无线传感器网络军事应用

一．无线传感器网络简介
1.）发展及简介：
无线传感器网络的构想最初是由美国军方提出的，美国国防部高级研究所计划署(DARPA)于1978年开始资助卡耐基-梅隆大学进行分布式传感器网络的研究，这被看成是无线传感器网络的雏形。

从那以后，类似的项目在全美高校间广泛展开，著名的有UC Berkeley的Smart DuST项目，UCLA的WINS项目，以及多所机构联合攻关的SensIT计划，等等。

在这些项目取得进展的同时，其应用也从军用转向民用。

在森林火灾、洪水监测之类的环境应用中，在人体生理数据监测、药品管理之类的医疗应用中，在家庭环境的智能化应用以及商务应用中都已出现了它的身影。

目前，无线传感器网络的商业化应用也已逐步兴起。

无线传感器网络可以看成是由数据获取网络、数据分布网络和控制管理中心三部分组成的。

其主要组成部分是集成有传感器、数据处理单元和通信模块的节点，各节点通过协议自组成一个分布式网络，再将采集来的数据通过优化后经无线电波传输给信息处理中心。

2．）无限传感器网络体系结构：
3.）无线传感器网络的主要优势：
（1)低成本、高冗余。

传感器节点单个价格低廉，可以大批量生产。

节点的大规模部署使得无线传感器网络通常具有较高的节点冗余、网络链路冗余以及采集的数据冗余，从而使得系统具有很强的容错能力。

（2)规模大。

为了提高网络的可靠性，通常在目标区域内部署大量传感器节点，传感器网络可能包含多达数千甚至上万个传感器节点。

传感器网络的大规模性还能够通过不同空间视角获利更大的信噪比，从而提高监测的准确性，这一直是卫星和雷达这类独立系统难以克服的技术问题。

（3)分布式、自组织性。

无线传感器网络是由对等节点构成的网络，不存在中
心控制。

管理和组网非常灵活。

不依赖固定的基础设施，每个节点都具有路由功能，可以通过自我协调、自动布置而形成网络，不需要其他辅助设施和人为手段。

（4)动态拓朴。

无线传感器网络是一个动态的网络，网络内的节点可能会因为能量消耗或其他故障退出网络;有些节点可能工作状态，没有参与网络通讯;也有可能又会新增大量的节点融入网络，这些都会使网络的拓朴结构随时发生变化。

还可以借助个别具有移动能力的节点对拓朴结构的调整，可以有效消除探测区域内的自点。

（5)空间位置寻址。

无线传感器网络一般不需要支持任意两个传感器节点之间的点对点通信，传感器节点不必具备具有全球唯一的标识，寻址方式、不必采用因特网的IP寻址。

用户往往不关心数据采集于哪一个节点，而关心数据所属的空间位置，因此可采取空间位置。

从这个意义上讲传感器网络通常以数据木身作为查询或传输线索因此传感器网络是一个以数据为中心的网络。

无线传感器网络源于军事应用，在军事中应用也最成熟。

以下对无线传感器网络在军事领域的应用和特点进行讲述。

二．军事领域应用
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。

1.）无线传感器网络在军事领域的潜在优势：
（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。

在当今复杂的电磁战场环境下，如果各种设备都由人员来操控的话会很大程度上增加操作人员的伤亡数量，因此无线传感器网络的无人值守特性显得尤为重要。

一些廉价的包括声、光、电、红外等无需人员操作的地面传感器将被撒布在战场上，自动与各类平台和单兵组成网络，使每一名士兵都能提前知晓战场的势态。

网络化的部队可以共享战场图像和目标数据，得以更好地作战协同和资源配置。

2.）发展现状：
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2001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2001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。

2005
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，1999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。

2001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2002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。

3.）国际上的发展方向：
⑴智能微尘
⑵目标定位网络嵌入式系统技术
⑶灵巧传感器网络
⑷无人值守地面传感器群
⑸战场环境侦察与监视系统
⑹传感器组网系统
⑺防生化网络
⑻网状传感器系统CEC
⑼沙地直线（A Line in the Sand）
⑽C4ISRT系统
⑾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
⑿NASA/JPL(喷气推进实验室)传感器网
4.）无线传感器网络在战场上的具体应用：
a.战场侦查与监视
战场侦察与监控重在围绕战场态势感知、智能分析判断和行动过程控制等因素，使系统实现全方位、全时域的有效运行，从而破除“战争迷雾”，提高战场对己方的透明度。

美国国防部重点研发的“智能微尘”项目就是一个典型例子，它由微处理器、双向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。

该系统是通过在敌军驻地和可能的进攻路线上采用无人飞机或火炮把大量装有智能微尘的宣传品、子弹或炮弹在目标地点撒落下去，形成严密的监视网络，近距离侦察感知目标地区作战地形、敌军部署、装备特性及部队活动行踪、动向等。

