基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统

1.一种基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统，由无线传感器节点硬件系统和对抗态势可视化信息显示平台组成，其特征是无线传感器节点硬件系统包括携带GPS接收器的传感器节点、普通不携带GPS接收器的传感器节点、增添PA功率放大器的传感器节点、网关节点和监控中心，携带GPS接收器的传感器节点由配备人员携带，携带GPS接收器的传感器节点从GPS卫星上获得经纬度坐标信息，各类数据感应器获得感知数据，通过传感器无线发送模块把感知数据和经纬度坐标信息以无线电方式分别传送到普通不携带GPS接收器的传感器节点和增添PA功率放大器的传感器节点，然后普通不携带GPS接收器的传感器节点和增添PA功率放大器的传感器节点以无线电方式传送到网关节点，最终到达监控中心；携带GPS接收器的传感器节点由一个GPS接收器和mica2传感器节点组成；普通不携带GPS接收器的传感器节点为mica2传感器节点；增添PA功率放大器的传感器节点是增添了PA功率放大电路的mica2传感器节点；网关节点是与监控中心相连的mica2传感器节点；监控中心是由一台高端服务器和多台计算机组成；普通不携带GPS接收器的传感器节点与增添PA功率放大器的传感器节点构成一个网状的拓扑监控区；对抗态势可视化信息显示平台包括串口数据通信模块、数据可视化信息显示模块以及数据存储模块，串口数据通信模块、数据可视化信息显示模块和数据存储模块相互连接，串口数据通信模块获得来自无线传感器网络中网关节点的数据包，对其进行CRC校验，然后交给数据可视化信息显示模块或数据存储模块；数据可视化信息显示模块获取来自串口数据通信模块或数据存储模块的数据，根据经纬度数据信息，绘制军演行动轨迹图，节点ID信息和感知数据信息分析双方战斗力状况以及整个对抗态势；数据存储模块储存来自串口数据通信模块的数据，并为数据可视化信息显示模块提供历史回放数据。
2.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统，其特征是所述的携带GPS接收器的传感器节点由微处理器、数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口、GPS接收器组成，微处理器分别与数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口、GPS接收器相连接。
3.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统，其特征是所述的普通不携带GPS接收器的传感器节点由微处理器、数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口组成，微处理器分别与数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口相连接。
4.根据权利要求1所述的基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统，其特征是所述的增添PA功率放大器的传感器节点由CC1000无线收发器、功率放大电路和收发开关器组成，CC1000无线收发器与功率放大电路相连接，功率放大电路与收发开关器相连接。

基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种战术对抗演习裁决辅助系统，尤其涉及一种基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统。\n背景技术\n[0002] 部队训练的最高层次是演习，而演习的最高层次是对抗。战术对抗训练是两个单位、指挥机构或临时训练编组，在一个导调机构的组织协调下，互为对手和条件，按相互对应的训练课题和各自的编制装备、作战理论，以模拟交战的方式所进行的战术训练。战术对抗训练包括对抗作业和对抗演习。对抗演习是对抗训练的高级形式，通常按战斗进程，在近似实战的环境条件下实施。其具有内容的完整性、时间的连续性和效果的检验性等特征。战术对抗训练可以检查部队战术训练水平、首长机关的组织能力、研究和探索新的作战理论及战法等。战术对抗主要分为兵棋对抗、计算机模拟对抗和实兵对抗三种形式。\n[0003] 随着现代传感器网络的发展，无线传感器网络技术走向成熟，基于无线传感器网络技术的第三代人员定位跟踪系统成为近年来的研究热点。