CN109031185A - 一种基于无人机的定点比幅测向方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机的定点比幅测向方法，在无人机上搭载单定向天线、及信号测试仪，然后通过以下方法过程实现定点比幅测向：1.设定信号测试仪的工作频率和工作宽带；2.获得定点比幅测向方法的0°基准信号；3.获得定向天线360°全方位上的定点比幅测向方法的基准信号；4.控制无人机悬停和定点旋转一周，每间隔n°，记录一次数据，测试目标源信号强度值；5.将目标源信号强度值归一化；6.计算定点天线360°全方位上的定点比幅测向方法的基准信号与目标源信号强度值的相关系数；7.获得相关系数中的最大值，得到测向方向。该定点比幅测向方法流程简单易实现，计算快捷，降低无人机功耗。本发明适用于测向技术领域。

Description

一种基于无人机的定点比幅测向方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的，涉及一种基于无人机的定点比幅测向方法。

背景技术

通信对抗中测向的基本功能就是估计和反推无线电信号的发射源方向，在信号侦查、干扰源和不明信号查处、目标辐射源地理位置的确定等方面有着重要作用。比幅测向的方法，就是利用多个独立天线组阵，覆盖360°方位。对于同一入射信号，天线阵在接收该信号时，其中的天线单元接收信号强度有差异，通过比较这些信号输出包络的相对大小与天线阵在不同方向上的信号强度接收差异，确定信号的角度方向。

中国专利号201610688049.X，公开日2017年01月25日，发明创造的名称为《一种无人机载监测测向系统及其工作方法》，该发明申请方案介绍了一种无人机搭载测向天线阵的测向系统，使用五天线单元均匀或者非均匀的排布而使整个监测测向天线阵呈圆周状。中国期刊《航空维修与工程》2017年第6期，发表题为《机载比幅式测向系统测试平台设计》的论文，该论文介绍了一种四信道比幅测向方法，并设计了一种比幅型测向系统测试平台。这两个无人机测向系统，都是围绕多单元的天线阵来进行测向系统设计。

但是以上方法在使用的过程中却存在着以下不足之处：

1.由于无人机测向系统使用了多天线组阵，这些天线在工作时也有可能对无人机自身无线链路和飞行控制系统造成干扰，需要对加载天线阵后的无人机整个架构做整机EMC测试和天线隔离性能测试。

2.已知的比幅测向系统测试平台，需要使用多个天线组成的天线阵覆盖360°范围，天线阵组阵需要较大空间。同时也需要多个信道接收机接收多天线的信号，导致射频接收机PCB面积加大，重量增加，而无人机在低空飞行，载重能力和供电能力有限。

发明内容

本发明为了解决以上实际出现的问题，提供了一种基于无人机的定点比幅测向方法，其具有减少体积和重量，降低功耗的优点，而且该定点比幅测向方法流程简单、计算快捷。

为实现上述本发明目的，采用的技术方案如下：一种基于无人机的定点比幅测向方法，在无人机上搭载单定向天线、及信号测试仪，然后通过以下方法过程实现定点比幅测向：

1)根据目标信号源的工作频率和带宽，设定信号测试仪的工作频率和工作带宽；

2)单定向天线设置在无人机下方，其对称轴线方向为测向0°，获取定点比幅测向方法的0°基准信号；

3)将定点比幅测向方法的0°基准信号向左平移1位，得到1°基准信号，1°基准信号向左平移1位，得到2°基准信号；以上过程依次进行得到1°基准信号、2°基准信号、…、359°基准信号；从而得到定点比幅测向方法在定向天线全方位360°上的基准信号；

4)利用遥控终端控制无人机悬停及定点旋转，旋转的过程中每隔n°进行一次测试并记录，其中n＝1、2、5；若n＝1时，直接记录测试得到的目标源信号强度值，得到目标源信号强度1*360数组；若n＝2、5时，每个测试间隔n°内将按照线性插值算法计算出每间隔1°的目标源信号强度值，得到目标源信号强度1*360数组；

5)取目标源信号强度1*360数组中的最大值，对目标源信号强度1*360数组中的每个目标源信号强度值进行归一化，便得到目标源信号强度值的测试值数组；

6)将目标信号源强度的测试值数组与定向天线全方位360°上的基准信号数组进行相关系数运算，得到相关系数数组；

7)获取相关系数数组中数值最大相关系数对应的方向，即为目标源的测向方向。

所述步骤2)中获取定点比幅测向方法的0°基准信号的详细步骤如下：

S1：利用信号测试仪获取定向天线在工作频率上的E面方向图360°数据，得到一组定向天线在工作频率上的E图方向图各个方向角度上的数据，记为数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]，B_i为定向天线在角度为i°时的数据，其中i为0、1、2、…、359；

S2：将数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]中的数据转化成相应的信号强度值，得到信号强度值数组；数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]和信号强度值数组之间的关系为：

