摘要：由于雷達(dá)探測(cè)存在盲區(qū),低空與超低空飛行的入侵目標(biāo)給雷達(dá)防御系統(tǒng)帶來(lái)困難與威脅?；贕PS技術(shù)、多傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)出一種分布式多傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn),把遠(yuǎn)程分布的多傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)所探測(cè)到的信息實(shí)時(shí)、有效地匯集在一起,實(shí)現(xiàn)超遠(yuǎn)距離的多傳感器信息融合,實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn),可彌補(bǔ)雷達(dá)防御系統(tǒng)存在的漏洞,有效地杜絕雷達(dá)防御系統(tǒng)存在的安全隱患。
1 引言
由于電磁波是沿直線傳播的，受地球曲率的限制以及山地的影響，使雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)生盲區(qū)， 看不到低空與超低空飛行的目標(biāo)，所以低空目標(biāo)給雷達(dá)探測(cè)帶來(lái)困難與威脅。為了及早地發(fā) 現(xiàn)和探測(cè)中、低空，特別是超低空高速入侵的*、武裝直升機(jī)等，就要解決遠(yuǎn)程探測(cè) 目標(biāo)的問(wèn)題。目前主要采用發(fā)展低空補(bǔ)盲雷達(dá)、采用升空平臺(tái)監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)（如空中預(yù)警機(jī) 系統(tǒng)、系留氣球載雷達(dá)系統(tǒng)、飛艇載雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)等）、改進(jìn)和提高雷達(dá)的低空探測(cè)性能等 幾種措施，提高雷達(dá)對(duì)空、對(duì)海警戒的作用距離[1]。這些措施有效地提高雷達(dá)對(duì)空、對(duì)海警 戒的作用距離，但造成了防御成本的大規(guī)模增加、雷達(dá)載體目標(biāo)暴露易遭受對(duì)方的攻擊等， 同時(shí)仍然存在著探測(cè)盲區(qū)，使安全防御系統(tǒng)存在一定的隱患。
針對(duì)以上問(wèn)題，本文提出利用 MSP430F133 嵌入式微處理器設(shè)計(jì)出一種分布式多傳感 器探測(cè)節(jié)點(diǎn)，可隨機(jī)地分散地設(shè)置在雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)的盲區(qū)，利用GPS 系統(tǒng)授時(shí)和定位、利 用多傳感器提供觀測(cè)數(shù)據(jù)、利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行多傳感器信息融合，實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理，獲取狀態(tài)估計(jì)、目標(biāo)屬性、行為意圖、態(tài)勢(shì)*估、威脅分析和輔助決 策等，可彌補(bǔ)雷達(dá)防御系統(tǒng)存在的不足之處，杜絕安全防御系統(tǒng)存在的隱患[2-4]。
2 分布式多傳感器信息融合系統(tǒng)總體框架
整個(gè)分布式多傳感器信息融合系統(tǒng)由若干個(gè)不規(guī)則分布的多傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)、 INTERNET 網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控中心服務(wù)器、交換機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、多傳感器信息 融合終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制終端等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
當(dāng)探測(cè)目標(biāo)進(jìn)入到多傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)所能夠探測(cè)到的區(qū)域內(nèi)，探測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)通信模塊 （GPRS 模塊）把傳送數(shù)據(jù)分組，無(wú)線傳送到GPRS 網(wǎng)絡(luò)，再經(jīng)INTERNET 網(wǎng)把數(shù)據(jù)傳送 到監(jiān)控中心服務(wù)器上。
監(jiān)控中心服務(wù)器實(shí)時(shí)接收各探測(cè)節(jié)點(diǎn)傳遞過(guò)來(lái)得信息，并通過(guò)交換機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、 應(yīng)用服務(wù)器、多傳感器信息融合終端和探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。
信息融合終端對(duì)監(jiān)控中心服務(wù)器收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)其它服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換 實(shí)現(xiàn)信息融合，實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理，來(lái)獲取狀態(tài)估計(jì)、目標(biāo)屬性、行為意圖、 態(tài)勢(shì)*估、威脅分析和輔助決策等。
