CN103616665A - 一种利用通用照射源的无人机无源定位系统 - Google Patents

一种利用通用照射源的无人机无源定位系统 Download PDF

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Abstract

一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，本发明所要解决的技术问题是提供一种在GPS、北斗等卫星定位系统受到干扰或者失效的情况下，利用常规照射源(民用无线电发射装置)对无人机进行地理定位的方法及系统。无人机系统在无人控制情况下能够实现自控飞行、也即是按照预先设计的航路自主飞行，而自主飞行现阶段依赖于卫星导航系统与惯导设备，如GPS、北斗与惯性导航单元解算获取的位置信息。再由飞行控制系统按照无人机现有位置和目标位置控制无人机实现自主飞行。因此如何实现自身定位是实现自主飞行控制的基础。本发明可应用于飞行平台，作为备份定位设备在GPS、北斗等通用导航系统无法正常工作时提供导航信息。

Description

一种利用通用照射源的无人机无源定位系统
技术领域
本发明涉及一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，实现和解决了在GPS、GLONASS、北斗等卫星定位系统受到干扰或者失效的情况下，利用常规通用照射源对无人机进行地理位置确认。
背景技术
无人机技术是21世纪军事装备技术的重要发展方向，在近10年来的几次局部战争中，无人机都发挥了巨大威力。在民用市场无人机也是从无到有，从少到多、在众多行业领域显示了巨大的应用价值与应用潜力。
无人机系统能够实现自控飞行、也即是按照预先设计的航路自主飞行，自主飞行是无人机实现应用的重要基础；而自主飞行现阶段主要依赖于其机载导航系统，如GPS、GLONASS、北斗与惯性导航单元进行组合解算以获取自身的位置。再有飞行控制计算机控制无人机实现自主飞行。因此如何实现自身定位是实现自主飞行控制的基础。
现有导航技术GPS、GLONASS、北斗、惯性导航的方式实现的。其中GPS、GLONASS、北斗属于卫星定位，其应用范围广、精度高，属于主要定位手段；但是因为其重要作用容易成为主要攻击目标；从而降低其可用性。惯性导航依靠陀螺轴向稳定性实现对搭载平台的导航，其定位导航误差会产生积累，运行时间越长其导航误差越大。除了以上卫星导航、惯性导航外还有将二者结合的组合导航方法，其同样严重依赖于卫星导航。
而本发明不依赖导航卫星，而是使用民用照射源，民用照射源数量众多、形式多样，从而增加了其被干扰、被欺骗的难度。具有较好的实用价值及应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：克服现有技术的不足，提供一种在GPS、GLONASS、北斗等卫星定位系统受到干扰或者失效的情况下，利用常规民用照射源对无人机进行地理位置确认的系统，能够弱化无人机系统对卫星定位的依赖性，有效减小战时因电子战而导致无人机失踪及毁伤的概率。
本发明包括如下技术方案：
一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，安装在所述无人机上，包括：接收天线、天线伺服模块、宽频接收机、多模采集模块和数据处理模块；
天线伺服模块控制接收天线360°旋转，接收所述多个通用照射源发出的信号，并将接收到的信号送入宽频接收机，宽频接收机对信号进行滤波处理，并将滤波后的信号送入多模采集模块，多模采集模块对输入到该模块中的信号依次进行模数转换及数字下变频，再将生成的数字信号送入数据处理模块进行处理，得到无人机相对于所述多个通用照射源的位置。
所述多模采集模块包括采样率判别模块和宽频AD采集模块；
由宽频接收机滤波处理之后的信号送入多模采集模块中的采样率判别模块，采样率判别模块根据奈奎斯特带通采样定律和满足信噪比要求条件下的载波中心频率折叠次数确定采样率，并将采样率提供给宽频AD采集模块，宽频AD采集模块根据该采样率对所述宽频接收机滤波处理之后的信号依次进行AD采集和下变频，并根据不同照射源的频率和带宽对下变频后的信号进行区分，得到对应于每个照射源的基带数字信号，之后将生成的基带数字信号送入数据处理模块。
所述数据处理模块包括照射源识别模块、定位解算模块和组合解算模块；照射源识别模块将每个照射源信号的固有参数和输入到数据处理模块中的基带数字信号的相应参数进行比对，从而完成对照射源的识别，并将识别结果和相应照射源的位置信息提供给定位解算模块；所述每个照射源信号的固有参数包括载波中心频率、带宽、照射源波谱形式和照射源同步信息；
定位解算模块根据所述照射源位置信息和无人机惯导数据进行载波相位测距解算，得到无人机和照射源之间的相对距离，再解算出无人机相对多个照射源的坐标位置，并将无人机的坐标位置提供给组合解算模块；
组合结算模块根据无人机惯导数据和定位解算模块提供的无人机的坐标位置信息进行组合滤波处理，得到最终的无人机位置信息。
