CN107561525A - 一种基于通讯基站铁塔的无人机目标监视系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在城市通信基站铁塔上架设雷达探测系统，用于多站组网并进行无人值守的目标自动实时监控的系统和方法，尤其适用于无人机空中目标。本发明方案包括在通讯基站铁塔上架设探测雷达，构建监视组网，利用探测雷达对目标进行探测，通过无线通讯网络将探测数据传输到监控中心，对目标数据进行综合处理，对目标进行定位监视。本发明提供的探测系统和方法能用于在城市中对无人机大范围高精度监视，其探测精度高，覆盖范围广，并在监控中心能实时在城市地图上显示，从而实现在城市中对无人机大范围高精度监视，保障城市防护安全，并节省了对小型无人机的探测成本和架设成本，实现了资源综合利用。

Description

一种基于通讯基站铁塔的无人机目标监视系统和方法

技术领域

本发明涉及目标探测领域，尤其涉及一种基于通讯基站铁塔的无人机目标监视系统和方法。

背景技术

无人机也称做无人驾驶飞机，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。

其中微型无人机由于体积小、飞行操控方便等自身特点在带来很多应用上的方便与优越性的同时，也带来了一系列安全问题，例如误闯机场、飞行安全等情况，因此有必要对无人机进行有效的监控。而实时监控困难是无人机飞行监管长期存在的问题，现有技术中的无人机监视设备，由于城市环境特殊性，楼层遮挡严重，导致监视设备在城市中架设条件受到极大的限制。例如对监视设备的安装存在以下困难：第一要求设备的架设使用点在楼顶等开阔区域，第二要求有稳定的供电系统，第三要求安装位置和外设不能扰民，第四要求区域内的站点信息能够综合。这些综合因素造成现有设备布置困难，成本较高，并且导致现有设备对无人机探测距离近，探测效果差，缺乏组网综合监控，无法实现大范围长期的实时监视。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的一系列问题，提供了一种在城市通信基站铁塔上架设雷达探测系统，用于多站组网并进行无人值守的目标自动实时监控，尤其适用于无人机等空中目标。该系统探测精度高，覆盖范围广，在监控中心能实时在城市地图上显示，实现在城市中对无人机大范围高精度监视，保障城市防护安全。

具体的，本发明提供一种基于通讯基站铁塔的目标监视系统，其特征在于，所述系统包括：组网模块，用于在通讯基站铁塔上架设探测雷达；探测模块，利用探测雷达对目标进行探测；数据传输模块，通过通信基站的GPRS无线通讯网络将探测数据传输到监控中心；处理模块，用于实现对目标数据的综合处理，对目标进行定位监视。

每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和包含坐标在内的目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。

雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。

每个探测雷达输出目标的信息最大为1MB/s,并通过GPRS R4协议无线传输给监控中心。雷达采用C波段方位相扫，俯仰宽波束覆盖的连续波体制，雷达前端采用固定式安装在基站铁塔一侧。

另一方面，本发明提供一种基于通讯基站铁塔的目标监视方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：在通讯基站铁塔上架设目标探测雷达，构建监视组网；利用调频连续波雷达对目标进行探测；通过无线通讯网络将探测数据传输到监控中心；对目标数据进行综合处理，对无人机目标进行定位监视。

每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号并录入数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和包含坐标信息在内的目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。

雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。

每个探测雷达输出目标的信息最大为1MB/s,并通过GPRS R4协议无线传输给监控中心。雷达采用C波段方位相扫，俯仰宽波束覆盖的连续波体制，雷达前端采用固定式安装在基站铁塔一侧。

