传感器网络与网络中心战

摘要：网络中心战将成为未来信息化作战的主要作战模式，而传感器网络是实现网络中心战的技术关键。本文介绍了网络中心战的基本概念和构成，讨论了传感器网络的基本结构和功能。
关键词：网络中心战；传感器网络；自组网


1 前言
随着网络技术的发展，一种新的作战模式—网络中心战出现了。众所周知，空间和时间是军事行动中两个非常重要的要素，而网络可以将这两个要素很好的联系起来，因此，基于网络技术的巨大作用，网络中心战的提出和实施可以促进作战部队和作战环境之间的良好结合与互动。目前，这种新型的作战模式已给美国的军事变革带来了巨大的推动力。
2 网络中心战的基本概念
所谓网络中心战（NCW：network centric warfare），是通过战场各个作战单元的网络化，把信息优势变为作战优势，使各分散配置的部队共同感知战场态势，协调行动，从而发挥最大作战效能的作战样式。网络中心战是美军推进新军事革命的重要研究成果，其目的在于改进信息和指挥控制能力，以增强联合火力和对付目标所需要的能力。网络中心战是一种基于全新概念的战争，它与过去的消耗型战争有着本质上的不同，指挥行动的快速性和部队间的自同步使之成为快速有效的战争。
网络中心战的实质是利用计算机信息网络对处于各地的部队或士兵实施一体化指挥和控制，其核心是利用网络让所有作战力量实现信息共享，实时掌握战场态势，缩短决策时间，提高打击速度与精度。在网络中心战中，各级指挥官甚至普通士兵都可利用网络交换大量图文信息，并及时、迅速地交换意见，制定作战计划，解决各种问题，从而对敌人实施快速、精确及连续的打击。
网络中心战基本要点可概括为以下几点：
①强调作战的中心将由传统的平台转向网络；
②突出“信息就是战斗力，而且是战斗力的倍增器”；
③明确作战单元的网络化可产出高效的协调，即自我协调；
④增强作战的灵活性和适应性，为指挥人员提供更多的指挥作战方式。





以往作战行动主要是围绕武器平台（如坦克、军舰、飞机等）进行的，在行动过程中，各平台自行获取战场信息，然后指挥火力系统进行作战任务，平台自身的机动性有助于实施灵活的独立作战，但同时也限制了平台间信息的交流与共享能力，从而影响整体作战效能。正是由于计算机网络的出现，使平台与平台之间的信息交流与共享成为可能，从而使战场传感器、指挥中心与火力打击单元构成一个有机整体，实现真正意义上的联合作战，所以这种以网络为核心和纽带的网络中心战又可称为基于网络的战争。所以说，网络中心战的基本思想就是充分利用网络平台的网络优势，获取和巩固己方的信息优势，并且将这种信息优势转化为决策优势。与传统相比，网络中心战具有三个非常重要的优势：一是通过集结火力对共同目标同时交战；二是通过资源提高兵力保护；三是可形成更有效的、更迅速的“发现—控制”交战顺序。
3 网络中心战的基本构成
网络中心战的体系分为三级（如图1所示）：
第一级是战术级，使用具有协同作战能力（CEC）的复合跟踪网络；
第二级为战区级，应用16号数据链路等联合数据网络； 
第三级为战略级，运用全球指挥控制系统（GCCS）等联合计划网络。
网络中心战的网络结构由三个互相链接的部分组成：
①将所有战略、战区和战术级传感器得到的数据融合在一起，并迅速产生对战场空间态势感知的传感器网络。
②由主要武器系统组成的交战网络。
③对传感器网络和交战网络起支撑作用的信息网络。
下面，将主要论述传感器网络的特性和它在网络中心战中所起的作用。

