始启动无线传感器网络的研究，将其定位为指挥、控制、通信、计算机、打击、情报、监视、侦查（C4KISR）系统不可缺少的一部分。自2021年起，美国国防部远景计划研究局（DARPA）已投资几千万美元，帮助大学进行“智能尘埃”传感器技术的研发。美陆军2021年提出“灵巧传感器网络通信”计划，旨在通过在战场上布置大量传感器为参战人员搜集和传输信息。2021年又确立了“无人值守地面传感器群”项目，其主要目标是是使基层部队指挥员根据需要能够将传感器灵活部署到任何区域。美海军确立了“传感器组网系统”研究项目，其核心是一套实时数据库管理系统，对从战术级到战略级的传感器信息进行管理。除美国外，日本、英国、意大利、巴西等也对无线传感器网络表现出极大的兴趣，并各自开展了该领域的研究工作。中国在无线传感器网络领域的研究几乎与发达国家同步启动，2021年中国科学院《知识创新工程试点领域方向研究--信息与自动化领域研究报告》中首先将无线传感器网络列入其中。2021年，中国科学院成立了微系统研究与发展中心，挂靠中科院上海微系统所，旨在整合中科院内部的相关单位，共同推进传感器网络的研究。从2021年开始，中国国家自然科学基金委员会开始部署传感器网络相关的课题。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)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(NetworkdSystemTechnology)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。2021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。(2)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.(3)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.(4)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.(5)防生化网络2021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.(6)沙地直线(ALineintheSand)2021年8月，俄亥俄州开发“沙地直线”(ALineintheSand)，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。(7)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。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。参考文献：[1]赵志峰，郑少仁。Adhoc网络体系结构研究[J][2]崔逊学，赵湛，工成,无线传感器网络的领域应用与设计技术,国防工业出版社[3]张西红，无线传感器网络技术及其军事应用，国防工业出版社

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