美軍“地面勇士”單兵系統
中國網 時間： 2004-05-13 (文章來源： 解放軍報)
美軍“地面勇士”單兵系統是構成其數字化部隊 的重要支柱之一。20世紀80 年代末，美國陸軍提出“士兵現代化計劃”，其中關鍵項目是“士兵綜合防護系統”。美陸軍投資1200萬美元，從1990年開始技術預研，並於1992年9 月至11月進行了“士兵綜合防護系統”技術演示。這是人類有史以來第一次把士兵作為一個系統來看待。同時，美國還實施了一項“增強型士兵系統”計劃，其目 的是把“ 士兵綜合防護系統”證實了的合適技術變成要裝備部隊的系統。 1993年，美陸軍將“增強型士兵系統”計劃 更名為“21世紀地面勇士”計劃，它強調利用美國微電子技術的優勢，把“士兵系統”作為一個節點納入數字化的C4I網路之中。1996年美國陸軍將“21 世紀地面勇士”和“第二代士兵系統”合併成統一的研究工作，簡稱為“地面勇士”計劃。該計劃于1999年開始生產，預計到2011年將有3.4萬名士兵裝 備“地面勇士”系統。 正在研製的“地面勇士”C4I單兵系統集單兵防護、單兵戰鬥武器和單兵通信器材于一身，它包括頭盔、防彈服、單兵槍械、“三防”裝備、電腦、電臺等從頭到腳的整體裝備。
"陸地勇士”將使單兵在戰場上表現非常積極。用C4I 系統裝備的士兵無論在何種複雜情況 下，特別是在一些機動重武器有時難以達到的特殊作戰條件下獲得準確的、直接的、不斷更新的戰場資訊，還能隨時告知單兵所處的位置，幫助其判定敵方目標位 置，從而將加快作戰反應速度。裝備了全球定位系統的士兵可以根據作戰需求隨時向後方申請戰鬥支援或戰鬥勤務支援，方便戰鬥勤務保障和戰場救治。由此，一個 “地面勇士”在未來數字化戰場條件下，不再是一個孤立的人，而是戰場資訊網中的一個節點、一個終端，士兵有比任何時候都更強的戰鬥力、全面防護能力、戰場 生存能力及與作戰系統更大的互通性和協同能力。從美國發展的“地面勇士”現狀可以看出“數字化” 士兵系統發展具有以下趨勢： （1）實現系統化設計。單兵作為整個作戰系統的一部分，發展目標必定是使作戰系統整體發揮最大效能。 （2） 具有在各種環境下的防護能力和生存能 力。綜合頭盔子系統和先進防護子系統能防彈丸、破片、鐳射、核生化戰劑、紅外監視等多種威脅，全球定位系統可保證士兵隨時向後方申請戰鬥支援和勤務支援， 而且系統本身能夠暴露自己目標的特徵極小。連接到電腦上的防化探測器可以自動報告探測到的威脅類型和地點。 （3）具有更好的機動性和耐久性。單兵的防護裝備，如模組式防彈衣、防生 /化服、手套和靴子等重量將進一步減少、性能將進一步提高，使單兵具有更好的機動性和耐久性。 （4）具有更強的戰鬥力。單兵系統裝備了GPS、步榴合一的武器、採用先進的火控系統，大幅度提高了射擊準確性和殺傷效果，從而使士兵具有更強的戰鬥力。 （5）具有資訊收集、存儲、處理和傳輸能力。單兵電腦和綜合頭盔子系統能定時、定位與導航，進行資訊採集、處理與記錄，進行數據傳遞，便於指揮員正確實施、調整和制訂作戰計劃，使戰場真正成為完整高效的、數字化的一體戰場。（崔繼承 李少親） 《解放軍報》 2004年05月12日
相對於過去號稱"世界第一強權"的美軍，中共也不遑多讓地自行研發出 "單兵圖傳"——傳說中的“藍色雪狐”：(雖然是ㄙㄨㄥˊ到極點...)
