[轉(zhuǎn)載]淺談自組網(wǎng)技術(shù)在國外軍事領(lǐng)域的應(yīng)用

2017-05-04  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

自組網(wǎng)技術(shù)來源于軍事通信協(xié)同作戰(zhàn)需求,隨著世界各國軍隊網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的轉(zhuǎn)型,自組網(wǎng)技術(shù)被軍隊日漸重視,應(yīng)用于軍事通信的各個方面。下面就已知的自組網(wǎng)技術(shù)在國外軍事領(lǐng)域的用途展開介紹。

戰(zhàn)術(shù)通信數(shù)據(jù)鏈

驅(qū)動著軍隊從“平臺中心戰(zhàn)”向“網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)”轉(zhuǎn)型的技術(shù)裝備,就是戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈。美國防部為了將各軍兵種研制的通信裝備統(tǒng)一起來,充分利用網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)基礎(chǔ)設(shè)施,成立了聯(lián)合項目執(zhí)行辦公室,目的是提供一個滿足聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)無線電系統(tǒng)(JTRS)作戰(zhàn)需求說明書規(guī)范的、波形、接口標準化的軟件定義無線電(SDR)戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng),使得裝備了JTRS的作戰(zhàn)單元能夠進行橫向互通和縱向鏈接,為實現(xiàn)美國防部的作戰(zhàn)單元進化目標提供移動自組網(wǎng)的能力。也就是說,凡是美軍的標準通信裝備都必須符合JTRS要求;而凡是符合JTRS要求的戰(zhàn)術(shù)電臺,都必須提供戰(zhàn)術(shù)自組網(wǎng)的能力。

圖:美軍JTRS系統(tǒng)構(gòu)架自組網(wǎng)示意圖,其中WNW、SRW、JAN-TE等先進波形都采用自適應(yīng)動態(tài)戰(zhàn)術(shù)自組網(wǎng)技術(shù),我們的自組網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的原型就來源于該自適應(yīng)動態(tài)戰(zhàn)術(shù)自組網(wǎng)技術(shù),并針對現(xiàn)有基礎(chǔ)進行了優(yōu)化和改進,在已有的產(chǎn)品和項目中取得了很好的效果,處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。

由此可知,自組網(wǎng)技術(shù)在當前及未來軍事通信中的地位。如上圖所示,JTRS規(guī)范的波形當中,除了衛(wèi)星通信可以直接連接以外,先進的士兵電臺波形(SRW)、寬帶組網(wǎng)波形(WNW)和聯(lián)合空基組網(wǎng)-戰(zhàn)術(shù)邊緣(JAN-TE)(JAN-TE與Link-16長期共存并逐步取代之)這三種主要的陸基、空基和海基數(shù)據(jù)鏈都采用了自組網(wǎng)技術(shù)。除此以外,美軍與北約對傳統(tǒng)的短波、超短波通信電臺也都正在進行自組網(wǎng)能力的升級改造,并逐步裝備部隊。

下面列舉一下美軍目前典型的戰(zhàn)術(shù)自組網(wǎng)產(chǎn)品。

(1) SRW波形
美國哈里斯公司開發(fā)的“獵鷹”III便攜式無線電臺,并采用了JTRS士兵無線電波形(SRW)的設(shè)計。目前已投入戰(zhàn)場使用的“獵鷹”III型AN/PRC-117G,傳輸率為5Mbps,特征包括:移動自組網(wǎng)、自動化的網(wǎng)絡(luò)編制和維護,以及一體化的安全1類型。2008年8月展出了符合SRW波形的RF-300S手持臺。

圖:RF-300S手持臺(左)、協(xié)同作戰(zhàn)地圖(中)、AN/PRC-117G便攜電臺(右),都是基于SRW波形自組網(wǎng)技術(shù)開發(fā)。

另外一個典型的SRW電臺就是美國Raytheon公司的MicroLight DH500電臺。2004年6月雷神公司已經(jīng)啟動了MicroLight的研究工作。MicroLight是一種高速數(shù)字化系統(tǒng),可與無線網(wǎng)絡(luò)進行安全的數(shù)據(jù)和語音通信。MicroLight被設(shè)計成體積最小、重量最輕、能效最佳的軟件無線終端。該電臺同步支持語音、視頻和數(shù)據(jù)通信和“藍軍”跟蹤,為步兵提供單電臺解決方案。這種號稱是世界上最先進的話音、數(shù)據(jù)和視頻電臺完全滿足SRW的自組網(wǎng)要求。工作頻段從225MHz到2GHz共有3個,數(shù)話同傳,可同時支持3路IP視頻傳輸,內(nèi)置GPS定位或TOA自主定位,可支持8跳自動中繼。

圖:美國Raytheon公司的MicroLight DH500電臺及自組網(wǎng)態(tài)勢感知演示。

圖:雙信道使得雷聲公司的MicroLight DH500自組網(wǎng)電臺用戶同時加入多個話音、視頻和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信。

