CN108923843A - 一种无人机载移动通信测向系统及测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机载移动通信测向系统及测向方法，该测向系统包括无人机、组装于所述无人机的测向主机和对数周期天线阵，应用在民用无线通信领域上，并且对数周期天线阵由六天线组成，六通道接收机同时处理六路射频信号，是一种实时的接收机模式。本发明是无人机直接挂载宽频天线，射频接收机具有选频电路、具有各频段的射频通路，根据不同的工作制式，切换到相应频段通道来实现宽频段兼容；该测向系统采用多频段兼容的接收机技术，需要对天线接收信号进行射频和数字处理计算接收能量，通过比较各天线接收能量的差异，计算当前目标所在角度，是一种快速、实时的定位方式。

Description

一种无人机载移动通信测向系统及测向方法

技术领域

本发明涉及无人机侧向技术领域，具体涉及一种无人机载移动通信测向系统及测向方法。

背景技术

无人机载测向系统，是将测向系统嵌入到机载平台，机载平台在运动过程中将测向结果发送到附近的控制平台，控制平台根据测向结果控制无人机下一步移动方向，通过多次测向，机载平台就可以准确捕获和跟踪上感兴趣的信号。

随着无线通信的发展，市场对兼容多制式，不同频段的测向系统需求增加，也相应引入硬件设备的体积、重量和功耗增加问题。而且传统的移动式测向系统经常面临楼层遮挡衰减信号强度，导致接收机性能恶化，基带处理器无法解调远处目标发出信号，大大缩小测向系统的作用距离。传统无线通信测向系统，由于天线覆盖问题，在高楼测向应用上经常出现盲区。在一些复杂环境(例如城中村)经常由于多路径效应，障碍物折射、反射等直接影响测向精度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种无人机载移动通信测向系统及工作方法，通过结合多频段兼容接收机的特点，同时具有小型化、低功耗等优点，是一种能解决传统无线通信测向系统测向盲区和部分测向难题的设计以及可扩展和高效率的测向系统设计。

根据公开的实施例，本发明的第一方面公开了一种无人机载移动通信测向系统，其特征在于，包括：

无人机、组装于所述无人机的测向主机和天线阵；

所述天线阵用于采集目标通信模块发出的信号，并将采集的信号输出到所述测向主机；

所述测向主机用于对所述天线阵采集的信号进行处理，计算其能量值，并通过对各天线采集的信号能量的运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息将其发送给用户；

所述无人机用于搭载所述测向主机和所述天线阵飞行以便搜索目标通信模块。

进一步地，所述天线阵为由多个结构相同的对数周期天线构成的对数周期天线阵，且每一所述对数周期天线自所述天线阵的安装平面向下倾斜设置。

进一步地，所述对数周期天线设有6个，且任意相邻两对数周期天线之间的夹角为60°。

进一步地，所述对数周期天线的中心线与所述天线阵的安装平面之间形成的7°-30°的夹角。

进一步地，所述测向主机包括：

多通道接收机、信道处理单元以及控制处理单元；

所述多通道接收机用于接收所述天线阵的多路射频信号，并对所述射频信号进行处理，转换为数字信号并传输给所述信道处理单元；

所述信道处理单元用于将所述数字信号进行数字域的下变频处理和滤波处理，并计算当前有用信号的能量值传输给所述控制处理单元；

所述控制处理单元用于通过所述信号能量值计算测向信息，以及与所述无人机的进行信息交互。

进一步地，所述无人机载移动通信测向系统还包括控制终端，所述控制终端用于向所述无人机和测向主机发送控制指令，接收并显示所述测向主机和无人机的工作状态以及检测到的实时测向信息。

