e兵器之先锋 无人照管地面传感器

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  “未来的战争一定程度上可以称之为传感器战争。未来战场将布满各种传感器,它们既包括电视摄像机、激光雷达、成像雷达、微光夜视仪、制冷和非制冷热像仪等可视设备,也包括声传感器、震动传感器、磁传感器、气象传感器和探测生化战剂的传感器,当然也可能出现目前尚未问世或成熟的其它传感器。这些传感器将为指挥人员和士兵收集大量的战场态势信息,使他们拥有全面的信息优势,从而最大限度地增强他们的攻击威力。”
  这是美国陆军一位中将在“2005年陆军年度会议”上的一段发言,听起来像在描绘乔治·卢卡斯的《星球大战》,但实际上这一观点得到了许多军事专家的认可。而其中提到的传感器,主要是指无人照管地面传感器(英文为UnattendedGround Sensors,以下简称UGS)。
  顾名思义,UGS就是不需要人员现场照管的传感器,从原理上看其实和我们日常生活中司空见惯的电视监控系统非常相似。一套完整的UGS系统一般由传感器、信息传输设备和信息处理装置三部分组成。使用时,传感器被部署在感兴趣的区域,负责采集信息。这些信息通过传输设备到达远处的信息处理装置,呈现给操作人员。如此一来,操作人员就能从安全的距离上完成对预定区域的侦察。这就如同交警通过路口的摄像头,坐在监控中心察看路口交通情况一样。
  
  发展也有渊源
  
  UGS的首次大规模应用可以追溯到越南战争期间美军实施的“白色圆顶屋”行动。而到七八十年代,在长达20年的时间里,虽然有越来越多的国家加入这一研究行列,但其发展一直相对平稳,甚至稍嫌缓慢,在实际应用中取得成功的UGS系统寥寥无几。屈指算来,主要有美国的“遥控战场传感器系统”(REM—BASS)、“小型入侵探测系统”(MIDS)、“战术遥控传感器系统”(TRSS)以及英国的“隐蔽局部地域侵入者分类用传感器”(CLASSIC)。
  一个不容忽视的事实是,这一时期UGS系统开始在世界范围内得到推广应用。例如,雷卡无线电公司1982年推出的CLASSIC,先后被35个国家(包括12个北约国家)所采购,主要用于保护重要军用和民用设施,包括军事基地、机场、核电站、工厂等。而MIDS及其升级版——“增强型小型入侵探测系统”(EMIDs)前后共生产了数十万套,出口50多个国家,被广泛用于边境监视、缉毒及各种军事任务。值得一提的是,研制MIDS的桑迪亚国家实验室曾为“白色圆顶屋”行动提供技术支持,但由于自身没有生产能力,最终将MIDS的生产权转让给了Qual—Tron公司。
  从技术发展看,上述UGS系统与以往相比有三点变化格外引人注目。一是采用便携式设计,即系统将信息采集、传输和处理功能集为一体,并在尺寸和重量上能确保由单兵携带和操作。二是具备了远距离通信能力,可以将传感器采集到的信息以无线方式发送到数十千米以外。三是开始组合使用多种传感器,包括声、震动、红外和磁传感器,以便更准确地探测和识别目标。美国特种部队的制式UGS系统——“改进型遥控战场传感器系统”(IREMBASS)就是一个典型的例子。
  
