王　杰，姚宜東，李　文，丁祝順，李清洲

（1.北京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，北京100191；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

WSN在航天器參量監(jiān)測和多導(dǎo)彈作戰(zhàn)中應(yīng)用

王杰1，2，姚宜東2，李文2，丁祝順2，李清洲2

（1.北京航空航天大學(xué)自動化學(xué)院，北京100191；2.北京航天控制儀器研究所，北京100039）

與日益成熟的無線通信技術(shù)相比，傳統(tǒng)的有線線纜監(jiān)測與通信逐漸顯現(xiàn)出其缺點(diǎn)與不足。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的出現(xiàn)為航空航天設(shè)備間的通信、各種參量的監(jiān)測、多武器信息共享與協(xié)同作戰(zhàn)等開辟了一種新的無線思路。討論了無線技術(shù)應(yīng)用于航空航天的發(fā)展趨勢，結(jié)合WSN理論，分析了WSN技術(shù)在未來航空航天領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，并以航天器內(nèi)環(huán)境參量監(jiān)測及數(shù)據(jù)傳輸、多導(dǎo)彈信息共享與協(xié)同作戰(zhàn)為例，給出WSN技術(shù)在未來航空航天上的應(yīng)用模型。WSN技術(shù)在未來航空航天上的成功應(yīng)用將進(jìn)一步推進(jìn)其智能化發(fā)展。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；航空航天；無線通信；參量監(jiān)測；多導(dǎo)彈；協(xié)同作戰(zhàn)

0　引言

隨著航空航天技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，為了更高效地完成多樣化任務(wù)，對航空航天設(shè)備提出了高性能、高可靠、智能化、集成化、小型化、低功耗等更高的要求［1］。航空航天設(shè)備由于作業(yè)環(huán)境的特殊性，在體積、重量、能源、功耗等方面有著嚴(yán)格的要求，傳統(tǒng)的有線電纜網(wǎng)通信方式不僅不利于航空航天設(shè)備的設(shè)計、集成、裝備和測試，而且給系統(tǒng)的重量、功耗、線纜部署帶來了巨大的壓力。另外，隨著信息化戰(zhàn)爭時代的到來，傳統(tǒng)的單武器作戰(zhàn)模式已經(jīng)滿足不了新戰(zhàn)爭環(huán)境需求，基于信息共享的多武器協(xié)同作戰(zhàn)理念逐漸引起人們的重視并成為研究的熱點(diǎn)［2］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)作為一種新的無線個域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)，以其出眾的優(yōu)點(diǎn)迅速在軍事、工業(yè)、醫(yī)療、監(jiān)測等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，人們也逐漸認(rèn)識到其帶來的便利。WSN技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)恰好迎合了航空航天發(fā)展的新需求，為航空航天的通信方式開辟了一種新的無線思路，在未來可以應(yīng)用在航空航天器內(nèi)環(huán)境參量無線監(jiān)測、信息同步與共享、宇航員身體健康狀況監(jiān)測、多武器信息共享與協(xié)同作戰(zhàn)等領(lǐng)域。

1　WSN技術(shù)簡介

WSN技術(shù)出現(xiàn)于20個世紀(jì)80年代，由美國國防部高級研究計劃署（DARPA）在分布式傳感器研討會上提出，被公認(rèn)為21世紀(jì)改變未來的10大重要的技術(shù)之一［3］。WSN技術(shù)是傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和微電子技術(shù)不斷發(fā)展的綜合產(chǎn)物。WSN系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示，通常由傳感器節(jié)點(diǎn)（sensor node）、匯聚節(jié)點(diǎn)（sink node）和管理節(jié)點(diǎn)（manager node）組成。通過部署在監(jiān)測區(qū)的各類集成化微型傳感器節(jié)點(diǎn)協(xié)作地實(shí)時感知、采集監(jiān)測對象的信息，并通過自組織形成的無線網(wǎng)絡(luò)將信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行預(yù)處理后通過Internet網(wǎng)、移動通信或衛(wèi)星通信傳輸給遠(yuǎn)程管理節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)信息實(shí)時監(jiān)測與共享。

圖1　WSN的一般模型Fig.1　The general model of WSN

WSN自問世以來以其突出的優(yōu)勢迅速在眾多領(lǐng)域得到廣泛研究與應(yīng)用。WSN具有如下特點(diǎn)：

1）無中心和自組織性。所有傳感器節(jié)點(diǎn)具有同等地位，通過分布式算法來協(xié)調(diào)彼此行為，可以隨時加入或離開網(wǎng)絡(luò)，無需人工干預(yù)和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。