定位解算模块解算出无人机相对多个照射源的坐标位置通过如下公式进行：
(Xli-Xp)2+(Yli-Yp)2+(Zli-Zp)2=Lli 2
其中，Xli、Yli、Zli为照射源坐标，Xp、Yp、Zp为无人机坐标位置，Lli为无人机距照射源的距离。
组合结算模块根据无人机惯导数据和定位解算模块提供的无人机的坐标位置信息进行组合滤波处理具体为：
通过卡尔曼组合滤波进行组合滤波处理，卡尔曼组合滤波通过如下公式进行：
XK+1=Ak+1Xk+Wk
Zk+1=Hk+1Xk+1+Vk+1
其中，Ak为k时刻的状态转移矩阵，Hk为k时刻的观测矩阵，Xk为k时刻的状态变量，Zk为k时刻的观测变量，Wk为k时刻的系统误差，Vk为k时刻的观测误差。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
（1）现有技术不能在卫星定位系统受到干扰或失效的情况下进行高精度无人机定位，本发明以无源定位方法为基础，以统一参考系为标准，多照射源解算将地理位置信息的通过链路传回指控中心，实现无卫星定位系统下的无人机定位。
（2）本发明使用的无源定位技术其精度能够保证在百米量级，而通常无人机在GPS丢失情况下会利用磁力计信息、或者链路引导进行航路估算，其定位精度很差，本发明有效提高了无卫星定位系统下的定位精度。
附图说明
图1本发明的利用通用照射源的无源定位系统组成示意图；
图2本发明的多模采集模块示意图；
图3数据处理模块及处理流程示意图
图4利用通用照射源的无源定位系统工作流程示意图
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，安装在所述无人机上，包括：接收天线、天线伺服模块、宽频接收机、多模采集模块和数据处理模块；
天线伺服模块控制接收天线360°旋转，接收所述多个通用照射源发出的信号，并将接收到的信号送入宽频接收机，宽频接收机对信号进行滤波处理，并将滤波后的信号送入多模采集模块，多模采集模块对输入到该模块中的信号依次进行模数转换及数字下变频，再将生成的数字信号送入数据处理模块进行处理，得到无人机相对于所述多个通用照射源的位置。
如图2所示，多模采集模块包括采样率判别模块和宽频AD采集模块；
由宽频接收机滤波处理之后的信号送入多模采集模块中的采样率判别模块，采样率判别模块根据奈奎斯特带通采样定律和满足信噪比要求条件下的载波中心频率折叠次数确定采样率，并将采样率提供给宽频AD采集模块，宽频AD采集模块根据该采样率对所述宽频接收机滤波处理之后的信号依次进行AD采集和下变频，并根据不同照射源的频率和带宽对下变频后的信号进行区分，得到对应于每个照射源的基带数字信号，之后将生成的基带数字信号送入数据处理模块。
多模采样及处理的实例，选择GSM信号和数字电视信号同时存在于空间中的情况，其中GSM信号的载波频率约1.8GHz，基带信号带宽270KHz，信号经调制编码；数字电视信号的载波频率约670MHz，基带信号带宽约8MHz，信号经调制编码。根据奈奎斯特带通采样定理，选择的AD采样率至少为8MHz才能满足两种信号的采集，但是利用16MHz对670MHz或者1.8GHz信号进行采样时，由于中心频率需要折叠多次才能满足中频采集，多次的折叠会增加采样带宽内的噪声，因此需要选择合适的采样率以权衡中频折叠和带通采样的关系，本实例中按照670MHz和1800MHz两种载波为参考，可选择340MHz的AD采样率。对670MHz的数字电视信号，340MHz的采样率使中心频率折叠2次至10MHz，噪声增长为原来的4倍，满足带通采样的情况下要求8MHz的信号带宽采样率不得低于8MHz，可对340MHz的采样率进行数字下变频以减小参与运算的数据量，下变频倍数可选为40，变频后基带采样率为8.5MHz，满足采样要求；对1800MHz的GSM信号，340MHz的采样率使中心频率折叠5次至100MHz，噪声增长为原来的32倍，满足带通采样的情况下要求270KHz的信号带宽采样率不得低于540KHz，为统一运算量，可保留变频后基带采样率为8.5MHz，满足采样要求，同时为采用并行处理，可选择使用高倍数下变频，通过合理的滤波器组合，实现340倍下抽，得到1MHz的基带采样率，同样满足采样要求，由于下变频抽取倍数不同，需要使用自适应技术进行采样和处理的多模切换。通过实例，可以看出在设计本系统AD采样模块时，需要预先获取照射源的信息，采样率的选择可以依照本实例中所考虑的各个情况进行设计。
如图3所示，数据处理模块包括照射源识别模块、定位解算模块和组合解算模块；照射源识别模块将每个照射源信号的固有参数和输入到数据处理模块中的基带数字信号的相应参数进行比对，从而完成对照射源的识别，并将识别结果和相应照射源的位置信息提供给定位解算模块；所述每个照射源信号的固有参数包括载波中心频率、带宽、照射源波谱形式和照射源同步信息；
