WSN在航天器参量监测和多导弹作战中应用

王　杰，姚宜东，李　文，丁祝顺，李清洲

（1.北京航空航天大学自动化学院，北京100191；2.北京航天控制仪器研究所，北京100039）

WSN在航天器参量监测和多导弹作战中应用

王杰1，2，姚宜东2，李文2，丁祝顺2，李清洲2

（1.北京航空航天大学自动化学院，北京100191；2.北京航天控制仪器研究所，北京100039）

与日益成熟的无线通信技术相比，传统的有线线缆监测与通信逐渐显现出其缺点与不足。无线传感器网络（WSN）技术的出现为航空航天设备间的通信、各种参量的监测、多武器信息共享与协同作战等开辟了一种新的无线思路。讨论了无线技术应用于航空航天的发展趋势，结合WSN理论，分析了WSN技术在未来航空航天领域应用的可行性，并以航天器内环境参量监测及数据传输、多导弹信息共享与协同作战为例，给出WSN技术在未来航空航天上的应用模型。WSN技术在未来航空航天上的成功应用将进一步推进其智能化发展。

无线传感器网络；航空航天；无线通信；参量监测；多导弹；协同作战

0　引言

随着航空航天技术的进一步发展，为了更高效地完成多样化任务，对航空航天设备提出了高性能、高可靠、智能化、集成化、小型化、低功耗等更高的要求［1］。航空航天设备由于作业环境的特殊性，在体积、重量、能源、功耗等方面有着严格的要求，传统的有线电缆网通信方式不仅不利于航空航天设备的设计、集成、装备和测试，而且给系统的重量、功耗、线缆部署带来了巨大的压力。另外，随着信息化战争时代的到来，传统的单武器作战模式已经满足不了新战争环境需求，基于信息共享的多武器协同作战理念逐渐引起人们的重视并成为研究的热点［2］。无线传感器网络（WSN）技术作为一种新的无线个域网组网技术，以其出众的优点迅速在军事、工业、医疗、监测等领域得到广泛应用，人们也逐渐认识到其带来的便利。WSN技术的优点恰好迎合了航空航天发展的新需求，为航空航天的通信方式开辟了一种新的无线思路，在未来可以应用在航空航天器内环境参量无线监测、信息同步与共享、宇航员身体健康状况监测、多武器信息共享与协同作战等领域。

1　WSN技术简介

WSN技术出现于20个世纪80年代，由美国国防部高级研究计划署（DARPA）在分布式传感器研讨会上提出，被公认为21世纪改变未来的10大重要的技术之一［3］。WSN技术是传感器技术、通信技术、网络技术、计算机技术、嵌入式技术和微电子技术不断发展的综合产物。WSN系统的体系结构如图1所示，通常由传感器节点（sensor node）、汇聚节点（sink node）和管理节点（manager node）组成。通过部署在监测区的各类集成化微型传感器节点协作地实时感知、采集监测对象的信息，并通过自组织形成的无线网络将信息传送到汇聚节点，汇聚节点进行预处理后通过Internet网、移动通信或卫星通信传输给远程管理节点，实现信息实时监测与共享。

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

WSN自问世以来以其突出的优势迅速在众多领域得到广泛研究与应用。WSN具有如下特点：

1）无中心和自组织性。所有传感器节点具有同等地位，通过分布式算法来协调彼此行为，可以随时加入或离开网络，无需人工干预和其他网络设施。

2）协同工作。无线传感网中的节点可以随时进行节点间的信息交互，确定下一步的工作内容，协作完成监测任务。

3）立体空间多方位信息感知。WSN节点体积较小，甚至可以向尘埃一样悬浮在空中，可快速方便的部署在监测空间，实现信息多方位的立体感知。

4）易部署、多跳中继。可以通过抛洒、弹射、吸附等多种方式将传感器节点布设在监测区域；在传输距离较远时，可通过中继多跳方式将监测信息传输给终端节点，不受距离限制。

5）动态化的网络拓扑。传感器节点可以随时加入和离开网络、以任何方式和速度在网络中移动、随时关闭和开启射频通信，拓扑结构可动态改变和重建。

6）低功耗、高效率。

2　WSN技术在航空航天上应用的可行性分析

在WSN系统中，布设在不同部位的节点通过某种无线通信协议（蓝牙、红外、Zigbee、WIFI或自定义协议等）自组织形成无线个域网，协作地感知信息，实现信息在网络中的传输和共享，同时可以通过网络转换器实现与其他网络的通信。针对WSN技术在航空航天上应用的可行性，国内外众多航天机构和科研院校对其进行了多方面的研究与验证测试，并取得众多成果。2003年，美国Los Alamos国家实验室成功研制一种分布式传感器网络与集群计算系统，用于运载火箭动力系统的信息检测［4］；2005年，荷兰的Delft大学设计了自主式无线太阳敏感器，并成功在Dem-C3卫星上进行了演示验证［5-6］；2007年，NASA和ESA对多种常用无线协议用于航天器上的无线通信进行了研究，得出ZigBee技术适用于航天器内部进行环境监测［7］；2012年，哈尔滨工业大学卫星技术研究所与中国运载火箭技术研究院合作设计了一个通用的星内无线网络协议SWAN［8］。由国内外众多机构的研究和验证结果可见，基于无线通信技术的WSN技术在航空航天上的通信和监测等应用是具有可行性的。WSN可以通过灵活的网络结构组成星型、网状、树状等网络，实现航天空天设备参量监测和信息共享。