(2) WNW波形
WNW是專為滿足軍種間互操作而開發(fā)的,可提供視頻、音頻、數(shù)據(jù)的無縫動態(tài)網(wǎng)絡(luò)傳輸。WNW采用基于IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)概念和新型移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)綜合語音、視頻和數(shù)據(jù)通信。WNW可使聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)電臺系統(tǒng)實現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)接點的安全、自組網(wǎng)、自封閉連接。它將最終實現(xiàn)與全球信息柵格(GIG)的連接,使先進網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和信息接入到全球所有作戰(zhàn)人員。
2005年夏天進行的一系列測試成功地驗證了波音公司寬帶網(wǎng)絡(luò)波形(WNW)和聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)電臺系統(tǒng)1系列終端(JTRS C1)的能力。在一個戰(zhàn)區(qū)測試環(huán)境中,WNW與JTRS C1系列終端中的多種波形實現(xiàn)了互操作。
2006年諾斯羅普?格魯曼公司成功完成了第12次WNW的飛行測試任務(wù)。諾?格公司開發(fā)的軟件電臺中采用的這種先進WNW軟件成功地驗證了關(guān)鍵機載網(wǎng)絡(luò)波形能力。本次飛行測試驗證了即時接入和退出可進行無縫視頻、高清晰圖像、文本文件和語音對話傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)能力。

圖:Rockwell Collins公司開發(fā)的JTRS終端(內(nèi)含WNW自組網(wǎng)波形板)。

(3) JAN-TE波形
上個世紀90年代開始,針對Link-16數(shù)據(jù)鏈有中心TDMA存在的問題,Rockwell Collins公司展開了自組網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈的研究。通過和瑞典國防部研究局FOI合作,完成了士兵電臺項目樣機的研制。同時,Rockwell Collins公司開發(fā)了TTNT波形作為與Link-16數(shù)據(jù)鏈兼容的未來替代者,并使之成為JTRS規(guī)范中的JAN-TE波形標準。
TTNT是一個嵌入到MIDS JTRS的高速、寬帶、基于IP的新型波形,可將空中平臺與陸基全球信息柵格節(jié)點連接在一起,并通過采用多層網(wǎng)絡(luò)管理和自動帶寬調(diào)節(jié),可確保將重要的信息實時發(fā)送給最需要它的節(jié)點,支持時敏任務(wù)。TTNT經(jīng)常被認為是下一代的Link-16,但是兩者之間區(qū)別甚大。與Link-16相比,TTNT能夠在各用戶之間以2Mbps的速率傳輸數(shù)據(jù),相當于每秒傳輸8張靜止圖片,而Link-16在實際傳輸過程中傳輸單張靜止圖片就需要20~40秒的時間;TTNT無需中心網(wǎng)絡(luò)控制,可以在飛機進入和離開某區(qū)域時自動地進行網(wǎng)絡(luò)的自我創(chuàng)建和維護,裝備TTNT的飛機在飛入作戰(zhàn)區(qū)域后可以在5秒之內(nèi)接入網(wǎng)絡(luò),而Link-16需要兩天的時間。此外,TTNT還具有網(wǎng)絡(luò)語音傳輸功能及低可探測性和低可截獲特性,不會對現(xiàn)有Link-16產(chǎn)生干擾。

圖:TTNT實現(xiàn)的空地自組網(wǎng)自動中繼多跳轉(zhuǎn)發(fā)實時視頻多媒體通信。多架 戰(zhàn)機、精確制導(dǎo)炸彈、地面站之間自動聯(lián)網(wǎng),根據(jù)實時態(tài)勢感知信息動態(tài)改變作戰(zhàn)任務(wù)。

圖:Rockwell Collins公司的TTNT終端樣機。TTNT兼容Link-16數(shù)據(jù)鏈,并將逐步取代之。

(4) 衛(wèi)星自組網(wǎng)
美國國防先進研究計劃局(DARPA)選中波音團隊演示新航天器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案的初始技術(shù)。DARPA授予波音先進系統(tǒng)的是一項為期12個月、1300萬美元左右的成本加固定費用的階段1合同。波音公司將研究、設(shè)計、開發(fā)并測試DARPA的“以信息交換為紐帶的未來、快速、靈活、分塊、自由飛行航天器”(即System F6)航天技術(shù)演示項目。

圖:自組網(wǎng)航天器,一個大衛(wèi)星的功能由多個協(xié)同的小航天器完成,相互之間自組網(wǎng),具有抗毀性強,升級容易、維護費用低等優(yōu)點。

System F6的基礎(chǔ)方案是將一組航天器作為一個單位,以無線方式一起運行,多個航天器運行在一起執(zhí)行某個任務(wù)的方案類似于一個單個較大航天器。分塊航天器與其它航天器(如星座或編隊)不同,其模塊各不相同,執(zhí)行傳統(tǒng)衛(wèi)星上各多子系統(tǒng)的相應(yīng)功能,能實現(xiàn)航天器間數(shù)據(jù)的靈活共享與分發(fā)處理。
System F6計劃的目標是驗證衛(wèi)星結(jié)構(gòu)的可行性和優(yōu)勢,其中單一航天器的功能被無線聯(lián)通航天器集群所替代。后者執(zhí)行的任務(wù)可以比單個航天器系統(tǒng)更為廣泛多樣。除了增加靈活性,該技術(shù)還能降低整個項目的成本。