(摘自中國公眾科技網 鍾愛華 2002年04月03日 10:54)
(摘自中國公眾科技網 鍾愛華 2002年04月03日 10:54)
看過電視連續劇《突出重圍》的朋友應該不會忘記劇中藍防司令朱海鵬手下的“藍色雪狐”。這些以班為規模的數字化小隊出沒於紅方防禦縱深，利用其數字裝備將紅方的防禦、補給、集結、調動的情況快速的傳送至藍方司令部。而他們所使用的就是單兵圖傳設備。在第三屆中國國際國防電子展覽會上展出了一種單兵圖傳設備，它的代號——貓頭鷹。
貓頭鷹——單兵背負式圖像採集、傳輸設備，可以將事發現場的圖像、聲音傳至帶有接收設備的圖像傳輸車或空中的飛機，然後再傳至指揮中心。根據不同的地點，傳輸距離在30千米以上，同時該設備還具有全球衛星定位功能。
但是據現場工作人員介紹，全套“貓頭鷹”的重量有十餘千克，這對戰士來說是個不小的負擔。要知道，敵後實行偵察作戰任務的部隊必須短小精悍，因此每個戰士都是一份很重要的戰鬥力，增加了十幾千克的負載，以及相應的備用電池，肯定會對單兵作戰效能構成一定影響。
資訊產業部電子第十五研究所在第三屆中國國際國防電子展覽會上展示了一款單兵電腦系統：
這種單兵電腦系統將圖像數據的採集、處理、通信和GPS定位集為一體，以先進的實時探測、快速的無線通信手段，將敵方區域內諸如地形、地 貌和人員、裝備及其分佈情況，拍攝成數字圖像資訊，連同GPS定位/鐳射測距儀實測數據由無線數據機、超短波電臺組成的通信鏈路，傳至指揮中心，可以滿足 偵察兵、空降兵、邊防部隊等特種部隊對數字化情報資訊日益迫切的需求。
單兵電腦系統的主要功能和性能指標為： 1)定位和導航功能：即偵察兵自身的GPS定位和導航。 2)無線通訊功能：即實現遠程GPS定位和電文、圖形數據的傳輸。其速率為1200/2400bps。 3)偵察情報（如戰地照片和目標距離資訊）的獲取及交付手段：實現數位相機和鐳射測距儀與系統的軟硬體互連。 4)基本系統重量不超過4.5千克。 5)供電系統能保證電臺累計發送不少於2小時。
在重慶的一家研發藍芽無線科技的公司－金甌科技，甚至還發表了以"ZigBee"這種介於無線標記和藍牙之間的技術(IEEE 802.15.4)，以短距離，低速率，低功耗的無線網路技術“HomeRF Lite”，發表了"Zigbee在單兵作戰系統中的應用"等論文： http://www.big5.jinoux.com/discourse.html
ZigBee 是一種新興的短距離，低速率，低功耗無線網路技術，它是一種介於無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術，主要用於近距離無線連接。ZigBee的網路標準由IEEE 802.15工作組負責制訂，Zigbee是IEEE 802.15.4標準在商業推廣上的名稱。802.15.4標準的適用範圍非常貼近生產和生活，對資料速率和Qos的要求不高，目標市場是工業，家庭以及 醫療等需要低功耗低成本以及大面積使用無線監控設備的領域。
單兵電腦系統的主要功能和性能指標為： 1)定位和導航功能：即偵察兵自身的GPS定位和導航。 2)無線通訊功能：即實現遠程GPS定位和電文、圖形數據的傳輸。其速率為1200/2400bps。 3)偵察情報（如戰地照片和目標距離資訊）的獲取及交付手段：實現數位相機和鐳射測距儀與系統的軟硬體互連。 4)基本系統重量不超過4.5千克。 5)供電系統能保證電臺累計發送不少於2小時。