采用以上技术方案，本发明针对现有城市空中目标尤其是无人机目标的探测无法实现大范围监管、架设困难等缺陷，将无人机探测雷达架设到城市通讯基站铁塔上。利用通讯基站覆盖区域广、本身含供电系统、数据回传系统等利于雷达架设、数据回传实现的优点，节省了对小型无人机的探测成本和架设成本，实现了资源综合利用。雷达对无人机进行探测，在多个雷达站覆盖区域内形成多站点监视，并组网传输监控信息，形成监管系统。从而实现对城市禁飞区域进行大范围无人机监管，可实现无人值守，长期监测，加强城市对小型无人机的管制力度，保障机场、政府部门等重要部门安全。

附图说明

图1是基于通讯基站铁塔的无人机目标监视系统示意图。

图2是基于通讯基站铁塔的雷达组网布站示意图。

图3是雷达俯仰空域覆盖范围。

图4是单目标时目标定位结果。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。

在一个实施例中本发明提供一种基于手机通讯基站铁塔的无人机目标监视系统，且无人机在飞行速度、航迹、高度等方面具有其相应的飞行特点。在城市中手机通讯基站铁塔上架设无人机探测雷达，利用调频连续波雷达对目标进行探测，通过GPRS无线通讯网络将探测数据传输到监控中心，监控中心实现对无人机目标的综合处理，从而对无人机目标进行定位监视。

如图1为基于手机通讯基站铁塔的无人机监视系统探测示意图。

进一步的，手机通讯基地铁塔配备了电源设备、无线设备、传输设备等，能为探测雷达提供供电和数据通讯传输，而且手机通讯基地铁搭一般架设在楼顶或开阔环境中，且具有一定高度，保障了雷达的探测性能和作用距离，实现了资源综合利用，在城市监控区域实现大范围覆盖。

其中，每个通讯基站的GPS坐标信息在建站时测量，并对该基站进行编号，录入数据库，检测中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和包含坐标在内的目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置，用于对整个城市大环境的监视预警。

基于通讯基站铁塔的雷达组网布站示意图如图2所示。

具体的，雷达探测原理为利用调频连续波雷达对无人机目标进行探测和定位，雷达发射电磁波，持续对500m以下的空中无人机目标进行连续监测，单部雷达可提供120°的方位空域覆盖，俯仰宽波束覆盖60°，距离覆盖大于1km。

雷达组成为采用C波段方位相扫，俯仰宽波束覆盖的连续波体制，雷达前端安装在基站铁塔一侧，采用固定式。

每个雷达输出目标的信息最大为1MB/s,通过GPRS R4协议无线传输给监控中心。

雷达探测总体技术方案如下：

(1)雷达体制：雷达采用C波段，固定式方位相扫调频连续波体制。

(2)扫描形式：雷达天线固定不动。俯仰宽波束覆盖60°，方位采用相扫的形式，10个波束覆盖120°方位。

(3)发射形式：为减小体积，发射采用固态放大器。为了减小发射链路损耗，采用分布式，每路单独移相后放大到所需发射功率。

(4)发射波形：发射波形为锯齿线性调频连续波信号。每个波形宽度0.5ms，调频带宽40MHz，每个波束驻留时间100ms，120°覆盖区域扫描完成所需时间为1s。

雷达对目标探测包括方位测量、距离测量和高度测量。

在城市环境下，存在众多与无人机目标相似的目标，因此，必须采取相应的方法，对目标进行综合识别，主要包括以下技术手段。

(1)采用辅助天线，去除0°指向以下仰角的目标；

(2)采用数字地图，去除长时间在交通道路上运动的目标；

(3)经过上述相关处理，仅存在空中目标。在后续算法中，对目标的强度、尺寸、速度等信息进行融合判断，剔除大型的空中目标。仅剩余无人机、大鸟、风筝等一些较难分辨的目标；