因此WSN技术在国防领域方面的应用，更具有国家战略意义与社会经济意义。随着无线传感器网络技术的提出，人们对军演乃至战场信息的捕捉有了新的认识。早在1978年美国国防部计划署(DARPA)，开始资助卡耐基梅隆大学进行分布式传感器网络的研究。1992年，美国军方在海湾战争中成功地应用无线烟尘传感器节点GPS系统，将敌方战场活动信息传给指挥部，实时进行定点轰炸，在战场上发挥了关键使用。自2002年始，美国国防部和各军事部门都对无线传感器网络给予了高度重视，其C4KISR计划，强调战场情报的感知能力、信息的综合能力、和信息的利用能力，把无线传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列军事传感器网络研究项目，陆军的“微型传感器网络通信”、海军的“网状传感器系统”，将使今天最先进的反舰巡航导弹也会被实时监测并被击中。\n[0004] 由此可知，无线传感器网络应用于军事是一种趋势，而真正把无线传感器网络技术应用于军演裁决辅助系统的就很少，或者相应的成本太高而无法实现。无线传感器网络是基于IEEE802.15.4的无线通信协议，具有功耗低，自组织，环境适应能力强等特点。因此非常适用于像军事演习这样的野外大型区域。\n[0005] 目前，无线传感器网络主要应用于医疗护理，环境监测和保护以及军事领域。当前国内研究机构如中科院、清华大学、国防科技大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对无线传感器网络进行了跟踪研究。但真正把无线传感器网络技术应用于军事对抗演习的研究和实现的报道很少。\n发明内容\n[0006] 本发明的目的在于提供一种基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统，构建一套低成本的，低功耗的野外大型无线传感器网络，避免传统通过高空直升机拍摄以及战地报道有线传送方式的弱点。\n[0007] 本发明是这样来实现的，由无线传感器节点硬件系统和对抗态势可视化信息显示平台组成，无线传感器节点硬件系统包括携带GPS接收器的传感器节点、普通不携带GPS接收器的传感器节点、增添PA功率放大器的传感器节点、网关节点和监控中心，其特征是携带GPS接收器的传感器节点由配备人员携带，携带GPS接收器的传感器节点从GPS卫星上获得经纬度坐标信息，各类数据感应器获得感知数据，通过传感器无线发送模块把感知数据和经纬度坐标信息以无线电方式分别传送到普通不携带GPS接收器的传感器节点和增添PA功率放大器的传感器节点，然后普通不携带GPS接收器的传感器节点和增添PA功率放大器的传感器节点以无线电方式传送到网关节点，最终到达监控中心；携带GPS接收器的传感器节点由一个GPS接收器和mica2传感器节点组成；普通不携带GPS接收器的传感器节点为mica2传感器节点；增添PA功率放大器的传感器节点是增添了PA功率放大电路的mica2传感器节点；网关节点是与监控中心相连的mica2传感器节点；监控中心是由一台高端服务器和多台计算机组成；普通不携带GPS接收器的传感器节点与增添PA功率放大器的传感器节点构成一个网状的拓扑监控区；对抗态势可视化信息显示平台包括串口数据通信模块、数据可视化信息显示模块以及数据存储模块，串口数据通信模块、数据可视化信息显示模块和数据存储模块相互连接，串口数据通信模块获得来自无线传感器网络中网关节点的数据包，对其进行CRC校验，然后交给数据可视化信息显示模块或数据存储模块；数据可视化信息显示模块获取来自串口数据通信模块或数据存储模块的数据，根据经纬度数据信息，绘制军演行动轨迹图，节点ID信息和感知数据信息分析双方战斗力状况以及整个对抗态势；数据存储模块储存来自串口数据通信模块的数据，并为数据可视化信息显示模块提供历史回放数据。\n[0008] 所述的携带GPS接收器的传感器节点由微处理器(Atmega128L)、数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口、GPS接收器组成，其特征是微处理器(Atmega128L)分别与数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口、GPS接收器相连接。\n[0009] 所述的普通不携带GPS接收器的传感器节点由微处理器(Atmega128L)、数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口组成，其特征是微处理器(Atmega128L)分别与数据存取器、CC1000无线收发器、各类数据感应器、LED指示灯、按键、RS232接口相连接。