CN110231594A - 一种无人机干扰反制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无人机干扰反制系统，属于无人机防控与管制策略领域。该系统包括干扰模块，中心控制模块和测向模块；测向模块包括N个测向站点；每个测向站点均包括天线阵列、测向算法模块、GPS信号模块和第一通信模块；干扰模块包括天线阵列、伺服装置、干扰信号生成模块和第二通信模块；中心控制模块包括定位模块、信号时频特征分析模块、干扰决策模块、显示模块和第三通信模块。每个测向站点的第一通信模块分别连接中心控制模块的第三通信模块，实现信号的传输；同时，中心控制模块的第三通信模块给干扰模块的第二通信模块传输信号。本发明反制手段复杂度底，难度小，安全性高，成本低。

Description

一种无人机干扰反制系统
技术领域
本发明属于无人机防控与管制策略领域，具体是一种无人机干扰反制系统。
背景技术
伴随着无人机飞行量的飞速增长，无人机安全飞行监管问题日益突出，近年来国内外出现了大量的无人机安全飞行事故。
美国FAA每年都会收到大量无人机事故报告，而且报告数量呈现大幅度增长趋势，凸显出无人机对美国民航安全日益造成的威胁。而在我国，近年也发生了多起无人机闯入飞行禁区、与载人航空器危险接近及撞击地面车辆等安全事故。
由此可见，无人机带来方便的同时，也给国家航空飞行安全、国民正常生产生活造成了巨大负面影响。因此，亟需根据我国航空安全保障体系的现状，在敏感区域建立无人机干扰反制系统。
目前，部分国家已相继研发出了各型无人机探测和反制系统和方法，采用多种技术手段，实现非合作无人机的探测及反制。主流的无人机干扰反制技术有：阻断干扰型，其中包括信号干扰、声波干扰及电波干扰等；物理打击型，如激光炮、物理炮弹和捕捉俘获等；系统控制型以及飞控源定位管制。
但是，现有技术多是采用破解无人机数传信号确定无人机位置，破解难度相对较大。而且，现有干扰反制方式成本较高，或反制成功率较低，激光和炮弹等对周围环境的飞行安全性影响也比较大。
发明内容
为解决重点区域无人机防护问题，弥补现有无人机干扰反制手段的不足，本发明提出了一种无人机干扰反制系统。
所述的无人机干扰反制系统，包括干扰模块，中心控制模块和测向模块；测向模块包括N个测向站点；
每个测向站点均包括天线阵列、测向算法模块、GPS信号模块和第一通信模块；
干扰模块包括天线阵列、伺服装置、干扰信号生成模块和第二通信模块；
中心控制模块包括定位模块、信号时频特征分析模块、干扰决策模块、显示模块和第三通信模块。
每个测向站点的第一通信模块分别连接中心控制模块的第三通信模块，实现信号的传输；同时，中心控制模块的第三通信模块给干扰模块的第二通信模块传输信号。
当某无人机进入各测向站点的测向范围内时，每个测向站点通过各自的天线阵列接收该无人机的无线电来波方向，并通过各自的测向算法模块计算无线电信号的波达角，得到无人机相对各测向站点的位置信息,包括俯仰角和水平角信息，并传输给各自的第一通信模块；
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，Sn＝(qN,qN+1,…,qi,...,qM-1)，qi为接收信号x的自相关矩阵的K重最小特征值λi对应的特征向量。
同时每个测向站点通过各自的GPS信号模块接收各测向站点的GPS位置坐标输给第一通信模块；
N个第一通信模块分别将各自测得的无人机的位置信息和测向站点的GPS位置打包给第三通信模块；
第三通信模块将打包数据传输到定位模块，通过调用定位算法计算该无人机的综合位置坐标，同时在显示模块中显示；
无人机综合位置计算过程如下：
首先，将无人机相对N个测向站点的位置坐标两两分组，得到N/2个无人机位置坐标；
