CN111986523A - 一种城市低慢小无人机目标监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无人机技术领域，具体地公开了一种城市低慢小无人机目标监测装置及监测方法，监测装置包括CPU工控板、软件无线电电路板、定位模块、AI芯片以及用于接收无人机通信链路的无线电信号的天线。监测方法：对具备机身识别码的无人机进行探测、监测能力，还通过AI芯片能对未知通信协议的无人机进行探测以及后续的监测。本发明首次将无人机机身识别码读取与无人机信号识别融入一个设备中，并采用AI推理芯片，对于具备合法手续的无人机以及违规飞行的无人机均有监测作用，从而能有效地对无人机进行实时监控，减少无人机带来的安全隐患。

Description

一种城市低慢小无人机目标监测装置及监测方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种城市低慢小无人机目标监测装置及监测方法。

背景技术

无人机源于军事应用领域，常被用于战场侦察和局部军事打击。随着无线电通信和飞控技术的发展，无人机朝着民用化、消费级的方向发展。目前，无人机已在新闻、物流、能源、搜救、治安、拍摄、城市移动监控等领域得到了广泛应用。无人机为人们带来便利服务的同时，也存在不恰当地使用问题，“黑飞”现象频发，“扰航”、“炸机”、“偷拍”等已成为城市低空新的公共安全威胁，无人机成为盘旋在城市低空的“定时炸弹”。

目前无人机对城市安全的主要威胁如下：

(1)威胁民航安全，无人机入侵机场周边可能导致停航、损坏民航飞机、造成民航机场内部隐私泄密；

(2)威胁国家政要人身安全以及车队出行安全问题；

(3)威胁监狱低空安全，监狱在地面的防线已经十分充分，但其对于低空缺乏有效的防御手段来防止利用无人机进行消息传递、物品投掷与协助越狱；

(4)威胁能源设施安全，基于无人机的低空飞行特性，其对重要设施，例如核电站、炼化厂、矿山等基础设存在较大的安全隐患；

(5)威胁民众隐私安全，基于无人机的低空飞行特性，其能对室内信息进行图像语音等收集，对居民室内隐私存在威胁。

基于上述情况，需要对无人机进行监控。但是由于无人机具有“低空、慢速、微小”等典型特征，其不易被空军的防控雷达发现。现有的无人机管控技术包括无线电测向定位、光学探测、雷达探测、声音探测技术。其中，无线电测向定位技术依赖的无人机测控链路信号受城市同频段信号源干扰。光学探测技术受雨、雪、雾等天气影响大。雷达探测技术受建筑遮挡大，且存在辐射。声学探测技术受背景噪声干扰大。此外，上述技术产品受限于系统软硬件成本，无法在城市进行广泛应用与推广。在城市环境复杂电磁环境和建筑遮挡下，上述技术均存在局限性。因此在城市中，受建筑遮挡和人口密集等因素的影响，无人机黑飞更加难以监管与遏制。这就导致了城市低慢小无人机防控存在防控范围大、环境干扰多、反制手段可能造成二次伤害、落地取证难等技术与管理难题。

发明内容

本发明的目的在于：提供了一种城市低慢小无人机目标监测装置及监测方法，解决了解决在城市中对无人机监控存在局限性、监控效果差等上述技术问题。本发明设计了一种适用城市复杂电磁环境的无人机监测装置，其结合导航定位、信号分析、无人机位置报送无线协议等技术实现对城市低慢小目标进行监测，形成可用于城市大范围部署的监测装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种城市低慢小无人机目标监测装置，包括CPU工控板、软件无线电电路板、定位模块以及用于接收无人机通信链路的无线电信号的天线，其中，

所述定位模块与CPU工控板信号连接，其采集当前监测装置所处位置信息，并将其发送给CPU工控板；

所述天线与软件无线电电路板信号连接，其将接收到的无线电信号发送给软件无线电电路板；

所述软件无线电电路板接收并处理来自天线的无线电信号，然后将其发送给CPU工控板；

所述CPU工控板用于获取机身识别码，并根据获取机身识别码获取无人机的信息，然后执行信息存储任务和信息发送任务。

一种城市低慢小无人机目标监测装置，还包括与CPU工控板信号连接的AI芯片，所述CPU工控板将接收到的无法获取机身识别码的无线电信号发送给AI芯片，所述AI芯片用于对此无线电信号进行分析和特征提取：先判断此无线电是否为新信号，如若是新信号，则AI芯片将其与数据库中的无人机信息进行匹配以判定是否为数据库中的无人机信号，如是数据库中的无人机信号，则将匹配到的无人机信号的相关信息发送给CPU工控板，如不是数据库中的无人机信号，则AI芯片采集无线电信号的特征信息并，对此无线电信号进行分类并将其发送到CPU工控板，CPU工控板对其进行存储，并将其通过无线网络发送到后台；若不是新信号，则将之前存储的对应的信号的特征信息通过无线网络发送到后台。

