CN106932753B - 反无人机被动探测和测向定位系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及反无人机被动探测和测向定位系统。该系统包括阵列天线、射频切换开关、双通道接收机、双通道信号处理机、无线路由器、定位服务器、监控终端等。系统通过阵列天线被动截获和接收无人机及操作者发射的测控和图传射频信号，双通道接收机对截获接收到目标信号变频为中频信号，对中频信号进行信号检测和参数估计，得到无人机的特征参数，通过无线路由器发送到定位服务器。定位服务器端接收到无人机的特征参数后，对无人机特征参数进行测向交叉定位，实现对无人机的探测和定位、跟踪。该系统实现对无人机的定位和跟踪，以满足对重点要地区域的安全保障和无人机对抗、干扰等需求。
Description
技术领域
本发明属于反无人机技术领域，具体涉及一种对无人机及其操作者发出的测控和数传信号进行被动接收探测和测向的系统。
背景技术
近年来以中小型无人机（特别是小型多旋翼无人机）为代表的民用无人空中系统正在世界范围内掀起发展热潮，在摄影娱乐、农林作业、边境巡逻、治安反恐、地理测绘、管线监测与维护、应急救援等方面的应用需求快速增长，各类无人机不仅成为各行业新兴的专业设备，也成为普通民众生活中常见的热门工具。但是，作为世界最大的民用无人机生产国和最具应用发展潜力的市场，我国在无人机相关法规的建设、监控管理手段建设上，却严重滞后于无人机应用，存在诸多缺失、模糊和混乱之处。而由此带来的问题，尤其是民用微型无人机使用中所暴露出来的无序状态和安全隐患，正日益引发社会各界关注和担忧。从实际情况看，微型无人机的监控基本上是一纸空白，以致于大多数飞行活动都处于所谓的“ 黑飞”状态。由于技术的进步，现行标准下的微型无人机在飞行高度和飞行速度上，已经具有极高的飞行能力，加上用户众多，其不当使用所带来公共安全威胁相当大。
因此，开发一个对重点区域的无人机进行监控、定位和管理，具有重要的意义和应用价值。由于低空无人机飞行高度相对比较低、体积小、速度慢，被称为典型的“低小慢”目标，对这种目标的探测和管控采用常规雷达探测手段进行探测，存在一定的技术性困难，主要体现在以下两个方面：
1）低空探测问题
由于低空无人机飞行高度低，一方面受建筑物及外界环境的影响，雷达波可能无法照射到目标；另一方面，地杂波同时进入雷达接收机，使雷达难以发现无人机目标导致虚警率高。另外其飞行速度慢，甚至低于雷达的速度检测门限，反射面积小，回波信号微弱，PD雷达无法有效检测。
2）识别问题
即使解决了探测问题，对低空无人机的识别仍然是较大问题，一方面由于目标飞行速度慢，甚至悬停，容易与气象杂波和鸟群等速度慢目标形成慢动杂波混淆，导致目标识别困难，无法对目标的类型进行有效识别。
由于无人机在飞行和拍摄过程中，其必然要回传飞机参数和数据，而且有操作者需要对其进行控制，因此无人机将发出测控和数传信号，操作者也将发出遥控信号，不同厂家、型号无人机测控和数传信号有其各自的参数特点。对这些无人机辐射的信号可以进行被动截获、参数测量、测向，根据其载频、带宽、调制方式、调制参数等进行判别，就可以识别出无人机的型号。再通过对其方向的测量，可通过多站测向交叉或者时差无源定位的方式实现对无人机的精确定位，通过多次定位结果可以对其进行跟踪，从而有可能可以实现对无人机及其操作者的定位、识别、跟踪，是对其进行有源干扰、网捕、攻击等各种对抗反制措施的重要前提。
发明内容
针对民用微型无人机监控管理的急迫需求，为实现对重点区域的无人机无线电数传和测控信号的搜索、测向和对无人机的定位和跟踪，以满足对重点要地区域的安全保障和无人机对抗、干扰等需求，特提出一种反无人机被动探测和测向定位系统。
本发明的技术方案是：所述系统包括阵列天线、射频切换开关、双通道接收机、双通道信号处理机、无线路由器、定位服务器、监控终端等，其中，阵列天线通过射频电缆与射频切换开关相连，射频切换开关输出两路射频信号与双通道接收机相连，双通道接收机输出两路中频信号与信号处理机相连，信号处理机通过网线与无线路由器相连，信号处理机信息通过无线路由器与定位服务器先连接，定位服务器通过因特网与监控终端（如计算机终端、智能手机终端）通过互联网相连。
