CN110224784A - 一种无人机信号源定位及管制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无人机信号源定位及管制系统，属于无人机管控技术领域。该系统包括无线电检测模块、中心处理模块和N个定位站点。无线电检测模块包括天线阵列、测向算法模块、信号特征提取模块和第一通信模块；每个定位站点包括测向天线、GPS信号模块、飞控源信号锁定模块和第二通信模块；中心处理模块包括信号时频特征分析模块、管制方案决策模块、飞控源定位算法模块、显控子系统和第三通信模块。无线电检测模块通过第一通信模块与中心处理模块的第三通信模块实现信号传输，同时，中心处理模块通过第三通信模块分别与N个定位站点的第二通信模块实现信号的双向传输。本发明对周围电磁环境干扰小，定位耗时短，及时快速地采取管制措施。

Description

一种无人机信号源定位及管制系统

技术领域

本发明属于无人机管控技术领域，具体涉及一种无人机信号源定位及管制系统。

背景技术

目前，无人驾驶航空器系统已经在国防和经济建设中发挥着越来越重要的作用，且应用需求不断增强。由于研发、制造和使用无人驾驶航空器系统入门技术条件和成本均比较低，国内外单位和个人研发、制造、组装、使用无人驾驶航空器系统的积极性非常高。这种局面虽然推动了无人驾驶航空器系统制造和应用的发展，但是由于无人驾驶航空器系统类型较多、性能各异、技术水平参差不齐，加上目前我国尚无完善的无人驾驶航空器系统管理法规、标准、技术手段和执法措施，擅自利用无人驾驶航空器违法违规飞行屡禁不止，无人驾驶航空器系统极易被用于危害国家安全、公共安全和航空安全。

小型无人机的监控无疑已经成为业界难点。小型无人机类型众多，技术应用和设备配置各异。由于缺乏标准，民用小型无人机大都没有配置相关空管模块(比如ADS-B)，飞行活动很不规范，较随意且隐蔽，飞行不易被发现。很多小型无人机的活动没有通过正常程序申报飞行计划，容易出现干扰民航航班、闯入机场及军事禁区等违法事件。

而且，现有无人机管制系统主要都是针对目标无人机进行探测和反制，而危险无人机的操控者—飞控源却往往被忽略。其实，当无人机对公共安全造成威胁的时候，能够迅速锁定飞控源，并及时采取相应的措施，控制飞控源，对于维护公共安全、追究相关人员法律责任甚至案件的侦破都有及其重要的作用；因此急需开发应用于无人机飞控源定位的综合管制系统。

发明内容

针对目前国内外对无人机反制系统中飞控源定位技术的缺陷与不足，本发明提出了一种无人机信号源定位及管制系统，用于精确定位无人机飞控源，维护公共区域安全。

所述的信号源定位及管制装置，包括无线电检测模块、中心处理模块和N个定位站点；N＞1，且N为整数。

无线电检测模块包括天线阵列、测向算法模块、信号特征提取模块和第一通信模块

每个定位站点包括测向天线、GPS信号模块、飞控源信号锁定模块和第二通信模块；

中心处理模块包括信号时频特征分析模块、管制方案决策模块、飞控源定位算法模块、显控子系统和第三通信模块。

无线电检测模块通过第一通信模块与中心处理模块的第三通信模块实现信号传输，同时，中心处理模块通过第三通信模块分别与N个定位站点的第二通信模块实现信号的双向传输。

当某无人机进入设定区域范围内时，无线电检测模块通过天线阵列接收无人机的无线电信号，利用信号特征提取模块提取无线电信号的时频特征，并利用测向算法模块计算无线电信号的波达角，将信号时频特征和波达角打包传输给第一通信模块；

无线电信号包括同时出现的数据传输和图像传输信号，时频特征包括数传信号的窄频带信号以及图传信号的宽频带信号；

各无线电信号波达角的计算方法如下：

其中，a(θ)为无线电信号对应的阵列方向矢量，S_n＝(q_N,q_N+1,…,q_i,...,q_M-1)，q_i为接收信号x的自相关矩阵的K重最小特征值λ_i对应的特征向量。

通过计算波达角，得到无人机的位置坐标；进一步通过对位置坐标的变化分析，得到无人机当前的飞行速度、飞行方向及与敏感区域的距离等。

然后，第一通信模块将数据包经第三通信模块分别传输给信号时频特征分析模块和管制方案决策模块。

首先，信号时频特征分析模块识别出数据包中的时频特征，并与时频特征库中的时频信号做对比，判断数据包中该信号是否为无人机信号；

如果数据包中该信号不是无人机信号，则不启动后续工作，无线电检测模块继续监测。

如果是无人机信号，则根据数据包中的数传信号和图传信号在频带上的差异性，提取出数传信号的频率特征，并将该频率特征通过第三通信模块发送给N个第二通信模块；同时，管制方案决策模块根据波达角计算无人机当前的飞行速度、飞行方向及与敏感区域的距离等因素，判断该无人机是否构成威胁，当无人机不构成威胁，不启动后续工作，无线电检测模块继续监测。当无人机构成威胁时，则生成管制决策指令，并通过第三通信模块发送给N个第二通信模块；