在重慶的一家研發藍芽無線科技的公司－金甌科技，甚至還發表了以"ZigBee"這種介於無線標記和藍牙之間的技術(IEEE 802.15.4)，以短距離，低速率，低功耗的無線網路技術“HomeRF Lite”，發表了"Zigbee在單兵作戰系統中的應用"等論文： http://www.big5.jinoux.com/discourse.html
ZigBee 是一種新興的短距離，低速率，低功耗無線網路技術，它是一種介於無線標記技術和藍牙之間的技術提案。它此前被稱作“HomeRF Lite”或“FireFly”無線技術，主要用於近距離無線連接。ZigBee的網路標準由IEEE 802.15工作組負責制訂，Zigbee是IEEE 802.15.4標準在商業推廣上的名稱。802.15.4標準的適用範圍非常貼近生產和生活，對資料速率和Qos的要求不高，目標市場是工業，家庭以及 醫療等需要低功耗低成本以及大面積使用無線監控設備的領域。
單兵作戰系統
單兵綜合作戰系統是以單兵為基本單元，人—機—環境統籌考慮，應用多種先進技術的高技術士兵裝備系統，它使士兵、武器、裝備間形成了一個有機的整體，從而 全面增強單兵的火力、機動、通信、觀瞄和防護能力，使每一個士兵都成為有效的火力攻擊單位，既能獨立作戰，又能協調行動，全面提高單兵作戰效能，使士兵有 條件在未來資訊化戰場上贏得優勢。
單兵綜合作戰系統一般分為五個子系統：武器子系統，通訊子系統，觀瞄子系統，生命子系統，防護子系統。
武器子系統，必須做到系統重量輕、持續作戰能力強、能對付多種目標，可安裝一系列的附件，如光學瞄具、鐳射瞄具、鐳射測距儀等。
通訊裝備子系統，主要是提高單兵的全天候作戰能力及單兵之間、分隊之間、單兵與後方指揮員之間的聯繫及情報交換能力。它包括分隊內部成員之間短距離通信設備以及分隊與後方指揮員之間長距離通信設備。
觀瞄子系統，主要為士兵提供觀察敵情，瞄準射擊的裝備。它主要由夜視、夜瞄以及長距離瞄準裝置組成，並為消除帶頭盔後給士兵瞄準帶來的不方便，可設計武器瞄準具與頭盔正前方的顯示幕相連，士兵平視就能實施瞄準及觀察。
生命子系統，主要是利用各種感測器對士兵各種生命體征以及周圍環境資料進行採集分析，由單兵穿戴式電腦對感測器的監測結果進行分析，得出一個數值代碼並將 其發送到後方指揮部，指揮員就可判斷出前線作戰士兵的生理狀態：是否受傷，傷情如何；是否處於疲勞、寒冷、疾病、恐懼等不良狀態等。這對傷病員的及時救 護、給養的供應提供了客觀依據，並使指揮員對部隊的戰鬥力有一個準確的判斷。Zigbee短距離，低成本，低功耗，易實現的特點非常適合作為生命子系統的 組成部件。
防護子系統，主要採用各種新材料以達到防襲擊、防鐳射致盲、防雜訊及防水、防潮和防寒等全環境防護能力，它包括多功能頭盔和防護服。
單兵綜合作戰系統是以單兵為基本單元，人—機—環境統籌考慮，應用多種先進技術的高技術士兵裝備系統，它使士兵、武器、裝備間形成了一個有機的整體，從而 全面增強單兵的火力、機動、通信、觀瞄和防護能力，使每一個士兵都成為有效的火力攻擊單位，既能獨立作戰，又能協調行動，全面提高單兵作戰效能，使士兵有 條件在未來資訊化戰場上贏得優勢。
單兵綜合作戰系統一般分為五個子系統：武器子系統，通訊子系統，觀瞄子系統，生命子系統，防護子系統。
武器子系統，必須做到系統重量輕、持續作戰能力強、能對付多種目標，可安裝一系列的附件，如光學瞄具、鐳射瞄具、鐳射測距儀等。
通訊裝備子系統，主要是提高單兵的全天候作戰能力及單兵之間、分隊之間、單兵與後方指揮員之間的聯繫及情報交換能力。它包括分隊內部成員之間短距離通信設備以及分隊與後方指揮員之間長距離通信設備。
觀瞄子系統，主要為士兵提供觀察敵情，瞄準射擊的裝備。它主要由夜視、夜瞄以及長距離瞄準裝置組成，並為消除帶頭盔後給士兵瞄準帶來的不方便，可設計武器瞄準具與頭盔正前方的顯示幕相連，士兵平視就能實施瞄準及觀察。