B_ase＝10log₁₀P_wr

其中：P_wr为信号强度值数组，P_wr＝[P₀…P₃₅₉]，P_i为B_i所对应的信号强度值,其中i为0、1、2、…、359；

S3：取P_wr中的最大值，对P_wr进行归一化，便得到定点比幅测向方法的0°基准信号：

Y_base＝P_wr/P_max

其中：Y_base为定点比幅测向方法的0°基准信号；P_max为P_wr中最大值。

所述步骤5)中归一化计算公式为：

X_test＝P_tar/P_tmax

其中：X_test为目标源信号强度值的测试值数组；P_tar为目标源信号强度1*360数组；P_tmax为目标源信号强度1*360数组中的最大值。

所述信号测试仪采用单通道接收机，用于对采集到的信号进行分析。

本发明的有益效果如下：

本发明通过采用单个定向天线，而无需使用天线阵；信号测试仪只需单信道接收机，这些均减少了体积和重量，降低了无人机功耗。采用单个定向天线的定点比幅测向方法，该定点比幅测向方法流程简单易实现，计算快捷。而且相比天线阵，单个定向天线对无人机无线链路的飞行控制的干扰低很多。

附图说明

图1是一种基于无人机的定点比幅方法的流程图；

图2是定向天线工作0°方向示意图。

具体实施方式:

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。

实施例1

如图1、图2所示，一种基于无人机的定点比幅测向方法，在无人机上搭载单定向天线、及信号测试仪，然后通过以下方法过程实现定点比幅测向：

1)根据目标信号源的工作频率和宽带，设定信号测试仪的工作频率和工作宽带。

2)单定向天线安装在无人机下方，其对称轴线方向为测向0°，如图2。获取定点比幅测向方法0°基准信号，其具体步骤如下：

S1：利用信号测试仪获取定向天线在工作频率上的E面方向图360°数据，得到一组定向天线在工作频率上的E图方向图各个方向角度上的数据，记为数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]，B_i为定向天线在角度为i°时的数据，其中i为0、1、2、…、359。

S2：由于数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]是差值，所述差值为dB值，需要转化成信号强度值，得到信号强度值数组P_wr，数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]和信号强度值数组P_wr之间的关系为：

B_ase＝10log₁₀P_wr

可以得到信号强度值P_wr＝[P₀…P₃₅₉]，其中：P_i为B_i所对应的信号强度值，i为0、1、2、…、359。

S3：取信号强度值数组P_wr中最大值P_max，将信号强度值数组P_wr中所有值除以信号强度值P_wr中最大值P_max，来对信号强度值数组P_wr进行归一化，便得到定点比幅测向方法的0°基准信号Y_base；

归一化计算公式为：

Y_base＝P_wr/P_max

则Y_base＝[Y₀…Y₃₅₉]，这组数据作为定点比幅测向方法的0°基准信号。

其中：Y_i为P_i对应的定点比幅方法的基准信号；i为0、1、2、…、359。

3)将定点比幅测向方法的0°基准信号Y_base＝[Y₀…Y₃₅₉]向左平移1位，便得到定向比幅测向方法的1°基准信号[Y₁…Y₃₅₉，Y₀]，再将定向比幅测向方法的1°基准信号[Y₁…Y₃₅₉，Y₀]向左平移1位，便得到定向比幅测向方法的2°基准信号[Y₂…Y₃₅₉，Y₀，Y₁]，以上过程依次进行得到1°基准信号、2°基准信号、…、359°基准信号。从而得到定点比幅测向方法在定向天线全方位360°上的基准信号数据Y_ref，为360*360数组，该定点比幅测向方法在定向天线全方位360°上的基准信号数据Y_ref矩阵形式为：

4)利用定向天线采集目标源信号强度，信号测试仪对采集到目标源信号强度进行分析，利用遥控终端控制无人机悬停及定点旋转，旋转的过程中每隔n°进行一次测试并记录，其中n＝1、2、5；

若n＝1时，直接记录测试得到的目标源信号强度值，得到目标源信号强度1*360数组P_tar＝[P_t0…P_t359]，为1*360数组；

若n＝2时，每个测试间隔2°内将按照线性插值算法计算出每间隔1°的目标源信号强度值，得到目标源信号强度1*360数组P_tar＝[P_t0…P_t359]，为1*360数组，如：第一次测试0°的目标源信号强度值和第二次测试2°的目标源信号强度值，按照线性插值算法计算，得到1°的目标源信号强度值，依此通过线性插值算法分别补充其他角度上的目标源信号强度值，最终得到目标源信号强度1*360数组P_tar＝[P_t0…P_t359]；