\n[0010] 所述的增添PA功率放大电路的传感器节点由CC1000无线收发器、功率放大电路和收发开关器组成，其特征是CC1000无线收发器与功率放大电路相连接，功率放大电路与收发开关器相连接。\n[0011] 本发明的优点是：采用无线传感器网络低成本、低功耗、自组织的技术特点，构建大规模军演区域监控网络，避免了以往传统军演裁决辅助手段所带来的高成本，高消耗以及低效率的缺陷。\n附图说明\n[0012] 图1为本发明的网络示意图。\n[0013] 图2为本发明携带GPS接收器的传感器节点的结构方框图。\n[0014] 图3为本发明普通不携带GPS接收器的传感器节点的结构方框图。\n[0015] 图4为本发明增添PA功率放大电路的传感器节点的结构方框图。\n[0016] 图5为本发明的对抗态势可视化信息显示平台模块结构图。\n[0017] 图6为本发明的对抗态势可视化信息显示平台串口数据通信模块软件流程结构图。\n[0018] 图7为本发明的对抗态势可视化信息显示平台数据可视化信息显示模块软件流程结构图。\n具体实施方式\n[0019] 如图1所述，基于无线传感器网络的战术对抗演习裁决辅助系统中的无线传感器网络分为携带有GPS接收器的传感器节点1、普通不携带GPS的传感器节点2、增添PA功率放大器的传感器节点3、网关节点4和监控中心5。携带有GPS接收器的传感器节点1由一个GPS模块和mica2传感器节点组成；普通不携带GPS接收器的传感器节点是mica2传感器节点；增添PA功率放大器的传感器节点3是增添了PA功率放大电路的mica2传感器节点；网关节点4是与监控中心5相连的mica2传感器节点；监控中心是由普通计算机组成。\n普通不携带GPS接收器的传感器节点与增添PA功率放大器的传感器节点构成一个网状的拓扑监控区。携带GPS接收器的传感器节点由配备人员携带，GPS接收器获得经纬度坐标信息，各类感应器获得感知数据，通过传感器无线发送模块把经纬度坐标信息和感知数据以无线电方式传送到网关节点，最终到监控中心。网关节点与监控中心高端服务器相连，可以获得电源能量补充。\n[0020] 如图2所述，无线传感器节点的内部硬件模块结构连接关系为：微处理器(Atmega128L)分别与数据存取器，CC1000无线收发器，各类数据感应器，LED指示灯，RS232接口相连接。微处理器(Atmega128L)内置4KB的RAM，CC1000收发器工作在433MHz频段，采用IEEE802.15.4标准无线发送协议。LED指示灯表明当前节点的运行状态，RS232接口用来烧制节点程序。数据感应器主要是光感传感器、温度传感器、湿度传感器和声音传感器；数据感应器将采集到的感知数据输入到微处理器(Atmega128L)，经过处理之后通过CC1000无线发送器发送到邻近的无线传感器节点，通过网关节点，最终到达监控中心。无线传感器节点采用两节AA电池提供电源。\n[0021] 如图3所述，携带GPS接收器的无线传感器节点内部硬件模块结构连接关系为：微处理器(Atmega128L)分别与数据存取器，CC1000无线收发器，各类数据感应器，LED指示灯，RS232接口，GPS接收器相连接。GPS接收器收到GPS卫星定位信息后，把经纬度位置信息传送给微处理器(Atmega128L)处理，然后通过CC1000无线收发器发送到邻近的无线传感器节点，通过网关节点，最终到达监控中心。携带GPS接收器的无线传感器节点无线信号发射状态的软件实现过程如下：GPS模块与CC1000无线接收器串口数据接收组件导通，并周期性读串口数据信息，进行数据格式匹配检验，提取经纬度信息，然后按照1EEE802.15.4通信协议格式进行打包，最终通过无线信号发送模块组件无线广播发送；在此过程中，对获取的GPS数据进行差分处理，并开辟数据缓存空间，减少无线数据包在整个无线传感器网络中的负荷传输以及提高无线数据包被成功传送的概率；由于无线传感器携带GPS接收器，其采用容量为2600mAh锂电池提供电源。\n[0022] 如图4所述，增添PA功率放大电路的无线传感器节点内部结构连接关系为：\nCC1000无线收发器与HIMARK PA2460功率放大电路相连，HIMARK PA2460功率放大电路与收发开关器相连。其工作原理：无线信号通过CC1000无线收发器发出时，通过PA功率放大器，使得发射功率放大，最终通过天线向网络放射无线信号；其在接收无线信号时，未通过PA功率放大器。