所述CPU工控板包括内存模块、CPU处理模块、存储模块和无线电信号通信模块，所述内存模块、CPU处理模块、存储模块、无线电信号通信模块、定位模块以及AI芯片均通过总线进行信息传输。

所述AI芯片采集无线电信号的持续强度、通信特征如频率、带宽、是否存在跳频、通信制式等特征信息。

所述CPU工控板根据获取机身识别码获取无人机的厂商信息、飞行高度、经纬度等属性信息。

监测装置中除天线外所有部件封装在一个防水保护盒中。

所述天线为全向天线，且天线有四根。

一种城市低慢小无人机目标监测方法，包括如下步骤：

S1、天线接收无人机的无人机通信链路的无线电信号，并将其发送给软件无线电电路板；

S2、软件无线电电路板接收来自天线的无线电信号，并对其进行数据处理后发送给CPU工控板；

S3、CPU工控板接收来自软件无线电电路板的信号，并查询是否包含机身识别码，如若是，则进入步骤S4，如若否，则进入步骤S5；

S4、CPU工控板根据接收到的来自软件无线电电路板的信号，获取无人机的厂商信息、飞行高度、经纬度等属性信息，并对探测到的无人机信息进行存储，同时通过无线网络将探测到的无人机信息以及来自定位模块的位置信息发送到后台；

S5、CPU工控板将接收到的无法获取机身识别码的信号发送给AI芯片；

S6、AI芯片识别此信号是否为探测区域内出现的新信号：

如若是新信号，则AI芯片将其与数据库中的无人机信息进行匹配以判定是否为数据库中的无人机信号：如是数据库中的无人机信号，则将匹配到的无人机信号的相关信息发送给CPU工控板；如不是数据库中的无人机信号，则AI芯片采集无线电信号的特征信息，对此无线电信号进行分类并将其发送到CPU工控板；CPU工控板对来自AI芯片的信息其进行存储，并将其以及来自定位模块的位置信息通过无线网络发送到后台；

如若不是新信号，则AI芯片将之前存储的对应的信号的特征信息发送给CPU工控板，CPU工控板将特征信息以及来自定位模块的位置信息通过无线网络发送到后台。

由于采用了本技术方案，本发明的有益效果是：

1.本发明一种城市低慢小无人机目标监测装置及监测方法，能适用与城市复杂电磁环境对于无人机的监测，并结合导航定位、信号分析获取、无人机位置报送无线协议等技术实现对城市低慢小目标进行监测，形成可用于城市大范围部署的监测装置，从而能有效地对无人机进行实时监控，减少无人机带来的安全隐患；

2.本发明一种城市低慢小无人机目标监测装置及监测方法，本发明不仅对具备机身识别码的无人机进行探测、监测能力，还通过AI芯片能对未知通信协议的无人机进行探测以及后续的监测。本发明首次将无人机机身识别码读取与无人机信号识别融入一个设备中，并采用AI推理芯片，对于具备合法手续的无人机以及违规飞行的无人机均有监测作用：具备合法手续的无人机本发明可以基于机身识别码获取无人机的信息，进行监测；违规飞行的无人机，本发明能探测此无人机的无线电信号的特征信息，并将其与数据库进行比对，以判定是否为数据库中的无人机信息；并且若是在数据库中无法匹配到对应信息时，还能将探测到的特征信息存储，用作之后的无人机监控。这样，既能常规监测合法的无人机，又能持续监控不合法的无人机飞行情况，从而能有效地对无人机进行实时监控，减少无人机带来的安全隐患。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，本说明书附图中的各个部件的比例关系不代表实际选材设计时的比例关系，其仅仅为结构或者位置的示意图，其中：

