CN111751846A - 一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法 - Google Patents

一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，包括：通过操控显示终端控制无人机飞行至预先设置的检测区域，主控单元通过无源探测模块采集信号，并对采集的信号依次进行窄带化处理和功率测量，生成功率异常指标A；进行定位解算比对，主控单元接收导航定位模块输出的导航信息，操控显示终端根据接收的所述导航信息生成时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D；操控显示终端根据功率异常指示A、时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D对干扰源进行搜索。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案可以便捷、快速、准确地发现与检测广域区域内的卫星导航干扰，并对干扰源进行搜索与取证。

Description

一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法。
背景技术
近年来，GPS、北斗、GLONASS等全球卫星导航系统的应用领域不断拓展，包含交通、农业、工业等各个方面，已成为了现代经济社会不可或缺的重要基础设施。但是，卫星导航信号极其脆弱，到达临近地面的信号强度极其微弱(-160dBW)，极容易受到干扰，导致定位断续、定位错误，甚至无法定位。卫星导航信号干扰方式包括压制干扰、欺骗干扰、转发干扰等。100mW输出功率的GPS干扰器可以干扰半径16km范围内任何采用CA编码的GPS接收机。而且，廉价的基于无线电信号干扰的卫星导航干扰器的制作与使用简便，可以通过互联网商城采购到这种装置，形成了潜在的、巨大的影响卫星导航系统正常工作的安全隐患。
近年来，由于一些企业、工厂、爱好者私自非法安装了这种卫星导航干扰器，导致飞机返航、无人机坠落、导航错误等情况层出不穷。据中国民航统计，仅2019年，成都双流机场、哈尔滨太平国际机场等多个机场的多架航班发生卫星导航信号丢失事件，经过人员详细排查发现附近的企业私自非法安装了卫星导航干扰器。现有的卫星导航干扰检测技术基于频谱检测技术，依赖无线电管理机构的专业人员手持专业设备，依据设备显示的环境频谱等信息，判断是否存在干扰及对干扰源进行定位，对重点区域周边进行扫描排查，工作量大、耗时长、效率低。这种手段更大的缺陷在于，往往卫星导航干扰器的天线为定向天线，若天线朝向为空中，则地面接收信号依然微弱，地面排查手段会有失效风险。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，以无人机搭载的干扰检测装置为硬件基础，以无源频谱检测与分析为软件架构；无人机不依赖卫星导航方式飞行，而是采用基于惯导等方式飞行；无人机搭载的干扰检测装置包含一支或多支接收天线，可以接收包含GPS、北斗、GLONASS在内的卫星导航频段信号；无人机搭载的软件无线电平台对接收的信号进行功率检测，以检测卫星导航信号的完好性和可用性；无人机搭载的导航定位模块对无人机进行定位，并指示可用导航卫星的数量；无人机搭载的无线通信模块可以将系统检测数据实时传输至操控显示终端，并显示异常信息；无人机操作者在操控显示终端所显示的信息引导下接近干扰源，并利用无人机载图像采集装置对干扰源进行拍摄取证。干扰检测人员即无人机操作者，通过操控显示终端，操控搭载了干扰检测装置的无人机沿着搜索区域进行飞行，对卫星导航频段的信号进行采集与分析。操控显示终端可以显示无人机图像，可进行拍照或摄像；也可以显示无人机探测的的电磁频谱状况、导航信号强度、无人机定位坐标及可疑干扰源方位等信息。
所述一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，应用于无人机载的卫星导航干扰信号检测系统中，所述无人机载的卫星导航干扰信号检测系统包括：操控显示终端、无人机和干扰检测装置；
干扰检测装置固定搭载在所述无人机上；所述干扰检测装置包括：主控单元、无源探测模块、导航定位模块和无线通信模块；无源探测模块、导航定位模块和无线通信模块分别与主控单元电性连接；所述无源探测模块带有多根1550MHz-1610MHz接收天线，用于接收卫星导航干扰信号；
所述一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，具体包括如下步骤：
S101：通过操控显示终端控制无人机飞行至预先设置的检测区域，主控单元通过无源探测模块采集信号，并对采集的信号依次进行窄带化处理和功率测量，生成功率异常指标A；
S102：主控单元将每秒的功率测量的功率值P与功率异常指示A通过无线通信模块传输至操控显示终端予以显示；
