网络化值守弹药自组织与自定位技术研究

山西淮海工业集团有限公司　李红社　胡小林　包艳萍　田堂勇

网络化值守弹药自组织与自定位技术研究

山西淮海工业集团有限公司李红社胡小林包艳萍田堂勇

本文针对值守弹药的网络化需求，提出了适合网络化值守弹药引信采用的无线网络自组织和节点自定位方法。该方法可有效地建立并维护无线网络，节点自定位精度满足网络化值守弹药应用需求。实验表明，无线通信协议稳定可靠，节点自定位精度可保证在2m以内。

网络化引信；值守弹药引信；无线组网；定位

引言

为了满足信息化战争的要求和对战场划分信息栅格的需要［1］，以及克服传统地雷等值守弹药在布设后状态不可控，误伤概率大和战后清理困难等缺点，网络化值守弹药引信在传统引信的探测识别、安全与起爆等功能基础上，增加了网络化自组织功能［2］和弹药节点自定位功能，即将弹药置于网络之中，使得弹药节点之间或弹药与指挥站之间可以双向通信。网络化值守弹药应具有低成本、通用化、模块化等特点，自主建立无线网络并维护网络拓扑，在数据链路层通信协议上应采用频分多址技术，从而避免多个节点在同一时刻竞争发送造成同频干扰，即在同一时刻，网络中只有一个节点处于发送状态［3-4］，其余节点处于接收状态或休眠状态。网络化弹药的协同决策必须建立在已知各弹药节点坐标的情况下，虽然弹药节点可以采用GPS或北斗定位系统完成地理坐标的确定，但是在某些极端战场条件下，GPS和北斗定位系统可能接收不到卫星定位信号从而不能完成定位任务。在完成网络化弹药节点相对定位后，整个网络仍可通过至少3个GPS或北斗定位系统完成整个网络的相对坐标到全球绝对地理坐标的转换，实现整个无线网络的定位。网络化弹药的网络化及定位功能能够利用分散的网络拓扑，使得弹药协同处理、协同攻击，从整个弹药网络全局完成攻击决策，并可将目标及弹药自身信息传回控制站和接收控制站指令完成目标攻击，极大地提高了值守弹药的作战效能［5］。本文针对此问题，提出了网络化值守弹药引信可采取的无线网络自组织和网络节点自定位方法。

1无线网络自组织

网络化弹药引信在硬件上具有相同的结构，仅在写入内存的固件软件上有所不同，且每个固件中设置了唯一确定的逻辑地址（ID），从而确定了网络化弹药节点的身份信息，在无线网络通信和定位中，发送方通过在所发送的信息中添加目的节点的逻辑地址，而接收方通过开启逻辑地址匹配完成信息的接收，从而完成节点间信息的互换。为了保证发送方的信息准确地传送到接收方而不因互相干扰造成发送失败，在无线信道分配中可采用频分多址接入（FDMA）、码分多址接入（CDMA）、时分多址接入（TDMA）或随机直接接入等方法，然而在实际应用中，由于频分多址需要不同的硬件支持，码分多址需要设计不同的正交码，计算较为复杂，都不适合网络化弹药应用，时分多址技术由于逻辑简单、算法可靠，仅需保证某一时刻网络中只有一个节点处于发送状态，就可保证信息的可靠传输。

1.1无线通信协议

时分多址信道接入技术一般可分为固定分配的帧时隙信道接入技术和按需分配的信道接入技术。固定分配的信道接入技术将时间分割成周期性的时间帧，每个时间帧再分割成若干个时隙，因此只要保证节点之间的时间同步，每个时隙应都是独立的且不重叠的，保证了信号传输互相不干扰。然而，由于时间同步算法本身存在的同步误差和时钟漂移引起的基准误差的存在，在使用中设定的时隙需要在实际需要的时隙的基础上增加一个裕量，且每运行一段时间就需要进行一次时间同步，当时间同步失败时，往往造成节点间竞争发送，使得信道堵塞。

按需分配的信道接入技术即网络按照某种设定循环顺序询问每个节点是否有数据需要传输，如果有，则该节点获得无线信道的占有权并开始发送数据，否则网络立即转向下一个节点。按需分配的信道接入技术按照询问的不同方式又分为集中式控制和分布式控制两种类型，分布式控制由于在节点数量巨大且数量变化频繁时易造成控制流紊乱，缺点较为明显，而集中式控制的代表方法为轮询法，即在网络中选举出调度节点，调度节点拥有信道的绝对控制权并保存了网络中各节点的逻辑地址，因此调度节点可按照网络中各节点的逻辑地址依次将信道控制权临时赋予网络中各节点，其余节点接管信道后，立即发送数据，并在数据发送完毕后将信道控制权归还给调度节点，完成一次数据传输，如图1所示。若节点在临时拥有信道控制权后，不能在调度节点所设定的通信时间窗内完成数据传输，或完成数据传输后没有成功将信道控制权归还给调度节点，调度节点将强制收回信道控制权，并通知该节点已失去信道控制权。由于轮询法采用了集中控制的方式，因此避免了固定时隙法需要时间同步的麻烦，且易于控制，比较适合网络化值守弹药应用。

