CN109521402A - 一种低空无人机被动探测定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低空无人机被动探测定位系统，包括一条以上的探测支路，每条探测支路包括依次连接的阵列天线组件、多通道接收组件以及检测定位组件，阵列天线组件包括多个用于接收无人机发射的射频信号的天线阵元，多通道接收组件同步接收中各天线阵元接收到的信号，经检测定位组件实现无人机目标的探测定位，阵列天线组件包括一个以上的低频天线单元、一个以上的中频天线单元以及一个以上的高频天线单元，中频天线单元、高频天线单元集成设置在同一电路板上，构成中高频天线单元，各低频天线单元、各中高频天线单元分别间隔指定角度排布。本发明具有结构简单、成本低、损耗小、不受空间环境影响且探测效率及精度高等优点。

Description

一种低空无人机被动探测定位系统

技术领域

本发明涉及低空无人机被动探测技术领域，尤其涉及一种低空无人机被动探测定位系统。

背景技术

目前无人机使用范围越来越广泛，已经成为了各个行业的专业设备、生活工具，使得可以极大的节省工作时间，提高工作效率。但是在某些重点区域，比如机场、监狱、政府部门等，无人机给这些敏感区域带来了安全隐患。因此亟需通过反无人机被动探测，完成对无人机探测、压制、截获等功能，实现对要地区域的安防保障。

在低空防护中，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。针对低空中飞行无人机的探测，目前通常是采用以下两种方式：

1、采用常规主动雷达探测系统进行探测，但是雷达探测系统存在近距离盲区，容易受空间环境影响，且存在虚警率高、难以由雷达探测信号识别无人机类型等多种缺陷；

2、采用被动探测和定位系统进行无人机探测与定位，通过有源阵列天线探测无人机信号，经过射频切换开关的切换控制将接收到的信号输出至接收机，接收机通常为单通道接收机，每次接收机通过射频切换开关接收一路天线的探测信号。但是该类方式需单独设计复杂的射频切换开关电路，且天线信号需经过射频切换开关至接收机，使得链路损耗大，同时由于无人机通信机制是周期发送而非连续发送，即无人机发射信号周期性进行发送，而每次接收机接收一路天线信号，则各天线接收到的无人机通信信号进入接收机时不是同一时刻的数据，由不同时刻的探测信号难以准确探测到无人机位置，探测效率低、探测方位误差大。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、成本低、损耗小、不受空间环境影响且探测效率及精度高的低空无人机被动探测定位系统。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种低空无人机被动探测定位系统，包括一条以上的探测支路，每条所述探测支路包括阵列天线组件、多通道接收组件以及检测定位组件，所述阵列天线组件包括多个用于接收无人机发射的射频信号的天线阵元，多通道接收组件同步接收中各所述天线阵元接收到的信号，经所述检测定位组件实现无人机目标的探测定位，所述阵列天线组件包括一个以上的用于接收低频信号的低频天线单元、一个以上的用于接收中频信号的中频天线单元以及一个以上的用于接收高频信号的高频天线单元，所述中频天线单元、高频天线单元集成设置在同一电路板上，构成中高频天线单元，各所述低频天线单元、各所述中高频天线单元分别间隔指定角度排布。

作为本发明的进一步改进：各所述中高频天线单元与各所述低频天线单元之间一一相互交错布置。

作为本发明的进一步改进：所述低频天线单元布置N1个，且N1=360/a1，其中a1为单个低频天线阵元的半功率波束宽度，各所述低频天线单元按照间隔360/N1度布置，所述中高频天线单元布置N2个，且N2=360/a2，其中a2为单个中频天线阵元或高频天线阵元的半功率波束宽度，各所述中高频天线单元按照间隔360/N2度布置。