S103：进行定位解算比对，主控单元接收导航定位模块输出的导航信息，并将所述导航信息实时传输至操控显示终端予以显示；操控显示终端根据接收的所述导航信息生成时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D；
S104：操控显示终端根据功率异常指示A、时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D对干扰源进行搜索；具体为：
首先判断是否存在干扰源：若A、B、C、和D均为0，则代表所述检测区域内无卫星导航干扰信号；否则，代表所述检测区域内存在卫星导航干扰信号，无人机通过迫近式搜索的方式对干扰源进行搜索。
进一步地，步骤S101，具体包括：
S201：根据下式对采集的信号进行窄带化处理：
Figure BDA0002504629860000031
上式中，m表示离散频率，n表示离散时间，j表示虚数
Figure BDA0002504629860000032
结果存储在F(m)中，F(m)的横坐标为频率，纵坐标为幅值；N为一次窄带化处理的信号长度，为预设值，可以取1024、2048、4096、8192等；
S202：进行功率测量：主控单元根据下式计算1550MHz-1610MHz卫星导航频段区间的信号功率值P；
Figure BDA0002504629860000033
上式中，ms＝1550MHz和me＝1610MHz；
S203：根据功率P，生成功率异常指示A，具体如下：
若P高于PTH，则表明功率强度异常，卫星导航信号存在干扰，赋值A＝1；
若P小于或者等于PTH，则表明功率强度正常，卫星导航信号不存在干扰，赋值A＝0；
其中，PTH为预设的异常门限值，设置区间为0.001mW-10mW；
进一步地，步骤S103具体包括：
所述导航信息包括：标准定位时间、经度、纬度、海拔高度和使用中的卫星数目；操控显示终端根据接收的所述导航信息生成时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D；具体包括：
S301：操显示终端将所述标准定位时间与本地时间计算时间差，若时间差超过5s，则标记时间异常指示B＝1；否则，标记时间异常指示B＝0，并显示时间异常指示B；
S302：操控显示终端对接收的所述使用中的卫星数目进行判决；若卫星数目小于6，则标记卫星异常指示C＝1；否则，标记卫星异常指示C＝0，并显示卫星异常指示C；
S303：操控显示终端利用经度、纬度、海拔高度，以地图形式，标注无人机的位置，并与事先设置的检测区域进行比对；若无人机的位置不在事先设置的检测区域内，则标记定位异常指示D＝1；否则，标记定位异常指示D＝0；
进一步地，所述无人机上还搭载有图像采集装置，用于采集图像；所述无人机上搭载有惯导装置，无人机采用惯导方式飞行。
进一步地，步骤S104中，迫近式搜索具体为：
无人机操作者人为操控无人机，根据操控显示终端显示的功率值P，不断寻找区域内测量功率值P较大的位置，直到搜索到测量功率值P最大的位置；进而根据操控显示终端的图像显示，判断卫星导航干扰信号源的可疑地点及可疑设备，并采用无人机的图像采集装置，对可疑地点及可疑设备进行拍摄取证。
进一步地，无人机和操作显示终端之间通过无线通信。
进一步地，所述无源探测模块还包括低噪声放大器单元和多功能射频收发器；所述1550MHz-1610MHz接收天线与低噪声放大器单元的输入端连接，低噪声放大器单元的输出端电性连接至多功能射频收发器，多功能射频收发器与主控单元电性连接；
导航定位模块包括导航天线和导航定位单元；导航天线电性连接至导航定位单元，导航定位单元电性连接至主控单元；无线通信模块包括通信天线和无线通信单元；无线通信单元电性连接至无线通信单元，无线通信单元电性连接至主控单元。
进一步地，所述主控单元采用现场可编程逻辑门阵列FPGA；所述1550MHz-1610MHz接收天线采用全向天线；低噪声放大器单元提供不低于20dB的增益，采用Mini-circuits公司的ZX60-83LN型号的低噪声放大器；多功能射频收发器采用AD9361、AD9371、ADRV9009或者ADRV9008中的任意一种。
进一步地，导航定位单元输出接口协议为UART，输出电平为TTL、RS232或者RS485，能够定时输出标准定位时间、经度、纬度、海拔高度、使用中的卫星数目。
进一步地，无线通信单元采用蜂窝通信，配套相应的通信天线，与操控显示终端进行数据交互。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案可以查找并定位非法安装卫星导航干扰设备，保障卫星导航信号的完整性，保障航空飞行、无人驾驶汽车行驶、无人机巡检、手机导航、应急救援等依赖卫星导航信号的系统正常运行及安全运转。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中无人机载的卫星导航干扰信号检测系统的装置图；