(4)由于雷达对目标的刷新时间间隔仅有1秒，可以获得目标详细的运动轨迹，最后根据目标运动轨迹，锁定具有无人机特点的目标。

对无人机目标的探测系统主要性能指标分析如下：

1.俯仰覆盖范围

根据作用距离和天线方向图绘制俯仰覆盖范围，天线中心指向仰角维覆盖范围如图3所示。

2.方位角测量时，存在系统误差和偶然误差。

σ_θns——指北校正误差；

σ_at——天线波束指向校正误差；

σ_θn——白噪声下随机误差；

白噪声环境中测角的随机误差为：

；

综合计算雷达测角精度为1°。

3、距离测量精度

距离测量时，存在系统误差和偶然误差。

σ_rn——机内热噪声误差；

σ_rm——多路径引起延迟；

σ_rd——接收机内延迟残差；

σ_rfd——调频脉压电路引起输出脉冲的距离与多普勒耦合；

σ_rs——采样误差；

σ_rgl——目标体强反射点闪烁引起的测距误差；

σ_rq——输出数据量化误差；

σ_rf——大气传播影响引起的测距误差。

综合计算雷达测距精度为7m。

4、高度测量精度

仿真统计定位误差，仿真参数如下：

站1：(-200，0，15)；站2：(200，0，15)；站3：(0，300，15)；单位：米。

目标：(100，200，600)；单位：米；

测距精度：7米；

每个站点的三维坐标误差：7米；

统计次数：100次；

蒙特卡洛仿真结果如图4所示。

统计测高均方根误差约11.6米。

单部雷达总体参数如下：

(1)工作频率：C波段，5.3GHz；

(2)雷达尺寸：40mm×320mm×150mm；

(3)方位范围：120°；

(4)俯仰范围：60°；

(5)距离范围：1km；

(6)测向精度：1°；

(7)测距精度：7m；

(8)测高精度：12m(三部及以上)；

(9)辐射功率：10W；

(10)功耗：90W；

(11)多目标处理能力：30批；

(12)最小可检测目标速度：1m/s；

(13)无人机目标识别正确率：99％。

以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种基于通讯基站铁塔的目标监视系统，其特征在于，所述系统包括：

组网模块，用于在通讯基站铁塔上架设探测雷达构建组网；

探测模块，利用探测雷达对目标进行探测；

数据传输模块，通过无线通讯网络将探测数据传输到监控中心；

处理模块，用于实现对目标数据的综合处理，对目标进行定位监视。

2.如权利要求1所述的目标监视系统，其特征在于：每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，对基站进行编号并录入数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。

3.如权利要求2所述的目标监视系统，其特征在于：雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。

4.如权利要求2所述的目标监视系统，其特征在于：每个探测雷达输出目标的信息最大为1MB/s, 并通过GPRS R4 协议无线传输给监控中心。

5.如权利要求2所述的目标监视系统，其特征在于：雷达采用C波段方位相扫，俯仰宽波束覆盖的连续波体制，雷达前端采用固定式安装在基站铁塔一侧。

6.一种基于通讯基站铁塔的目标监视方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

在通讯基站铁塔上架设探测雷达，构建监视组网；

利用探测雷达对目标进行探测；

通过无线通讯网络将探测数据传输到监控中心；

对目标数据进行综合处理，对目标进行定位监视。

7.如权利要求6所述的目标监视方法，其特征在于：每个基站的GPS坐标信息在建站时测量，对基站进行编号并录入数据库，监控中心收到目标坐标信息后，根据基站编号和目标信息，即可换算出目标在整个组网环境中所处的位置，并根据城市地图确定目标的具体位置。

8.如权利要求7所述的目标监视方法，其特征在于：雷达对目标进行探测包括方位测量、距离测量和高度测量，其中方位测量采用相扫实现，距离测量通过发射锯齿线性调频连续波信号实现，高度测量通过采用多站点测得的目标方位、距离信息结合基站站点GPS坐标信息综合计算获得。

9.如权利要求8所述的目标监视方法，其特征在于：每个探测雷达输出目标的信息最大为1MB/s, 并通过GPRS R4 协议无线传输给监控中心。

10.如权利要求8所述的目标监视方法，其特征在于：雷达采用C波段方位相扫，俯仰宽波束覆盖的连续波体制，雷达前端采用固定式安装在基站铁塔一侧。