图1　节点调度时序图

1.2调度节点选取

调度节点按照网络内存在的节点逻辑地址排名和节点电能为准则选取，即同一网络中，在节点电源能量均满足的条件下，调度节点的选取优先级按照逻辑地址从前到后排列，逻辑地址靠前的节点优先成为调度节点。首先，初始化完成的节点向周围广播自己的逻辑地址，并要求成为整个网络的调度节点，其余节点接收该节点的广播信息，并将其逻辑地址与自己的逻辑地址比较，当该节点的逻辑地址在自己的逻辑地址之前时，返回同意其成为调度节点的确认帧，并要求加入该网络；若接收到的节点逻辑地址在自己的逻辑地址之后，则立即向周围广播自己的逻辑地址，并申请成为调度节点，直至选举出调度节点。

在调度节点选取后，调度节点负责维护网络内的节点逻辑地址列表，并适时进行网络点名，从而消除已经起爆或失效的节点。当新的节点要求加入网络时，调度节点将该节点的逻辑地址加入网络逻辑地址列表中，此节点即加入了该网络，成为遵循调度节点控制的一员。若调度节点由于能量不足、起爆或失效后，在设定的最大无调度时间过后，网络中各节点将重启调度节点的选举，选取出下一个调度节点。

2网络节点自定位

网络节点自定位方法一般采用基于测距的定位方法，测距方法包括接收信号强度（Received Signal Strength Indication，RSSI）的方法，信号到达时间（Time of Arrival，TOA）的方法，信号到达时间差（Time Difference ofArrival，TDOA）的方法和信号传播时延（Time ofFlight，TOF）的方法。

RSSI方法可以应用在大多数的无线通信技术中。但是，由于接收信号强度易受环境影响，如信号的反射和折射等，因此信号传播模型严重依赖于特定的环境，只有事先采集该环境的信息并建立精确的信号传播模型后，RSSI所测量的距离值才能够保证精确，因此不适用于环境不固定的网络化弹药应用。TOA和TDOA分别测量发送节点和接收节点之间的信号传播的时间和时间差，测距精度较高，但是测距精度是建立在节点间精确的时间同步的基础上，而精确的时间同步本身算法复杂，且需节点间大量的信息交换。TOF方法通过测量节点间信号往复一周的传播延迟时间来计算节点间的距离，因此避免了时钟同步。首先，节点1发送数据包给节点2并开始计时t1，节点2收到节点1发送的数据包后开始计时t2，经过节点2计算处理后，停止计时t2并将包含t2的数据包返回到节点1，当节点1收到节点2返回的数据包后，停止t1的计时，并从返回的数据包中取出延迟时间t2，信号在节点1和节点2间传播的时间即为tP=（t1-t2）/2，此时间乘以无线电信号传播速度即为节点之间距离。

在节点之间的距离确定后，根据三边定位原理即可确定未知节点的坐标，如图2所示。

图2　三边定位原理图

其中，已知节点A、B、C的坐标分别为（xA，yA）、（xB，yB）和（xC，yC），未知节点坐标D到A、B、C的距离分别为dA、dB和dC，则节点D的坐标（xD，yD）可由（1）式计算获得。

由三边定位原理依次获得网络中各节点的坐标后，即建立了网络化弹药节点的相对定位，整个网络仍可通过至少3个GPS或北斗定位系统完成整个网络的相对定位到全球绝对地理坐标的转换，实现整个无线网络的定位。

3实验验证

实验采用6个网络化弹药节点验证无线网络自组织和网络节点自定位的有效性。首先，6个网络化弹药节点排列成一个规则的矩形，相邻两节点间的距离为20m，则全部6个节点间的距离如表1所示。

网络化弹药节点上电后，各节点完成初始化并选举节点1成为调度节点，之后调度节点依次赋予其余节点信道控制权，并计算各节点之间的距离，得出各节点相对坐标如图3所示，其中△为节点真实坐标，*为节点自定位坐标。实验结果表明，所提出的无线组网方法有效，相对定位误差大多在2m以内。

表1　6个节点间相互距离

图3　6节点自定位效果

4结论

本文提出了网络化值守弹药引信可采用的无线网络自组织和网络节点自定位方法，使用该方法网络化值守弹药可自主建立并维护无线网络，并通过网络节点自定位方法确定节点自身的唯一地理坐标。实验结果表明，所提出的方法适合网络化值守弹药应用，下一步研究应在考虑多径效应及非视线传输上开展。

［1］郭义华，仇建伟.信息栅格：未来网络中心战的信息基础设施 ［J］.计算机工程与设计，2007，28（20）：5076-5078.

［2］马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感器网络综述 ［J］.通信学报，2004，25（4）：114-124.

［3］穆磊，姜春兰，李明.基于TDMA的战场无线传感器网络节点低功耗通信协议实现［J］.科技导报，2010，28（18）：75-79.

［4］王陆江，张伟，张敬忠.基于TDMA的无线传感器网络时隙分配算法［J］.计算机工程与设计，2008，29（7）：1706-1708.

［5］程鑫轶，姜春兰，李明.网络化弹药系统设计实现［J］.弹箭与制导学报（网络优先出版），2013.