作为本发明的进一步改进：所述低频天线单元、中频天线单元、高频天线单元均包括天线阵元以及射频前端电路，所述天线阵元以及射频前端电路集成设置。

作为本发明的进一步改进：每条所述探测支路还包括用于传输数据的通信组件，所述通信组件与所述检测定位组件连接。

作为本发明的进一步改进：每条所述探测支路还包括GPS定位组件，所述GPS定位组件与所述检测定位组件连接。

作为本发明的进一步改进：还包括服务器，所述服务器通过各所述通信组件分别与各条所述探测支路通信连接。

作为本发明的进一步改进：所述多通道接收组件采用基于SDR（Soft wareDefined Radio，软件无线电）的多通道接收机，所述多通道接收机内部集成有多个三选一射频开关，通过所述三选一射频开关控制接入所述阵列天线组件输出的低频、中频、高频中任意一个频段的多通道信号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明低空无人机被动探测定位系统，通过阵列天线组件同时接收无人机发射的射频信号，由多通道接收组件同步接收各天线阵元接收到的信号，再经检测定位组件实现无人机目标的探测定位，系统中无需单独设计复杂射频切换开关电路，各个天线所接收到的信号可以同步发送至多通道接收组件，使得系统链路射频前端损耗低、探测距离远，且各天线接收到的无人机通信信号进入接收机时是同一时刻的数据，可以便于准确、高效的探测到无人机，提高无人机探测精度及效率。

2、本发明低空无人机被动探测定位系统，只需设置接收机而无需设置发射机，相对于传统的雷达探测系统可以减少实现成本，同时相对于光电探测系统，不受恶劣天气影响，能够实现全天候连续工作。

3、本发明低空无人机被动探测定位系统，无大功率电磁波辐射，隐蔽性强，不会对人体及其他设备造成干扰等不利影响。

4、本发明低空无人机被动探测定位系统，通过同时配置三个频段的天线，同时依据不同频段天线阵元尺寸进行排布，能够对低空中低小慢无人机进行全方位定位和跟踪，满足对所需区域的安防保障以及无人机对抗、干扰等需求，同时使得整个系统的集成度高、总体体积小、空间利用率大，且安装结构简单、探测距离远及探测精度高。

5、本发明低空无人机被动探测定位系统，通过采用有源阵列天线，同时将天线阵元与射频前端电路进行一体化设置，天线阵元无需再通过射频电缆与射频前端电路相连，可以提高天线装置的空间利用率、减少天线装置的体积，使得结构布局更加紧凑，进一步降低系统链路损耗。

附图说明

图1是本发明实施例1中低空无人机被动探测定位系统的结构示意图。

图2是本发明实施例1中阵列天线组件各天线阵元的排布原理示意图。

图3是本发明实施例1探测定位系统在具体应用实施例中的结构原理示意图。

图4是本发明实施例1探测定位系统在具体应用实施例中多通道接收组件的结构示意图。

图5是本发明实施例2中阵列天线组件的结构示意图。

图例说明：1、阵列天线组件；11、低频天线单元；12、中高频天线单元；111、低频天线阵元；112、低频射频前端电路112；123、高频天线阵元；124、高频射频前端电路；2、多通道接收组件；13、底盘；14、中心固定件；3、检测定位组件；4、通信组件；5、GPS定位组件；6、服务器。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

实施例1：

如图1所示，本实施例低空无人机被动探测定位系统包括n条探测支路，n>1，n具体可按实际需求配置，每条探测支路包括阵列天线组件1、多通道接收组件2以及检测定位组件3，阵列天线组件1包括多个用于接收无人机发射的天线阵元，多通道接收组件2包括多个通道接收端，每个天线阵元对应与多通道接收组件2的一个通道接收端连接，各天线阵元具体通过射频同轴电缆与多通道接收组件2连接，多通道接收组件2的输出端与检测定位组件3连接；阵列天线组件1中各天线阵元接收无人机发射的射频信号，同步输出给多通道接收组件2；多通道接收组件2接收各天线阵元发送的探测信号，转换为所需信号后输出给检测定位组件3；检测定位组件3根据接收到的信号进行目标检测、定位，当检测到目标时，输出识别到的无人机目标以及无人机的位置。