3　WSN技术在航天器参量监测中的应用和模型

3.1WSN技术在航天器参量监测中应用优势

传统航天器内的参量信息监测大部分通过有线线缆连接的方式来实现信息采集和传输，在航天器重量和体积有限的情况下，有线部署不仅存在布线困难问题，而且会给航天器的重量、结构设计、测试等带来压力。如果能将WSN技术成功应用于航天器内各种参量的监测和电子设备间的通信，将很好地解决以上问题。图2和图3是基于有线和WSN无线两种方式下测试系统示意图［9］，可以明显看出基于WSN方式测试系统的巨大优势，在不增加任何线缆的前提下，可随时增加和减少监测或测试设备，方便快捷，摆脱线缆连接的束缚。

3.2WSN技术在航天器参量监测中应用模型

WSN技术在航天器参量监测中应用的一种模型如下：将装配有监测传感器（如温度、湿度、气压、速度等传感器）或数据（如电压、电流、燃油等）采集器的普通节点安装在航天器内需要监测的位置；汇聚节点作为数据汇聚中心安装在网络的中心位置。WSN节点工作后自动进行网络搜索并通过无线通信协议自组织形成星型网、网状网或树形网，传感器监测数据或采集器采集数据在形成的无线网络中进行传输和实时共享。汇聚节点同时担当WSN个域网到航空航天器专用网的转换器，实现信息在WSN网和航空航天器专用网之间的实时传输和共享；同时可以结合无线传输的灵活性和有线传输的可靠性更加有效地实现航天器内参量信息的监测和传输、电子设备间的数据传输。基于WSN技术的航天器内参量监测与信息链路传输模型如图4所示。

图2　基于有线连接的综合测试系统Fig.2　Integrated test system based on cable connection

图3　基于WSN的综合测试系统Fig.3　Integrated test system based on WSN

4　WSN技术在多导弹协同作战中的应用和模型

4.1WSN技术在多导弹协同作战中应用优势

在未来智能化战场上，要求导弹不仅能自身精确制导，还要求其能够与其他导弹协同作战，组成多导弹协同作战组；导弹组进行信息的实时共享、协同作战，发挥多导弹群体作战效能最大化，更精确、更高效地完成打击任务。而多导弹协同作战首先需要解决的是作战信息实时共享的问题，涉及导弹协同作战组以什么样的方式通信、怎样组建协同作战网。WSN技术的出现为多导弹协同作战开辟了一种新的组网和通信思路。传统的多导弹协同作战中导弹之间通过卫星中转或雷达来实现信息交互，不仅在硬件设备上具有较高要求（需要安装卫星或雷达通信设备，对天线的尺寸、方向等具有特殊要求），而且给导弹的重量、功耗等带来了较大的压力，且一旦卫星被摧毁，导弹攻击群将失去攻击方向。在WSN理论基础上，提出基于WSN的多导弹协同作战方案。在基于WSN的多导弹协同作战中，每枚导弹都装配有体积小、功耗低、动态自组网的WSN节点，组成WSN多导弹协同作战网，实现实时的信息交互和共享。

4.2基于WSN的领弹与攻击弹组合协同作战模型

多导弹协同作战主要包括多弹齐射攻击、静默攻击、领弹与攻击弹组合、领弹-攻击弹-后续弹组合几种模式［10］。本文以领弹与攻击弹组合攻击为例，给出基于WSN的多导弹协同作战模型。在领弹与攻击弹组合攻击作战中，领弹负责探测目标数据信息，然后通过某种数据通信链向攻击弹分配攻击信息，并实时更新数据信息，攻击弹根据领弹命令指示协同打击目标。基于WSN的多导弹协同作战模型如图5所示，假设单个WSN节点覆盖范围为半径为R的球形空间区域。在基于WSN的多导弹协同作战模型中，领弹安装WSN汇聚节点，进行控制信息、作战信息的实时更新与协调；攻击弹上安装WSN普通节点，与领弹上的汇聚节点自组织形成网络，进行控制信息、作战信息实时共享。导弹发射后，攻击弹上配备的WSN节点会不停向领弹上的汇聚节点发起网络搜索，一旦进入WSN节点的通信范围，自动组成网络，攻击弹即加入领弹形成WSN多导弹协作网，可以与领弹进行实时通信。导弹上的WSN节点同时与导弹的控制系统相连，将相关控制命令信息实时反馈给导弹的控制系统，实现导弹姿态与动力学等相关控制；且可以在WSN节点上安装各种传感器，实现周围环境参量或攻击目标的信息监测。

图4　基于WSN技术参量监测和数据传输链路模型Fig.4　Parameter monitoring and data transmission model based on WSN technology

5　结论

智能化、集成化、小型化、低功耗、高性能、高可靠等是未来航空航天必然的发展趋势。无线通信技术的迅速崛起与日渐成熟为其在未来航空航天上的应用奠定了一定的基础。作为物联网核心技术的WSN技术，以其多方面的优势已在军事、医疗、环境监测等领域得到成功应用，必将在未来为航空航天的发展助上一臂之力。WSN技术未来可能广泛应用在航天器环境参量的监测和电子设备间通信、宇航员生命状况监测、飞机、多武器的协同作战等，推进航空航天的智能化发展的进程。本文结合WSN理论特点，分析了其在航空航天上应用的可行性与优势，并以参量监测和多导弹协同作战为例，给出了应用模型，可为WSN在未来航空航天上的应用研究提供一定的参考。WSN通信协议的安全性、无线电波的干扰、通信的稳定性和可靠性等是决定WSN能否在未来航空航天上成功应用的关键因素，是其在航空航天应用研究的重点。

图5　基于WSN的领弹-攻击弹作战模型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，检测技术与自动化装置专业，博士，研究方向为无线传感器网络技术应用、室内无线信号覆盖。