2）協(xié)同工作。無線傳感網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)可以隨時進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的信息交互，確定下一步的工作內(nèi)容，協(xié)作完成監(jiān)測任務(wù)。

3）立體空間多方位信息感知。WSN節(jié)點(diǎn)體積較小，甚至可以向塵埃一樣懸浮在空中，可快速方便的部署在監(jiān)測空間，實(shí)現(xiàn)信息多方位的立體感知。

4）易部署、多跳中繼?？梢酝ㄟ^拋灑、彈射、吸附等多種方式將傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)在監(jiān)測區(qū)域；在傳輸距離較遠(yuǎn)時，可通過中繼多跳方式將監(jiān)測信息傳輸給終端節(jié)點(diǎn)，不受距離限制。

5）動態(tài)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。傳感器?jié)點(diǎn)可以隨時加入和離開網(wǎng)絡(luò)、以任何方式和速度在網(wǎng)絡(luò)中移動、隨時關(guān)閉和開啟射頻通信，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可動態(tài)改變和重建。

6）低功耗、高效率。

2　WSN技術(shù)在航空航天上應(yīng)用的可行性分析

在WSN系統(tǒng)中，布設(shè)在不同部位的節(jié)點(diǎn)通過某種無線通信協(xié)議（藍(lán)牙、紅外、Zigbee、WIFI或自定義協(xié)議等）自組織形成無線個域網(wǎng)，協(xié)作地感知信息，實(shí)現(xiàn)信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸和共享，同時可以通過網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)與其他網(wǎng)絡(luò)的通信。針對WSN技術(shù)在航空航天上應(yīng)用的可行性，國內(nèi)外眾多航天機(jī)構(gòu)和科研院校對其進(jìn)行了多方面的研究與驗(yàn)證測試，并取得眾多成果。2003年，美國Los Alamos國家實(shí)驗(yàn)室成功研制一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)與集群計算系統(tǒng)，用于運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)的信息檢測［4］；2005年，荷蘭的Delft大學(xué)設(shè)計了自主式無線太陽敏感器，并成功在Dem-C3衛(wèi)星上進(jìn)行了演示驗(yàn)證［5-6］；2007年，NASA和ESA對多種常用無線協(xié)議用于航天器上的無線通信進(jìn)行了研究，得出ZigBee技術(shù)適用于航天器內(nèi)部進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測［7］；2012年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)衛(wèi)星技術(shù)研究所與中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院合作設(shè)計了一個通用的星內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議SWAN［8］。由國內(nèi)外眾多機(jī)構(gòu)的研究和驗(yàn)證結(jié)果可見，基于無線通信技術(shù)的WSN技術(shù)在航空航天上的通信和監(jiān)測等應(yīng)用是具有可行性的。WSN可以通過靈活的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成星型、網(wǎng)狀、樹狀等網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)航天空天設(shè)備參量監(jiān)測和信息共享。

3　WSN技術(shù)在航天器參量監(jiān)測中的應(yīng)用和模型

3.1WSN技術(shù)在航天器參量監(jiān)測中應(yīng)用優(yōu)勢

傳統(tǒng)航天器內(nèi)的參量信息監(jiān)測大部分通過有線線纜連接的方式來實(shí)現(xiàn)信息采集和傳輸，在航天器重量和體積有限的情況下，有線部署不僅存在布線困難問題，而且會給航天器的重量、結(jié)構(gòu)設(shè)計、測試等帶來壓力。如果能將WSN技術(shù)成功應(yīng)用于航天器內(nèi)各種參量的監(jiān)測和電子設(shè)備間的通信，將很好地解決以上問題。圖2和圖3是基于有線和WSN無線兩種方式下測試系統(tǒng)示意圖［9］，可以明顯看出基于WSN方式測試系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢，在不增加任何線纜的前提下，可隨時增加和減少監(jiān)測或測試設(shè)備，方便快捷，擺脫線纜連接的束縛。