若n＝5时，每个测试间隔5°内将按照线性插值算法计算出每间隔1°的目标源信号强度值，得到目标源信号强度1*360数组P_tar＝[P_t0…P_t359]，为1*360数组，如：第一次测试0°的目标源信号强度值和第二次测试5°的目标源信号强度值，按照线性插值算法计算，分别得到1°的目标源信号强度值、2°的目标源信号强度值、3°的目标源信号强度值、4°的目标源信号强度值，依此通过线性插值算法分别补充其他角度上的目标源信号强度值，最终得到目标源信号强度1*360数组P_tar＝[P_t0…P_t359]；

其中：P_ti是旋转角为i°时所对应的目标源信号强度值；i为0、1、2、…、359。

5)找出目标源信号强度值数组P_tar中最大值P_tmax，将目标源信号强度值数组P_tar中所有值除以目标源信号强度值数组P_tar中最大值P_tmax，对目标源信号强度值数组P_tar进行归一化，便得到目标源信号强度值的测试值数组X_test。

其中，归一化计算公式为：

X_test＝P_tar/P_tmax

则X_test＝[X₀…X₃₅₉]为归一化后的目标源信号强度值的测试值数组。

其中：X_i为旋转角为i°时所对应的目标源信号强度值的测试值；i为0、1、2、…、359。

6)将目标信号源强度的测试值数组X_test与定向天线全方位360°上的基准信号数组Y_ref进行相关系数运算，计算出相关系数数组；

相关系数公式为：

将目标信号源强度的测试值数组X_test与定向天线全方位360°上的基准信号数组Y_ref中每一行进行相关系数运算，计算出相关系数数组。

7)获取相关系数数组中数值最大相关系数对应的方向，即为目标源的测向方向。

本发明所述信号测试仪使用单通道接受机，减少信号测试仪的PCB面积，从而降低无人机载重能力和功耗，同时降低成本。

本发明使用单个定向天线，可以减少占用无人机的空间，降低重量，最重要的是单定向天线对无人机无线通信和飞行控制系统的干扰降低。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。因此凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于无人机的定点比幅测向方法，其特征在于：在无人机上搭载单定向天线、及信号测试仪，然后通过以下方法过程实现定点比幅测向：

1)根据目标信号源的工作频率和带宽，设定信号测试仪的工作频率和工作带宽；

2)单定向天线设置在无人机下方，其对称轴线方向为测向0°，获取定点比幅测向方法的0°基准信号；

3)将定点比幅测向方法的0°基准信号向左平移1位，得到1°基准信号，1°基准信号向左平移1位，得到2°基准信号；以上过程依次进行得到1°基准信号、2°基准信号、…、359°基准信号；从而得到定点比幅测向方法在定向天线全方位360°上的基准信号；

4)利用遥控终端控制无人机悬停及定点旋转，旋转的过程中每间隔n°进行一次测试并记录，其中n＝1、2、5；若n＝1时，直接记录测试得到的目标源信号强度值，得到目标源信号强度1*360数组；若n＝2、5时，每个间隔n°内将按照线性插值算法计算出每间隔1°的目标源信号强度值，得到目标源信号强度1*360数组；

5)取目标源信号强度1*360数组中的最大值，对目标源信号强度1*360数组中的每个目标源信号强度值进行归一化，便得到目标源信号强度值的测试值数组；

6)将目标信号源强度的测试值数组与定向天线全方位360°上的基准信号数组进行相关系数运算，得到相关系数数组；

7)获取相关系数数组中数值最大相关系数对应的方向，即为目标源的测向方向。

2.根据权利要求1所述的基于无人机的定点比幅测向方法，其特征在于：所述步骤2)中获取定点比幅测向方法的0°基准信号的详细步骤如下：

S1：利用信号测试仪获取定向天线在工作频率上的E面方向图360°数据，得到一组定向天线在工作频率上的E图方向图各个方向角度上的数据，记为数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]，B_i为定向天线在角度为i°时的数据，其中i为0、1、2、…、359；

S2：将数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]中的数据转化成相应的信号强度值，得到信号强度值数组；数组B_ase＝[B₀…B₃₅₉]和信号强度值数组之间的关系为：

B_ase＝10log₁₀P_wr

其中：P_wr为信号强度值数组，P_wr＝[P₀…P₃₅₉]，P_i为B_i所对应的信号强度值，其中i为0、1、2、…、359；

S3：取P_wr中的最大值，对P_wr进行归一化，便得到定点比幅测向方法的0°基准信号：

Y_base＝P_wr/P_max

其中：Y_base为定点比幅测向方法的0°基准信号；P_max为P_wr中最大值。

3.根据权利要求1所述的基于无人机的定点比幅测向方法，其特征在于：所述步骤5)中归一化计算公式为：

X_test＝P_tar/P_tmax

其中：X_test为目标源信号强度值的测试值数组；P_tar为目标源信号强度1*360数组；P_tmax为目标源信号强度1*360数组中的最大值。

4.根据权利要求1所述的基于无人机的定点比幅测向方法，其特征在于：所述信号测试仪采用单通道接收机。