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4 传感器网络的特点和应用
4.1 结构和特点
传感器网络是由一定数量的传感器节点通过某种有线或无线通信协议联结而成的测控系统。这些节点由传感器、数据处理和数据通信等功能模块构成，以集成方式设置在被测对象内部或附近，通常尺寸很小，具有低成本、低功耗、多功能等特点。
典型的传感器网络结构如图2所示，主控计算机通过传感器总线控制器与传感器总线上的多个节点通信并实现上层监控和决策功能，每个节点包含一个或多个传感器执行器以及总线接口模块，节点间的通信方式可以是对等的(Peer-to-Peer)或主从的(master-slave)。
传感器总线控制器主要管理总线上的通信，比如设置节点上传感器的采样速率以及周期性的诊断与检测传感器工作状态等。传感器总线是一种标推的双向数据与控制总线，针对不同的应用情况而采用不同的类型，通常称之为设备级控制网、现场总线或现场网络等，早期比较成功的总线类型有MPS(Michigan Parallel Standard)总线和IS2(Integrated Smart Sensor)总线等，目前在工业领域应用比较广泛的是CAN(Control Area Network)总线和以太网(Ethernet)。





传感器网络在通信机制上与通常的计算机网络有类似的地方，但是在本质上是完全不同的，前者的着眼点是信息的感知，而后者的着眼点是信息的传递。最主要的是，对于一个传感器网络来说，其节点由它的空间位置和传感器类型来共同确定，而一个普通的计算机网络节点只由一个唯一标识符确定；而且，传感器网络具有更好的容错性、实时性和对环境变化的自适应能力。此外，与传统传感器和传统测控系统相比，传感器网络具有明显的优势：它采用点对多点的传感器总线甚至无线连接，从而可大大减少电缆连线；在传感器节点端合并了模拟信号调理、数字信号处理和网络通信功能，使得节点具有自检功能；同时，系统性能与可靠性将明显提升，而成本明显减少。
目前在军事领域具有巨大应用潜力的传感器网络主要采用无线方式的自组网(Ad Hoc network)结构。所谓自组网是指一组带有无线收发装置的移动节点组成的一个自组织对等式多跳的临时性自治系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息，并发布给观察者。
传感器网络可以在传感器、感知对象和观察者这三个传感器网络的基本要素之间建立起有效的通信,以此协作地感知、采集、处理和发布感知信息。该网络中的部分或全部节点可以移动，它的拓扑结构和节点数目也可随着节点的移动而不断地动态变化；节点间以Ad Hoc方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。
作为节点的传感器主要包括可快速部署的传感器，如电视摄像机、激光雷达、成像雷达、微光计算机控制显示器（CCD）、冷和非冷的热摄像，以及多频谱成像仪等可视装置，也有激光测距仪和定位仪、气象传感器、生理状况传感器、地震、声音与磁场传感器以及探测化学和生物战剂的传感器等非图像传感器。节点各部分的协调工作由传感器的处理部件负责，比如对感知部件获取的信息进行必要的处理、保存，控制感知部件和电源的工作模式等。
传感器的通信部件负责与其他传感器或观察者的通信，软件则为传感器提供必要的系统和具体应用软件支持，如嵌入式操作系统、嵌入式数据库系统、针对具体应用开发的应用软件等。
传感器的布置可采用空投、机器人战车、无人机以及预先定位设备等方法。传感器网络中，各个传感器节点通常静态地或动态地随机分布于探测区域内，收集区域内的物理或化学变化信号，再将它们发送到网关节点。网关是具有更大处理能力的节点，它能够对相关信息作进一步的处理，并具有更大发送范围，从而可将有关信息发送到某个大型网络，使远程观察者也能使用该信息。
观察者是传感器网络的用户，是感知信息的接受和应用者。观察者可以是人，也可以是计算机或其他设备。例如，军事行动的各类人员都可以是传感器网络的观察者，一个由飞机携带的移动计算机也可以是传感器网络的观察者，一个交战网络中的某个武器系统也可以是传感器网络的观察者。根据信息的共享和融合机制，一个传感器网络可以有多个观察者；同理，一个观察者也可以是多个传感器网络的用户。观察者可以主动地查询或收集传感器网络的感知信息，也可以被动地接收传感器网络发布的信息。观察者将对感知信息进行观察、分析、挖掘、制定决策和计划，或对感知对象采取相应的行动。