图2是本发明实施例中干扰检测装置的结构图；
图3是本发明实施例中一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法的流程图；
图4是本发明实施例中采用无人机载的卫星导航干扰信号检测系统对干扰源进行检测的示例图。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法；应用于无人机载的卫星导航干扰信号检测系统中；
请参阅图1，图1是本发明实施例中无人机载的卫星导航干扰信号检测系统的装置图；所述无人机载的卫星导航干扰信号检测系统包括：无人机1、操控显示终端2、干扰检测装置3和图像采集装置5；
图像采集装置5和干扰检测装置3均固定安装在无人机1上，且干扰检测装置3带有多根1550MHz-1610MHz接收天线6，用于采集卫星导航干扰信号；
所述无人机1上搭载有惯导装置4，无人机1采用惯导方式飞行；无人机1和操控显示终端2之间通过无线通信；
请参阅图2，图2是本发明实施例中干扰检测装置的结构图；所述干扰检测装置3包括：主控单元、无源探测模块、导航定位模块和无线通信模块；无源探测模块、导航定位模块和无线通信模块分别与主控单元电性连接；
所述无源探测模块包括1550MHz-1610MHz接收天线、低噪声放大器单元和多功能射频收发器；所述1550MHz-1610MHz接收天线与低噪声放大器单元的输入端连接，低噪声放大器单元的输出端电性连接至多功能射频收发器，多功能射频收发器与主控单元电性连接；
导航定位模块包括导航天线和导航定位单元；导航天线电性连接至导航定位单元，导航定位单元电性连接至主控单元；无线通信模块包括通信天线和无线通信单元；无线通信单元电性连接至无线通信单元，无线通信单元电性连接至主控单元。
请参考图3，图3是本发明实施例中一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法的流程图，具体包括如下步骤：
S101：通过操控显示终端控制无人机飞行至预先设置的检测区域，主控单元通过无源探测模块采集信号，并对采集的信号依次进行窄带化处理和功率测量，生成功率异常指标A；
S201：根据下式对采集的信号f(n)进行窄带化处理：
Figure BDA0002504629860000061
上式中，m表示离散频率，n表示离散时间，j表示虚数
Figure BDA0002504629860000062
结果存储在F(m)中，F(m)的横坐标为频率，纵坐标为幅值；N为一次窄带化处理的信号长度，为预设值，可以取1024、2048、4096、8192等；
S202：进行功率测量：主控单元根据下式计算1550MHz-1610MHz卫星导航频段区间的信号功率值P；
Figure BDA0002504629860000063
上式中，ms＝1550MHz和,e＝1610MHz；
S203：根据功率P，生成功率异常指示A，具体如下：
若P高于PTH，则表明功率强度异常，卫星导航信号存在干扰，赋值A＝1；
若P小于或者等于PTH，则表明功率强度正常，卫星导航信号不存在干扰，赋值A＝0
其中，PTH为预设的异常门限值，其取值可以由操作者来设置，设置区间为0.001mW-10mW；
S102：主控单元将每秒的功率测量的功率值P与功率异常指示A通过无线通信模块传输至操控显示终端予以显示；
S103：进行定位解算比对，主控单元接收导航定位模块输出的导航信息，并将所述导航信息实时传输至操控显示终端予以显示；操控显示终端根据接收的所述导航信息生成时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D；
所述导航信息包括：标准定位时间、经度、纬度、海拔高度和使用中的卫星数目；操控显示终端根据接收的所述导航信息生成时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D；具体包括：
S301：操显示终端将所述标准定位时间与本地时间计算时间差，若时间差超过5s，则标记时间异常指示B＝1；否则，标记时间异常指示B＝0，并显示时间异常指示B；
S302：操控显示终端对接收的所述使用中的卫星数目进行判决；若卫星数目小于6，则标记卫星异常指示C＝1；否则，标记卫星异常指示C＝0，并显示卫星异常指示C；
S303：操控显示终端利用经度、纬度、海拔高度，以地图形式，标注无人机的位置，并与事先设置的检测区域进行比对；若无人机的位置不在事先设置的检测区域内，则标记定位异常指示D＝1；否则，标记定位异常指示D＝0；
S104：操控显示终端根据功率异常指示A、时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D对干扰源进行搜索；具体为：