本实施例通过上述系统，利用阵列天线组件1通过多个天线阵元同时接收无人机发射的射频信号，由多通道接收组件2同步接收各天线阵元接收到的信号，再经检测定位组件3实现无人机目标的探测定位，系统中无需单独设计复杂射频切换开关电路，各个天线所接收到的信号可以同步发送至多通道接收组件2，使得系统链路射频前端损耗低、探测距离远，且各天线接收到的无人机通信信号进入接收机时是同一时刻的数据，可以便于准确、高效的探测到无人机，提高无人机探测精度及效率。

本实施例阵列天线组件1中每个天线阵元覆盖指定的部分区域，各个天线阵元覆盖区域可以根据实际需求进行配置，相邻天线阵元之间的覆盖区域可以配置为不重叠，也可以配置为相互重叠以提高检测精度，所有天线阵元的总覆盖范围可以配置为全空域，也可以配置为仅为所需监测的目标空域。

本实施例中多通道接收组件2、检测定位组件3具体采用多通道接收机，多通道接收机内部集成设置有接收电路以及用于实现检测定位功能的检测定位处理电路，多通道接收机分别通过射频同轴电缆与阵列天线组件1中各天线阵元进行连接，接收电路分别接收各天线阵元的信号后，由检测定位处理电路进行无人机的目标检测与定位，当检测到目标时，输出识别到的无人机目标以及无人机的位置。多通道接收机具体可采用基于SDR的零中频多通道接收机，实现0.1-6GHz宽带宽接收，可覆盖低小慢所有的接收带宽。可以理解的是，多通道接收组件2也可以根据实际需求采用其他类型多通道接收机，检测定位组件3也可以采用与接收机独立的电路结构。

本实施例中，检测定位处理电路具体包括依次连接的特征参数提取单元、识别单元以及定位单元，特征参数提取单元接收各天线阵元输出的信号，提取特征参数后输出给识别单元，识别单元将提取的特征参数与特征参数模板进行匹配，检测是否存在无人机，以及当检测到无人机发射的信号时识别出无人机的类型（如型号）、定位得到无人机的具体位置输出，特征参数模板具体预先由不同类型无人机发射的标准信号训练得到。检测定位组件3也可以采用其他检测、定位方式以提高无人机检测定位精度。

在具体应用实施例中，由阵列天线组件1中各天线阵元被动截获、接收无人机或无人机操作者发射的测控、图传等的射频信号，各天线阵元探测到的信号同步发送给多通道接收机，多通道接收机中接收电路接收各通道信号后对接收到的信号进行处理，变频为零中频信号，并通过检测定位处理电路对零中频信号进行检测及定位，识别出无人机机型以及无人机的方位、参考距离信息等。

本实施例中，阵列天线组件1具体包括一个以上的用于接收低频信号的低频天线单元11、一个以上的用于接收中频信号的中频天线单元以及一个以上的用于接收高频信号的高频天线单元，通过在一套天线装置中同时布置低频、中频及高频三个频段的天线阵列，可以同时实现低频、中频以及高频三个频段无人机信号的检测，各频段的天线阵元覆盖区域可根据实际需求配置。

本实施例中，低频天线单元11、中频天线单元、高频天线单元均包括集成设置的天线阵元以及射频前端电路，即低频天线单元11包括集成设置的低频天线阵元以及低频射频前端电路，中频天线单元包括集成设置的中频天线阵元以及中频射频前端电路，高频天线单元包括集成高频天线阵元以及高频射频前端电路。通过采用集成式的有源天线结构，每个有源阵列天线均由低噪声放大器、带通滤波器组成，将天线阵元与对应的射频前端电路进行一体化集成，天线阵元无需再通过射频电缆与射频前端电路相连，可以提高天线装置的空间利用率、减少天线装置的体积，使得结构布局更加紧凑，且可以降低系统链路损耗。