生命子系統，主要是利用各種感測器對士兵各種生命體征以及周圍環境資料進行採集分析，由單兵穿戴式電腦對感測器的監測結果進行分析，得出一個數值代碼並將 其發送到後方指揮部，指揮員就可判斷出前線作戰士兵的生理狀態：是否受傷，傷情如何；是否處於疲勞、寒冷、疾病、恐懼等不良狀態等。這對傷病員的及時救 護、給養的供應提供了客觀依據，並使指揮員對部隊的戰鬥力有一個準確的判斷。Zigbee短距離，低成本，低功耗，易實現的特點非常適合作為生命子系統的 組成部件。
防護子系統，主要採用各種新材料以達到防襲擊、防鐳射致盲、防雜訊及防水、防潮和防寒等全環境防護能力，它包括多功能頭盔和防護服。
Zigbee在生命子系統中的應用
在一個單兵小分隊中，每個分隊成員佩戴一個Zigbee生物感測器節點，它是集Zigbee無線網路模組與生物感測器模組為一體的，可以對士兵生命體征諸 如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進行資料獲取，並通過Zigbee方式無線傳輸至主協調器。它主要由脈搏感測器，溫度感測器，狀態感測器，類比信號放大器， A/D轉換器，電平比較器，信號記憶體和Zigbee無線收發器及相關軟體組成。
位於小分隊中 心位置的成員身上攜帶有Zigbee主協調器。主協調器的主要功能是為建立和啟動網路這一過程設置參數，其中包括選擇一個射頻通道、唯一的網路識別字以及 一系列操作參數。每個Zigbee網路都必須包括一台主協調器，在本應用中，由於小分隊成員的活動範圍非常接近，所以無需中繼設備，可以直接將終端無線接 入主協調器。
網路中的所有設備都擁有一個64位元的IEEE位址，也可以使用16位元短位址來減少 資料包大小，這樣只要記錄下終端位址就可以很容易確定士兵身份。路由選擇在默認時使用樹形路由選擇，即在做路由選擇策略時利用樹形結構選址。有了樹形路由 選擇，設備不必保存佔用龐大記憶體的路由表或進行任何額外的空中下載技術（over the air）操作來發現路徑，因此最小化了網路流量，同時簡化的設備結構，降低了成本和設備功耗，適合在軍事上大面積裝備。
主協調器通過介面模組與單兵穿戴式電腦相聯，介面模組的主要作用是完成資料格式的轉換，去除各種干擾，以便讓電腦能識別處理生物感測器收集來的各種參數。
穿戴式電腦內部軟體要具備三種功能：Zigbee網路控制功能，資料分析處理轉換功能，衛星通信設備管理功能。Zigbee網路控制主要包括系統啟動關 閉，終端位址分配，差錯控制，各種參數設定等。資料分析處理轉換主要是將終端收集來的各種參數進行波形分析，頻率分析，資料統計等，得出士兵所處狀態結 論，將之轉換成特殊編碼格式，載入到衛星上傳回後方指揮中心。衛星通信設備管理功能包括系統啟動與否，介面控制，資料格式選擇等。
單兵衛星系統由輕型可擕式無線電臺加衛星天線組成。電臺用金屬包裝，經久耐用，能夠抗得住野戰暴露或在機動部隊使用時所處的惡劣環境。背負式電臺易於攜帶，包括天線和電池組在內僅十幾公斤，體積不到0.02 立方米，可以在任何天氣條件下使用。
2.2 系統安全性可靠性
本應用中的安全可靠性分為三步分：Zigbee傳輸的安全可靠性，穿戴式電腦資料處理的安全可靠性，衛星傳輸的安全可靠性。其中後兩方面在其他文獻中已有大量論述，本文不再討論。
Zigbee 採用了分級的安全性策略：無安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果對系統安全性要求不高，可以選擇級別較低的安全措施，從而換取系 統成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高時，可以選擇較高的安全級別。由於本例應用於軍事領域，所以應採用較高的安全級別。