无人机操作者依靠操控显示终端显示的信息，操控无人机进行飞行，搜寻检测区域内可能存在的卫星导航干扰信号，飞行扫描完整个区域后，首先判断是否存在干扰源：若A、B、C、和D均为0，则代表所述检测区域内无卫星导航干扰信号；否则，代表所述检测区域内存在卫星导航干扰信号，无人机通过迫近式搜索的方式对干扰源进行搜索；
迫近式搜索具体为：
无人机操作者人为操控无人机，根据操控显示终端显示的功率值P，不断寻找区域内测量功率值P较大的位置；无人机操作者根据操控显示终端的图像显示，人为判断可能作为卫星导航干扰信号源的可疑地点及可疑设备，并采用无人机的图像采集装置，对可疑地点及可疑设备进行拍摄取证。
所述主控单元采用现场可编程逻辑门阵列FPGA；如Xilinx公司的ZYNQ系列FPGA，完成射频采集数据的计算分析、导航信息提取与无线通信模块的控制等功能。所述1550MHz-1610MHz接收天线的频率范围涵盖1550MHz-1610MHz，采用全向天线；低噪声放大器单元提供不低于20dB的增益，可采用Mini-circuits公司的ZX60-83LN型号的低噪声放大器；多功能射频收发器可采用AD9361、AD9371、ADRV9009或者ADRV9008芯片中的任意一种，可以实现变频、增益控制、滤波和模数变换功能，然后将数字信号送入主控单元。
干扰检测装置所采集与分析的卫星导航频段的信号包含但不限于GPS L1频段、GLONASS L1频段、北斗2B1频段等，如表1所示。
表1
卫星导航系统 导航信号频段
GPS L1频段 1575.42±1.023MHz
GLONASS L1频段 1602.5625±4MHz
北斗2B1频段 1561.098±2.046MHz
导航定位单元输出接口协议为UART，输出电平为TTL、RS232或者RS485，能够定时输出标准定位时间、经度、纬度、海拔高度、使用中的卫星数目。可以直接采用BD-125、WT-NEO6M等商业模块。
无线通信单元采用蜂窝通信(2G、3G、4G、5G)，配套相应的通信天线，与操控显示终端进行数据交互。可以直接采用SIM900、AIR720等商业模块。
举例说明：如图4所示，采用本发明的无人机载的卫星导航干扰信号检测系统用于检测圆形检测区域7内是否存在卫星导航干扰源8，若存在干扰源8则进行干扰源搜索与取证。卫星导航干扰源8位于图中四角星标记处。干扰检测人员即无人机操作者，通过操控显示终端2操控无人机1进入圆形检测区域7，无人机1依靠惯导装置确定自身位置及飞行轨迹，通过操控显示终端显示的信号功率及各类异常指示等信息，来判断卫星导航信号的完好性，并在无人机1传回信息的引导下操作无人机1搜索并接近干扰源8，并对干扰源8进行图像取证。
本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案可以便捷、快速、准确地发现与检测广域区域内的卫星导航干扰，并对干扰源进行搜索与取证，解决了地面无法检测中低空域卫星导航信号完好性的问题。该方法基于无人机及无源探测装置，成本低、效果显著，便于实际工程部署与应用；尤其对于一些不方便接近或存在危险隐患的区域，采用无人机检测是一种安全、有效的方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，应用于无人机载的卫星导航干扰信号检测系统中，其特征在于：所述无人机载的卫星导航干扰信号检测系统包括：
操控显示终端、无人机和干扰检测装置；
所述操控显示终端通过无线方式与无人机和干扰检测装置互相通信；所述干扰检测装置固定搭载在所述无人机上；所述干扰检测装置包括：主控单元、无源探测模块、导航定位模块和无线通信模块；无源探测模块、导航定位模块和无线通信模块分别与主控单元电性连接；所述无源探测模块带有多根1550MHz-1610MHz接收天线，用于接收卫星导航干扰信号；
所述一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，具体包括如下步骤：
S101：操控显示终端控制无人机飞行至预先设置的检测区域，主控单元通过无源探测模块采集信号，并对采集的信号依次进行窄带化处理和功率测量，生成功率异常指标A；
S102：主控单元将每秒的功率测量的功率值P与功率异常指示A通过无线通信模块传输至操控显示终端予以显示；
S103：进行定位解算比对：主控单元接收导航定位模块输出的导航信息，并将所述导航信息实时传输至操控显示终端予以显示；操控显示终端根据接收的所述导航信息生成时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D；
S104：操控显示终端根据功率异常指示A、时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D对干扰源进行搜索；具体为：
若A、B、C、和D均为0，则代表所述检测区域内无卫星导航干扰信号；否则，代表所述检测区域内存在卫星导航干扰信号，无人机通过迫近式搜索的方式对干扰源进行搜索。