每个第二通信模块同时收到数传信号的频率特征和管制决策指令后，首先，根据数传信号的频率特征，每个飞控源信号锁定模块搜索相同特征的无线电信号，并认定其为无人机的飞控源信号；

然后，N个定位站点分别利用测向天线检测各自的飞控源信号相对本定位站点的波达角，并根据该波达角计算飞控源相对于本定位站点的角度信息，包括俯仰角和水平角。

同时，GPS信号模块确定各定位站点的位置坐标；各定位站点将飞控源相对于本定位站点的角度信息和GPS的位置坐标打包通过各第二通信模块和第三通信模块发送给飞控源定位算法；

飞控源定位算法模块计算飞控源具体位置，进行定位。计算过程如下：

首先，将N个打包数据两两分组计算，每组得到一个飞控源位置信息，共N/2个飞控源位置信息。

计算方法如下：

第1个定位站点测得的飞控源位置坐标为S₁＝(x₁,y₁,z₁)，第2个定位站点测得的飞控源位置坐标为S₂＝(x₂,y₂,z₂)，这两个定位站点分组得到的飞控源位置坐标p_n＝(x_n,y_n,z_n)，公式为：

α₁是飞控源相对第1个定位站点的水平角，β₁是飞控源相对第1个定位站点的俯仰角，α₂是飞控源相对第2个定位站点的水平角，β₂是飞控源相对第2个定位站点的俯仰角。

然后，把N/2个飞控源位置坐标取平均值，得到飞控源最终位置p＝(x,y,z)；

飞控源的最终位置通过显控子系统进行实时显示；同时对造成威胁的无人机进行监控或抓捕。

本发明的优点在于：

1、一种无人机信号源定位及管制系统，利用无人机数传和图传信号的频谱特征区别和相关性，将接收到的飞控信号的图传信号进行分离，快速确定与目标无人机对应的飞控源无线电信号。

2、一种无人机信号源定位及管制系统，采用被动式定位方法对周围电磁环境干扰小，耗能小；

3、一种无人机信号源定位及管制系统，采用被动式无线电侦搜方法确定无人机飞控源信号，无需破解无人机信号，无需MAC地址计算，方法复杂度低，定位耗时短，控制中心可以及时快速地采取管制措施。

4、一种无人机信号源定位及管制系统，采用阵列天线探测无人机无线电信号波达角，准确判断无人机方位；

5、一种无人机信号源定位及管制系统，利用多个阵列天线站点协同探测，确定无人机飞控源位置，便于进一步采取管制措施；

6、一种无人机信号源定位及管制系统，采用天线阵列测向算法，能够有效提高定位精度，减小对周围电磁环境的干扰。

附图说明

图1为本发明一种无人机信号源定位及管制系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步说明。

本发明提供了一种无人机信号源定位及管制系统，采用了阵列天线测向技术，通过多个阵列天线测向站点协同测向，确定了与无人机配对的飞控源的具体位置，以便相关部门能够及时有效地采取措施，保护重点区域安全，实现了重点区域无人机综合管制，相对于传统的主动式雷达测向方式，本发明采用被动式无线电测向方式，具有测向站点复杂度低、定位耗时短、主动检测、成本低、定位精度高、对周围电磁环境影响小、复杂度低以及管制措施有效等优势，填补了飞控源管制在无人机管制中的空白。

具体步骤如下：

首先、实时监测空间电磁环境，发现可疑的无线电信号，通过信号处理手段，提取该信号频谱特征；根据信号频谱特征判断是否为无人机信号，如果不是，飞控源定位系统继续待机状态，实时监测空间中无线电信号；否则，将提取的信号频谱特征传输给计算中心，通过频率识别，锁定该信号频谱中窄频带信号的频率范围，视为无人机控制信号的频带，并且将空间中拥有相同频带的无线电信号视为无人机飞控源信号；然后，针对已经确定的飞控源信号，调用定位站点对目标进行波达角估计，通过该波达角计算飞控源相对于各定位站点的俯仰角和水平角；将飞控源相对于各定位站点的俯仰角和水平角信息发送给管制中心，管制中心根据测向站点GPS数据，并结合该角度信息，调用定位算法，计算飞控源位置坐标；实现飞控源位置坐标实时显示，若该无人机威胁当前区域的安全，则需对飞控源采取相应管制措施。