(5) 自愈式雷場
美國DAPRA資助了一項研究——“自愈式雷場”。系統(tǒng)采用智能化的移動反坦克地雷陣來挫敗敵人對地雷防線的突破。這些地雷均配備有無線通信與自組織聯(lián)網(wǎng)單元,通過某種方式布撒之后,這些地雷迅速構(gòu)成移動自組網(wǎng)。在遭到敵方坦克突破之后,這種地雷通過對拓樸結(jié)構(gòu)的判定,以及自動彈跳功能迅速“自愈”,即通過網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)恢復(fù)連通。“自愈式雷場”可以大大限制敵軍的機動能力,延緩敵軍進攻或撤退的速度,在一段時間內(nèi)封鎖特定區(qū)域。該系統(tǒng)采用FHSS擴頻方式,中心頻率為2.4GHz,帶寬為83MHz。節(jié)點之間采用聲波沿距定位。

圖:自愈性雷場示意圖(左)和自組網(wǎng)地雷(右),地雷“長腳”,會自動蹦跳到一定的位置,阻止敵方機動部隊的前進,拖延時間,從而改變戰(zhàn)局。

圖:自愈性雷場測試照片,地雷“長腳”,會蹦跳到指定位置,重新自行組網(wǎng)。

(6) 彈藥數(shù)據(jù)鏈
為了與武器平臺之間溝通瞄準信息,精確彈藥也需要裝備數(shù)據(jù)鏈。洛克希德?馬丁公司為AGM-62“白眼星”導(dǎo)彈研制的增程數(shù)據(jù)鏈(ERDL)是較早一代的彈藥數(shù)據(jù)鏈,可以傳輸從導(dǎo)彈發(fā)射到擊中目標期間的視頻圖像。現(xiàn)代彈藥數(shù)據(jù)鏈的功能更多,使飛機能夠控制飛行中的彈藥并重新瞄準。對遠程武器、尤其是待機時間較長的彈藥,數(shù)據(jù)鏈的應(yīng)用越來越多。除了具有飛行中重新瞄準能力,彈藥數(shù)據(jù)鏈還具有ISR功能。例如,英國“風(fēng)暴影子”巡航導(dǎo)彈就利用超高頻數(shù)據(jù)鏈進行作戰(zhàn)毀損評估。洛?馬公司正在為“未來作戰(zhàn)系統(tǒng)”研制的非直瞄發(fā)射系統(tǒng)(NLOS-LS)包括精確攻擊導(dǎo)彈(PAM)和待機攻擊導(dǎo)彈(LAM)。其中,LAM的滯空時間達30分鐘、射程110km,不僅能夠摧毀目標,而且可以通過數(shù)據(jù)鏈傳輸目標情報。LAM的數(shù)據(jù)鏈選用“士兵無線電波形”(SRW),在帶寬為1.2MHz時的傳輸速率為900Kbps~2.4Mbps,在帶寬為4MHz時的傳輸速率為8Mbps。這表明,隨著通信技術(shù)的進步,“非數(shù)據(jù)鏈路”能夠而且正在提供所需的鏈接能力。

圖:美軍未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)中的精確攻擊導(dǎo)彈(PAM)和待機攻擊導(dǎo)彈(LAM)采用SRW波形中的自適應(yīng)動態(tài)自組網(wǎng)技術(shù),可以在飛行過程中動態(tài)改變作戰(zhàn)任務(wù),從而能夠?qū)h程移動目標進行精確打擊。

(7) 無人機自組網(wǎng)
無人機在未來戰(zhàn)爭中的作用已經(jīng)被近年來的所有高科技局部戰(zhàn)爭,如伊拉克戰(zhàn)爭、阿富汗戰(zhàn)爭、以色列“鑄鉛行動”、格俄沖突所證實。美軍宣稱其F-35將會是最后一代有人戰(zhàn)機。我軍也在大力發(fā)展無人機技術(shù),并取得了長足的進展。
現(xiàn)代的高科技網(wǎng)絡(luò)化戰(zhàn)爭中,作戰(zhàn)焦點區(qū)域由空曠的野外轉(zhuǎn)為了城市巷戰(zhàn),小編成作戰(zhàn)單元(SUO),如一個班組,將成為作戰(zhàn)的主角,面對瞬間變化的戰(zhàn)場態(tài)勢要做出及時、正確的重新決策和遠程火力呼叫,在此過程中,無人機(UAV)能夠以非常好的空中視角來完成偵查和決策支持,作用不可替代。

圖:城市作戰(zhàn)的復(fù)雜環(huán)境和無人偵查機控制,多架無人機協(xié)同將指令和偵查圖像等數(shù)據(jù)傳遞給作戰(zhàn)人員,從而有效進行態(tài)勢感知和信息共享。

美國防部投資的異構(gòu)空基偵查小組(HART)項目,就是為此目的而展開。一個班組通過將無人機彈射或拋擲出去,從而獲得所關(guān)心區(qū)域的態(tài)勢圖像,若區(qū)域較大,則要需要多個無人機協(xié)同自組網(wǎng)。

圖:手拋式微型無人偵查機和無人機自組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)

軍用傳感器網(wǎng)絡(luò)