第1个测向站点测得的无人机的位置坐标为S1＝(x1,y1,z1)，第2个测向站点测得的无人机位置坐标为S2＝(x2,y2,z2)，这两个测向站点分组得到的无人机的位置坐标pn＝(xn,yn,zn)，计算公式为：
α1是无人机相对第1个测向站点的水平角，β1是无人机相对第1个测向站点的俯仰角，α2是无人机相对第2个测向站点的水平角，β2是无人机相对第2个测向站点的俯仰角。
然后，把N/2个无人机位置坐标取平均值，得到无人机综合位置信息p＝(x,y,z)；
第三通信模块同时将打包数据传输到信号时频特征分析模块中，提取无人机通信信号的时频特征和频率范围，并将时频特征和已保存的信号特征库做对比，将对比结果传输给干扰决策模块来判断无人机是否构成威胁，并判断是否需要执行反制程序；
若不需要，则干扰决策模块不对干扰模块传输信号，干扰模块不工作；
否则，干扰决策模块将干扰决策信号发送给第二通信模块，第二通信模块传输给干扰信号生成模块，生成控制指令信号给伺服装置，伺服装置根据无人机综合位置坐标调整天线阵列方向，使其法向对准无人机生成超窄干扰波束，干扰无人机的数据和图像传输信号，增大电磁波发射功率，降低无人机接收控制信号的信噪比，迫使无人机原地降落或返航。
干扰模块的天线阵列采用64单元多频段天线阵列，按照无人机通信信号的频率范围生成相同频段无线电信号，并采用模拟波束成形方法，固定各天线单元相位，生成所需功率的超窄电磁波波束，波束方向对准阵列天线法向；
伺服装置采用水平转角360°，俯仰角0°-90°。
本发明的优点在于：
(1)本发明一种无人机干扰反制系统，利用天线阵列及相关测向算法探测无人机无线电信号波达角，进而实现被动式无线电信号探测。
(2)本发明一种无人机干扰反制系统，设计无人机定位算法并结合测向站点GPS信号计算无人机坐标并显示，进而无需破解无人机数据包，便可直接得到无人机位置信息，实现实时动态跟踪；反制手段复杂度底，难度小。
(3)本发明一种无人机干扰反制系统，利用阵列天线，设计超窄干扰波束，进而实现特定指向、特定发射功率的干扰波束，成功干扰无人机的同时，尽量避免对周围电磁环境产生影响。
(4)本发明一种无人机干扰反制系统，采用电磁波干扰方式，通过降低无人机接收信号信噪比进行反制，破坏性小，安全性高，成本低。
附图说明
图1为本发明无人机干扰反制装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实例对本发明作进一步的详细说明。
本发明一种无人机干扰反制系统，通过阵列天线实现主动式无线电测向，根据得到的测向角度计算无人机方位，实现动态坐标显示。判断该无人机有威胁后，通过阵列天线生成干扰波束，干扰无人机的控制信号，使无人机原地降落或返航。
如图1所示，具体包括干扰模块，中心控制模块和和测向模块；测向模块包括N个测向站点；
每个测向站点均包括天线阵列、测向算法模块、GPS信号模块和第一通信模块；
干扰模块包括天线阵列、伺服装置、干扰信号生成模块和第二通信模块；通过控制天线阵列，生成干扰波束，干扰无人机数据和图像传输信号；
中心控制模块实现各个模块的控制、算法的调用、无人机特征分析和数据存储；包括定位模块、信号时频特征分析模块、干扰决策模块、显示模块和第三通信模块。
每个测向站点的第一通信模块分别连接中心控制模块的第三通信模块，实现信号传输；同时，中心控制模块的第三通信模块给干扰模块的第二通信模块传输信号。
当某无人机进入各测向站点的测向范围内时，每个测向站点利用各自的天线阵列接收无人机的无线电信号，通过下变频或采样等数字信号处理步骤，将接收到的信号转换成适于DSP中心处理的采样数字信号，根据接收信号的某些与波达角有关的特征信息，采用测向算法模块计算无线电信号波达角，根据波达角计算无人机的位置信息，使该干扰反制装置在无需破解无人机数传和图传信号的情况下，实现主动式定位，达到了发现无人机、定位无人机、在地图上显示并实现实时跟踪的效果，具有布站简单、成本低、主动探测、难度低等优势。