  现今种类更多
  
  
  进入90年代以来,随着传感器、信号处理、电源、微机电系统等相关技术的迅速进步,UGS迎来了一个发展高潮。雷卡无线电公司在CLASSIC的基础上,于1997年推出CLASSIC 2000,其重量、尺寸和成本均有不同程度的减少。另一家英国公司——Wylan防御系统公司研制出名为“常设卫士”的UGS系统,独创性地使用了多普勒雷达探测和区分目标,如人员、动物、车辆等。法国陆军1998年完成试验的“直升机分类声信标”(BACH),可探测2~5千米处的轻型直升机和4~12千米处的重型直升机,其数据库内存储了10种直升机的声学特征数据,试验证明对这些目标的识别成功率达95%。以色列军械发展局开发的Gamma 2000系统,包含多达200个红外传感器装置,可监视周长达15千米的区域。美国L-3通信公司利用最新技术将IREMBAsS改进为REMBASSⅡ,后者2003年随“斯崔克”旅出现在伊拉克,至今仍被驻伊美军大量使用。与IREMBASS相比,REMBASSⅡ大幅度减小了重量和尺寸,但在其它性能上尚不足以成为新一代UGS系统的代表。
  90年代之前的系统仅能简单地探测和分类地面目标,新一代系统大多可以探测、分类和定位地面及空中目标,同时能将采集到的信息实时传送到更远的地方。Textron系统公司的“地形指挥者”就是一个很好的代表。该系统由传感器节点、辅助传感器和地面控制站组成。地面控制站是一台安装专用软件的便携式计算机,运行windOWS操作系统。辅助传感器可选用红外、震动、磁、压电、气象或核生化传感器,将主要作为传感器节点的补充,以提供更多的目标信息,这些信息将交由传感器节点处理。传感器节点现有两种选择,分别称为“光学-声-卫星通信综合传感器”(OASIS)和“空中投放声传感器”(ADAS)。OASIS采用声传感器和光电传感器(如彩色/黑白电视摄像机、热像仪、微光摄像机),可持续工作30天。其中,声传感器由于引入了先进的数字信号处理技术,最远能探测150米处的单兵、500米处的轻型卡车、2,5千米处的坦克和10千米处的直升机,并根据目标的特征信号区分地面车辆、舰艇、直升机和飞机,还可提示光电传感器进一步确认目标。光电传感器可识别150米处的单兵和500米处的车辆,并拍摄威胁目标的图像。这些图像经处理和压缩后,通过无线电通信设备或卫星通信链路传送至地面控制站。ADAS使用与OASIS相同的声传感器和信号处理器。但没有光电传感器,可空投或人工部署,空投后能自行直立和定位/定向。使用时,通常三个节点组成一组,若干组散布在一定区域内,形成战场侦察网络,据说这对远距离跟踪空中目标特别有效。
  目前,Textron系统公司正在为美国海军陆战队研制“先进空投传感器”(AADS)。这种UGS系统由空投单元和地面控制单元组成。空投单元包括传感器套件、管理软件、信号处理器、存储器、双向卫星通信接收机、全球定位系统接收机和电池,使用时由有人飞机或战术无人机从空中部署到地面,为地面部队提供远距离战场态势感知信息。不难理解,这种空投部署方式有利于提高部队对动态战场的快速反应能力,而无人机的使用还为未来无人化作战创造了条件。事实上,无人机在许多专家眼里是部署UGS的最佳工具。
  
  
  未来更富创意
  
  单就采集、传输和处理信息的能力而言,新一代UGS系统已足以完成多数 条件下的战场侦察任务,但军事需求似乎永远没有止境。1999年1月,美国陆军研究实验室组织了一次专家讨论会,主题是“UGS近期发展及技术挑战”。与会的许多专家一致认为,鉴于未来战场侦察的苛刻要求,将希望寄托在那些数量有限但技术复杂的传感器上是不明智的,由大量简单而廉价的传感器组成的分布式网络,很可能成为未来战场态势感知的信息源。
  这种分布式UGS网络在概念上其实很好理解,简单说就是将互联网理论移植到UGS的应用中,只不过这里计算机变成了传感器。设想一下,数百、数千甚至数万个传感器均匀分布在一个广大的战场空间,每个传感器昼夜不停地采集周围的态势信息,同时与相邻的传感器彼此交换信息,进行初步处理与核实后,近实时地将结果传送给后方的指挥员。这样一来,指挥员就会对整个战场态势一目了然。
  分布式UGS网络展示的前景无疑相当诱人,但所面临的挑战也超出一般想像。不仅要解决一系列基础设计问题,例如整个网络如何在动态的战场环境中正常运转,各传感器如何建立连接和保持通信,相邻传感器之间距离多少为宜,如何保证有价值的信息得到优先处理和传送等等,而且要开发许多关键技术,包括微型的传感器、电池、加速度计、高速数字信号处理器以及全新的网络协议、路由、协作处理算法、操作系统等。为此,美国军方自90年代末以来投入了大量研究力量,其中以国防高级研究计划局1999年开始的“灵巧灰尘”计划最为激动人心。
  “灵巧灰尘”计划谋求建立由成百上千个“尘埃”和询问器组成的巨大的分布式网络。“尘埃”就是体积仅1立方毫米的自主传感器节点,配有微型电子系统、电源和通信系统,可谓“麻雀虽小,五脏俱全”。询问器则用于询问网络并读出传感器数据。“灵巧灰尘”计划还有两项配套计划,分别是“灵巧灰尘传感器网”计划和“微型操作系统”计划,前者旨在开发大型传感器网络用的分布式信号处理、数据融合、推理算法以及支撑科学理论,后者则开发相应的操作系统,以解决动态环境中网络建立和管理问题。
  2001年3月,研究人员在野外演示了包括6个节点(“尘埃”)的传感器网络。这6个节点由飞行高度约30米的无人机部署,落在距离公路约20米的地方,相邻节点之间距离约5米。着陆后,它们将时钟同步,开始探测公路上的运动目标,并交换目标最靠近它们的时间信息,计算目标的数量及运动方向、速度。随后,无人机向地面网络发出询问信号,地面网络则应以目标行踪信息。最后,无人机返回基地,成功地将目标信息发送到地面站。
  演示中使用的传感器节点总重约25克(包括锂电池在内),由母板、传感器板和电源板组成,按设计可以探测到距离5米以上的轿车,或距离10米以上的公共汽车和卡车。
  “灵巧灰尘”计划在2001年底宣告结束,所发展的许多技术被国防高级研究计划局和美国军方其它一些研究机构用于各自的研究计划,包括“先进网络化微型UGS”计划、“微型传感器”计划,“低功率无线综合微型传感器”计划等。
  事实上,如今不仅美国在不遗余力地发展分布式UGS网络,欧洲一些国家以及俄罗斯、日本和我国也在积极研究相关技术,期望在未来的“传感器战争”中能占据有利“地形”。在这样一种形势下,我们有理由相信“传感器战争”将会加速变成现实。
  
