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　　摘要：信息化戰爭對戰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絡的結構和特點的深入分析認為，無線傳感器技術可以在戰場偵查與監控、目標定位、毀傷效果評估、核生化監測等軍事應用領域發揮巨大的作用，實現戰場的快速布控、戰場信息的實時采集處理與傳輸，從而極大地提高指揮系統的戰場感知能力，滿足信息化戰爭對信息獲取的需求。

     引言

　　無線傳感器網絡(wireless Sensor Networks，WSN)是由一組隨機分布的，集傳感器、數據處理單元和通信模塊于一體的微型傳感器，以自組織方式構成的無線網絡。其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中被監測對象的信息，并傳送給信息獲取者。WSN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，在軍事、工業、醫療、交通、環保等諸多方面有著巨大的應用價值，正受到各技術和軍事強國越來越多的關注，被美國《技術評論》雜志選為未來10種改變世界的新興技術的第1位。

　　由于WSN的探測節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，因此在當代信息化戰爭的形態下，具有廣闊的軍事應用前景。

　　美國國防部及各軍事研究部門對WSN技術都給予了高度重視，在C4ISR基礎上提出了C4KISR計劃，強調基于WSN技術的戰場情報感知能力、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。“智能塵埃”的設計思想是，在戰場上拋撒數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絡，用于監控敵人的活動情況，并將采集到的原始數據進行簡單處理后發送回指揮部。“沙地直線”是國防高級研究計劃局的資助下開發的一種WSN系統。該系統可將探測節點散布到整個戰場，偵測戰區內高金屬含量的運動目標。歐洲，德國、芬蘭、意大利、法國、英國等國家的研究機構也紛紛開展了WSN技術基礎理論與軍事應用的相關研究工作。日本與韓國甚至將建設WSN系統提升到國家戰略高度。

　　我國目前的WSN技術研究已具初步規模，但對于WSN技術的軍事應用研究尚處于起步階段。

　　1 WSN的構成與特點

　　1．1 WSN的構成

　　典型的WSN系統主要由信息管理節點、匯聚節點(Sink Nocle)、傳感器節點(Sensor Node)和相關網絡構成。

　　傳感器節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，其目的是協作地感知、采集和處理網絡覆蓋區域中感知對象的信息，并發送到匯聚節點。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，傳感器節點采集到的數據沿著其他傳感器節點逐跳傳輸到匯聚節點。一個WSN系統通常有數量眾多的體積小、成本低的傳感器節點。

　　匯聚節點和傳感器節點構成了底層數據采集和傳輸的網絡系統，雖然單個節點功能有限，采集的數據也不夠準確，但是大量具有一定計算能力、存儲能力和通信能力的節點相互協作，構成一個具有高度抗毀性的網絡系統，其采集數據的精度和廣度得以很大提升，傳回的數據完全能夠作為用戶決策的參考。

　　匯聚節點通過通信衛星或其他其通信網絡，將監測數據傳輸到管理節點。管理節點通過對整個系統的配置和管理，實現對系統中各節點監測任務的發布和監測數據的收集與處理。WSN典型結構如圖1所示。

　　1．2 WSN的特點

　　WSN具有諸多其他信息探測系統和網絡系統所不具備的獨特優勢，同時也具有一定局限性。

　　1．2．1 優 勢

　　(1)生存能力強

　　WSN密集分布在監測區域的大量傳感器節點地位平等，沒有嚴格的控制中心。每個傳感器節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。當某些傳感器節點由于環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點之間可以協調互補，動態連接成新的網絡系統，保證部分傳感器節點的損壞不會影響到全局任務。因此，WSN在惡劣的戰場環境下有著很強的生存能力。

　　(2)精確性和可靠性高

　　由于WSN系統可以在監測區域大量布設低成本的傳感器節點，使得傳感器節點能夠與探測目標近距離地接觸，極大地消除了環境噪聲對系統性能的影響。通過多種傳感器的混合應用，可以在提高探測性能指標的同時從不同空間視角對監測對象進行監測，而多節點聯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域，從而提高監測準確性，克服衛星和雷達這類獨立系統的技術難題。

　　WSN系統中傳感器節點的大規模部署，使WSN通常具有較高的節點冗余、網絡鏈路冗余以及采集數據冗余，為整個系統提供了很強的容錯能力。此外，借助傳感器節點中個別具有移動能力的節點對網絡拓撲結構進行調整，可以有效地消除探測區域內的陰影和肓點，進一步降低環境噪聲和提高探測的準確性。

　　(3)自組織能力強

　　WSN是一個節點對等網絡，每個節點都具有路由功能，網絡中不存在嚴格的中心控制節點。其工作的展開不依賴于任何預設的網絡基礎設施，節點開機后就可以通過自我協調、自動布置，快速、自動地組成一個獨立的網絡。

　　(4)可擴展性強

　　WSN是一個動態的網絡，網絡內的節點隨時可能因為種種原因退出或加入網絡。此時，原有的WSN可以有效地容納或剔除變化的節點，快速形成新的網絡并繼續原來的丁作，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點構成的以自組織模式工作的WSN系統也具有一定的局限性：

　　(1)能量的有限性

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

　　(2)硬件資源的有限性

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

　　(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中傳感器節點的能耗將急劇增加。受能量因素的約束，節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、自然環境等的影響，無線通信性能可能經常變化，會頻繁出現通信中斷等現象，這也使WSN系統的通信能力受到很大的限制。