探測(cè)節(jié)點(diǎn)控制終端傳送各種指令到各探測(cè)節(jié)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀況，并對(duì)各探 測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。
布式傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件部分主要由通信模塊（GPRS 模塊）、GPS 模塊、存儲(chǔ)模塊、 電源模塊、時(shí)鐘模塊、復(fù)位模塊、各種傳感器和嵌入式微處理器組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
微處理器選擇德州儀器公司生產(chǎn)的 16 位單片機(jī)MSP430F133，芯片處理能力強(qiáng)、運(yùn)行 速度快，采用了JTAG 技術(shù)、FLASH 在線可編程等先進(jìn)技術(shù)。其片上資源豐富，含有8KB FLASH 存儲(chǔ)器，并含有UART 接口,可用于異步或同步通信，同時(shí)還可通過(guò)Timer-A 軟件實(shí) 現(xiàn)串行通信。
通信模塊即 GPRS 模塊，采用索愛(ài)公司生產(chǎn)的GR47，該模塊內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議，支持SMS、GPRS、CSD 等傳輸方式，并提供SIM 卡接口和三路串行數(shù)據(jù)通信接口（UART1、 UART2 和UART3）。模塊支持AT 命令集，有命令狀態(tài)和在線狀態(tài)兩種工作狀態(tài)，處于命令 狀態(tài)時(shí)，模塊接收MCU 通過(guò)串口發(fā)送的指令；處于在線狀態(tài)，即數(shù)據(jù)模式時(shí)，可進(jìn)行數(shù)據(jù) 傳輸，此時(shí)不響應(yīng)命令，直接傳送所接收到的數(shù)據(jù)。該模塊體積小，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便，內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，使用戶不用自己開(kāi)發(fā)復(fù)雜的TCP/IP 協(xié)議棧軟件，大大降低了開(kāi)發(fā)難度，也最大程 度上縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期。該模塊需要一張開(kāi)通GPRS 業(yè)務(wù)的SIM 卡，和它配套使用。
存儲(chǔ)模塊采用 24C256 存儲(chǔ)器，保存一些重要的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)在系統(tǒng)掉電后是不能丟 失的。主要存儲(chǔ)探測(cè)中心IP 和端口號(hào)、口令、采集數(shù)據(jù)等。 電源模塊是采用太陽(yáng)能電池并加以備用的鋰電池，電源部分通過(guò)加一些必要的濾波及電 壓轉(zhuǎn)化電路，來(lái)最終輸出24V、12V 和5V 的3 組直流電，供各個(gè)傳感器和微處理器等部件 使用。
GPS 模塊利用GPS 系統(tǒng)對(duì)分布的多傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行授時(shí)和定位，在確定各探測(cè)節(jié) 點(diǎn)準(zhǔn)確位置的同時(shí)，保證各探測(cè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間的高度一致。
傳感器部分根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境分別動(dòng)態(tài)地設(shè)置相應(yīng)的傳感器，高可靠性地完成目標(biāo)的 探測(cè)、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、定位及圖像拍攝等。隨著反偵察技術(shù)的發(fā)展，單一的傳感器探測(cè)很難有 效地探測(cè)到目標(biāo)，必須使用多傳感器進(jìn)行探測(cè)。在幾百米以下的超低空領(lǐng)域，通過(guò)紅外傳感 器、聲傳感器、震動(dòng)傳感器等基本可以有效地探測(cè)和識(shí)別進(jìn)入該區(qū)域的目標(biāo)，通過(guò)紅外熱像 儀等攝取圖像，以便更準(zhǔn)確地判斷目標(biāo)，更好地進(jìn)行信息融合。
4 分布式多傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)
軟件部分主要由多傳感器數(shù)據(jù)采集和GPRS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信兩部分組成。多傳感器探測(cè)數(shù) 據(jù)采集及處理部分實(shí)時(shí)探測(cè)和識(shí)別該區(qū)域的目標(biāo)信息，經(jīng)過(guò)微處理器轉(zhuǎn)化成相關(guān)傳送數(shù)據(jù)； GPRS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信部分實(shí)時(shí)通過(guò)GPRS 與監(jiān)控中心服務(wù)器進(jìn)行通信。
4.1 多傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)采集及處理