信息技術(shù)正推動著一場新的軍事變革。信息化戰(zhàn)爭要求作戰(zhàn)系統(tǒng)“看得明、反應(yīng)快、打得準”,誰在信息的獲取、傳輸、處理上占據(jù)優(yōu)勢(取得制信息權(quán)),誰就能掌握戰(zhàn)爭的主動權(quán)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以其獨特的優(yōu)勢,能在多種場合滿足軍事信息獲取的實時性、準確性、全面性等需求。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以協(xié)助實現(xiàn)有效的戰(zhàn)場態(tài)勢感知,滿足作戰(zhàn)力量“知己知彼”的要求。典型設(shè)想是用飛行器將大量微傳感器結(jié)點散布在戰(zhàn)場的廣闊地域,這些結(jié)點自組成網(wǎng),將戰(zhàn)場信息邊收集、邊傳輸、邊融合,為各參戰(zhàn)單位提供“各取所需”的情報服務(wù)。
根據(jù)白宮的信息技術(shù)專家介紹,計算機、通信及小型化技術(shù)進步正引導(dǎo)美軍進入一個新時代,在防御技術(shù)上產(chǎn)生“革命性”效果。隸屬于總統(tǒng)辦公廳的國家信息技術(shù)研究與發(fā)展綜合辦公室主任大衛(wèi)?納爾遜說,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),預(yù)示著為戰(zhàn)場上帶來新的電子眼和電子耳,“能夠在未來幾十年內(nèi)變革戰(zhàn)場環(huán)境”。

由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有密集型、隨機分布的特點,使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,使其非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,包括偵察敵情、監(jiān)控兵力、裝備和物資,判斷生物化學(xué)攻擊等多方面用途。友軍兵力、裝備、彈藥調(diào)配監(jiān)視;戰(zhàn)區(qū)監(jiān)控;敵方軍力的偵察;目標追蹤;戰(zhàn)爭損傷評估;核、生物和化學(xué)攻擊的探測與偵察等。
鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事應(yīng)用的巨大作用,引起了世界許多國家的軍事部門、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。美國自然科學(xué)基金委員會2003年制定了傳感器網(wǎng)絡(luò)研究計劃,投資3400萬美元,支持相關(guān)基礎(chǔ)理論的研究。美國國防部和各軍事部門都對傳感器網(wǎng)絡(luò)給予了高度重視,在C4ISR的基礎(chǔ)上提出了C4KISR計劃,強調(diào)戰(zhàn)場情報的感知能力、信息的綜合能力和信息的利用能力,把傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一個重要研究領(lǐng)域,設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。美國英特爾公司、美國微軟公司等信息工業(yè)界巨頭也開始了傳感器網(wǎng)絡(luò)方面的工作,紛紛設(shè)立或啟動相應(yīng)的行動計劃。日本、英國、意大利、巴西等國家也對傳感器網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)出了極大的興趣,紛紛展開了該領(lǐng)域的研究工作。

在軍事應(yīng)用中,與獨立的衛(wèi)星和地面雷達系統(tǒng)相比,傳感器網(wǎng)絡(luò)的潛在優(yōu)勢表現(xiàn)在以下幾個方面:
(1)分布節(jié)點中多角度和多方位信息的綜合有效地提高了信噪比,這一直是衛(wèi)星和雷達這類獨立系統(tǒng)難以克服的技術(shù)問題之一。
(2)傳感器網(wǎng)絡(luò)低成本、高冗余的設(shè)計原則為整個系統(tǒng)提供了較強容錯能力。
(3)傳感器節(jié)點與探測目標的近距離大大消除了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響。
(4)節(jié)點中多種傳感器的混合應(yīng)用有利于提高探測的性能指標。
(5)多節(jié)點聯(lián)合,形成覆蓋面積較大的實時探測區(qū)域。
(6)借助于個別具有移動能力的節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的調(diào)整能力,可以有效地消除探測區(qū)域內(nèi)的陰影和盲點。

這里收集了一些國家目前在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)軍事應(yīng)用方面的主要研究進展:

1) 智能微塵(smart dust)
智能微塵(smart dust)是一個具有電腦功能的超微型傳感器,它由微處理器、無線電收發(fā)裝置和使它們能夠組成一個無線網(wǎng)絡(luò)的軟件共同組成。將一些微塵散放在一定范圍內(nèi),它們就能夠相互定位,收集數(shù)據(jù)并向基站傳遞信息。近幾年,由于硅片技術(shù)和生產(chǎn)工藝的突飛猛進,集成有傳感器、計算電路、雙向無線通信模塊和供電模塊的微塵器件的體積已經(jīng)縮小到了沙粒般大小,但它卻包含了從信息收集、信息處理到信息發(fā)送所必需的全部部件。未來的智能微塵甚至可以懸浮在空中幾個小時,搜集、處理、發(fā)射信息,它能夠僅依靠微型電池工作多年。智能微塵的遠程傳感器芯片能夠跟蹤敵人的軍事行動,可以把大量智能微塵裝在宣傳品、子彈或炮彈中,在目標地點撒落下去,形成嚴密的監(jiān)視網(wǎng)絡(luò),敵國的軍事力量和人員、物資的流動自然一清二楚。

圖:智能塵埃,只有一個1元硬幣大小的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信、自組網(wǎng)傳輸?shù)哪芰?/span>。

2)目標定位網(wǎng)絡(luò)
目標定位網(wǎng)絡(luò)是戰(zhàn)場應(yīng)用實驗是美國國防高級研究計劃局主導(dǎo)的一個項目,它將實現(xiàn)系統(tǒng)和信息處理融合。項目的定量目標是建立包括10 ~100萬個計算節(jié)點的可靠、實時、分布式應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)。這些節(jié)點包括連接傳感器和作動器的物理和信息系統(tǒng)部件。該項目應(yīng)用了大量的微型傳感器、微電子、先進傳感器融合算法、自定位技術(shù)和信息技術(shù)方面的成果。項目的長期目標是實現(xiàn)傳感器信息的網(wǎng)絡(luò)中心分布和融合,顯著提高作戰(zhàn)態(tài)勢感知能力。2003年該項目成功驗證了能夠準確定位敵方狙擊手的傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它采用多個廉價音頻傳感協(xié)同定位敵方射手并標識在所有參戰(zhàn)人員的個人計算機中,三維空間的定位精度可達到1.5米,定位延遲達到2秒,甚至能顯示出敵方射手采用跪姿和站姿射擊的差異。