照射源识别需要有输入口接收多模采集数据，所接收的数字信号数据在进行信号频率及标准特征识别时，需要充分利用照射源中所包含的载波频率、照射源波谱形式、照射源同步信息等主要特征。通用照射源的特征与信息多数是公开的，识别广播信号使用其中心频率，由于广播信号的带宽较窄，各地广播电台可利用的中心频率多数集中在50MHz～150MHz范围内，因此在宽频信号接收机接收到信号载波频率50MHz～150MHz内并且信号带宽较窄可初步确定为广播信号，可从当地广播信号列表中进行筛选，以确定广播电台或广播发射塔；数字电视信号拥有几种中心频率，不同的中心频率又对应相应的同步码，即信号帧结构形式，因此通过识别同步码（帧结构）可以确定出数字电视信号，继而确定数字电视发射塔位置，值得注意的是，数字信号在进行编解码时有特殊的同步频率，而在第三方接收设备（例如本发明中的射频前端）进行电磁波采集时大多使用的不是相应的同步频率，因而需要重新计算长度以匹配帧头定义；GSM信号具有与数字电视信号相似的信号形式，其信号频率相对固定，同时具有非常严格的信号帧结构，由于GSM信号的发射站较多，因此GSM信号帧结构中必然会包含各信号发射塔的序列号信息，通过作战前期调研，明确作战范围内的所有发射塔位置，即可实现目标位置识别。
定位解算模块根据所述照射源位置信息和无人机惯导数据进行载波相位测距解算，得到无人机和照射源之间的相对距离，再解算出无人机相对多个照射源的坐标位置，并将无人机的坐标位置提供给组合解算模块；
定位解算模块解算出无人机相对多个照射源的坐标位置通过如下公式进行：
(Xli-Xp)2+(Yli-Yp)2+(Zli-Zp)2=Lli 2
其中，Xli、Yli、Zli为照射源坐标，Xp、Yp、Zp为无人机坐标位置，Lli为无人机距照射源的距离。
组合结算模块根据无人机惯导数据和定位解算模块提供的无人机的坐标位置信息进行组合滤波处理具体为：
通过卡尔曼组合滤波进行组合滤波处理，卡尔曼组合滤波通过如下公式进行：
XK+1=Ak+1Xk+Wk
Zk+1=Hk+1Xk+1+Vk+1
其中，Ak为k时刻的状态转移矩阵，Hk为k时刻的观测矩阵，Xk为k时刻的状态变量，Zk为k时刻的观测变量，Wk为k时刻的系统误差，Vk为k时刻的观测误差。
如图4本发明实施过程中提供一套系统运行步骤如下：
（1）开机时间及并行处理
本发明所实现的硬件设备并不向外辐射电磁波，因此适合长时间开机作业，在无人机起飞后即开启无源定位设备并对各个可能的照射源进行定位，本系统的输入除了照射源的射频信号外，还可以包括GPS、GLONASS、北斗等卫星定位系统的天线，在卫星定位系统信息存在的情况下，可以将卫星定位信息和无源定位信息进行参考比对，在对无源定位信息进行实时监测的同时，也减小了卫星定位系统的探测收敛时间。
（2）功能启动
设备在进行无源定位检测的同时，持续监视卫星定位系统的空间信号，在卫星定位系统空间信号存在的情况下，重复步骤（1）中并行处理的，当在本步骤中检测到卫星定位系统的空间信号消失或受到干扰导致无法完成定位时，使用卫星定位的运算处理模块被挂起，保留射频信号检测以确定信号是否恢复，同时进入步骤（3）由无源定位系统提供定位信息。
（3）系统输出
无源定位系统按照射频接收、伺服配合、宽带信号接收、AD采集、数字信号处理等模块进行运转，系统的输出为当前无人机飞行过程中与各已知通用照射源的相对位置，通过一个照射源可以得到近似水平位置信息，通过两个及以上照射源可以得到三维坐标位置，通过数据链路将位置信息反馈给地面指挥中心进行任务规划。
（4）无源定位系统功能
无源定位系统的实时性和定位精度受到当前科技发展的限制，并且在无人机飞行过程中包含了运动变化，所计算得到的结果无法为无人机飞行提供精确导航，当卫星定位系统的空间信号消失或受到干扰时，对无人机的正常飞行造成了极为严重的影响，无源定位系统在此情况下为无人机提供备用定位功能，因此当出现使用无源定位系统的情况时，需要立刻规划返航航迹，在惯导数据漂移和无源定位系统误差累积量允许的情况下将无人机引导入链路可视范围内，利用可视链路进行迫降等，由此可知，无源定位系统提供的定位信息不能应用于飞机的起飞降落。当飞行过程中持续监测卫星定位信号，如果不正常，执行步骤（3），如果监测到可用的卫星定位信号，执行步骤（1）中的并行处理功能。
本发明在当前无人机使用卫星定位系统的基础上，为飞行过程中的定位提供了一套系统规模较小、精度可接受的无源定位方法及系统，从而代替当前无人机使用磁力计、惯性导航等精度过低的设备实现卫星定位系统信号丢失或受干扰后的无人机导航。本发明的“具体实施方式”中为该系统设计方案提供了具有参考价值的理论分析依据，按照本发明中的描述进行方案规划，并通过适当的调整和优化，即可以完成利用通用照射源的无人机无源定位系统设计。本发明中利用了当前科技允许范围内的先进技术，具有较强的可实现性，有效的解决了目前无人机系统过分依赖于卫星定位系统进行导航的问题。本发明具有较强的普适性，并未限定于某一款无人机品种，针对常规无人机、高空长航时无人机、旋翼无人机等，均无特殊要求，在载荷重量、系统规模允许及包含通用照射源环境的情况下，各种无人机平台均可以对本发明及系统进行挂载，同时，本发明中在地面进行定位系统组网的思想也可以应用于其他空中定位系统中。

