- 超低空分布式多傳感器探測節點的設計
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2014/11/27
摘要：由于雷達探測存在盲區,低空與超低空飛行的入侵目標給雷達防御系統帶來困難與威脅。基于GPS技術、多傳感器技術、網絡技術及單片機技術設計出一種分布式多傳感器探測節點,把遠程分布的多傳感器探測節點所探測到的信息實時、有效地匯集在一起,實現超遠距離的多傳感器信息融合,實時進行目標發現,可彌補雷達防御系統存在的漏洞,有效地杜絕雷達防御系統存在的安全隱患。
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，使雷達探測產生盲區， 看不到低空與超低空飛行的目標，所以低空目標給雷達探測帶來困難與威脅。為了及早地發 現和探測中、低空，特別是超低空高速入侵的*、武裝直升機等，就要解決遠程探測 目標的問題。目前主要采用發展低空補盲雷達、采用升空平臺監視雷達系統（如空中預警機 系統、系留氣球載雷達系統、飛艇載雷達監視系統等）、改進和提高雷達的低空探測性能等 幾種措施，提高雷達對空、對海警戒的作用距離[1]。這些措施有效地提高雷達對空、對海警 戒的作用距離，但造成了防御成本的大規模增加、雷達載體目標暴露易遭受對方的攻擊等， 同時仍然存在著探測盲區，使安全防御系統存在一定的隱患。
針對以上問題，本文提出利用 msp430f133 嵌入式微處理器設計出一種分布式多傳感 器探測節點，可隨機地分散地設置在雷達系統探測的盲區，利用GPS 系統授時和定位、利 用多傳感器提供觀測數據、利用GPRS 網絡和互聯網進行多傳感器信息融合，實時進行目標發現、優化綜合處理，獲取狀態估計、目標屬性、行為意圖、態勢評估、威脅分析和輔助決 策等，可彌補雷達防御系統存在的不足之處，杜絕安全防御系統存在的隱患[2-4]。
2 分布式多傳感器信息融合系統總體框架
整個分布式多傳感器信息融合系統由若干個不規則分布的多傳感器探測節點、 INTERNET 網絡、監控中心服務器、交換機、數據庫服務器、應用服務器、多傳感器信息 融合終端和探測節點控制終端等組成，其總體結構如圖1 所示。
當探測目標進入到多傳感器探測節點所能夠探測到的區域內，探測節點通過通信模塊 （GPRS 模塊）把傳送數據分組，無線傳送到GPRS 網絡，再經INTERNET 網把數據傳送 到監控中心服務器上。
監控中心服務器實時接收各探測節點傳遞過來得信息，并通過交換機與數據庫服務器、 應用服務器、多傳感器信息融合終端和探測節點控制終端進行數據交換。
信息融合終端對監控中心服務器收到的數據進行處理并通過其它服務器進行數據交換 實現信息融合，實時進行目標發現、優化綜合處理，來獲取狀態估計、目標屬性、行為意圖、 態勢評估、威脅分析和輔助決策等。
探測節點控制終端傳送各種指令到各探測節點，監測各探測節點的運行狀況，并對各探 測節點進行實時控制。
布式傳感器探測節點硬件部分主要由通信模塊（GPRS 模塊）、GPS 模塊、存儲模塊、 電源模塊、時鐘模塊、復位模塊、各種傳感器和嵌入式微處理器組成，其硬件結構如圖2 所示。
微處理器選擇位單片機msp430f133，芯片處理能力強、運行 速度快，采用了JTAG 技術、FLASH 在線可編程等先進技術。其片上資源豐富，含有8KB FLASH 存儲器，并含有UART 接口,可用于異步或同步通信，同時還可通過Timer-A 軟件實 現串行通信。
通信模塊即 GPRS 模塊，采用索愛公司生產的GR47，該模塊內嵌TCP/IP 協議，支持SMS、GPRS、CSD 等傳輸方式，并提供SIM 卡接口和三路串行數據通信接口（UART1、 UART2 和UART3）。模塊支持AT 命令集，有命令狀態和在線狀態兩種工作狀態，處于命令 狀態時，模塊接收MCU 通過串口發送的指令；處于在線狀態，即數據模式時，可進行數據 傳輸，此時不響應命令，直接傳送所接收到的數據。該模塊體積小，開發簡便，內嵌TCP/IP 協議棧，使用戶不用自己開發復雜的TCP/IP 協議棧軟件，大大降低了開發難度，也最大程 度上縮短了產品的研發周期。該模塊需要一張開通GPRS 業務的SIM 卡，和它配套使用。