如图2所示，本实施例中频天线单元、高频天线单元集成设置在同一电路板上，构成中高频天线单元12，各低频天线单元11、各中高频天线单元12分别间隔指定角度排布。由于低频天线阵元频率低、波长大，低频天线的尺寸较大，而中、高频天线的频率高、波长小，中、高频天线的尺寸较小，本实施例同时考虑三个频段天线特性，通过将中频天线与高频天线进行集成设置，可以减小中频天线、高频天线与低频天线之间的尺寸差异，使得低频天线可以与中、高频天线布置在同一层空间，无需进行分层设置，且可以减少整体的全向探测天线的阵元数量，结合上述集成式有源天线结构，可以最大限度的提高天线装置的空间利用率、提升结构布局的紧凑性、集成化程度，从而最大限度的减少天线装置的体积。

本实施例具体使各低频天线单元11、各中高频天线单元12围绕一圆心间隔布置于同一圆周上，使得在同一圆周上同时排布了中高频、低频三个频段的全向探测天线，可以实现三个频段的无人机全向探测，进一步提高整个天线装置的布局紧凑性及空间利用率。为实现三个频段信号的切换，本实例多通道接收机内部集成有多个三选一射频开关，通过三选一射频开关控制接入阵列天线组件1输出的低频、中频、高频中任意一个频段的多通道信号，而无需单独设计复杂射频切换开关电路，减少系统链路射频前端损耗，不同通道间进一步通过相位补偿、增益补偿，来保证各通道幅度以及相位一致性。

本实施例具体可配置使得低频天线单元11与中高频天线单元12的大小尺寸相等，即中、高频天线集成后的尺寸与低频天线的尺寸相等，则装置中所有有源天线阵列的天线尺寸均相同，有利于进行空间布局以及结构简化，当然也可以根据实际需求配置使得低频天线单元11、中高频天线单元12的尺寸不完全相同，以减小实现难度，如可使得两者的尺寸大小相差在一定范围内。

本实施例中，各低频天线单元11与各中高频天线单元12之间一一相互交错布置，即每个低频天线单元11与每个中高频天线单元12交错布置，每个低频天线单元11布置在两个中高频天线单元12之间，每个中高频天线单元12布置在两个低频天线单元11之间，通过交错分布可以实现信号间的隔离，减少低频、中频、高频天线阵元间的耦合。

低频天线单元11与中高频天线单元12的数量可以根据所需要覆盖的探测区域以及覆盖区域的方式进行设置，可以配置为数量相同，也可以配置为数量不相同。有源阵列天线的数量与天线阵元的3dB波瓣宽度相关，每个相同有源阵列天线的安装指向差异与天线阵元的3dB波瓣宽度相同，本实施例具体根据天线阵元的波束宽度设置天线阵元的数量，若要求探测范围的方位角为360°，天线阵元的波束宽度为a°，则按照式N=360/a计算天线阵元所需数量，N为正整数。本实施例低频天线单元11具体布置N1个，且N1=360/a1，其中a1为单个低频天线阵元的半功率波束宽度，各低频天线单元11按照间隔360/N1度布置，能够正好覆盖360度全空域探测范围；中高频天线单元12布置N2个，且N2=360/a2，其中a2为单个中频天线阵元或高频天线阵元的半功率波束宽度，各中高频天线单元12按照间隔360/N2度布置，能够正好覆盖360度全空域探测范围。

如图2所述，本实施例具体要求阵列天线探测范围的方位角为360°，各频段的天线阵元的波束宽度为60°，则取N=6，即每个频段天线均需要6副天线呈60°夹角圆周分布，进一步按上述将中、高频天线作为一体并和低频天线交叉30°放置在同一高度上，可最大限度的提高天线的紧凑性。

本实施例中，每条探测支路还包括用于传输数据的通信组件4，通信组件4与检测定位组件3连接，由通信组件4实现数据的数据传输。本实施例通信组件4具体采用4G通信模块，即通过4G通信网络上传探测目标信息，使得避开无人机的通信频段，信号进入接收机时，屏蔽了无人机的通信频段，可以避免探测造成干扰，使得接收机灵敏度更高、测向距离更远，降低检测虚警率。