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，Sn＝(qN,qN+1,…,qi,...,qM-1)，qi为接收信号x的自相关矩阵的K重最小特征值λi对应的特征向量。
无人机相对各测向站点的位置信息，包括俯仰角、水平角信息。
最后，将无人机的位置信息和GPS信号模块将采集到的各测向站点的GPS信息通过第一通信模块传输给中心控制模块的第三通信模块。
中心控制模块中的定位模块结合波达角和测向站点GPS信息计算无人机综合位置坐标，通过显示模块在地图上实时显示；
无人机综合位置计算过程如下：
首先，将无人机相对N个测向站点的位置坐标两两分组，得到N/2个无人机位置坐标；
第1个测向站点测得的无人机的位置坐标为S1＝(x1,y1,z1)，第2个测向站点测得的无人机位置坐标为S2＝(x2,y2,z2)，这两个测向站点分组得到的无人机的位置坐标pn＝(xn,yn,zn)，计算公式为：
α1是无人机相对第1个测向站点的水平角，β1是无人机相对第1个测向站点的俯仰角，α2是无人机相对第2个测向站点的水平角，β2是无人机相对第2个测向站点的俯仰角。
然后，把N/2个无人机位置坐标取平均值，得到无人机综合位置信息p＝(x,y,z)；
同时信号时频特征分析模块提取无人机信号时频特征和频率范围，并将时频特征和已保存的信号特征库做对比，将对比结果传输给干扰决策模块，干扰决策模块判断无人机是否构成威胁以及是否需要执行反制程序；
若干扰决策模块判断需要实施无人机反制，则通过第三通信模块将相关信号发送给干扰模块，控制干扰模块中的天线阵列生成超窄干扰波束，通过伺服装置控制波束始终对准无人机，干扰其数据与图像传输信号，迫使其原地降落或返航。
本发明采用超窄干扰波束，通过控制干扰波束的对准方向和发射功率，降低无人机接收信号的信噪比，使无人机无法接收到稳定的控制信号，达到了使无人机无法与飞控源建立正常通信从而原地降落或返航的目的，具有干扰精确有效、对周围电磁环境影响小、干扰设备复杂度和成本低、节省能量等优势。
所述的无人机干扰反制系统的工作原理，具体如下：
首先，当某无人机进入各测向站点的测向范围内时，若干个测向站点通过各自的天线阵列测量无人机无线电来波方向，并利用测向算法模块计算无线电波达角，根据波达角计算无人机相对各测向站点的位置信息，并传输给各自的第一通信模块；同时每个GPS信号模块将接收到的各测向站点的GPS信号传输给各自对应的第一通信模块。
然后，所有第一通信模块将无人机的相对位置信息和GPS信号通过第三通信模块传输给定位模块，通过调用定位算法，根据无人机的相对位置和GPS信号，计算无人机的综合位置坐标，同时在显示模块中显示；
最后，第三通信模块将无人机的相对位置信息和GPS信号传输给信号时频特征分析模块，对接收到的无人机信号进行分析，提取时频特征和频率范围，并和信号特征库做对比，将对比结果传输给干扰决策模块来判断无人机是否构成威胁，并判断是否需要执行反制程序；
若不需要，则干扰决策模块不对干扰模块传输信号，干扰模块不工作；
若需要，则干扰决策模块将干扰决策信号通过第三通信模块传输给第二通信模块，第二通信模块将干扰决策信号发送给干扰信号生产模块，生成控制指令信号给伺服装置，伺服装置控制天线阵列方向，并对天线阵列发出命令，则天线阵列生成超窄干扰波束，干扰无人机控制信号，增大电磁波发射功率，降低无人机接收控制信号的信噪比，使其无法识别出控制信号，迫使无人机与控制源失去无线电联系，从而启动自身设定的自动返航、原地悬停或原地降落等操作。