如图1所示，所述的信号源定位及管制装置，包括无线电检测模块、中心处理模块和N个定位站点；N＞1，且N为整数。

无线电检测模块包括天线阵列、测向算法模块、信号特征提取模块和第一通信模块

每个定位站点具体包括测向天线、GPS信号模块、飞控源信号锁定模块和第二通信模块；多个定位站点采用多个测向天线锁定飞控源的实际位置，

中心处理模块分析无人机的信号，储存数据，控制各模块协同合作；包括信号时频特征分析模块、管制方案决策模块、飞控源定位算法模块、显控子系统和第三通信模块。

无线电检测模块通过第一通信模块与中心处理模块的第三通信模块实现信号传输，同时，中心处理模块通过第三通信模块分别与N个定位站点的第二通信模块实现信号的双向传输。

当某无人机进入设定区域范围内时，无线电检测模块通过天线阵列检测接收无人机的无线电信号，利用信号特征提取模块提取无线电信号的时频特征，并利用测向算法模块计算无线电信号的波达角，将信号时频特征和波达角打包传输给第一通信模块；

无线电信号包括同时出现的数据传输和图像传输信号，图传信号所需频带宽，而数传信号所需频带窄，可以将此特征作为无人机信号的频谱特征。根据检测空间信号的时频图，若检测空间出现新增的信号频率，且其分为宽频带和窄频带两部分，则可认定此信号为无人机信号，并提取该信号的频率成分作为频谱特征；时频特征包括数传信号的窄频带信号以及图传信号的宽频带信号；

各无线电信号波达角的计算方法如下：

其中，a(θ)为无线电信号对应的阵列方向矢量，S_n＝(q_N,q_N+1,…,q_i,...,q_M-1)，q_i为接收信号x的自相关矩阵的K重最小特征值λ_i对应的特征向量。

通过计算波达角，并结合各定位站点的GPS信息，得到无人机的位置坐标；进一步通过对位置坐标的变化分析，得到无人机当前的飞行速度、飞行方向及与敏感区域的距离等。

然后，第一通信模块将数据包经第三通信模块分别传输给信号时频特征分析模块和管制方案决策模块。

首先，信号时频特征分析模块识别出数据包中的时频特征，并与时频特征库中的时频信号做对比，判断数据包中该信号是否为无人机信号；

如果数据包中该信号不是无人机信号，则不启动后续工作，无线电检测模块继续监测。

如果是无人机信号，则根据数据包中的数传信号和图传信号在频带上的差异性，提取出数传信号的频率特征，并将该频率特征通过第三通信模块发送给N个第二通信模块；同时，管制方案决策模块根据波达角计算无人机当前的飞行速度、飞行方向及与敏感区域的距离等因素，判断该无人机是否构成威胁，当无人机不构成威胁，不启动后续工作，无线电检测模块继续监测。当无人机构成威胁时，则生成管制决策指令，并通过第三通信模块发送给N个第二通信模块；

每个第二通信模块同时收到数传信号的频率特征和管制决策指令后，首先，根据数传信号的频率特征，每个飞控源信号锁定模块搜索相同特征的无线电信号，并认定其为无人机的飞控源信号；

然后，N个定位站点分别利用测向天线检测各自的飞控源信号相对本定位站点的波达角，并根据该波达角计算飞控源相对于本定位站点的角度信息，包括俯仰角和水平角。

同时，GPS信号模块确定各定位站点的位置坐标；各定位站点将飞控源相对于本定位站点的角度信息和GPS的位置坐标打包通过各第二通信模块和第三通信模块发送给飞控源定位算法；

飞控源定位算法模块计算飞控源具体位置，进行定位并通知控制中心采取相应管制措施。

计算过程如下：

首先，将飞控源相对于N个定位站点的角度信息和N个定位站点的GPS位置信息两两分组，每组通过计算得到一个飞控源位置信息，共N/2个飞控源位置信息。计算方法如下：

第1个定位站点测得的飞控源位置坐标为S₁＝(x₁,y₁,z₁)，第2个定位站点测得的飞控源位置坐标为S₂＝(x₂,y₂,z₂)，这两个定位站点分组得到的飞控源位置坐标p_n＝(x_n,y_n,z_n)，公式为：

α₁是飞控源相对第1个定位站点的水平角，β₁是飞控源相对第1个定位站点的俯仰角，α₂是飞控源相对第2个定位站点的水平角，β₂是飞控源相对第2个定位站点的俯仰角。

然后，把N/2个飞控源位置坐标取平均值，得到飞控源最终位置p＝(x,y,z)；

飞控源的最终位置通过显控子系统进行实时显示；同时通知控制中心对造成威胁的无人机进行监控或抓捕。

本发明根据无人机无线电信号推导飞控源信号特征，锁定监测空间中飞控源无线电信号；采用无线电测向技术，利用阵列天线确定无人机飞控源与测向基站的相对角度；联合多个测向基站，根据各基站GPS位置信息，及其测得的飞控源角度，调用定位算法，得到飞控源位置坐标。

