智能地雷的组网技术

智能地雷的组网技术在一般人的印象中，地雷既无腿也无翅，是用于对付地面目标的一种防御性、被动性的杀伤武器。而我们这里所说的人工智能地雷是“有腿地雷”，既能蹦，也能跳，还能飞，能够主动、准确地探测跟踪坦克、装甲战车，垂直攻击坦克的顶部或腹部。这些地雷之所以能够获得“智能”，就是因为它和探测技术、传感器技术、微处理器技术等高新技术结合在一起，所以展现出前所未有的活力。80年代后期，欧美国家就已经开始探索研究对抗直升机的地雷系统AHMS。反直升机地雷可弥补现有防空武器系统的不足，其基本任务是用地雷探测和摧毁敌方超低空飞行的入侵直升机或者利用密集散布的反直升机地雷迫使直升机高飞，即便地雷无法攻击高空直升机，但便于用其他防空武器对其进行杀伤。从某种意义上来看，反直升机地雷的出现是地雷史上的一场深刻的革命。而我们在这场革命中，仍然是从“追踪国外先进技术”开始的。智能地雷是现代新概念弹药,其关键技术是声/震传感器阵列探测及组网通信技术。智能地雷是具有广域、自动寻找目标的第三代地雷,与传统地雷相比,它结合了传感器探测技术、无源定位技术、自寻的技术,通过传感器采集的信号区分目标类型,并对目标进行精确定位后主动实施攻击,即能够主动、准确地探测跟踪目标并实施攻击。国外从二十世纪六、七十年代投入大量的人力物力进行研究,如:美国AHM反直升机地雷、法国的Mazac声控反坦克地雷。随着无线传感器网络在军事领域的应用,为自动布设的智能地雷系统组网提供了技术基础。无线传感器网络节点可以通过飞机布撒或人工布置等方式,大量部署在被感知对象内部或者附近。这些节点通过自组织方式构成无线网络,以协作的方式实时感知、采集和处理网络覆盖区域中的信息。对无线传感器网络来说,其网络体系由分层的网络通信协议、传感器网络管理以及应用支撑技术三部分组成。1.智能地雷系统工作原理智能地雷用于反击武装直升机和坦克这些进攻性武器,可以人工布设,同时也借助于飞机或火箭进行自动布撒,从而封锁士兵无法深入战区军事项目。自动布撒地雷日益成为布设的发展趋势,不仅可以快速布设,而且可以对雷场的布设进行控制。另外就是智能化程度更高,自动布设后,自动组成智能网络,自动探测、识别并实现对目标的攻击与毁伤,具有协同作战的能力。操作人员与地雷之间,地雷与地雷之间可进行通信,以实现对雷场的计划、管理和使用,从而大幅度提高雷场的效能。智能地雷系统主要包括传感探测系统、通信/定位系统、主控系统、战斗部导向系统、战斗部等部分组成,如图1所示。图1XM93智能地雷的系统组系统的工作过程如下:当地雷利用火箭或飞机空投自动布撒到所需地域,触地后接通地雷电源,首先通信/定位分系统开始工作,由于是自动布设,每组内部地雷节点的位置不能预先精确设定,节点之间的相互邻居关系预先也不知道。因此首先要构建无线传感器网络,建立网络同步,发现网络拓扑,进行网络节点定位等,自动形成无线网络系统。通过先进的联网技术,雷场的地雷在十秒级时间建立一个无线传感器网络与时间同步,同时通过自含的测时定位机制确定各地雷相对位置及其坐标系,进入“值守”状态;当有目标“入侵”激励时,各节点微音器地震头按同步顺序发送本节点采集的地面空中目标信号,并接收场内其它地雷采集的数据,实现整个雷场地雷状态信息和传感器信息交换,对目标进行检测、测向定位并分类识别及航迹跟踪,做出决策判断,引导地雷战斗部随动瞄准并打击。同时自动监测网络自身“健康”状态与对破坏地雷的行人/车辆发起攻击。探测与识别系统采用了高技术传感器,具有全天候工作能力。当前应用最多的是声、震动、红外、激光、雷达技术以及声震动、声红外复合体制等,对反直升机地雷可以通过声传感器、震动传感器和信号处理器探寻直升机螺旋桨叶片的独特声响,并能分辨直升机的类型,实现对目标的探测、识别。同时分析和提取侦听的目标声音、地震辐射信号的时域、频域特征,并与本地存贮的各类目标特征库数据比较,对目标的属性和类型进行识别分类,区分敌我目标。在目标识别的基础上,基于随机分布式传感器网络的测向定位机制与简单快速算法,即在节点自定位和网络拓扑结构己知条件下,依据算法简单的目标定位机制,选择优化算法,首先实现目标当前瞬间的定位,然后将相继瞬间测定的目标位置集成并与目标动态模型进行拟合（即称为跟踪）,预报目标未来位置等,要求对目标定位跟踪满足火控要求的定位精度和响应速度（即实时性）,完成定位跟踪任务。战斗部根据目标的定位选择对应的攻击方位,同时随动系统能够及时可靠地响应,战斗部及时随动到目标所对应的方位,实现对目标的最佳方位攻击。当攻击坦克目标时,一般采用末敏弹技术进二次爆炸。对直升机目标作战,采用自锻破片或预制破片束直接攻击目标,从而阻止直升机目标超低空飞行,迫使其进入防空火力范围。