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例3的示意图；

图3是实施例3中所采用的一种软件无线电的功能逻辑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

下面结合图1至图3对本发明作详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明一种城市低慢小无人机目标监测装置，包括CPU工控板、软件无线电电路板、定位模块以及四根用于接收无人机通信链路的无线电信号的全向天线，其中，所述定位模块与CPU工控板信号连接，其采集当前监测装置所处位置信息，并将其发送给CPU工控板；所述天线与软件无线电电路板信号连接，其将接收到的无线电信号发送给软件无线电电路板；所述软件无线电电路板接收并处理来自天线的无线电信号，然后将其发送给CPU工控板；所述CPU工控板用于获取机身识别码，并根据获取机身识别码获取无人机的信息：厂商信息、飞行高度、经纬度等属性信息。然后执行信息存储任务和信息发送任务。所述CPU工控板包括内存模块、CPU处理模块、存储模块和无线电信号通信模块，所述内存模块、CPU处理模块、存储模块、无线电信号通信模块、定位模块以及AI芯片均通过总线进行信息传输。监测装置中除天线外所有部件封装在一个防水保护盒中。

当天线的探测区域内出现无人机时，天线接收无人机通信链路的无线电信号，并将其发送给软件无线电电路板，软件无线电电路板将天线接收到的信号全部接收下来进行数字化处理，从而使CPU工控板能兼容经由软件无线电电路板处理后的信号；接着CPU工控板根据接收到的信号获取机身识别码，并根据取机身识别码取无人机的信息，然后将无人机的信息存储，并将无人机的信息以及定位模块发送的位置信息发送到后台，以进行告警处理或者态势展示。

本发明能适用与城市复杂电磁环境对于无人机的监测，并结合导航定位、信号分析获取、无人机位置报送无线协议等技术实现对城市低慢小目标进行监测，形成可用于城市大范围部署的监测装置，从而能有效地对无人机进行实时监控，减少无人机带来的安全隐患。

实施例2

一种城市低慢小无人机目标监测装置，包括CPU工控板、软件无线电电路板、定位模块、用于接收无人机通信链路的无线电信号的天线以及与CPU工控板信号连接的AI芯片，其中，所述定位模块与CPU工控板信号连接，其采集当前监测装置所处位置信息，并将其发送给CPU工控板；所述天线与软件无线电电路板信号连接，其将接收到的无线电信号发送给软件无线电电路板；所述软件无线电电路板接收并处理来自天线的无线电信号，然后将其发送给CPU工控板；所述CPU工控板用于获取机身识别码，并根据获取机身识别码获取无人机的信息，然后执行信息存储任务和信息发送任务；所述CPU工控板将接收到的无法获取机身识别码的无线电信号发送给AI芯片，所述AI芯片用于对此无线电信号进行分析和特征提取：先判断此无线电是否为新信号，如若是新信号，则AI芯片将其与数据库中的无人机信息进行匹配以判定是否为数据库中的无人机信号，如是数据库中的无人机信号，则将匹配到的无人机信号的相关信息发送给CPU工控板，如不是数据库中的无人机信号，则AI芯片采集无线电信号的特征信息：无线电信号的持续强度、通信特征如频率、带宽、是否存在跳频、通信制式等特征信息。接着AI芯片对此无线电信号进行分类并将其发送到CPU工控板，CPU工控板对其进行存储，并将其通过无线网络发送到后台；若不是新信号，则将之前存储的对应的信号的特征信息通过无线网络发送到后台。

所述CPU工控板包括内存模块、CPU处理模块、存储模块和无线电信号通信模块，所述内存模块、CPU处理模块、存储模块、无线电信号通信模块、定位模块以及AI芯片均通过总线进行信息传输。

监测装置在接收到无人机通信链路的无线电信号后，查询是否包含机身识别码广播协议，如果包含，则进行解码，获取无人机的厂商信息、飞行高度、经纬度等属性信息，并对探测范围内的无人机目标信息进行存储，在识别无人机目标后，结合信号首次出现时间、持续时间、通信频率、信号强度等关键信息，由监测装置通过无线电信号通信模块报送后台，进行告警处理或者态势展示。