3.2WSN技術(shù)在航天器參量監(jiān)測中應(yīng)用模型

WSN技術(shù)在航天器參量監(jiān)測中應(yīng)用的一種模型如下：將裝配有監(jiān)測傳感器（如溫度、濕度、氣壓、速度等傳感器）或數(shù)據(jù)（如電壓、電流、燃油等）采集器的普通節(jié)點(diǎn)安裝在航天器內(nèi)需要監(jiān)測的位置；匯聚節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)匯聚中心安裝在網(wǎng)絡(luò)的中心位置。WSN節(jié)點(diǎn)工作后自動進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)搜索并通過無線通信協(xié)議自組織形成星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)或樹形網(wǎng)，傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)或采集器采集數(shù)據(jù)在形成的無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸和實(shí)時共享。匯聚節(jié)點(diǎn)同時擔(dān)當(dāng)WSN個域網(wǎng)到航空航天器專用網(wǎng)的轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)信息在WSN網(wǎng)和航空航天器專用網(wǎng)之間的實(shí)時傳輸和共享；同時可以結(jié)合無線傳輸?shù)撵`活性和有線傳輸?shù)目煽啃愿佑行У貙?shí)現(xiàn)航天器內(nèi)參量信息的監(jiān)測和傳輸、電子設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。基于WSN技術(shù)的航天器內(nèi)參量監(jiān)測與信息鏈路傳輸模型如圖4所示。

圖2　基于有線連接的綜合測試系統(tǒng)Fig.2　Integrated test system based on cable connection

圖3　基于WSN的綜合測試系統(tǒng)Fig.3　Integrated test system based on WSN

4　WSN技術(shù)在多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)中的應(yīng)用和模型

4.1WSN技術(shù)在多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)中應(yīng)用優(yōu)勢

在未來智能化戰(zhàn)場上，要求導(dǎo)彈不僅能自身精確制導(dǎo)，還要求其能夠與其他導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)，組成多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)組；導(dǎo)彈組進(jìn)行信息的實(shí)時共享、協(xié)同作戰(zhàn)，發(fā)揮多導(dǎo)彈群體作戰(zhàn)效能最大化，更精確、更高效地完成打擊任務(wù)。而多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)首先需要解決的是作戰(zhàn)信息實(shí)時共享的問題，涉及導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)組以什么樣的方式通信、怎樣組建協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)。WSN技術(shù)的出現(xiàn)為多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)開辟了一種新的組網(wǎng)和通信思路。傳統(tǒng)的多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)中導(dǎo)彈之間通過衛(wèi)星中轉(zhuǎn)或雷達(dá)來實(shí)現(xiàn)信息交互，不僅在硬件設(shè)備上具有較高要求（需要安裝衛(wèi)星或雷達(dá)通信設(shè)備，對天線的尺寸、方向等具有特殊要求），而且給導(dǎo)彈的重量、功耗等帶來了較大的壓力，且一旦衛(wèi)星被摧毀，導(dǎo)彈攻擊群將失去攻擊方向。在WSN理論基礎(chǔ)上，提出基于WSN的多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)方案。在基于WSN的多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)中，每枚導(dǎo)彈都裝配有體積小、功耗低、動態(tài)自組網(wǎng)的WSN節(jié)點(diǎn)，組成WSN多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時的信息交互和共享。

4.2基于WSN的領(lǐng)彈與攻擊彈組合協(xié)同作戰(zhàn)模型

多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)主要包括多彈齊射攻擊、靜默攻擊、領(lǐng)彈與攻擊彈組合、領(lǐng)彈-攻擊彈-后續(xù)彈組合幾種模式［10］。本文以領(lǐng)彈與攻擊彈組合攻擊為例，給出基于WSN的多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模型。在領(lǐng)彈與攻擊彈組合攻擊作戰(zhàn)中，領(lǐng)彈負(fù)責(zé)探測目標(biāo)數(shù)據(jù)信息，然后通過某種數(shù)據(jù)通信鏈向攻擊彈分配攻擊信息，并實(shí)時更新數(shù)據(jù)信息，攻擊彈根據(jù)領(lǐng)彈命令指示協(xié)同打擊目標(biāo)。基于WSN的多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模型如圖5所示，假設(shè)單個WSN節(jié)點(diǎn)覆蓋范圍為半徑為R的球形空間區(qū)域。在基于WSN的多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)模型中，領(lǐng)彈安裝WSN匯聚節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行控制信息、作戰(zhàn)信息的實(shí)時更新與協(xié)調(diào)；攻擊彈上安裝WSN普通節(jié)點(diǎn)，與領(lǐng)彈上的匯聚節(jié)點(diǎn)自組織形成網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行控制信息、作戰(zhàn)信息實(shí)時共享。導(dǎo)彈發(fā)射后，攻擊彈上配備的WSN節(jié)點(diǎn)會不停向領(lǐng)彈上的匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起網(wǎng)絡(luò)搜索，一旦進(jìn)入WSN節(jié)點(diǎn)的通信范圍，自動組成網(wǎng)絡(luò)，攻擊彈即加入領(lǐng)彈形成WSN多導(dǎo)彈協(xié)作網(wǎng)，可以與領(lǐng)彈進(jìn)行實(shí)時通信。導(dǎo)彈上的WSN節(jié)點(diǎn)同時與導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)相連，將相關(guān)控制命令信息實(shí)時反饋給導(dǎo)彈的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈姿態(tài)與動力學(xué)等相關(guān)控制；且可以在WSN節(jié)點(diǎn)上安裝各種傳感器，實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境參量或攻擊目標(biāo)的信息監(jiān)測。