网络拓扑结构发现/构建流程地雷组成的网络化智能雷场系统的方案和传感器美国TEXTRON防务系统公司研制的XM93广域地雷WAM°XM93被成为第一种灵巧地雷。即可人工布设，也可以由行驶中的卡车，MLRS多管火箭炮和ATACMS陆军战术导弹系统布设。布雷后，地雷展开八条稳定支架和一个传感器阵列。该阵列由三个微音器和一个地音探测器组成。在地雷内对这些传感器接收到的信号进行处理，对目标进行识别跟踪和定位。当广域地雷在100M半径内发现一个目标时，地雷上部旋转到对准预测的截击点，形成35度仰角，然后该地雷发射一个子弹药，含爆炸成形战斗部EFP白城双色红外线传感器，子弹药在探测到目标并在约20M高度起爆EFP战斗部，攻击坦克薄弱的顶装甲。TEXTRON公司反直升机地雷的声传感器比反坦克智能雷更远，从地面到200M高的空中，作用距离可达400M，该雷装有多级聚能EFP爆炸成形弹丸战斗部和双模传感器。网络拓扑结构发现/构建流程采用WLAN的CSMA/CA协议,采用侦听CSMA信道,使用RTS/CTS握手来避免冲突（CA）,其流程图如图2所示。当地雷布设就位,触地后接通地雷电源,通信/定位分系统首先进入接收状态,侦听有无其他地雷发射的信号。当收到信号时首先进行抗干扰处理,排除虚假信号。如果是虚假信号,重新进入接收侦听的过程;如果经判断是其它地雷发射的真实信号,则进入接收/同步过程。自动将自己的时钟同步到发射地雷的时钟上,并发出应答信号,请求分配时隙。当握手成功后,启动测距/定位程序。如果没有侦听到其他地雷发射的信号,该地雷发射RTS信号,争用信道,并进行冲突检测,如果检测到与其它地雷的发射冲突,进入接收/侦听状态,重复上述过程。如果不存在冲突,并收到了应答CTS信号,表示握手成功,进入测距/定位程序。构建相对坐标系,形成系统的拓扑结构。在建立地雷网络的拓扑结构的过程上,各地雷自然建立了时间同步系统,依次按序号选择时隙作为自己的发射时隙。地雷场的各个地雷组网使用时分制,网内的各个用户都分到发射时隙,它利用这些时隙播发或中继信息,网内所有用户都在其不发射的时隙进行收听。然后通信/定位分系统进入值守状态,同时启动传感器分系统开机值守。当有目标出现时,各传感器计算出目标的方位和距离,按时隙交换传感器采集的信息,并进行协同处理,选择距离目标最近的地雷,引导地雷战斗部随动瞄准并打击目标。组网保障技术实现数据传输功能软件本身并不复杂，其技术也很成熟。但基于雷场的特殊性，如何保障通信传输的稳定性和传输过程中信息的保密性是关键。要保障传输信息的稳定性，单靠提高传输信道的质量是比较困难的，因此需选择比较实用的编码技术，以有利于通过软件的方式对数据进行检错纠错;在信息安全方面，必须考虑快速有效的加密机制，使之既保障安全，又不影响数据处理的时效性。检错纠错方法的选择通信中常用的检错方法有奇偶校验、校验和以及CRC法。奇偶校验和校验和方法只能适用于一般的通讯传输，CRC法是目前最流行的检错方法，比较可靠，而且算法很多，也易于单片机编程。通信错误纠正的方法也很多，目前流行的是汉明码和瑞德一所罗门码。汉明码用一个奇偶检验来检测和识别一个字节中的单个错误，其适合应用在计算机存储中。在无线数据传输中，因噪声可能引发突发或连续错码，汉明码不能纠正此类错误，因此汉明码不适合在无线通信中应用，而瑞德一所罗门却适合这种情况，它象CRC一样，较依赖数字算法，也方便与软件实现。数据包大小的划分减少通信包的冗余度长度对提高信息传输的稳定性，减少误码，增强抗干扰能力也是有好处的。由于雷场中传递的主要是数字量信息，尽量缩短定位参数的字节长度是软件设计时需仔细考虑的问题。在雷场通信网络中，可以将数据包的长度控制在30个字节以内。加解密方案在雷场通信网络中，由于其通信距离相对较短，其无线传播幅射面积小，因此选用基于DES算法的端端加密方案，其特点就是软件编程容易，加解密速度快，而且用硬件方式时，可以做的很灵巧，便于应用于嵌人式环境。在自动布设的智能雷场中,地雷场内的各个地雷节点应具有自组网的能力。本文利用无线传感器网络组网技术,通过自含的测时定位机制,进行各地雷的网络拓扑关系建立和相对位置测量,确定各地雷相对坐标系,构建了地雷自组织网络。然后按同步顺序场内各地雷交换采集的数据,通过分析传感器采集到的数据,完成目标的检测、测向定位和分类识别,得到准确的目标方位,为战斗部提供精确的制导。通过多传感器协同,确定距离目标较近的地雷进行攻击,并引导该地雷战斗部随动瞄准,最终完成打击目标的任务。参考文献蔡宗义,赵俊渭,许学忠,陈华伟.多基阵声测被动定位及定位精度分析