根据公开的实施例，本发明的第二方面公开了一种无人机载移动通信测向系统的测向方法，所述的工作方法包括下列步骤：

利用多个天线组成的天线阵采集多路目标通信模块发射的射频信号；

将多路射频信号进行模拟信号处理，并将其转换为数字信号；

将数字信号进行下变频与滤波处理，并计算出各天线支路采集的目标信号的能量值；

将所述能量值进行运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息，并将其发送给用户。

进一步地，所述将所述能量值进行运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息，包括步骤：

按照预设角度间隔获取多通道的基准文件矩阵，并进行标准化；

将各通道采集的目标信号能量值进行标准化，得到由各通道的能量值组成的单列能量矩阵；

将标准化处理后的所述基准文件矩阵与所述能量矩阵相乘，基于乘积中最大值与预设角度间隔，得到目标所在角度值。

进一步地，所述将多路射频信号进行模拟信号处理，并将其转换为数字信号，包括步骤：

将天线阵耦合进来的射频信号经过低插损开关、第一级声表滤波器、高增益低噪声放大器、第二级声表滤波器进行初步处理；

将初步处理过的信号通过选频开关切换到中频链路，在中频链路进行下变频、增益控制和中频滤波处理，输出到ADC模数转换器转换为数字信号。

进一步地，在所述利用多个天线组成的天线阵采集多路目标通信模块发射的射频信号之前，还包括步骤：

接收并响应控制终端发送的分时多制式选频指令，将低插损开关设置为对应频段。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明公开的一种无人机载移动通信测向系统，通过无人机搭载测向主机和天线阵飞行，提高搜索目标的效率，其中，天线阵采集目标通信模块发出的信号，输出到测向主机，进行射频信号处理，模数转换、解调出有用信息，然后测向信息通过无人机的通信模块发送到控制终端，该测向系统具有小型化、低功耗、可扩展和高效率的特点。

2、本发明公开的一种无人机载移动通信测向系统，其中，天线阵由六天线组成，六通道接收机同时处理六路射频信号，是一种实时的接收机模式，可广泛应用在民用无线通信领域上。

3、本发明公开的一种无人机载移动通信测向系统将无人机直接挂载宽频天线，射频接收机具有选频电路、具有各频段的射频通路，根据不同的工作制式，切换到相应频段通道来实现宽频段兼容。

4、本发明是一种多频段兼容的接收机技术，需要对天线接收信号进行射频和数字处理计算接收能量，通过比较各天线接收能量的差异，计算当前目标所在角度，是一种快速、实时的定位方式。

附图说明

图1是本发明一种实施例的无人机载通信测向系统应用场景示意图；

图2是本发明一种实施例的测向主机组成框图；

图3是本发明一种实施例的六通道接收机框架示意图；

图4是本发明一种实施例的天线阵设计示意；

图5是本发明图4所示天线阵另一角度的设计示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

随着无线电技术的发展，通信频段的增加，对多频段、多制式兼容的接收机要求日益增加。同时地面测向系统在高楼测向和地面多障碍环境测向经常出现盲区，并且由于天线的遮挡，测向系统接收机性能恶化，直接减少测向作用距离。本实施例提出一种无人机载移动通信测向系统，在实现宽频段测向功能的同时具有小型化和低功耗特点，整个测向系统挂载到无人机上，解决了传统测向系统，经常遇到的高楼测向和障碍物遮挡等测向盲区问题，大大提高了测向效率和测向作用距离。

如图1所示，整个测向系统根据无人机的外观和体积，通过小型化设计实现无人机挂载。由于各天线阵安装位置差异，导致各天线接收被测设备发出信号的能量有差异。测向主机进行射频信号处理、数字基带处理，计算信号能量，与无人机信息交互等工作，测向人员通过操作控制终端来控制整个无人机测向系统。

图1简单描述本发明应用组成部分，主要由无人机载移动通信测向系统、控制终端、目标通信模块三部分组成。控制终端发送航向和测向命令来控制无人机载移动通信测向系统，无人机载移动通信测向系统将当前测向信息例如目标所在角度反馈到终端设备。无人机载移动通信测向系统主要由无人机、测向主机、天线阵组成。天线阵采集目标通信模块发出的射频信号，输出到测向主机；测向主机进行射频信号处理，模数转换、解调出有用信息，并计算出测向信息发送到控制终端；控制终端最终显示当前测向信息，例如目标所在角度。同时操作员通过地面控制终端实时控制测向主机和无人机工作状态。

本实施例公开的无人机载移动通信测向系统包括：无人机、组装于所述无人机的测向主机和天线阵。

其中，所述天线阵用于采集目标通信模块发出的信号，并将采集的信号输出到所述测向主机。

其中，所述测向主机用于对所述天线阵采集的信号进行处理，计算其能量值，并通过对各天线采集的信号能量的运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息将其发送给用户；本实施例中，测向信息可以是以射频信号形式，通过测向主机发送到地面上的控制终端。

其中，所述无人机用于搭载所述测向主机和所述天线阵飞行以便搜索目标通信模块。

实施例二

本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第一实施例中的天线阵在实际工程中的具体实现方式。

本实施例中天线阵为由多个结构相同的对数周期天线构成的对数周期天线阵，且每一所述对数周期天线自所述天线阵的安装平面向下倾斜设置。

所述对数周期天线的中心线与所述天线阵的安装平面之间形成的7° -30°的夹角，具体的夹角可以根据实际测试需求进行调整。

实施例三

本发明实施例提供一种天线阵的具体实施技术方案，以支持第二实施例中的天线阵在实际工程中的具体实现方式。

本实施例中天线阵为由6个结构相同的对数周期天线构成的对数周期天线阵，且任意相邻两对数周期天线之间的夹角为60°。

如图4和图5中所示，提供了本实施例中天线阵的设计，选择轻薄和小型的周期天线代替常用的重量大、体积庞大的喇叭天线。根据周期天线阵的辐射场特征，采用6天线和天线间隔角度60°的方式来实现360°全覆盖。同时根据天线主瓣辐射特征，天线采用与水平面往下倾斜一定角度 (本实施例中采用角度30°)的方式安装，有利于接收远距离信号，能更好的实现远场测向覆盖。