圖:狙擊手槍聲定位傳感器網(wǎng)絡(luò)檢測區(qū)域俯視圖和三維模擬。周邊布置的聲音傳感器通過進行自組網(wǎng)聯(lián)合檢測,可以準確獲知狙擊手的位置從而立即展開還擊與抓捕。

美國Cyrano Sciences公司已將化學(xué)劑檢測和數(shù)據(jù)解釋組合到一種專有的芯片技術(shù)中,稱為Cyrano NoseChip。基于這一技術(shù)可創(chuàng)建一個低成本的化學(xué)傳感器系統(tǒng),捕獲和解釋數(shù)據(jù),并提供實時告警,以應(yīng)付恐怖分子使用化學(xué)武器進行的攻擊。該系統(tǒng)在前端使用一個C320手持傳感器負責(zé)收集有關(guān)化學(xué)劑的數(shù)據(jù),該傳感建有與后方筆記本電腦的無線連接,電腦上運行著遠程監(jiān)控和服務(wù)器程序。該系統(tǒng)使用IBM公司的無線通信設(shè)備WebSphere MQ Everyplace傳輸數(shù)據(jù),這個手持設(shè)備還可以小型化為微小結(jié)點,部署到監(jiān)測環(huán)境中去,形成自主工作的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖:Cyrano NoseChip手持傳感器具有自組網(wǎng)功能,可以協(xié)作組網(wǎng)將化學(xué)武器信號傳遞給報警中心。

3)靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)

“靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)”(SSW: Smart Sensor Web)是美國陸軍提出的針對網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的需求所開發(fā)的新型傳感器網(wǎng)絡(luò)。其基本思想是在戰(zhàn)場上布設(shè)大量的傳感器以收集和中繼信息,并對相關(guān)原始數(shù)據(jù)進行過濾,然后再把那些重要的信息傳送到各數(shù)據(jù)融合中心,從而將大量的信息集成為一幅戰(zhàn)場全景圖,當參戰(zhàn)人員需要時可分發(fā)給他們,使其對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力大大提高。

SSW系統(tǒng)作為一個軍事戰(zhàn)術(shù)工具可向戰(zhàn)場指揮員提供一個從大型傳感器矩陣中得來的動態(tài)更新數(shù)據(jù)庫,并及時向相關(guān)作戰(zhàn)人員提供實時或近實時的戰(zhàn)場信息,包括通過有人和無人駕駛的地面車輛、無人駕駛飛機、空中、海上及衛(wèi)星中得到的高分辨率數(shù)字地圖、三維地形特征、多重頻譜圖形等信息。系統(tǒng)軟件將采用預(yù)先制定的標準來解讀傳感器的內(nèi)容,將它們與諸如公路、建筑、天氣、單元位置等前后相關(guān)信息,以及由其他傳感器輸入的信息相互關(guān)聯(lián),從而為交戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)提供諸如開火、裝甲車的行動以及爆炸等觸發(fā)傳感器的真實事件的實時信息。

SSW系統(tǒng)是關(guān)于傳感器基于網(wǎng)絡(luò)平臺的集成,這種集成是通過主體交互作用來實現(xiàn)的。例如,一個被觸發(fā)的傳感器主體可能會要求在其范圍內(nèi)激活其他傳感器,達到對前后相關(guān)信息的澄清和確認,該要求信息同來自氣候或武器層的SSW中的信息相結(jié)合,就生成一幅有關(guān)作戰(zhàn)環(huán)境的全景圖。

圖:靈巧傳感器網(wǎng)絡(luò)使軍隊對戰(zhàn)場態(tài)勢的感知能力大大提高。

4)無人值守傳感器群
2005年春夏之交那段日子,美國內(nèi)華達州Fallon海航站訓(xùn)練場各種各樣的典型雷達都以不同的姿態(tài)在運轉(zhuǎn)。而此刻在訓(xùn)練場各處隱蔽著的許多咖啡罐般大小的傳感器卻正在檢驗自己探測雷達信號的能力。這是美國防部和BAE公司在聯(lián)合進行“狼群”試驗。“狼群”是那些網(wǎng)絡(luò)化的咖啡罐大小的地面?zhèn)鞲衅鳌＿@種叫“狼群”的網(wǎng)絡(luò)化地面?zhèn)鞲衅鞯菆?標志著電子戰(zhàn)領(lǐng)域有了戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)的最新突破。

圖:狼群自組網(wǎng)節(jié)點(飛狼和地面狼),通過無人機撒播或地面遠程投擲,遍布在地方雷達站四周的“狼群”便可以通過自組網(wǎng)技術(shù)協(xié)作有效干擾敵方雷達,使得敵方變?yōu)椤懊@子”和“瞎子”,從而方寸大亂,近年來的高科技局部戰(zhàn)爭都證明了這一結(jié)論。