Claims (5)

1.一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，安装在所述无人机上，其特征在于包括：接收天线、天线伺服模块、宽频接收机、多模采集模块和数据处理模块；
天线伺服模块控制接收天线360°旋转，接收所述多个通用照射源发出的信号，并将接收到的信号送入宽频接收机，宽频接收机对信号进行滤波处理，并将滤波后的信号送入多模采集模块，多模采集模块对输入到该模块中的信号依次进行模数转换及数字下变频，再将生成的数字信号送入数据处理模块进行处理，得到无人机相对于所述多个通用照射源的位置。
2.根据权利要求1所述的一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，其特征在于：所述多模采集模块包括采样率判别模块和宽频AD采集模块；
由宽频接收机滤波处理之后的信号送入多模采集模块中的采样率判别模块，采样率判别模块根据奈奎斯特带通采样定律和满足信噪比要求条件下的载波中心频率折叠次数确定采样率，并将采样率提供给宽频AD采集模块，宽频AD采集模块根据该采样率对所述宽频接收机滤波处理之后的信号依次进行AD采集和下变频，并根据不同照射源的频率和带宽对下变频后的信号进行区分，得到对应于每个照射源的基带数字信号，之后将生成的基带数字信号送入数据处理模块。
3.根据权利要求1所述的一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，其特征在于：所述数据处理模块包括照射源识别模块、定位解算模块和组合解算模块；照射源识别模块将每个照射源信号的固有参数和输入到数据处理模块中的基带数字信号的相应参数进行比对，从而完成对照射源的识别，并将识别结果和相应照射源的位置信息提供给定位解算模块；所述每个照射源信号的固有参数包括载波中心频率、带宽、照射源波谱形式和照射源同步信息；
定位解算模块根据所述照射源位置信息和无人机惯导数据进行载波相位测距解算，得到无人机和照射源之间的相对距离，再解算出无人机相对多个照射源的坐标位置，并将无人机的坐标位置提供给组合解算模块；
组合结算模块根据无人机惯导数据和定位解算模块提供的无人机的坐标位置信息进行组合滤波处理，得到最终的无人机位置信息。
4.根据权利要求3所述的一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，其特征在于：定位解算模块解算出无人机相对多个照射源的坐标位置通过如下公式进行：
(Xli-Xp)2+(Yli-Yp)2+(Zli-Zp)2=Lli 2
其中，Xli、Yli、Zli为照射源坐标，Xp、Yp、Zp为无人机坐标位置，Lli为无人机距照射源的距离。
5.根据权利要求3所述的一种利用通用照射源的无人机无源定位系统，其特征在于：组合结算模块根据无人机惯导数据和定位解算模块提供的无人机的坐标位置信息进行组合滤波处理具体为：
通过卡尔曼组合滤波进行组合滤波处理，卡尔曼组合滤波通过如下公式进行：
XK+1=Ak+1Xk+Wk
Zk+1=Hk+1Xk+1+Vk+1
其中，Ak为k时刻的状态转移矩阵，Hk为k时刻的观测矩阵，Xk为k时刻的状态变量，Zk为k时刻的观测变量，Wk为k时刻的系统误差，Vk为k时刻的观测误差。
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