实施例四

本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第一实施例中的测向主机在实际工程中的具体实现方式。

本实施例中测向主机包括：多通道接收机、信道处理单元以及控制处理单元；

其中，所述多通道接收机用于接收所述天线阵的多路射频信号，并对所述射频信号进行处理，转换为数字信号并传输给所述信道处理单元；

其中，所述信道处理单元用于将所述数字信号进行数字域的下变频处理和滤波处理，并计算当前有用信号的能量值传输给所述控制处理单元；

其中，所述控制处理单元用于通过所述信号能量值计算测向信息，以及与所述无人机的进行信息交互。

实施例五

本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第四实施例中的测向主机在实际工程中的具体实现方式。

如图2所示，图2中提供的测向主机主要由六通道接收机、信道处理单元、控制处理单元三部分组成。测向主机实现射频和数字信号处理、解调信道、计算信号能量值。对数周期天线阵接收到的六路射频信号，输出到六通道接收机，六通道接收机完成选频控制，滤除带外干扰信号、增益控制、变频处理、模数转换等处理，信道处理单元完成数字域的下变频处理和数字滤波，解调出有用信号，计算当前信号能量值，并将测向信息传输给控制处理单元，控制处理单元负责与控制终端进行信息交互，同时做温度监控、电量监控等控制。

图3提供了一种分时多制式选频电路设计方案：天线耦合进来的射频信号经过低插损开关，通过开关切换将信号选择到对应频段的声表滤波器对带外干扰信号进行抑制，然后通带内的有用射频信号通过高增益的低噪声放大器进行信号放大，再进入第二级声表滤波器对带外信号进行进一步的抑制(二次滤波)，再通过选频开关切换到中频链路，在中频链路进行，进行下变频，增益控制和中频滤波，最后输出到ADC模数转换后，进行基带处理。

实施例六

一种无人机载移动通信测向方法，本实施例中所述一种无人机载移动通信测向方法上述实施例公开的测向系统为实施基础实现测向，该测向方法包括下列步骤：

S1、利用多个天线组成的天线阵采集多路目标通信模块发射的射频信号；

S2、将多路射频信号进行模拟信号处理，并将其转换为数字信号；

S3、将数字信号进行下变频与滤波处理，并计算出各天线支路采集的目标信号的能量值；

S4、将所述能量值进行运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息，并将其发送给用户。

实施例七

本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第七实施例中的步骤S4在实际工程中的具体实现方式。

本实施例中，将所述能量值进行运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息，包括以下子步骤：

按照预设角度间隔获取多通道的基准文件矩阵，并进行标准化；其中，基准文件矩阵的行数为360°÷角度间隔，例如以15度角度间隔进行测量，则该矩阵为24行；列数为通道数，例如6天线就是6列。

将各通道采集的目标信号能量值进行标准化，得到由各通道的能量值组成的单列能量矩阵；其中，单列能量矩阵的行数为通道数，例如6天线就是6行。

将标准化处理后的所述基准文件矩阵与所述能量矩阵相乘，基于乘积中最大值与预设角度间隔，得到目标所在角度值。例如，以上24*6的基准文件矩阵与6*1的单列能量矩阵相乘得到24个数，选最大值对应角度，比如第3个数最大，则角度即为30°，此处默认第1个数对应0°，也可以不从0°开始，只要保持对应就可以。

实施例八

本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第七实施例中的步骤 S2在实际工程中的具体实现方式。

本实施例中，将多路射频信号进行模拟信号处理，并将其转换为数字信号，包括以下子步骤：

将天线阵耦合进来的射频信号经过低插损开关、第一级声表滤波器、高增益低噪声放大器、第二级声表滤波器进行初步处理；

将初步处理过的信号通过选频开关切换到中频链路，在中频链路进行下变频、增益控制和中频滤波处理，输出到ADC模数转换器转换为数字信号。

实施例九

一种无人机载移动通信测向方法，本实施例中所述一种无人机载移动通信测向方法与第七实施例大致相同，区别在于，本发明实施例提供一种优选的技术方案，以支持第七实施例中的测向方法在实际工程中的具体实现方式。