伊拉克反美武裝利用商用步話機進行組織聯(lián)絡(luò),增加了美軍傷亡。這種步話機體積很小,成本只有100美元,頻率40~50兆赫,通信距離10公里。由于它的信號為直序、擴頻信號,低于背景噪音,美軍現(xiàn)裝備的擅長捕捉常規(guī)信號的系統(tǒng)很難對它進行有效監(jiān)視?！袄侨骸逼鸪蹙褪菫榱藢Ω哆@種低功率通信威脅而開發(fā)的,之后又增加了巷戰(zhàn)、電子攻擊等功能。BAE公司先研制出了一種能偵聽敵方雷達和通信的小型地面?zhèn)鞲衅?稱之為“狼”。

“狼”是單只高304.8毫米、直徑120毫米的罐狀體小型化硬件。5只安裝了升級軟件的“狼”分布在臨近的地方,組成了一個“狼群”,其中1只“狼”按預(yù)編程序要求成為“頭狼”?！袄侨骸敝械摹袄恰睂崿F(xiàn)智能聯(lián)網(wǎng),相互間可進行通信聯(lián)絡(luò)。一只“狼”出了故障或遭敵毀壞,另外的“狼”可接替它的工作?！袄侨骸贝_定探測目標的識別、定位,并由“頭狼”向更大的網(wǎng)絡(luò)或傳感控制中心傳送獲得的信息。

“狼群”工作頻段覆蓋范圍為30MHz~20GHz,也就是說覆蓋了現(xiàn)有常用的雷達和通信工作頻率,因而能對目標的通信和雷達信號進行監(jiān)視和搜集?！袄侨骸笔亲灾蔚膭討B(tài)網(wǎng)絡(luò),能根據(jù)需要對“狼”調(diào)整分配任務(wù)。它可對正在運行的敵方通信網(wǎng)絡(luò)進行分析,確定敵方使用電子系統(tǒng)的工作模式和節(jié)點,并通過圖形在操作控制臺上顯示?！袄侨骸睂δ繕溯椛湓吹亩ㄎ痪瓤纱_保己方火力百發(fā)百中。
將“狼群”轉(zhuǎn)化成具有機載電子攻擊能力的最佳途徑是“狼群”借助航空器升空。BAE公司為此研制出了“飛狼”無人機?！帮w狼”是種直徑為1.22米、能垂直升降的小型無人機,因嵌入“狼”傳感器而得名。每架“飛狼”嵌入一只“狼”,幾架“飛狼”組成一個“飛狼群”?！帮w狼群”具有機動性強的特點,可到“狼群”不便布設(shè)的水域或地形復(fù)雜地區(qū)上空遂行電子戰(zhàn)任務(wù)。它可重新部署回收。如果將地面“狼群”網(wǎng)絡(luò)與空中“飛狼”聯(lián)網(wǎng),就會在更大空間掌握電子戰(zhàn)主動權(quán)。

圖:狼群自組網(wǎng)試驗地圖,通過撒播出去的“狼”自動聯(lián)網(wǎng),相互協(xié)作完成預(yù)定任務(wù),實施電子干擾和信息戰(zhàn)

5)戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)
美國陸軍最近確立了“戰(zhàn)場環(huán)境偵察與監(jiān)視系統(tǒng)”項目.該系統(tǒng)是一個智能化傳感器網(wǎng)絡(luò),可以更為詳盡、準確地探測到精確信息,如一些特殊地形地域的特種信息(登陸作戰(zhàn)中敵方岸灘的翔實地理特征信息,叢林地帶的地面堅硬度、干濕度)等,為更準確地制定戰(zhàn)斗行動方案提供情報依據(jù).它通過“數(shù)字化路標”作為傳輸工具,為各作戰(zhàn)平臺與單位提供“各取所需”的情報服務(wù),使情報偵察與獲取能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍.該系統(tǒng)組由撒布型微傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、機載和車載型偵察與探測設(shè)備等構(gòu)成.

6)傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)
美國海軍最近也確立了“傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)”研究項目.傳感器組網(wǎng)系統(tǒng)的核心是一套實時數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng).該系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的通信機制對從戰(zhàn)術(shù)級到戰(zhàn)略級的傳感器信息進行管理,而管理工作只需通過一臺專用的商用便攜機即可,不需要其他專用設(shè)備.該系統(tǒng)以現(xiàn)有的帶寬進行通信,并可協(xié)調(diào)來自地面和空中監(jiān)視傳感器以及太空監(jiān)視設(shè)備的信息.該系統(tǒng)可以部署到各級指揮單位.

7)防生化網(wǎng)絡(luò)
2002年5月,美國Sandia國家實驗室與美國能源部合作,共同研究能夠盡早發(fā)現(xiàn)以地鐵、車站等場所為目標的生化武器襲擊,并及時采取防范對策的系統(tǒng).該研究屬于美國能源部恐怖對策項目的重要一環(huán).該系統(tǒng)融檢測有毒氣體的化學(xué)傳感器和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)于一體.安裝在車站的傳感器一旦檢測到某種有害物質(zhì),就會自動向管理中心通報,自動進行引導(dǎo)旅客避難的廣播,并封鎖有關(guān)入口等.該系統(tǒng)除了能夠在專用管理中心進行監(jiān)視之外,還可以通過WWW進行遠程監(jiān)視.