感知对象是观察者感兴趣的监测目标，也是传感器网络的感知对象，如坦克、军队、动物、有害气体等。感知对象一般通过物理量、化学量或其他现象的数字量来表征，譬如，采用声音、压力等传感器可以侦探敌方阵地动静、人员和车辆行动情况，实现战场实时监测，以便对战场损失状况进行快速评估。一个传感器网络可以感知网络分布区域内的多个对象，一个对象也可以被多个传感器网络所感知。
传感器网络是通过一定的指挥控制程序进行管理的，这些自动运行的程序使得各个传感器所获得的信息可以在最短的时间内传送到武器系统的发射装置，从而使得对目标打击所需的反应时间大大缩短。
4.2 具体应用
美国军方最近提出的“灵巧传感器网络” （SSW：Smart Sensor Web）就是针对网络中心战的需求所开发的新型传感器网络。其基本思想是在战场上布设大量的传感器以收集和中继信息，并对相关原始数据进行过滤，然后再把那些重要的信息传送到各数据融合中心，从而将大量的信息集成为一幅战场全景图，当参战人员需要时可分发给他们，使其对战场态势的感知能力大大提高。
SSW系统作为一个军事战术工具可向战场指挥员提供一个从本地传感器大型矩阵中得来的动态更新数据库，并及时向相关作战人员提供实时或近实时的准确的战场信息，包括对通过有人和无人驾驶地面车辆、无人驾驶飞机、空中、海上及卫星中得到的高分辨率的数字地图、三维地形特征、多重频谱图形等信息。系统软件主体将采用预先制定的标准来翻译传感器的内容，将它们与诸如公路、建筑、天气、单元位置等前后相关信息，以及由其他传感器输入的信息相互关联，从而为交战网络提供诸如开火、装甲车的行动以及爆炸等触发传感器的真实事件的高级信息。
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SSW系统是关于传感器基于网络平台的集成，这种集成是通过主体交互作用来实现的。例如，一个被触发的传感器主体可能会要求在其范围内激活其他传感器，达到对前后相关信息的澄清和确认。该要求信息同来自气候或武器层的SSW“层”中的信息相结合，就生成一幅有关城市作战环境的综合图片。
SSW系统传感器主体采用ILOG开发的标准技术来实现，ILOG在Java、XML、以及C++软件方面处于全球领导地位，依照ILOG标准提供的商务标准管理软件工具是SSW工程的一个主要部分。ILOG标准技术的采用能对环境的变化、传感器数据处理的虚拟平行性以及传感器翻译理解的易处理性和易引导性做出瞬时反应。当触发传感器事件的起因消失时，基于标准的传感器主体能够保持信息连贯性，由标准方法实现的事实保持机制证实，所有基于产生的事件的推论都可收回，态势显示也因此可更新。ILOG网络化界面将允许用户在传感器管理中进行直接对话，系统将具备编辑和更新驱动传感器主体的标准的能力，而无需专门知识的管理专家。由于战术环境在发生变化，因此传感器和传感器主体将被重新配置以满足新的需求。ILOG标准技术还可实现传感器主体间的互相对话，使事件类型与传感器报告相结合，并参考该事件去查询其他存在的分散信息，得出一个完全透明的、明确的事件特征。所产生的信息可用来重新要求传感器去收集另外的信息，或仅使它们能够去实时跟踪该事件的发展。
5 结论
网络中心的提出与实施使得战争观念发生了重大转变，并产生了新的作战能力—即协同交战能力(CEC)。CEC的实质就是把高性能传感器网络与高性能交战网络有机地结合起来。高效的传感器网络能快速生成交战质量的态势信息，交战网络则可把这一态势信息转化成更高的作战能力。这一能力表现为对威胁的高概率回击，挫败以平台为中心的防御。CEC传感器网络融合来自多传感器的数据，产生具有交战质量的合成信息，该信息所产生的对作战空间的了解超过任何单独传感器所能获得的对作战空间的了解。显然，整体作战效能将大于各独立部分作战能力之和。
传感器网络是网络中心战实现的技术关键。关于传感器网络当前的研究热点很多，但是简单概括起来可包含五个方面：
①传感器网络的分布式处理技术与平台；
②抗复杂恶劣环境的多传感器融合算法；
③基于Ad-Hoc无线传感器网络；
④基于传感器网络数字化战场构建模式；
⑤传感器网络与交战网络的有机整合。
随着技术的进步和需求的扩展，网络中心战和传感器网络还将面临着新的问题。而且各国技术基础和体制上的差异也会引发一些新的研究课题，这都有赖于进一步的探索。