多傳感器探測(cè)數(shù)據(jù)采集是指在探測(cè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的一個(gè)采集周期內(nèi)，紅外傳感器、聲傳感器、 震動(dòng)傳感器等輸出的AD 轉(zhuǎn)換值。微處理器對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，如果發(fā)現(xiàn)可疑的目標(biāo) 信息，啟動(dòng)紅外熱像儀攝取目標(biāo)圖像，隨后將采集的所有參量及圖像數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心服 務(wù)器。
在數(shù)據(jù)傳送過(guò)程中，由于各項(xiàng)參量數(shù)據(jù)不是獨(dú)立傳送的，所以首先要采用TLV(標(biāo)識(shí)、 長(zhǎng)度、數(shù)據(jù))的格式對(duì)所有的數(shù)據(jù)按順序進(jìn)行編碼打包。然后，再以固定的長(zhǎng)度對(duì)打包好的 數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊，分塊的目的是保證每次送入網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度適中，易于網(wǎng)絡(luò)傳輸。之后再調(diào) 用數(shù)據(jù)傳輸子程序把每塊數(shù)據(jù)順序發(fā)送出去。
在數(shù)據(jù)傳輸子程序中，原始數(shù)據(jù)塊依次由應(yīng)用層數(shù)據(jù)傳送命令報(bào)文、傳輸層 UDP 包、 網(wǎng)絡(luò)層IP 包和鏈路層PPP 幀報(bào)文進(jìn)行封裝，然后送入GPRS 模塊，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。傳輸層采用了UDP(用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議) 協(xié)議，該協(xié)議是一種面向無(wú)連接的傳輸協(xié)議，其本身沒(méi)有應(yīng) 答機(jī)制和命令重發(fā)機(jī)制，屬于小的、節(jié)約資源的傳輸層協(xié)議， 傳輸速度快。而我們?cè)趹?yīng)用層采用了應(yīng)答和重發(fā)機(jī)制，所以 可以確保數(shù)據(jù)被收到。網(wǎng)絡(luò)層則采用IP 協(xié)議，IP 頭里包含 了本機(jī)IP 地址和監(jiān)測(cè)中心IP 地址，指出了數(shù)據(jù)的傳送路徑。
4.2 GPRS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信 使用GPRS 模塊上網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，一般具有三種方式， 一是采用公網(wǎng)靜態(tài)IP，連接操作較簡(jiǎn)單，具有較高的可靠性 和穩(wěn)定性，但是靜態(tài)IP 的申請(qǐng)和使用需要較高的費(fèi)用；二 是采用動(dòng)態(tài)IP 結(jié)合DNS 域名解析的方式，每次上線的IP 可能不同，但可以通過(guò)DNS 動(dòng)態(tài)域名解析在終端與后臺(tái)之 間建立關(guān)聯(lián)；三是采用APN 專線接入方式，通過(guò)申請(qǐng)APN 專線接入GPRS 網(wǎng)絡(luò)，然后給每個(gè)模塊分配固定IP，組成一 個(gè)私有廣域網(wǎng)，這種方式也需要較高的費(fèi)用。
本系統(tǒng)采用了第二種方式獲得本身 IP，而后臺(tái)監(jiān)控中心 服務(wù)器的IP 是固定的。采用GPRS 模塊上網(wǎng)時(shí)，GPRS 模塊 首先完成撥號(hào)登陸，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)IP 方式 上網(wǎng)通信的處理流程如圖3 所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
本文創(chuàng)新點(diǎn)是：利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)作為遠(yuǎn)程無(wú)線數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，可充分發(fā)揮通用無(wú)線分組 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，把遠(yuǎn)程分布的多傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)所探測(cè)到的信息實(shí)時(shí)、有效地匯集在 一起，實(shí)現(xiàn)了超遠(yuǎn)距離的信息融合，可實(shí)時(shí)進(jìn)行目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化綜合處理，獲取狀態(tài)估計(jì)、 目標(biāo)屬性、行為意圖、態(tài)勢(shì)*估、威脅分析和輔助決策等。
本項(xiàng)目具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，可非常方便地布控于雷達(dá)防御系統(tǒng)的盲區(qū)，對(duì)低空和超低空飛行的、武裝直升機(jī)等雷達(dá)防御系統(tǒng)難以發(fā)現(xiàn)和跟蹤的目標(biāo)進(jìn)行中、 遠(yuǎn)距離的預(yù)警，可彌補(bǔ)雷達(dá)防御系統(tǒng)存在的不足之處，杜絕雷達(dá)安全防御系統(tǒng)存在的隱患。 同時(shí)，也可廣泛應(yīng)用于邊防哨卡、核電站、石油開(kāi)采等重要的軍事部門(mén)和民用部門(mén)的安全防 范及國(guó)家嚴(yán)禁開(kāi)采的重要的礦山資源和森林資源的濫采、濫盜和濫伐等，預(yù)期經(jīng)濟(jì)效益1000 萬(wàn)元人民幣以上。