8)網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)CEC
美國海軍最近開展的網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)能力(CEC)是一項革命性的技術(shù).CEC是一個無線網(wǎng)絡(luò),其感知數(shù)據(jù)是原始的雷達數(shù)據(jù).該系統(tǒng)適用于艦船或飛機戰(zhàn)斗群攜帶的電腦進行感知數(shù)據(jù)的處理.每艘戰(zhàn)船不但依賴于自己的雷達,還依靠其他戰(zhàn)船或者裝載CEC的戰(zhàn)機來獲取感知數(shù)據(jù).例如,一艘戰(zhàn)船除了從自己的雷達獲取數(shù)據(jù)以外,還從艦船戰(zhàn)斗群的20個以上的雷達中獲取數(shù)據(jù),也可以從鳥瞰戰(zhàn)場的戰(zhàn)機上獲取數(shù)據(jù).空中的傳感器負責(zé)偵察更大范圍的低空目標,這些傳感器也是網(wǎng)絡(luò)中重要的一部分.利用這些數(shù)據(jù)合成圖片具有很高的精度.由于CEC可以從多方面探測目標,極大地提高了測量精度.利用CEC數(shù)據(jù)可以準確地擊中目標.CEC還可以快速而準確地跟蹤混亂戰(zhàn)爭環(huán)境中的敵機和導(dǎo)彈,使戰(zhàn)船可以擊中多個地平線或地平線以上近海面飛行的超聲波目標.因此,即使是今天最先進的反艦巡航導(dǎo)彈也會被實時地監(jiān)測到并被擊中.

9)沙地直線(A Line in the Sand)
2003年8月,俄亥俄州開發(fā)“沙地直線”(A Line in the Sand),這是一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在國防高級研究計劃局的資助下,這個系統(tǒng)能夠散射電子絆網(wǎng)到任何地方,也就是到整個戰(zhàn)場,以偵測運動著的高金屬含量目標。這種能力意味著一個特殊的軍事用途,例如偵察和定位敵軍坦克和其他車輛。這項技術(shù)有著廣泛的應(yīng)用可能,正如所提及的這些現(xiàn)象,它不僅可以感覺到運動的或靜止的金屬,而且可以感覺到聲音、光線、溫度、化學(xué)物品,以及動植物的生理特征。

10)C4ISRT系統(tǒng)
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究直接推動了以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心的新軍事革命,誕生了網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)的思想和體系。傳感器網(wǎng)絡(luò)將會成為C4ISRT(指令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵查和瞄準)系統(tǒng)不可或缺的一部分.C4ISRT系統(tǒng)的目標是利用先進的高科技技術(shù),為未來的現(xiàn)代化戰(zhàn)爭設(shè)計一個集命令、控制、通信、計算、智能、監(jiān)視、偵察和定位于一體的戰(zhàn)場指揮系統(tǒng),受到了軍事發(fā)達國家的普遍重視.因為傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型、低成本、隨機分布的節(jié)點組成的,自組織性和容錯能力使其不會因為某些節(jié)點在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的崩潰,這一點是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無法比擬的,也正是這一點,使傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場環(huán)境中,包括監(jiān)控我軍兵力、裝備和物資,監(jiān)視沖突區(qū),偵察敵方地形和布防,定位攻擊目標,評估損失,偵察和探測核、生物和化學(xué)攻擊.在戰(zhàn)場,指揮員往往需要及時準確地了解部隊、武器裝備和軍用物資供給的情況,鋪設(shè)的傳感器將采集相應(yīng)的信息,并通過匯聚節(jié)點將數(shù)據(jù)送至指揮所,再轉(zhuǎn)發(fā)到指揮部,最后融合來自各戰(zhàn)場的數(shù)據(jù)形成我軍完備的戰(zhàn)區(qū)態(tài)勢圖.
在戰(zhàn)爭中,對沖突區(qū)和軍事要地的監(jiān)視也是至關(guān)重要當然,也可以直接將傳感器節(jié)點撒向敵方陣地,在敵方還未來得及反應(yīng)時迅速收集利于作戰(zhàn)的信息.傳感器網(wǎng)絡(luò)也可以為火控和制導(dǎo)系統(tǒng)提供準確的目標定位信息.在生物和化學(xué)戰(zhàn)中,利用傳感器網(wǎng)絡(luò)及時、準確地探測爆炸中心將會為我軍提供寶貴的反應(yīng)時間,從而最大可能地減小傷亡.傳感器網(wǎng)絡(luò)也可避免核反應(yīng)部隊直接暴露在核輻射的環(huán)境中.