对于无法获取机身识别码相关信息的无人机，则通过AI芯片和内置的无线电信号推理算法识别是否为探测区域内出现的新信号，例如以10Mhz带宽在120Mhz的通信带宽内进行扫频分析，提取能量和频率超过阈值的信号进行特征分析，并搜索预置信号特征库或厂商后台报送信号识别码等数据库，以判定是否为无人机信号，若是数据库中的无人机信号，则结合信号首次出现时间、持续时间、通信频率、信号强度等关键信息，监测装置通过无线电信号通信模块报送到后台，进行告警处理或者态势展示等。对于未知的新信号，根据此信号的持续强度、通信特征如频率、带宽、是否存在跳频、通信制式等通过机器学习方式自动提取特征，并结合AI芯片进行信号分类，然后存储到存储模块中，并通过无线电信号通信模块报送后台。

此实施例中，AI芯片为现有技术，集成在其中的无线电信号推理算法也为现有技术。无线电信号推理算法，指预先通过大量人工标注的无线电信号，基于深度学习算法进行监督学习或者无监督学习的算法训练(主要是基于深度学习神经网络建立无线电信号的识别分类模型)，最终得到信号分类的主要特征，通过AI芯片利用得到的信号分类特征，通过深度学习算法进行深度学习的推理运算。

本发明不仅对具备机身识别码的无人机进行探测、监测能力，还通过AI芯片能对未知通信协议(即无法获得机身识别码)的无人机进行探测以及后续的监测。本发明首次将无人机机身识别码读取与无人机信号识别融入一个设备中，并采用AI推理芯片，对于具备合法手续的无人机以及违规飞行的无人机均有监测作用：具备合法手续的无人机本发明可以基于机身识别码获取无人机的信息，进行监测；违规飞行的无人机，本发明能探测此无人机的无线电信号的特征信息，并将其与数据库进行比对，以判定是否为数据库中的无人机信息；并且若是在数据库中无法匹配到对应信息时，还能将探测到的特征信息存储，用作之后的无人机监控。这样，既能常规监测合法的无人机，又能持续监控不合法的无人机飞行情况，从而能有效地对无人机进行实时监控，减少无人机带来的安全隐患。

实施例3

监测装置中，如图2所示，硬件的优选建议如下：

(1)设备CPU工控板中的CPU处理模块为可运行主流操作系统和控制软件的处理板，其型号优选地为inteli3/i5/i7，CPU工控板x86CPU工控板，其型号优选地为HM65HM77；

(2)存储模块包括但不限于FLASH闪存及SSD硬盘；

(3)软件无线电可以采用FPGA处理芯片，型号优选地为USRP B210；

(4)定位模块支持2种以上的导航定位，其导航定位芯片包括但不限于采用GPS定位芯片、北斗定位芯片以及伽利略定位芯片；

(5)全向天线由1-4根天线组成，根据无人机的无线电信号进行接收段匹配即可，例如当下采用可接收70MHz-6GHz的无线电信号的天线即可满足需求；

(6)无线电信号通信模块优选地支持4G/5G移动通信的网络通信组件、WIFI无线局域网或有线十兆/百兆/千兆自适应网口等；

(7)AI芯片优选地为Lynchip 240核芯片、华为ascend310或Nvidia Jetson AGXXavier等；

(8)定位模块的芯片采用，优选地为ATK1218-BDATK-S1216，此为GPS和北斗双模定位芯片。

本发明中，各个硬件均可以在市场上购买到，其所采用的控制程序均为现有技术。例如本实施例中建议的型号优选地为USRP B210或USRPX310的软件无线电，其功能逻辑图如图3所示。

实施例4

一种城市低慢小无人机目标监测方法，包括如下步骤：

S1、天线接收无人机的无人机通信链路的无线电信号，并将其发送给软件无线电电路板；

S2、软件无线电电路板接收来自天线的无线电信号，并对其进行数据处理后发送给CPU工控板，软件无线电电路板对天线接收到的无线电信号进行筛选、分类，将其中与无人机相关的信号处理结果传输到CPU工控板，通过CPU工控板进行结果汇总、计算与后处理；

S3、CPU工控板接收来自软件无线电电路板的信号，并查询是否包含机身识别码，如若是，则进入步骤S4，如若否，则进入步骤S5；

S4、CPU工控板根据接收到的来自软件无线电电路板的信号，获取无人机的厂商信息、飞行高度、经纬度等属性信息，并对探测到的无人机信息进行存储，同时通过无线网络将探测到的无人机信息以及来自定位模块的位置信息发送到后台；