干扰模块的天线阵列采用64单元多频段天线阵列，按照无人机信号的频率范围生成相同频段无线电信号，并采用模拟波束成形方法，固定各天线单元相位，生成所需功率的超窄电磁波波束，波束方向对准阵列天线法向；
伺服装置采用水平转角360°，俯仰角0°-90°，控制阵列天线的方向，复杂度低，灵敏度高。

Claims (5)

1.一种无人机干扰反制系统，其特征在于，包括干扰模块，中心控制模块和测向模块；测向模块包括N个测向站点；
每个测向站点均包括天线阵列、测向算法模块、GPS信号模块和第一通信模块；
干扰模块包括天线阵列、伺服装置、干扰信号生成模块和第二通信模块；
中心控制模块包括定位模块、信号时频特征分析模块、干扰决策模块、显示模块和第三通信模块；
每个测向站点的第一通信模块分别连接中心控制模块的第三通信模块，实现信号的传输；同时，中心控制模块的第三通信模块给干扰模块的第二通信模块传输信号；
当某无人机进入各测向站点的测向范围内时，每个测向站点通过各自的天线阵列接收该无人机的无线电来波方向，并通过各自的测向算法模块计算无线电信号的波达角，得到无人机相对各测向站点的位置信息，包括俯仰角和水平角信息，并传输给各自的第一通信模块；
同时每个测向站点通过各自的GPS信号模块接收各测向站点的GPS位置坐标输给第一通信模块；
N个第一通信模块分别将各自测得的无人机的位置信息和测向站点的GPS位置打包给第三通信模块；
第三通信模块将打包数据传输到定位模块，通过调用定位算法计算该无人机的综合位置坐标，同时在显示模块中显示；
第三通信模块同时将打包数据传输到信号时频特征分析模块中，提取无人机通信信号的时频特征和频率范围，并将时频特征和已保存的信号特征库做对比，将对比结果传输给干扰决策模块来判断无人机是否构成威胁，并判断是否需要执行反制程序；
若不需要，则干扰决策模块不对干扰模块传输信号，干扰模块不工作；
否则，干扰决策模块将干扰决策信号发送给第二通信模块，第二通信模块传输给干扰信号生成模块，生成控制指令信号给伺服装置，伺服装置根据无人机综合位置坐标调整天线阵列方向，使其法向对准无人机生成超窄干扰波束，干扰无人机的数据和图像传输信号，增大电磁波发射功率，降低无人机接收控制信号的信噪比，迫使无人机原地降落或返航。
2.如权利要求1所述的一种无人机干扰反制系统，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，Sn＝(qN,qN+1,…,qi,...,qM-1)，qi为接收信号x的自相关矩阵的K重最小特征值λi对应的特征向量。
3.如权利要求1所述的一种无人机干扰反制系统，其特征在于，所述的无人机综合位置计算过程如下：
首先，将无人机相对N个测向站点的位置坐标两两分组，得到N/2个无人机位置坐标；
第1个测向站点测得的无人机的位置坐标为S1＝(x1,y1,z1)，第2个测向站点测得的无人机位置坐标为S2＝(x2,y2,z2)，这两个测向站点分组得到的无人机的位置坐标pn＝(xn,yn,zn)，计算公式为：
α1是无人机相对第1个测向站点的水平角，β1是无人机相对第1个测向站点的俯仰角，α2是无人机相对第2个测向站点的水平角，β2是无人机相对第2个测向站点的俯仰角；
然后，把N/2个无人机位置坐标取平均值，得到无人机综合位置信息p＝(x,y,z)；
4.如权利要求1所述的一种无人机干扰反制系统，其特征在于，所述的干扰模块的天线阵列采用64单元多频段天线阵列，按照无人机通信信号的频率范围生成相同频段无线电信号，并采用模拟波束成形方法，固定各天线单元相位，生成所需功率的超窄电磁波波束，波束方向对准阵列天线法向。
5.如权利要求1所述的一种无人机干扰反制系统，其特征在于，所述的伺服装置采用水平转角360°，俯仰角0°-90°。
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