Claims (4)

1.一种无人机信号源定位及管制系统，其特征在于，包括无线电检测模块、中心处理模块和N个定位站点；N＞1，且N为整数；

无线电检测模块包括天线阵列、测向算法模块、信号特征提取模块和第一通信模块；

每个定位站点包括测向天线、GPS信号模块、飞控源信号锁定模块和第二通信模块；

中心处理模块包括信号时频特征分析模块、管制方案决策模块、飞控源定位算法模块、显控子系统和第三通信模块；

无线电检测模块通过第一通信模块与中心处理模块的第三通信模块实现信号传输，同时，中心处理模块通过第三通信模块分别与N个定位站点的第二通信模块实现信号的双向传输；

当某无人机进入设定区域范围内时，无线电检测模块通过天线阵列接收无人机的无线电信号，利用信号特征提取模块提取无线电信号的时频特征，并利用测向算法模块计算无线电信号的波达角，将信号时频特征和波达角打包传输给第一通信模块；

通过计算波达角，得到无人机的位置坐标；进一步通过对位置坐标的变化分析，得到无人机当前的飞行速度、飞行方向及与敏感区域的距离；

然后，第一通信模块将数据包经第三通信模块分别传输给信号时频特征分析模块和管制方案决策模块；

首先，信号时频特征分析模块识别出数据包中的时频特征，并与时频特征库中的时频信号做对比，判断数据包中该信号是否为无人机信号；

如果数据包中该信号不是无人机信号，则不启动后续工作，无线电检测模块继续监测；

如果是无人机信号，则根据数据包中的数传信号和图传信号在频带上的差异性，提取出数传信号的频率特征，并将该频率特征通过第三通信模块发送给N个第二通信模块；同时，管制方案决策模块根据波达角计算无人机当前的飞行速度、飞行方向及与敏感区域的距离因素，判断该无人机是否构成威胁，当无人机不构成威胁，不启动后续工作，无线电检测模块继续监测；当无人机构成威胁时，则生成管制决策指令，并通过第三通信模块发送给N个第二通信模块；

每个第二通信模块同时收到数传信号的频率特征和管制决策指令后，首先，根据数传信号的频率特征，每个飞控源信号锁定模块搜索相同特征的无线电信号，并认定其为无人机的飞控源信号；

然后，N个定位站点分别利用测向天线检测各自的飞控源信号相对本定位站点的波达角，并根据该波达角计算飞控源相对于本定位站点的角度信息，包括俯仰角和水平角；

同时，GPS信号模块确定各定位站点的位置坐标；各定位站点将飞控源相对于本定位站点的角度信息和GPS的位置坐标打包通过各第二通信模块和第三通信模块发送给飞控源定位算法；

飞控源定位算法模块计算飞控源具体位置，进行定位；

飞控源的最终位置通过显控子系统进行实时显示；同时对造成威胁的无人机进行监控或抓捕。

2.如权利要求1所述的一种无人机信号源定位及管制系统，其特征在于，所述的无线电信号包括同时出现的数据传输和图像传输信号，时频特征包括数传信号的窄频带信号以及图传信号的宽频带信号。

3.如权利要求1所述的一种无人机信号源定位及管制系统，其特征在于，所述的无线电信号波达角的计算方法如下：

其中，a(θ)为无线电信号对应的阵列方向矢量，S_n＝(q_N,q_N+1,…,q_i,...,q_M-1)，q_i为接收信号x的自相关矩阵的K重最小特征值λ_i对应的特征向量。

4.如权利要求1所述的一种无人机信号源定位及管制系统，其特征在于，所述的飞控源定位算法的计算过程如下：

首先，将N个打包数据两两分组计算，每组得到一个飞控源位置信息，共N/2个飞控源位置信息；

计算方法如下：

第1个定位站点测得的飞控源位置坐标为S₁＝(x₁,y₁,z₁)，第2个定位站点测得的飞控源位置坐标为S₂＝(x₂,y₂,z₂)，这两个定位站点分组得到的飞控源位置坐标p_n＝(x_n,y_n,z_n)，公式为：

α₁是飞控源相对第1个定位站点的水平角，β₁是飞控源相对第1个定位站点的俯仰角，α₂是飞控源相对第2个定位站点的水平角，β₂是飞控源相对第2个定位站点的俯仰角；

然后，把N/2个飞控源位置坐标取平均值，得到飞控源最终位置p＝(x,y,z)；