Zigbee分別在MAC層和網路層採取了安全策略。在資料經過一跳就到達目的地時，Zigbee只用MAC層提供的安全機制；當在多跳的情況下，Zigbee就要依賴高層來保證安全。
MAC 層安全套件基於以下三種操作模式：計數器模式的AES加密、密碼塊鏈結模式的資料完整性、二者相結合的加密和完整性（CCM模式）。MAC層的AES加密 演算法可以保護MAC命令、信標、資訊幀和應答幀的秘密性、完整性和真實性。MAC幀的頭部有一個比特用來指示MAC幀是否加密。每一個密鑰只與一個安全 套件相關聯。為了保證資料完整性，MAC層計算頭部和淨荷資料得到一個消息完整碼，其長度為4，8或16位元組。同時，在每個MAC幀頭也都有一個幀編 號，用於防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和對處理過程的控制則由高層來負責。
網路層也使用AES，它的安全套件是基於CCM*操作模式。CCM*包括所有CCM的功能，同時提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM*允許單個密 鑰用於不同的安全套件。因此一個密鑰並不只屬於單個安全套件，一個高層應用可以靈活地指定網路層所用的安全套件。網路層負責安全處理，但對處理過程的控制 則由高層通過建立密鑰和決定使用哪一種CCM*安全套件來實現。此外，幀序號和消息完整碼也可以加在網路層幀中。
Zigbee 的通道接入方式採用CSMA/CA（載波偵聽多址/衝突避免），能有效地減少幀的衝突。為抗干擾和多徑衰落，Zigbee在物理層採用直接序列擴頻和頻率 捷變FA技術。為了保證幀的正確傳輸，Zigbee在MAC層採用了兩個措施：自動請求重傳ARQ和幀緩存。當一幀傳給一個設備時，如果接受設備處於忙或 者休眠狀態而不能接收該幀，那麼網路的主協調設備就暫時緩存該幀，直到收端能接收該幀。在網路層，Zigbee支援網狀網，存在冗余路由，保證了網路的健 壯性。
在一個單兵小分隊中，每個分隊成員佩戴一個Zigbee生物感測器節點，它是集Zigbee無線網路模組與生物感測器模組為一體的，可以對士兵生命體征諸 如脈搏、血壓、呼吸、體溫等進行資料獲取，並通過Zigbee方式無線傳輸至主協調器。它主要由脈搏感測器，溫度感測器，狀態感測器，類比信號放大器， A/D轉換器，電平比較器，信號記憶體和Zigbee無線收發器及相關軟體組成。
位於小分隊中 心位置的成員身上攜帶有Zigbee主協調器。主協調器的主要功能是為建立和啟動網路這一過程設置參數，其中包括選擇一個射頻通道、唯一的網路識別字以及 一系列操作參數。每個Zigbee網路都必須包括一台主協調器，在本應用中，由於小分隊成員的活動範圍非常接近，所以無需中繼設備，可以直接將終端無線接 入主協調器。
網路中的所有設備都擁有一個64位元的IEEE位址，也可以使用16位元短位址來減少 資料包大小，這樣只要記錄下終端位址就可以很容易確定士兵身份。路由選擇在默認時使用樹形路由選擇，即在做路由選擇策略時利用樹形結構選址。有了樹形路由 選擇，設備不必保存佔用龐大記憶體的路由表或進行任何額外的空中下載技術（over the air）操作來發現路徑，因此最小化了網路流量，同時簡化的設備結構，降低了成本和設備功耗，適合在軍事上大面積裝備。
主協調器通過介面模組與單兵穿戴式電腦相聯，介面模組的主要作用是完成資料格式的轉換，去除各種干擾，以便讓電腦能識別處理生物感測器收集來的各種參數。