所述的阵列天线，可以采用N个（N≥2，典型实施例为12个）相同的宽带天线，每一个宽带天线具有一定的天线3dB波束宽度（例如典型30°左右）、一定的增益（典型14dB以上），每一个天线的安装指向不同，指向差异的角度和单个天线的3dB波束宽度相同，形成一个覆盖360°的全向比幅天线阵列。
所述射频切换开关，有N通道宽带低噪声放大器、两个N切1的射频切换开关、切换控制电路组成，对输入N个通道的射频接收信号，对其进行20dB左右的宽带低噪声放大后，通过射频切换开关切出相邻的两路天线接收信号送到双通道接收机。
所述的双通道接收机，其每一个接收通道由宽带低噪声放大器、滤波器、混频器、中频放大器、频率综合器等构成，实现对阵列接收天线接收的双通道射频信号的放大、滤波和下变频功能，将双通道射频信号转换为适合A/D采集的中频信号。由于无人机高清图传和测控信号通常使用2.40GHz～2.48GHz频段具有80MHz带宽，因此中频接收带宽典型值为80MHz，典型的中频频率为312.5MHz。所述频率综合器具有产生宽频率范围（典型值为300MHz～6GHz）内的本振信号能力。
所述双通道信号处理机，由信号处理载板、多个A/D采集子卡等组成，其每一个通道对应于一个A/D采集子卡，信号处理载板具有两个FPGA和一个DSP芯片、网口控制芯片，每个A/D子卡具有对一个通道中频模拟信号的A/D采集功能，典型的采样频率为fs=500MHz，采集后的数字信号送到FPGA芯片中，进行数字信道化处理，对多个信道可能存在的信号进行数字滤波后进行FFT计算，若FFT的频谱幅度大于某一门限，则判断存在信号。同时DSP对每个信道输出的信号进行时域检波，得到数字视频信号后，对数字视频信号的脉冲宽度、重复频率、幅度等进行测量，即可得到信号的脉冲宽度、重复频率等参数。另外，对多个通道的幅度进行比较，可以推断出目标信号的来波角度，结合阵列天线当前的安装初始方向，即可得到无人机来波信号相对真北指向的夹角，即为无人机来波信号方向，上述无人机的载频、脉冲宽度、重复频率、幅度、来波方向等信号参数，可以通过网口控制芯片发给无线路由器。
所述无线路由器，是一个具有网口（或者串口）和SIM卡、天线的无线数据通信设备，插入移动通信运营商提供的SIM卡并付费后，可以将信号处理机发送的信号参数，通过因特网和TCP/IP协议发送到定位服务器上。
所述定位服务器，是由连接因特网的服务器主机构成，其可以接收多个信号处理机通过无线路由器发送过来的无人机探测参数，通过对同一个无人机的参数进行识别，对相同型号、相同探测区域的无人机进行参数配对和测向交叉定位，实现对无人机的探测和定位、跟踪。
系统工作时，通过阵列天线被动截获和接收无人机及操作者发射的测控和图传射频信号，双通道接收机对截获接收到目标信号进行低噪声放大(LNA)、滤波和下变频为中频信号，双通道信号处理机对中频信号进行A/D采集、信道化处理、快速傅里叶变换(FFT)、信号检测和参数估计，得到无人机的载频、脉冲宽度、重复频率、幅度、来波方向等特征参数，通过无线路由器发送到定位服务器。定位服务器端接收到多个无人机探测系统的特征参数后，对多个无人机特征参数进行测向交叉定位，实现对无人机的探测和定位、跟踪。服务器得到的探测定位结果可以发送到监控终端如监控计算机、智能手机的APP上进行显示，实现对无人机的报警和探测定位引导。
上述系统当仅有单个反无人机观测站时，单个反无人机观测站对这些信号实现参数测量、高精度测向后，定位服务器可以根据单站测向结果和信号幅度粗略估计距离，同时识别出无人机的型号。多个观测站组网可以实现对无人机的高精度无源定位，在地图上实时显示无人机型号、位置和航迹等。
通常，为了保证定位效果，两个站之间的间距大于1km以上，三个站可以构成三角形，四个站可以构成四边形，五个以上站布站保证重点覆盖区域任意一点均在两个以上观测站的共同探测范围内且不与这两个观测站连线在近似一条直线上等。
所述系统由于可以截获无人机操作者发出的遥控、测控信号并测出其方向，因此也可以对无人机操作者进行多站测向交叉定位。
采用本发明可以达到如下的有益效果：
1、本发明系统由于采用了有增益的天线阵列被动接收无人机辐射的图传和测控信号进行探测，探测距离远，对于发射功率0.1W以上的微型民用无人机的探测距离可以较为容易实现6km以上的探测距离；