11)先進布放式系統(tǒng)、瀕海機載超光譜傳感器和遠程微光成像系統(tǒng)
美海軍已經(jīng)選定多種水下系統(tǒng)和無人操作系統(tǒng),這些系統(tǒng)將于明年進行試驗,以促進服役裝備的現(xiàn)代化計劃。海軍還選定了要開展的若干技術(shù)研究項目,分別應(yīng)用于反潛戰(zhàn)中的高優(yōu)先領(lǐng)域、水下通信及無人潛航器。
對于反潛戰(zhàn),美國海軍將對三種系統(tǒng)進行試驗,使目前服役的裝備形成一個水下傳感器網(wǎng)絡(luò),能夠快速有效的偵察敵方潛艇。它們是"先進布放式系統(tǒng)"(ADS)、"瀕海機載超光譜傳感器"(LASH)和"遠程微光成像系統(tǒng)"。ADS是一種被動水下聲學(xué)傳感器網(wǎng)絡(luò)。它可以提供實時信息,在瀕海區(qū)域監(jiān)視敵方潛艇和水面艦艇。該系統(tǒng)正由洛克希德?馬丁公司研制,美海軍計劃把它部署在未來瀕海作戰(zhàn)艦上。
LASH系統(tǒng)利用非聲超光譜傳感器提供近實時的目標探測、分類和識別,用于反潛戰(zhàn)、搜索和營救,及區(qū)域繪圖。而非聲RULLI系統(tǒng)采用光子密度測量法來探測微光條件下和黑暗中的物體。在改善水下通信的速度和深度方面,將從以下四個項目對技術(shù)進行測試:"海洋網(wǎng)絡(luò)/子數(shù)據(jù)鏈2004"(SeaWeb/Sublink2004)、"戰(zhàn)術(shù)控制網(wǎng)絡(luò)水聲信息鏈"(TCN Hail)、"一次性系索浮標"和"先進聲通信系統(tǒng)"。
對現(xiàn)役裝備來說,"海洋網(wǎng)"是一種可自由部署的水下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它可以提供水下指揮、控制、通信和導(dǎo)航,采用"遠程聲吶調(diào)制解調(diào)器",能夠利用固定或移動的水下節(jié)點通過聲傳播來實現(xiàn)通信。
通信的速度和深度對于潛艇的發(fā)展來說至關(guān)重要,特別是改善了潛艇只能在海洋表面或潛望鏡深度以內(nèi)才可以通過衛(wèi)星的無線電頻率通信的問題。
同樣,TCN Hail也是利用聲學(xué)技術(shù),而利用無線電通信頻率的"一次性系索浮標"正在被發(fā)展成為供低成本的系索浮標系統(tǒng),可為潛航的潛艇提供實時通信。

12)NASA/JPL(噴氣推進實驗室)傳感器網(wǎng)

圖:NASA的空間探索計劃中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用模式示意圖

計劃始于1997年,NASA對傳感器網(wǎng)的興趣源自他們本希望在行星上部署這樣一個網(wǎng)絡(luò),而不是地球。NASA(美國航空航天局)噴氣推進實驗室的8位工程師組成的團隊正致力于新一代無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)。用這樣一個網(wǎng)絡(luò)來幫助控制環(huán)境和工業(yè)過程的潛力非常大。根據(jù)NASA/JPL,傳感器網(wǎng)的設(shè)計可以把對許多環(huán)境的監(jiān)控和控制擴展到許多領(lǐng)域,包括農(nóng)業(yè)和生態(tài)學(xué),安全和國土防御,也包括太空探索。目前為止傳感器網(wǎng)只是以監(jiān)控角色進行部署,不過其技術(shù)的核心概念已被證明可靠?，F(xiàn)在科研小組正在進行實驗,將傳感器網(wǎng)絡(luò)的功能從單純監(jiān)控擴展到對周圍環(huán)境做出反應(yīng)并進行控制。
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)源于軍事應(yīng)用,在軍事應(yīng)用中也最成熟。以上是對美國到目前為止在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的軍事應(yīng)用進行的初步總節(jié),相信在不遠的未來無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在軍事中的應(yīng)用將更加廣泛和更加重要。

13)軍隊后勤物流RFID網(wǎng)
RFID就是我們通常所說的射頻技術(shù),是一種利用射頻通信實現(xiàn)的非接觸式自動識別技術(shù)。RFID系統(tǒng)通常由標簽(TAG)、讀寫器(Reader)、天線、中間件等幾部分組成。由于其利用無線電波來傳送識別信息,不受空間限制,其最大的優(yōu)點就是可以對高速移動的遠距離目標進行非接觸式識別,這點是條碼等任何其他自動識別技術(shù)所不具備的。正是由于這一特性,RFID可以解決很多數(shù)據(jù)采集的瓶頸問題,因此在軍事物流領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
目前,就美軍而言其后勤系統(tǒng)將自動識別技術(shù)、全球運輸網(wǎng)絡(luò)、聯(lián)合資源信息庫和決策支撐系統(tǒng)等綜合在一起,依托其全球資產(chǎn)可視系統(tǒng)實現(xiàn)了在儲資產(chǎn)、周轉(zhuǎn)資產(chǎn)和在運資產(chǎn)的可視化,并向各級指揮員、物資管理部門、武器系統(tǒng)管理部門及相關(guān)用戶提供全部資產(chǎn)信息,包括其所在位置、類別、數(shù)量、狀況、特點等,從而使得相關(guān)部門可以全程跟蹤人員、裝備和物資等,并指揮和控制其接受、分發(fā)和使用,也就是通過這種技術(shù)系統(tǒng),美軍隨時掌握和配發(fā)所有彈藥物資,使物資的供應(yīng)和管理具有較高的透明度,使得后勤無后顧之憂,大大提高了保障的時效性。正是這種可視化的系統(tǒng),建造了一條戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)各個層次的軍事行動的后勤供應(yīng)可視性信息鏈。
軍事倉儲是軍事物流領(lǐng)域的重要組成部分,RFID在軍事倉儲中的應(yīng)用可以改變我軍當前傳統(tǒng)的倉儲方式,極大的提高我軍倉儲的效能。

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