存儲模塊采用 24c256 存儲器，保存一些重要的數據，這些數據在系統掉電后是不能丟 失的。主要存儲探測中心IP 和端口號、口令、采集數據等。 電源模塊是采用太陽能電池并加以備用的鋰電池，電源部分通過加一些必要的濾波及電 壓轉化電路，來最終輸出24V、12V 和5V 的3 組直流電，供各個傳感器和微處理器等部件使用。
GPS 模塊利用GPS 系統對分布的多傳感器探測節點進行授時和定位，在確定各探測節 點準確位置的同時，保證各探測節點的時間的高度一致。
傳感器部分根據不同的應用環境分別動態地設置相應的傳感器，高可靠性地完成目標的 探測、發現、識別、定位及圖像拍攝等。隨著反偵察技術的發展，單一的傳感器探測很難有 效地探測到目標，必須使用多傳感器進行探測。在幾百米以下的超低空領域，通過紅外傳感 器、聲傳感器、震動傳感器等基本可以有效地探測和識別進入該區域的目標，通過紅外熱像 儀等攝取圖像，以便更準確地判斷目標，更好地進行信息融合。
4 分布式多傳感器探測節點的軟件設計
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軟件部分主要由多傳感器數據采集和GPRS 遠程數據通信兩部分組成。多傳感器探測數 據采集及處理部分實時探測和識別該區域的目標信息，經過微處理器轉化成相關傳送數據； GPRS 遠程數據通信部分實時通過GPRS 與監控中心服務器進行通信。
4.1 多傳感器探測數據采集及處理
多傳感器探測數據采集是指在探測節點運行的一個采集周期內，紅外傳感器、聲傳感器、 震動傳感器等輸出的AD 轉換值。微處理器對采集的數據進行預處理，如果發現可疑的目標 信息，啟動紅外熱像儀攝取目標圖像，隨后將采集的所有參量及圖像數據傳送到監控中心服 務器。
在數據傳送過程中，由于各項參量數據不是獨立傳送的，所以首先要采用TLV(標識、 長度、數據)的格式對所有的數據按順序進行編碼打包。然后，再以固定的長度對打包好的 數據進行分塊，分塊的目的是保證每次送入網絡的數據長度適中，易于網絡傳輸。之后再調 用數據傳輸子程序把每塊數據順序發送出去。
在數據傳輸子程序中，原始數據塊依次由應用層數據傳送命令報文、傳輸層 UDP 包、 網絡層IP 包和鏈路層PPP 幀報文進行封裝，然后送入GPRS 模塊，發送到網絡中。傳輸層采用了UDP(用戶數據報協議) 協議，該協議是一種面向無連接的傳輸協議，其本身沒有應 答機制和命令重發機制，屬于小的、節約資源的傳輸層協議， 傳輸速度快。而我們在應用層采用了應答和重發機制，所以 可以確保數據被收到。網絡層則采用IP 協議，IP 頭里包含 了本機IP 地址和監測中心IP 地址，指出了數據的傳送路徑。
4.2 GPRS 遠程數據通信 使用GPRS 模塊上網進行數據傳送，一般具有三種方式， 一是采用公網靜態IP，連接操作較簡單，具有較高的可靠性 和穩定性，但是靜態IP 的申請和使用需要較高的費用；二 是采用動態IP 結合DNS 域名解析的方式，每次上線的IP 可能不同，但可以通過DNS 動態域名解析在終端與后臺之 間建立關聯；三是采用APN 專線接入方式，通過申請APN 專線接入GPRS 網絡，然后給每個模塊分配固定IP，組成一 個私有廣域網，這種方式也需要較高的費用。
本系統采用了第二種方式獲得本身 IP，而后臺監控中心 服務器的IP 是固定的。采用GPRS 模塊上網時，GPRS 模塊 首先完成撥號登陸，然后進行數據傳輸。實現動態IP 方式 上網通信的處理流程如圖3 所示。
5 結束語
本文創新點是：利用GPRS 網絡作為遠程無線數據通信平臺，可充分發揮通用無線分組 業務數據傳輸的優勢，把遠程分布的多傳感器探測節點所探測到的信息實時、有效地匯集在 一起，實現了超遠距離的信息融合，可實時進行目標發現、優化綜合處理，獲取狀態估計、 目標屬性、行為意圖、態勢*估、威脅分析和輔助決策等。
本項目具有良好的經濟效益和社會效益，可非常方便地布控于雷達防御系統的盲區，對 低空和超低空飛行的*、武裝直升機等雷達防御系統難以發現和跟蹤的目標進行中、 遠距離的預警，可彌補雷達防御系統存在的不足之處，杜絕雷達安全防御系統存在的隱患。 同時，也可廣泛應用于邊防哨卡、核電站、石油開采等重要的軍事部門和民用部門的安全防 范及國家嚴禁開采的重要的礦山資源和森林資源的濫采、濫盜和濫伐等，預期經濟效益1000 萬元人民幣以上。
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