2、本发明系统无发射机，仅需接收机，系统成本造价低，仅为常规雷达探测无人机手段的百分之一到十分之一价格；
3、与光电探测手段相比，不受雨、雪、雾、霾等天气影响，可以实现全天候、7/24小时连续工作；
3、系统无大功率电磁辐射，隐蔽性强，不会对其它设备产生干扰；
4、目标型号识别能力强，可以识别无人机生产厂家和类型，并可为进一步精确电磁干扰无人机提供参数引导；
5、具有无人机操作者的发现能力。
附图说明
图1：本发明所述的反无人机被动探测和测向定位系统组成框图；
图2：典型的阵列天线几何布置方案图；
图3：射频切换器的原理组成框图；
图4：双通道接收机的功能组成框图；
图5：信号处理载板的功能模块组成框图；
图6：A/D采集子板的功能模块组成框图；
图7：典型应用方式的多站几何布置图。
具体实施方式
下面，结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，所述反无人机被动探测和测向定位系统多个反无人机观测站、定位服务器、监控终端组成，其中每个反无人机观测站由阵列天线、射频切换开关、双通道接收机、双通道信号处理机、无线路由器等构成，其中，阵列天线通过射频电缆与射频切换开关相连，射频切换开关输出两路射频信号与双通道接收机相连，双通道接收机输出两路中频信号与信号处理机相连，信号处理机通过网线与无线路由器相连，信号处理机信息通过无线路由器与定位服务器先连接，定位服务器通过因特网与监控终端（如计算机终端、智能手机终端）通过互联网相连。定位服务器端接收到多个无人机探测系统的特征参数后，对多个无人机特征参数进行测向交叉定位，实现对无人机的探测和定位、跟踪。服务器得到的探测定位结果可以发送到监控终端如监控计算机、智能手机的APP上进行显示，实现对无人机的报警和探测定位引导。上述系统当仅有单个反无人机观测站时，单个反无人机观测站对这些信号实现参数测量、高精度测向后，定位服务器可以根据单站测向结果和信号幅度粗略估计距离，同时识别出无人机的型号。多个观测站组网可以实现对无人机的高精度无源定位，在地图上实时显示无人机型号、位置和航迹等。
如图2所示，所述的阵列天线，可以采用N个（N≥2，典型实施例为12个）相同的宽带天线安装在一个N边形的天线底座上，每一个宽带天线具有一定的天线3dB波束宽度（例如典型30°左右）、一定的天线接收增益（典型14dB以上），每一个天线的安装指向不同，指向差异的角度和单个天线的3dB波束宽度相同，如图所示，形成一个覆盖360°的全向比幅天线阵列。由于每一个天线具有一定的天线接收增益，因此，可以实现对全空域方位内的无人机图传和测控信号进行探测。典型实施例中的天线带宽范围为从0.3GHz～6GHz范围。若在实际应用中无需360°覆盖，也可以根据所覆盖的空域方位相应地减少天线数量，如覆盖120°空域探测仅需4个天线。
如图3所示，所述射频切换开关，有N通道（图中实施例中N=12）的宽带低噪声放大器、两个N切1的射频切换开关、切换控制电路组成，对输入N个通道的射频接收信号，对其进行20dB左右的宽带低噪声放大后，通过两个12且1的射频切换开关，切换控制电路控制切出相邻的两路天线接收信号送到双通道接收机。
如图4所示，所述的双通道接收机由两个接收通道和一个频率综合器组成，每一个接收通道由宽带低噪声放大器、滤波器、混频器、中频放大器、频率综合器等构成，实现对阵列接收天线接收的双通道射频信号的放大、滤波和下变频功能，将双通道射频信号转换为适合A/D采集的中频信号。由于无人机高清图传和测控信号通常使用2.40GHz～2.48GHz频段具有80MHz带宽，因此中频接收带宽典型值为80MHz，典型的中频频率为312.5MHz。所述频率综合器具有产生宽频率范围（典型值为300MHz～6GHz）内的本振信号能力。