本实施例中，每条探测支路还包括GPS定位组件5，GPS定位组件5与检测定位组件3连接，由GPS定位组件5实时获取GPS定位信号，结合探测支路检测到的无人机位置，可以便于实现精确的无人机定位。GPS定位组件5具体采用GPS双天线定向模块，输出对应探测支路所在位置GPS坐标，并可以自动修正各探测支路的探测0°到物理正北方向，可以实现定位、探测支路的探测方位与地理地图的方位自动校正以及各条探测支路之间的目标同步等功能，进一步提高系统的测向定位精准度。

本实施例中，还包括服务器6，服务器6通过各通信组件4分别与各条探测支路通信连接，服务器6通过通信组件4可以实现与各条探测支路之间的数据通信，各条探测支路探测到无人机目标后，将探测信息上传至服务器6，服务器6依据目标探测信息可进行进一步数据处理分析，服务器6还可将控制命令数据传输至各条探测支路。

本实施例服务器6内还加载有交叉定位模块，接收到各条探测支路检测到的探测目标信息后，通过关联同一目标信息来交叉定位无人机目标的具体位置，实现无人机的精准定位探测、定位及跟踪。在具体应用实施例中，可进一步设置终端设备，通过终端设备把从服务器6获取的目标位置显示在物理地图坐标上，便于实时观测到无人机的位置及状态，进而可以提前预估无人机的飞行路线。

如图3所示，本发明低空无人机被动探测定位系统在具体应用实施例中包括多条探测支路，每条探测支路包括阵列天线、多通道接收处理机、4G通信模块以及双天线GPS模块，每条探测支路与TCP服务器、终端设备通过无线网络连接，其中多通道接收机的输出一路串口与双天线GPS模块相连、一路串口与4G通信模块相连，同时预留一路网口使得可以通过网线与本地终端连接进行设备配置。系统工作时多通道接收处理机接收阵列天线发送的多通道探测信号，检测出无人机目标类型以及方位信息，双天线GPS模块输出位置GPS坐标以及设备0°方位与正北的夹角α，上述探测信息通过4G网络上传到TCP服务器，终端设备从TCP服务器获取多设备的位置信息以及同个目标的方位信息，进行交叉定位输出目标的具体位置信息。

上述系统工作时，具体由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，多通道接收处理机对接收到的目标信号进行处理，变频为零中频信号，并通过检测定位处理电路对零中频信号进行检测，识别出无人机类型以及无人机的方位、参考距离信息等，GPS双天线定向模块实现设备定位、设备探测方位与地理地图的方位自动校正以及多设备的目标同步；4G通信模块通过4G通信网络上传探测目标信息，避开无人机的通信频段，将各条探测支路的目标信息发送至TCP服务器，服务器通过计算多系统关联同个目标信息，实现后台交叉定位；终端设备通过英特网或4G网络获取目标定位信息并显示在地图上，进一步使得在地图上标明目标移动轨迹，以及配置使得支持包括地图支持google、百度、微软，高德地图等各类型地图应用程序的无缝切换。

如图4所示，本实施例多通道处理接收机中接收电路使用SDR集成电路实现6通道同步接收，每个通道输入前集成一个3选1开关，开关的三个输入分别与低、中、高频三个频段天线相连，通过3选1开关后经过宽带LNA下变频到零中频IQ两路，依次经过低通滤波器、ADC采样变为两路I Q数字信息；检测定位处理电路使用内部集成FPGA+ARM的异构处理器SOC，其中FPGA通过高速LVDS总线接收每通道IQ数字信号，在FPGA内部完成数据的采集预处理，通过SOC内部的高速总线把预处理数据传输给ARM 由，ARM部分完成无人机目标的识别以及方位计算，方位计算时接收双天线GPS的定位信息以进行位置校正，目标识别结果以及方位计算结果通过4G通信模块进行传输，通过无线网络还与终端设备等无线连接。

本发明上述低空无人机被动探测定位系统，能够对低空中低小慢无人机进行全方位定位和跟踪，满足对所需区域的安防保障以及无人机对抗、干扰等需求，且整个系统的集成度高、总体体积小、空间利用率大，同时安装结构简单、探测距离远及探测精度高。