  “白色圆顶屋”行动
  
  在越南战争时期,有一条著名的“胡志明小道”,据说共有5条主路、29条支路以及多条可通行自行车的小道,是南北一条重要的运输线。为了切断这条运输线。1966年。美国防部长麦克纳马拉提出在越南中部非军事区附近,沿东西向建立一条“高技术隔离带”,拦腰截断“胡志明小道”。这条隔离带总长约256千米,从海边开始,笔直穿过越南和老挝直到湄公河。形成所谓“麦克纳马拉防线”。由于胡志明部队强大的反击,越南段的工程后来被迫取消,美军最终只在老挝境内建起宽约16千米的隔离带,这被称为“白色圆顶屋”行动。
  
  在“白色圆顶屋”行动初期,美国空军和海军出动多架飞机,向隔离带内空投了大约20000个传感器——绝大多数是声和震动传感器,也有少量化学传感器,用以监测北越运输队的行踪。其中,声传感器由美国海军的声呐浮标临时加装传声器和电池而成,可以收集和发送周围的声音信号,例如人员的脚步声或车辆的马达声。它们有两种型号:一种长0,9米。重12千克,带有迷彩降落伞。空投后挂在树枝上;另一种长1,7米。重18千克,在地面工作。震动传感器长0,8米,重11千克,用于探测人员或车辆运动时产生的地面震动。化学传感器则探测人员出汗或排泄时散发的气味。不过,这些传感器无法将收集来的信号发送到。足够远的距离。因此,从1967年11月开始,EC-121R预警机开始不定期从泰国境内的空军基地起飞,在隔离带上空接收来自传感器的信号,再将这些信号实时转发到渗透监视中心。渗透监视中心位于泰国东部的那空帕农空军基地。技术人员在此分析EC-121R预警机发来的信号,经判断后迅速将相关信息通报给隔离带附近的地面部队或F-4机队,展开对北越运输队的追杀。
  “白色圆顶屋”行动一直持续到越南战争结束。但对其效果至今说法不一。美军方声称这一行动共摧毁了北越3500辆卡车,但有人认为这有谎报之嫌,因为1971年美国参议院在一份报告中指出,空军上报的1970年全年摧毁的北越卡车数量,远远超过当时北越可能拥有的卡车数量。不过。“白色圆顶屋”行动确实对破坏“胡志孵小道”发挥了重要作用。当然UGS在实际使用中也暴露了某些不足。例如,传感器尺寸偏大,容易被发现而遭到破坏,而且由于电池寿命较短,这些传感器只能持续工作几周,因此美军不得不隔一段时间就投放一批新的传感器。更严重的是,由于信号处理能力有限,这些传感器无法识别和过滤“假”信号(对声传感器而言,主要有自然界的风声、雨声、雷声,以及青蛙等动物的叫声),导致分析人员经常被接收到的信息所淹没,无法及时从中提取有价值的信息,从而延误了战机。
  [编辑/严晓峰]
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