　　2 傳感器網絡在軍事中的應用

　　信息化戰爭中，戰場信息的及時獲取和反應對于整個戰局的影響至關重要。由于WSN具有生存能力強、探測精度高、成本低等特點，非常適合應用于惡劣的戰場環境中，執行戰場偵查與監控、目標定位、戰爭效能*估、核生化監測以及國土安全保護、邊境監視等任務。

　　2．1 戰場偵查與監控

　　戰場偵查與監控的基本思想，是在戰場上布設大量的WSN，以收集和中繼信息，并對大量的原始數據進行過濾；然后把重要信息傳送到數據融合中心，將大量信息集成為一幅戰場全景圖，以滿足作戰力量“知己知彼”的要求，大大提升指揮員對戰場態勢的感知水平。

　　典型的WSN應用方式是用飛行器將大量微傳感器節點散布于戰場地域，并自組成網，將戰場信息邊收集、邊傳輸、邊融合。系統軟件通過解讀傳感器節點傳輸的數據內容，將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等相關信息，以及其他WSN的信息相互融合，向戰場指揮員提供一個動態的、實時或近實時更新的戰場信息數據庫，為各作戰平臺更準確地制定戰斗行動方案提供情報依據和服務，使情報偵察與獲取能力產生質的飛躍。

　　對戰場的監控可以分為對己方的監控和對敵方的監測，包括軍事行動偵察與非軍事行動的監測。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點送至指揮所，同時融合來自戰場的其他信息，可以形成己方完備的戰場態勢圖，幫助指揮員及時準確地了解、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，對潛在的地面目標進行探測與識別，可以使己方以遠程、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的信息，并根據戰況快速調整和部署新的WSN，及時發現敵方企圖和對我方的威脅程度。通過對關鍵區域和可能路線的布控WSN，可以實現對敵方全天候的嚴密監控。

　　2．2 目標定位

　　WSN中感知目標信息的節點將感知信息廣播(無線傳送)到管理節點，再由管理節點融合感知信息，對目標位置進行判斷的過程稱為目標定位。目標定位是WSN的重要應用之一，為火力控制和制導系統提供精確的目標定位信息，從而實現對預定目標的精確打擊。

　　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進行跟蹤定位，為指揮中心提供被跟蹤對象的實時位置信息。WSN的目標定位應用方式可以分為偵測、定位、報告三個階段。在偵測階段，每個傳感器節點隨機“啟動”以探測可能的目標，并在目標出現后計算自身到目標的距離，同時向網絡廣播包括節點位置及與目標的距離等內容的信息。在定位階段，各節點根據接收到的目標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，獲得目標的位置信息，然后進入報告階段。在報告階段，WSN會向距離目標較近的傳感器節點廣播消息，使之啟動并加入跟蹤過程，同時WSN將目標信息通過匯聚節點傳輸到管理節點或指揮所，實現對目標的精確定位。

　　2003年美國國防高級研究計劃局主導的Network Embed and System Technology項目成功驗證了WSN技術的準確定位能力。該項目采用多個廉價音頻傳感器節點協同定位敵方狙擊手，并標識在所有參戰人員的個人計算機中，三維空間的定位精度可達1．5 m，定位延遲達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，使指揮員和戰斗員的作戰態勢感知能力產生了質的飛躍。

　　2．3 毀傷效果評估

　　戰場目標毀傷效果評估是對火力打擊后目標毀傷情況的科學評價，是后續作戰行動決策的重要依據。當前應用較多的目標毀傷效果評估系統主要依托于無人機、偵察衛星等手段，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進行抵近偵查并對毀傷效果做出正確評估。

　　WSN系統中，價格低、生存能力強的傳感器節點可以通過飛機或火力打擊時的導彈、精確制導炸彈附帶散布于攻擊目標周圍。在火力打擊之后，傳感器節點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、傳遞，并經過管理節點進行相關指標分析，可以使作戰指揮員及時準確地進行戰場目標毀傷效果評估。這一方面可以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，實施正確的決策提供科學依據；另一方面，也可以最大限度地優化打擊火力配置，集中優勢火力對關鍵目標進行打擊，從而大大提高作戰資源利用率。

　　2．4 核生化監測

　　將微小的傳感器節點部署到戰場環境中形成自主工作的WSN系統，并讓其負責采集有關核生化數據信息的采集，形成低成本、高可靠的核生化攻擊預警系統。這一系統可以在不耗費人員戰斗力的條件下，及時而準確地發現己方陣地上的核生化污染，為參戰人員提供寶貴的快速反應時間，從而盡可能地減少人員傷亡和裝備損失。

　　在核生化戰爭中，對爆炸中心附近及時、準確的數據采集工作非常重要。能否在最短的時間內監測到爆炸中心的相關參數，判斷爆炸類型，并對產生的破壞情況進行估算，是快速采取應對措施的關鍵，這些工作常常需要專業人員攜帶裝備進入沾染區進行探測。而通過無人機、火箭彈等方式向爆炸中心附近布撒WSN傳感器節點，依靠自主工作的WSN系統進行數據采集，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場精確的探測數據，從而避免核反應*探測數據時直接暴露在核輻射的環境中而受到核輻射的威脅。

　　結語

　　信息化戰爭要求作戰系統“看得清、反應快、打得準”，戰爭雙方誰在信息的獲取、傳輸、處理上占據優勢，誰就能取得制信息權，進而掌握戰爭的主動權。WSN作為戰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場感知實時能力強的獨特優勢，能夠在信息化戰爭的戰場上發揮獨特的作用。隨著研究的深入和技術的進步，未來功耗低、安全性高的WSN系統，必將對信息化戰爭產生深遠的影響。