其软件实现过程如下：导通数据引脚，并对相应引脚进行初始化设置，使CC1000无线收发器在无线信号发送状态时，放大发射功率强度，增大无线信号发射半径；\n当检测到无线信号数据包时，首先对其进行CRC数据校验，提取数据包信息，对其进行新鲜度检验，若是最新数据，则通过无线发送模块进行发送，否则，丢弃数据包；增添PA功率放大电路的无线传感器节点峰值功率达到2W，无障碍稳定通信半径可达2公里。\n[0023] 如图5所述，对抗态势可视化信息显示平台中主要分为串口数据通信模块、数据可视化显示模块和数据存储模块，串口数据通信模块获得来自无线传感器网络中网关节点数据包，进行CRC校验与解包处理，并交给数据可视化显示模块和数据存储模块，数据可视化显示模块获取来自串口通信模块数据进行实时军演显示，获取数据存储模块数据进行军演历史回放显示，数据存储模块把获得的数据包按属性列分段存储在数据表中，其中包括角色属性表(CharacterTable)和位置信息数据表(PosDataTable)。\n[0024] 如图6所述，对抗态势可视化信息显示平台中串口数据通信模块实现过程如下：\n首先对抗态势可视化信息显示平台在启动时，对串口数据通信模块进行初始化，选择波特率为57600以及监听端口号，并开辟数据缓存空间，然后对所获得的串口数据包进行CRC校验；若数据包通过CRC校验，且数据格式匹配，则交给数据可视化信息显示模块或数据存储模块进行进一步处理；否则，丢弃数据包；其关键点是对数据包解包时0x7E、0x7D字段的特殊处理，连续的“7D5D”需解包为0x7D，连续的“7D 5E”需解包为0x7E。\n[0025] 如图7所述，对抗态势可视化信息显示平台中数据可视化信息显示模块软件实现过程如下：对抗态势可视化信息显示平台启动时，首先进行军演地图加载以及相应的初始化过程，其中用到MapX5.0控件，其中军演地图是用MapInfo8.0进行地理信息配准的，然后周期性地获取来自串口数据通信模块或数据库的数据，根据数据包节点号ID信息，经纬度地理位置信息，在军演图层上绘制军演行动轨迹图；数据可视化信息显示模块主要包括军演实时显示模块与军演历史回放显示模块。\n[0026] 军演实时显示模块：\n[0027] 首先对参演部队进行初始化，以班为单位匹配一个携带GPS模块的传感器节点ID信息，并在数据存储模块中保存，然后获取来自串口数据通信模块的数据，判断节点ID信息，军种类别，新加入的ID信息，用不同的图标标识在军演地图上，且根据军种类别使用不同色彩；已有的ID节点信息，则根据经纬度数据信息与原有的图标描点连线，同属一方的参演部队军种用相同色彩标识，如参演部队分为红方与蓝方，红方采用红色描绘军事路线，蓝方用蓝色描绘军事路线；在时间T内，根据串口获得的数据信息(主要是节点ID信息和感知数据信息)，周期性地用不同色彩和数据更新某方参演部队战斗力状态，并实时显示整个战争态势状况。\n[0028] 军演历史回放显示模块：\n[0029] 首先获取来自数据库中的原始数据，选取回放的军演时间段，选择需要选择查看的军演部队，将读取的历史数据分段播放，避免大量数据读取时，造成播放不流畅的后果；\n历史回放过程中，对历史数据进行了数据分析，由经纬度和时间的相关信息，判断整个军演态势的发展状况，在整个军演过程中，把参演部队态势分为5种：部队行进状态(A)、部队聚集状态(B)、两军对垒对战状态(C)、部队围追状态(D)和部队败退状态(E)；并采用包络线描绘整个战争态势。\n[0030] A.部队行进状态：\n[0031] 在时间T内，根据经纬度信息计算部队移动速度，若部队基本保持稳定的前进方向，则在军演地图上标识部队行进状态。\n[0032] B.部队聚集状态：\n[0033] 在时间T内，根据经纬度坐标信息判断，若某方有多支部队在同一区域范围内，坐标没有太大的变化，且在距离D附近没有敌方部队出现，则在军演地图上标识为部队聚集状态。\n[0034] C.两军对垒对战状态：\n[0035] 在时间T内，根据前面的相关态势分析，以及经纬度信息，若在同一区域范围内有不同军种部队出现，且在距离D以内，经纬度坐标没有大的变化，则在军演地图上标识两军对垒对战状态。\n[0036] D.部队围追状态：\n[0037] 在时间T内，根据前面的相关态势分析，以及经纬度信息，若双方行进方向基本一致，且距离保持在D以内，经纬度坐标变化大，则在军演地图上根据行进方向，标识部队围追状态。\n[0038] E.部队败退状态：\n[0039] 在时间T内，根据前面的相关态势分析，以及经纬度信息，若双方行进方向基本一致，且距离保持在D以内，经纬度坐标变化大，则在军演地图上根据行进方向，标识部队败退状态。