再结合其他无线网络传输方式将大量信息汇集到指挥中心，形成一幅公路军事运输战场态势图，以满足作战保障力量“知己知彼”的要求，为军交运输指挥员提供重要数据。

有效弥补卫星、雷达等远程侦察设备的不足，全面提升联合战场感知能力。

b.战场态势感知
现代战争被人们喻为“感知者的胜利”，在新的军事竞争背景卜，掌控“透明战场”既是军事信息技术发展的必然结果，也是当今各军事强国的建设重点。

美国空军己经在战略计划制定部门中组建了态势感知特别工作组，提高部队的传感器分析和数据整合能力，并先后研制了快速攻击识别、探测和报告系统、战场感知)‘一域视界传感器等感知系统。

美军的未来战斗系
统为士兵提供全天候、全天识别目标的功能。

美军开展的其他类似项目还包括陆军“无人值守地面传感器群”、海军“传感器组网系统”等。

特别是自从阿富汗和伊拉克战争以来，战争样式具有了更多的网络化作战成分，即大量采用IP和WEB技术。

美国近年来强调的“网络中心战”、“行动中心战”
和“传感器到射手”等作战模式，都特别突出传感器组网来提高态势感知能力，将传感技术探测获得的目标信息通过网络系统传输给武器装备，为武器装备射击提供及时的信息，例如，美军开始研制的“战场感知与数据分发”
系统就是用来演示和实践新型作战模式。

c.战场目标跟踪
无线传感器网络具有微型化终端探测的功能以及自组网的特点，因而在目标跟踪应用中的优势越来越明显，其中:跟踪更精细，密集部署的微型化传感器节点可以对移动目标进行精确探测、位置跟踪和控制，从而可以详细显示出移动目标的运动情况;跟踪更可靠，由于无线传感器网络的自治、自组织和高密度部署，当节点失效或新的节点加入，可以在恶劣的环境中自动配置容错，使得无线传感器网络在跟踪目标时具有较高的可靠性、容错性和鲁棒性;跟踪更及时，多种传感器的同步监控，使得移动目标的发现更及时，也更容易实现分布的数据处理、多种异构传感器节点相互之间协同工作，使得目标的跟踪过程更加全面;跟踪更隐蔽，由于传感器节点体积小，无线传输功率小，不易被敌方发现，因而可以对目标实现更隐蔽的跟踪，同时也方便部署应用。

d.核、生、化监测
借助于生物和化学传感器，可以及旱发现己方阵地上的生、化污染，可以较为安全地获取一些核、生、化爆炸现场的详细数据，为己方组织防护提供快速反应时间从而减少损失。

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。

它属于美国能源部恐怖对策项目的重要一环。

该系统集检测有毒气体和化学传感器和网络技术于一体。

安装在车况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功能。

该系统除了能够在专用管理中心进行监视外，还可以通过Internet进行远程监视。

e.装备、弹药、后勤物资管理
利用无线传感器网络对军事装备、弹药等物资进行管理与调配，实现物资管理的“可视化”，可以在战场瞬息万变的情况下缩短管理和调配的时间，从而在战场上占据优势。

5.）无线传感器网络待解决的关键性问题：
尽管无线传感器网络存在许多优势，但目前技术的发展还不能够支持其在军事上的广泛应用，主要存在以下亟待解决的关键性问题。

（1）.安全性问题
在军事应用领域，无线传感器网络的安全性显得尤为重要。

传感器节点往往散布在敌方区域，其物理安全无法保证，节点很有可能遭俘获，因此在网络设计过程中首先要考虑被俘节点的问题。

其次，数据在网络中传输、存储和处理的过程中也要保证其逻辑安全。

（2）.目标跟踪问题
无线传感器网络在战场上需要及时跟踪敌方车辆的行进路线和兵力的
调动情况，将获取的战场信息及时发送回我方指挥中心，但传感器节点能源和体积受限，易受战场恶劣环境影响，无线链路易受干扰，拓扑结构动态变化，而作战对无线传感器网络的实时性提出了很高的要求。

这就使得网络采用的跟踪定位算法必须能以较小代价实时传输跟踪数据和计算结果。

（3）.能量受限问题
无线传感器节点体积微小，只能携带十分有限的电池，数据的采集，处理，特别是传输需要消耗大量的能量，而节点部署的广泛性和战场环境的恶劣性使得更换节点电池变得不现实。

如何设计合理的网络拓扑控制和协议，节省能量以维持全网络的生存期，是一个必须贯穿全网络设计的重要问题。

参考文献：
[1] 杨竹苹，黄琦志，王敏.无线传感器网络在公路军事运输战场环境中的应用
研究.装备环境工程，[A]2014（6）.
[2] 杨宏武.无线传感器网络的军事应用研究.舰船电子工程，[A]2007（5）.
[3]代宏阳，唐宏，胡锡鹏.无线传感器网络在军事中的应用研究,电脑知识与技术，[A]2010(6).。