穿戴式電腦內部軟體要具備三種功能：Zigbee網路控制功能，資料分析處理轉換功能，衛星通信設備管理功能。Zigbee網路控制主要包括系統啟動關 閉，終端位址分配，差錯控制，各種參數設定等。資料分析處理轉換主要是將終端收集來的各種參數進行波形分析，頻率分析，資料統計等，得出士兵所處狀態結 論，將之轉換成特殊編碼格式，載入到衛星上傳回後方指揮中心。衛星通信設備管理功能包括系統啟動與否，介面控制，資料格式選擇等。
單兵衛星系統由輕型可擕式無線電臺加衛星天線組成。電臺用金屬包裝，經久耐用，能夠抗得住野戰暴露或在機動部隊使用時所處的惡劣環境。背負式電臺易於攜帶，包括天線和電池組在內僅十幾公斤，體積不到0.02 立方米，可以在任何天氣條件下使用。
2.2 系統安全性可靠性
本應用中的安全可靠性分為三步分：Zigbee傳輸的安全可靠性，穿戴式電腦資料處理的安全可靠性，衛星傳輸的安全可靠性。其中後兩方面在其他文獻中已有大量論述，本文不再討論。
Zigbee 採用了分級的安全性策略：無安全性、接入控制表、32比特AES和128比特AES。如果對系統安全性要求不高，可以選擇級別較低的安全措施，從而換取系 統成本和功耗的降低；反之，在安全性要求較高時，可以選擇較高的安全級別。由於本例應用於軍事領域，所以應採用較高的安全級別。
Zigbee分別在MAC層和網路層採取了安全策略。在資料經過一跳就到達目的地時，Zigbee只用MAC層提供的安全機制；當在多跳的情況下，Zigbee就要依賴高層來保證安全。
MAC 層安全套件基於以下三種操作模式：計數器模式的AES加密、密碼塊鏈結模式的資料完整性、二者相結合的加密和完整性（CCM模式）。MAC層的AES加密 演算法可以保護MAC命令、信標、資訊幀和應答幀的秘密性、完整性和真實性。MAC幀的頭部有一個比特用來指示MAC幀是否加密。每一個密鑰只與一個安全 套件相關聯。為了保證資料完整性，MAC層計算頭部和淨荷資料得到一個消息完整碼，其長度為4，8或16位元組。同時，在每個MAC幀頭也都有一個幀編 號，用於防止幀丟失和幀重傳。密鑰的建立、安全操作模式的選擇和對處理過程的控制則由高層來負責。
網路層也使用AES，它的安全套件是基於CCM*操作模式。CCM*包括所有CCM的功能，同時提供只加密和只保證完整性的功能。使用CCM*允許單個密 鑰用於不同的安全套件。因此一個密鑰並不只屬於單個安全套件，一個高層應用可以靈活地指定網路層所用的安全套件。網路層負責安全處理，但對處理過程的控制 則由高層通過建立密鑰和決定使用哪一種CCM*安全套件來實現。此外，幀序號和消息完整碼也可以加在網路層幀中。
Zigbee 的通道接入方式採用CSMA/CA（載波偵聽多址/衝突避免），能有效地減少幀的衝突。為抗干擾和多徑衰落，Zigbee在物理層採用直接序列擴頻和頻率 捷變FA技術。為了保證幀的正確傳輸，Zigbee在MAC層採用了兩個措施：自動請求重傳ARQ和幀緩存。當一幀傳給一個設備時，如果接受設備處於忙或 者休眠狀態而不能接收該幀，那麼網路的主協調設備就暫時緩存該幀，直到收端能接收該幀。在網路層，Zigbee支援網狀網，存在冗余路由，保證了網路的健 壯性。
Quantum 3D發展了一系列3D虛擬實境戰鬥訓練設備：
實際上因電子設備的可靠性與容錯性一直頗受爭議(究竟戰場上是要人命的...)，目前電子互動媒體運用在戰場上大多還是以飛行器或車輛控制為主；另外，有如"真人CS"的3D虛擬實境作戰訓練也是一個蠻有趣的課題。
講到GPS，就得介紹一下GOODLE EARTH （