圖4　基于WSN技術(shù)參量監(jiān)測和數(shù)據(jù)傳輸鏈路模型Fig.4　Parameter monitoring and data transmission model based on WSN technology

5　結(jié)論

智能化、集成化、小型化、低功耗、高性能、高可靠等是未來航空航天必然的發(fā)展趨勢。無線通信技術(shù)的迅速崛起與日漸成熟為其在未來航空航天上的應(yīng)用奠定了一定的基礎(chǔ)。作為物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)的WSN技術(shù)，以其多方面的優(yōu)勢已在軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到成功應(yīng)用，必將在未來為航空航天的發(fā)展助上一臂之力。WSN技術(shù)未來可能廣泛應(yīng)用在航天器環(huán)境參量的監(jiān)測和電子設(shè)備間通信、宇航員生命狀況監(jiān)測、飛機(jī)、多武器的協(xié)同作戰(zhàn)等，推進(jìn)航空航天的智能化發(fā)展的進(jìn)程。本文結(jié)合WSN理論特點(diǎn)，分析了其在航空航天上應(yīng)用的可行性與優(yōu)勢，并以參量監(jiān)測和多導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)為例，給出了應(yīng)用模型，可為WSN在未來航空航天上的應(yīng)用研究提供一定的參考。WSN通信協(xié)議的安全性、無線電波的干擾、通信的穩(wěn)定性和可靠性等是決定WSN能否在未來航空航天上成功應(yīng)用的關(guān)鍵因素，是其在航空航天應(yīng)用研究的重點(diǎn)。

圖5　基于WSN的領(lǐng)彈-攻擊彈作戰(zhàn)模型Fig.5　Combat model of led missile-attacking missile based on WSN

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Application of WSN Technology on Parameter Monitoring in Spacecraft and Campaign with More Missile

WANG Jie1，2，YAO Yi-dong2，LI Wen2，DING Zhu-shun2，LI Qing-zhou2
（1.College ofAutomation Engineering，Beijing University ofAeronautics andAstronautics，Beijing 100191；2.Beijing Institute ofAerospace Control Devices，Beijing 100039）

Compared with the increasingly mature wireless communication technology，the traditional cable monitor and communication gradually shows its shortcomings and deficiencies.The emergence of wireless sensor network （WSN）technology opens up a new wireless thought for aeronautics and astronautics，such as the communication between the aerospace equipment，parameter monitoring，cooperative engagement with many weapons based on sharing information and so on.This paper discusses the development trend of the wireless technology used in the aerospace.Combined with the theory of WSN technology，paper analyzes the feasibility of WSN technology in the field of future aerospace applications.Taking the monitoring and data transmission of environment parameters in spacecraft and information sharing and cooperative engagement of more missile for example，two models are given to illustrate the application of WSN technology on future aeronautics and astronautics.The successful application of WSN technology in future aerospace and astronautics will promote its development of intelligent.

wireless sensor network（WSN）；aeronautics and astronautics；wireless communication；parameter monitoring；more missile；cooperative engagement

V19

A

1674-5558（2016）07-01085

10.3969/j.issn.1674-5558.2016.02.003

2015-03-12

王杰，男，檢測技術(shù)與自動化裝置專業(yè)，博士，研究方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用、室內(nèi)無線信號覆蓋。