2.如权利要求1所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：步骤S101中，主控单元通过无源探测模块采集信号，并对采集的信号依次进行窄带化处理和功率测量，生成功率异常指标A；具体包括：
S201：主控单元根据下式对采集的信号厂(n)进行窄带化处理：
Figure FDA0002504629850000011
上式中，m表示离散频率，n表示离散时间，j表示虚数
Figure FDA0002504629850000012
窄带化处理结果存储在F(m)中；F(m)的横坐标为频率，纵坐标为幅值；N为每次窄带化处理的信号长度，为预设值；
S202：进行功率测量：主控单元根据下式计算信号功率值P；
Figure FDA0002504629850000021
上式中，ms＝1550MHz和me＝1610MHz；
S203：根据功率P，生成功率异常指示A，具体如下：
若P高于PTH，则表明功率强度异常，卫星导航信号存在干扰，赋值A＝1；
若P小于或者等于PTH，则表明功率强度正常，卫星导航信号不存在干扰，赋值A＝0；
其中，PTH为预设的异常门限值，取值范围为0.001mW-10mW。
3.如权利要求1所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：步骤S103具体包括：
所述导航信息包括：标准定位时间、经度、纬度、海拔高度和使用中的卫星数目；操控显示终端根据接收的所述导航信息生成时间异常指示B、卫星异常指示C和定位异常指示D；具体包括：
S301：操显示终端将所述标准定位时间与本地时间计算时间差，若时间差超过5s，则标记时间异常指示B＝1；否则，标记时间异常指示B＝0，并显示时间异常指示B；
S302：操控显示终端对接收的所述使用中的卫星数目进行判决；若卫星数目小于6，则标记卫星异常指示C＝1；否则，标记卫星异常指示C＝0，并显示卫星异常指示C；
S303：操控显示终端利用经度、纬度、海拔高度，以地图形式，标注无人机的位置，并与事先设置的检测区域进行比对；若无人机的位置不在事先设置的检测区域内，则标记定位异常指示D＝1；否则，标记定位异常指示D＝0。
4.如权利要求1所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：所述无人机上还搭载有图像采集装置，用于采集图像；所述无人机上搭载有惯导装置，采用惯导方式飞行。
5.如权利要求4所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：步骤S104中，迫近式搜索具体为：
无人机操作者操控无人机根据操控显示终端显示的功率值P不断寻找待检测区域内测量功率值P较大的位置，直到搜索到测量功率值P最大的位置，即为卫星导航干扰信号源的可疑地点；无人机操作者根据操控显示终端的图像显示，判断卫星导航干扰信号源的可疑地点，并采用无人机的图像采集装置，对可疑地点进行拍摄取证。
6.如权利要求1所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：无人机和操作显示终端之间通过无线通信。
7.如权利要求1所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：所述无源探测模块还包括低噪声放大器单元和多功能射频收发器；所述1550MHz-1610MHz接收天线与低噪声放大器单元的输入端连接，低噪声放大器单元的输出端电性连接至多功能射频收发器，多功能射频收发器与主控单元电性连接；
导航定位模块包括导航天线和导航定位单元；导航天线电性连接至导航定位单元，导航定位单元电性连接至主控单元；无线通信模块包括通信天线和无线通信单元；无线通信单元电性连接至无线通信单元，无线通信单元电性连接至主控单元。
8.如权利要求7所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：所述主控单元采用现场可编程逻辑门阵列FPGA；所述1550MHz-1610MHz接收天线采用全向天线；低噪声放大器单元提供不低于20dB的增益；多功能射频收发器采用AD9361、AD9371、ADRV9009或者ADRV9008芯片中的任意一种。
9.如权利要求7所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：导航定位单元输出接口协议为UART，输出电平为TTL、RS232或者RS485，能够定时输出标准定位时间、经度、纬度、海拔高度、使用中的卫星数目。
10.如权利要求7所述的一种无人机载的卫星导航干扰信号检测方法，其特征在于：无线通信单元采用蜂窝通信，配套相应的通信天线，与操控显示终端进行数据交互。
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