实施例2：

如图5所示，本实施例与实施例1基本相同，其中低频天线单元11包括集成设置在同一电路板上的低频天线阵元111以及低频射频前端电路112，中高频天线单元12包括集成设置在同一电路板上的中频天线阵元121、中频射频前端电路122以及高频天线阵元123、高频射频前端电路124，不同之处在于阵列天线组件1中还包括底盘13以及中心固定件14，各低频天线单元11、各中高频天线单元12分别以中心固定件14为中心进行间隔、交错布置，即各个低频天线单元11、中高频天线单元12均间隔布置于以中心固定件14为圆心的同一圆周上，各低频天线单元11、中高频天线单元12之间一一相互交错布置。通过将各个天线单元固定设置于底盘13以及中心固定件14上，可以提高整个天线装置的稳定可靠性。

本实施例中心固定件14具体呈圆柱状，垂直固定在底盘13的中心位置，各个低频天线单元11、中高频天线单元12分别以中心固定件14为圆心间隔一定角度布置，每个低频天线单元11、中高频天线单元12的一侧端固定在中心固定件14上，底部固定在底盘13上。

本实施例进一步各低频天线单元11、各中高频天线单元12均固定设置于一支撑架15内，以进一步提高天线的稳定性。

本实施例还进一步进行了其他的天线固定处理，如各低频天线单元11、各中高频天线单元12分别通过定位槽固定在底盘13、中心固定件14上，以尽可能的提高天线的稳定可靠性。当然还可以根据实际需求增加其他的固定处理。

上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：包括一条以上的探测支路，每条所述探测支路包括依次连接的阵列天线组件（1）、多通道接收组件（2）以及检测定位组件（3），所述阵列天线组件（1）包括多个用于接收无人机发射的射频信号的天线阵元，所述多通道接收组件（2）同步接收中各所述天线阵元接收到的信号，经所述检测定位组件（3）实现无人机目标的探测定位，所述阵列天线组件（1）包括一个以上的用于接收低频信号的低频天线单元（11）、一个以上的用于接收中频信号的中频天线单元以及一个以上的用于接收高频信号的高频天线单元，所述中频天线单元、高频天线单元集成设置在同一电路板上，构成中高频天线单元（12），各所述低频天线单元（11）、各所述中高频天线单元（12）分别间隔指定角度排布。

2.根据权利要求1所述的低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：各所述中高频天线单元（12）与各所述低频天线单元（11）之间一一相互交错布置。

3.根据权利要求2所述的低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：所述低频天线单元（11）布置N1个，且N1=360/a1，其中a1为单个低频天线阵元的半功率波束宽度，各所述低频天线单元（11）按照间隔360/N1度布置，所述中高频天线单元（12）布置N2个，且N2=360/a2，其中a2为单个中频天线阵元或高频天线阵元的半功率波束宽度，各所述中高频天线单元（12）按照间隔360/N2度布置。

4.根据权利要求1或2或3所述的低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：所述低频天线单元（11）、中频天线单元、高频天线单元均包括天线阵元以及射频前端电路，所述天线阵元以及所述射频前端电路集成设置。

5.根据权利要求1或2或3所述的低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：每条所述探测支路还包括用于传输数据的通信组件（4），所述通信组件（4）与所述检测定位组件（3）连接。

6.根据权利要求1或2或3所述的低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：每条所述探测支路还包括GPS定位组件（5），所述GPS定位组件（5）与所述检测定位组件（3）连接。

7.根据权利要求1或2或3所述的低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：还包括服务器（6），所述服务器（6）分别与各条所述探测支路通信连接。

8.根据权利要求1或2或3所述的低空无人机被动探测定位系统，其特征在于：所述多通道接收组件（2）采用基于SDR的多通道接收机，所述多通道接收机内部集成有多个三选一射频开关，通过所述三选一射频开关控制接入所述阵列天线组件（1）输出的低频、中频、高频中任意一个频段的多通道信号。