如图5所示，所述信号处理载板具有两个FPGA和一个DSP芯片、网口控制芯片、时钟管理模块、DDR内存条、SDRAM、高速连接器接口等组成，两个A/D子卡采样频率为fs=500MHz的中频采样数字信号送到FPGA芯片中，进行数字信道化处理，对多个信道可能存在的信号进行数字滤波后进行FFT计算，若FFT的频谱幅度大于某一门限，则判断存在信号。同时DSP对每个信道输出的信号进行时域检波，得到数字视频信号后，对数字视频信号的脉冲宽度、重复频率、幅度等进行测量，即可得到信号的脉冲宽度、重复频率等参数。另外，对多个通道的幅度进行比较，可以推断出目标信号的来波角度，结合阵列天线当前的安装初始方向（可以事先标定），即可得到无人机来波信号相对真北指向的夹角，即为无人机来波信号方向，上述无人机的载频、脉冲宽度、重复频率、幅度、来波方向等信号参数，可以通过网口控制芯片发给无线路由器。
如图6所示，每个A/D采集子卡输入一路中频信号，进行低通放大后送到AD9540芯片进行A/D采样，采样的数据通过高速连接器送到信号处理载板中。
如图7所示，本系统的典型应用时，重点关注区域如图中的六边形所示，三个探测系统位于重点区域内部或者附近，并拉开一定的距离d(称之为定位基线)，每个无人机探测系统各具有360度的探测区域，从而可以实现对重点关注区域的无人机进行探测和测向交叉定位，保证全部重点关注区域的高精度定位。通常，为了保证定位效果，两个站之间的间距大于1km以上，三个站可以构成三角形，四个站可以构成四边形，五个以上站布站保证重点覆盖区域任意一点均在两个以上观测站的共同探测范围内且不与这两个观测站连线在近似一条直线上等。
Claims (2)
1.反无人机被动探测和测向定位系统，包括阵列天线、射频切换开关、双通道接收机、双通道信号处理机、无线路由器、定位服务器、监控终端，其特征在于，阵列天线通过射频电缆与射频切换开关相连，射频切换开关输出两路射频信号与双通道接收机相连，双通道接收机输出两路中频信号与信号处理机相连，信号处理机通过网线与无线路由器相连，信号处理机信息通过无线路由器与定位服务器先连接，定位服务器通过因特网与监控终端通过互联网相连，
所述的阵列天线，采用N个,N≥2，相同的宽带天线，每一个宽带天线为3dB波束宽度天线，每一个天线的安装指向不同，指向差异的角度和单个天线的3dB波束宽度相同，形成覆盖360°的全向比幅天线阵列；
所述射频切换开关，有N通道宽带低噪声放大器、两个N切1的射频切换开关、切换控制电路组成，对输入N个通道的射频接收信号，对其进行20dB左右的宽带低噪声放大后，通过射频切换开关切出相邻的两路天线接收信号送到双通道接收机；
所述的双通道接收机，其每一个接收通道由宽带低噪声放大器、滤波器、混频器、中频放大器、频率综合器构成，实现对阵列接收天线接收的双通道射频信号的放大、滤波和下变频功能，将双通道射频信号转换为适合A/D采集的中频信号；
所述反无人机被动探测和测向定位系统工作时，通过阵列天线被动截获和接收无人机及操作者发射的测控和图传射频信号，双通道接收机对截获接收到目标信号进行低噪声放大、滤波和下变频为中频信号，双通道信号处理机对中频信号进行A/D采集、信道化处理、快速傅里叶变换、信号检测和参数估计，得到无人机的载频、脉冲宽度、重复频率、幅度、来波方向特征参数，通过无线路由器发送到定位服务器，定位服务器端接收到多个无人机探测系统的特征参数后，对多个无人机特征参数进行测向交叉定位，实现对无人机的探测和定位、跟踪，服务器得到的探测定位结果发送到监控终端如监控计算机、智能手机的APP上进行显示，实现对无人机的报警和探测定位引导；
所述反无人机被动探测和测向定位系统，当仅有单个反无人机观测站时，单个反无人机观测站对这些信号实现参数测量、高精度测向后，定位服务器根据单站测向结果和信号幅度粗略估计距离，同时识别出无人机的型号。
2.根据权利要求1所述的反无人机被动探测和测向定位系统，其特征在于，所述双通道信号处理机包括信号处理载板、A/D采集子卡，每一个通道对应于一个A/D采集子卡，信号处理载板具有两个FPGA和一个DSP芯片、网口控制芯片，每个A/D采集子卡具有对一个通道中频模拟信号的A/D采集功能，典型的采样频率为fs=500MHz。
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- 2017-03-14 CN CN201710148391.5A patent/CN106932753B/zh not_active Expired - Fee Related
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