本实施例中，一种无人机载移动通信测向方法，在所述利用多个天线组成的天线阵采集多路目标通信模块发射的射频信号之前，还包括步骤：

接收并响应控制终端发送的分时多制式选频指令，将低插损开关设置为对应频段。

综上所述，上述实施例的方案是一种集成化，小型化设计方案。在实现低重量和低功耗的同时，兼容多种制式频段的测向功能，为目前常见大型多制式测向产品上提供一种轻便，易携带的解决方案。传统测向系统经常遇到地面障碍物遮挡导致测向偏差和作用距离短的问题，将测向产品和无人机结合起来，在空中进行测向解决了大部分测向难题和提高测向工作效率。日常通信测向工作经常遇到复杂环境，例如陌生高楼或悬崖峭壁等复杂环境，测向人员无法进入，导致不能精确定位的问题，而目前无人机的使用越来越普遍，部分高校已经开展无人机侦查专业。将测向产品与无人机结合，正好迎合无人机侦查的发展势头，也大量减少测向人员实地探测目标的工作量。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机载移动通信测向系统，其特征在于，包括：

无人机、组装于所述无人机的测向主机和天线阵；

所述天线阵用于采集目标通信模块发出的信号，并将采集的信号输出到所述测向主机；

所述测向主机用于对所述天线阵采集的信号进行处理，计算其能量值，并通过对各天线采集的信号能量的运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息将其发送给用户；

所述无人机用于搭载所述测向主机和所述天线阵飞行以便搜索目标通信模块。

2.根据权利要求1所述的无人机载移动通信测向系统，其特征在于，所述天线阵为由多个结构相同的对数周期天线构成的对数周期天线阵，且每一所述对数周期天线自所述天线阵的安装平面向下倾斜设置。

3.根据权利要求2所述的无人机载移动通信测向系统，其特征在于，所述对数周期天线设有6个，且任意相邻两对数周期天线之间的夹角为60°。

4.根据权利要求2或3所述的无人机载移动通信测向系统，其特征在于，所述对数周期天线的中心线与所述天线阵的安装平面之间形成的7°-30°的夹角。

5.根据权利要求1所述的无人机载移动通信测向系统，其特征在于，所述测向主机包括：

多通道接收机、信道处理单元以及控制处理单元；

所述多通道接收机用于接收所述天线阵的多路射频信号，并对所述射频信号进行处理，转换为数字信号并传输给所述信道处理单元；

所述信道处理单元用于将所述数字信号进行数字域的下变频处理和滤波处理，并计算当前有用信号的能量值传输给所述控制处理单元；

所述控制处理单元用于通过所述信号能量值计算测向信息，以及与所述无人机的进行信息交互。

6.根据权利要求1所述的无人机载移动通信测向系统，其特征在于，所述无人机载移动通信测向系统还包括控制终端，所述控制终端用于向所述无人机和测向主机发送控制指令，接收并显示所述测向主机和无人机的工作状态以及检测到的实时测向信息。

7.一种无人机载移动通信测向系统的测向方法，其特征在于，包括下列步骤：

利用多个天线组成的天线阵采集多路目标通信模块发射的射频信号；

将多路射频信号进行模拟信号处理，并将其转换为数字信号；

将数字信号进行下变频与滤波处理，并计算出各天线支路采集的目标信号的能量值；

将所述能量值进行运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息，并将其发送给用户。

8.根据权利要求7所述的测向方法，其特征在于，所述将所述能量值进行运算，得到包含当前目标所在角度的测向信息，包括步骤：

按照预设角度间隔获取多通道的基准文件矩阵，并进行标准化；

将各通道采集的目标信号能量值进行标准化，得到由各通道的能量值组成的单列能量矩阵；

将标准化处理后的所述基准文件矩阵与所述能量矩阵相乘，基于乘积中最大值与预设角度间隔，得到目标所在角度值。

9.根据权利要求7或8所述的测向方法，其特征在于，所述将多路射频信号进行模拟信号处理，并将其转换为数字信号，包括步骤：

将天线阵耦合进来的射频信号经过低插损开关、第一级声表滤波器、高增益低噪声放大器、第二级声表滤波器进行初步处理；

将初步处理过的信号通过选频开关切换到中频链路，在中频链路进行下变频、增益控制和中频滤波处理，输出到ADC模数转换器转换为数字信号。

10.根据权利要求9所述的测向方法，其特征在于，在所述利用多个天线组成的天线阵采集多路目标通信模块发射的射频信号之前，还包括步骤：

接收并响应控制终端发送的分时多制式选频指令，将低插损开关设置为对应频段。