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无线传感器网络在军交运输战场环境感知中的应用研究

来源:万方期刊网  时间:2017-08-09 09:53:30  点击:

作者:李朋谕 杨竹苹

  摘要:随着战场环境的日趋复杂,传统的传感器网络越来越难以满足军交运输对战场感知的全面需求,因而需要一种能够全面掌握战场态势的新型无线传感器网络感知系统来获取复杂多变的战场信息。本文从无线传感器在军交领域的应用类型着手,以及需要解决的问题等方面,阐述其在军事交通运输中的应用。
  关键词:无线传感器网络;汽车运输;感知系统;
  一、引言
  随着战争方式的不断变化,战场环境也日趋复杂。军交运输作为后勤保障的中心环节、连接前后方的枢纽、部队行动的生命线,其重要性更是不言而喻。汽车运输勤务由于其运输方式的灵活性,更是成为战时运输保障的重要方式,因此非常有必要在汽车运输系统中增加战场环境感知系统,以提高战场存活率,使其最大限度的完成运输保障任务。
  二、无线传感器在军交运输环境感知中的实际应用
  建设现代化的部队,离不开强有力的军交保障。在战场环境中,由于运输分队的防护能力弱,常遭到敌方的重点打击,而现行的战场感知系统包括卫星和直升机侦察等方式存在成本昂贵、受天气影响较大、运行不便的情况,使得汽车分队的感知系统急需进行进一步的优化设计,而无线传感器网络由于其抗毁能力强,成本低,实用性强等优点,使得在未来军交汽车运输任务中将扮演越来越重要的角色。
  (一)无线传感器网络系统在军交领域所需传感器的类型
  汽车军事运输战场环境中3类动态目标(非武装人员、持武器士兵、车辆)和环境因素最常见。它们会产生6种基本能量域(光、机械、热、电、磁、化学)的变化,不同的目标需要采用不同的传感器采集所需信息。
  1.徒手人员
  热量、地震动、声间、化学、电场、视觉等方面,是徒手人员影响周围的环境的主要途径,通过传感器和仪器仪表可以观测到这些变化。
  使用红外传感器可以感测到人体的热量的变化,因为热量是以红外能量的方式向四周发散的。人员走动会引起地面自然频率回响的脉冲信号,这种信号以阻尼振荡方式通过地面进行传播,因此可以采用微震动传感器收集震动信号。脚步还会引起声音脉冲信号,它通过空气进行传播,并且与通过地面传播的地震动信号的传播速度不同,可以使用声响传感器收集这些信号。
  2.武装人员
  武装人员通常指的是持有枪支和其他含有铁质或金属的装备,这些装备产生的磁信号是区别于徒手人员的重要特征。这些磁材料通过对周围磁环境的扰动会产生磁信号,可以采用磁阻或磁通门传感器对这些信号进行收集。
  3.车辆
  车辆在战场中使用,会从热量、化学、声音、磁场、电场、视觉、地震动等七个方面影响周围环境。
  与人员相比,车辆的热信号特征更加明显,例如使用状态的车辆,其车头位置和尾气排气部位的温度都会比周围高。由于履带式车辆具有节奏的卡嗒声和履带振动声,使其具有非常明显的机械特征信号,同时产生极易被探测到的震动声波特征信号。与武装人员相比,车辆本身的金属物质含量更大,因而会对周围的电磁场产生更大的影响。除此以外,车辆在消耗燃油时会释放CO、CO2等化学物质。同时,车辆也反射、散射和吸收光信号。根据以上现象,可以使用相应的传感器进行车辆类型的目标探测。
  4.环境
  环境因素分为自然环境因素和人为环境因素,自然环境因素可以由气象传感器来进行实时监测和采集网络部署区域的气象数据信息;而人为的环境因素,在军事上需要着重强调的是核生化环境,在核、生、化武器使用过的地域或多或少都会存在有害物质残留,如核武器的放射性沾染和光辐射、生物武器的致病微生物和细菌毒素、化学武器的杀伤性毒剂。利用这些明显的特征,在军事运输中若要判断某未知地域的安全性,则可以用无人机或者以发射的方式投入探测型无线传感器来侦察该地域是否存在辐射和化学物质污染,最大程度的减少其对士兵生命安全造成的伤害,为军交运输提供强有力的保障。
  (二)在实际应用中需要解决的问题
  经过以上描述,我们得知无线传感器网络的优势是明显的,但由于目前技术的不成熟,使其并未在军事运输中得到广泛应用。经过查阅相关资料,我们得知主要存在以下几个关键问题。
  1.安全性问题
  为保证传感器网络中信息的安全性,需加强对传感器的加密设置和提高其辨识目标的能力,因此可以在通信前进行节点与节点的身份认证,即使被操纵,攻击者也很难获取其他节点的密钥信息。也可以建立密钥交换和管理方案,密钥管理方案保证节点被俘后,不会破坏整个网络,以保证整个网络的安全性。最好的方法就是保证信息只可被可信实体访问,这就需要经过数据加密和访问控制来实现。还有一种方法是限制信息量,例如一个节点需要通过其他节点的信息进行汇集处理,并且只传递结果,从而实现数据的匿名化。
  2.目标跟踪问题
  无线传感器网络在目标跟踪系统中的优势明显,但挑战也同时存在。在无线传感器网络中,由于缺少中心控制机制和中枢网络,导致无线通信的带宽非常有限。由于传感器节点能源和体积的限制,且极易受战场恶劣环境影响,使无线链路受到干扰,拓扑结构发生动态变化,而作战又对信息的及时性又有着很高的要求,这些方面都对无线传感器的各方面性能提出了很高的要求。
  3.能量限定问题
  电能决定着传感器网络的使用寿命,节点的电能一旦耗尽,其功能便宣布失效,由于节点的体积微小,所携带电池也十分有限,且工作时耗能量大,因此,低能耗便是无线传感器节点最主要的设计目标。要解决这个问题,可以设计低能耗的数字电路设计和系统集成,以及低能耗的相关控制电路,以求得在以紧凑的系统中,实现低能耗信号处理、低能耗计算、低电压、低成本的运行,延长使用期限。或者将数据进行融合,以降低数据的重叠程度,发送少而有用的数据,是延长生存寿命的一种方法。另外,设计可持续性供电设备也是一个重要的研究方向。例如设计从周围环境中提取能量而直接转化电能的集能型电源装置,在多种环境中都可以利用。
  三、结语
  信息化战争对信息的准确性和及时性都提出了很高的要求,谁在信息上取得主动权,谁就掌握了战争的主动权。无线传感器网络作为一种全新的信息获取和处理技术,以其独特的优势为战场环境的感知提供了广阔的平台,在军交领域中有着广泛的应用前景。本文介绍了无线传感器在未来在军交领域中的应用进行了简要阐释,并提出一些关键性问题,相信随着许多相关联的问题的不断解决,无线传感器网络在未来的军事领域会有更令人惊讶的技术支持作用。
 
 
 
  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[M].装备环境工程.2014.
  [2]胡曦明,董淑福,王晓东,狄旻珉.传感器网络战.信号与系统.2010.

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