S5、CPU工控板将接收到的无法获取机身识别码广播协议的信号发送给AI芯片；

S6、AI芯片识别是否为探测区域内出现的新信号：

如若是新信号，则AI芯片将其与数据库中的无人机信息进行匹配以判定是否为数据库中的无人机信号：如是数据库中的无人机信号，则将匹配到的无人机信号的相关信息发送给CPU工控板；如不是数据库中的无人机信号，则AI芯片采集无线电信号的特征信息，对此无线电信号进行分类并将其发送到CPU工控板，CPU工控板对其进行存储，并将其以及来自定位模块的位置信息通过无线网络发送到后台；

如若不是新信号，则将之前存储的对应的信号的特征信息以及来自定位模块的位置信息通过无线网络发送到后台。

本发明不仅对具备机身识别码的无人机进行探测、监测能力，还通过AI芯片能对未知通信协议(即无法获得机身识别码)的无人机进行探测以及后续的监测。本发明首次将无人机机身识别码读取与无人机信号识别融入一个设备中，并采用AI推理芯片，对于具备合法手续的无人机以及违规飞行的无人机均有监测作用：具备合法手续的无人机本发明可以基于机身识别码获取无人机的信息，进行监测；违规飞行的无人机，本发明能探测此无人机的无线电信号的特征信息，并将其与数据库进行比对，以判定是否为数据库中的无人机信息；并且若是在数据库中无法匹配到对应信息时，还能将探测到的特征信息存储，用作之后的无人机监控。这样，既能常规监测合法的无人机，又能持续监控不合法的无人机飞行情况，从而能有效地对无人机进行实时监控，减少无人机带来的安全隐患。

Claims (8)

1.一种城市低慢小无人机目标监测装置，其特征在于：包括CPU工控板、软件无线电电路板、定位模块以及用于接收无人机通信链路的无线电信号的天线，其中，

所述定位模块与CPU工控板信号连接，其采集当前监测装置所处位置信息，并将其发送给CPU工控板；

所述天线与软件无线电电路板信号连接，其将接收到的无线电信号发送给软件无线电电路板；

所述软件无线电电路板接收并处理来自天线的无线电信号，然后将其发送给CPU工控板；

所述CPU工控板用于获取机身识别码，并根据获取机身识别码获取无人机的信息，然后执行信息存储任务和信息发送任务。

2.根据权利要求1所述的一种城市低慢小无人机目标监测装置，其特征在于：还包括与CPU工控板信号连接的AI芯片，所述CPU工控板将接收到的无法获取机身识别码的无线电信号发送给AI芯片，所述AI芯片用于对此无线电信号进行分析和特征提取：先判断此无线电是否为新信号，如若是新信号，则AI芯片将其与数据库中的无人机信息进行匹配以判定是否为数据库中的无人机信号，如是数据库中的无人机信号，则将匹配到的无人机信号的相关信息发送给CPU工控板，如不是数据库中的无人机信号，则AI芯片采集无线电信号的特征信息并，对此无线电信号进行分类并将其发送到CPU工控板，CPU工控板对其进行存储，并将其通过无线网络发送到后台；若不是新信号，则将之前存储的对应的信号的特征信息通过无线网络发送到后台。

3.根据权利要求2所述的一种城市低慢小无人机目标监测装置，其特征在于：所述CPU工控板包括内存模块、CPU处理模块、存储模块和无线电信号通信模块，所述内存模块、CPU处理模块、存储模块、无线电信号通信模块、定位模块以及AI芯片均通过总线进行信息传输。

4.根据权利要求2所述的一种城市低慢小无人机目标监测装置，其特征在于：所述AI芯片采集无线电信号的持续强度、通信特征如频率、带宽、是否存在跳频、通信制式等特征信息。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的一种城市低慢小无人机目标监测装置，其特征在于：所述CPU工控板根据机身识别码获取无人机的厂商信息、飞行高度、经纬度等属性信息。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的一种城市低慢小无人机目标监测装置，其特征在于：监测装置中除天线外所有部件封装在一个防水保护盒中。

7.根据权利要求1～4中任一项所述的一种城市低慢小无人机目标监测装置，其特征在于：所述天线为全向天线，且天线有四根。

8.一种城市低慢小无人机目标监测方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1、天线接收无人机的无人机通信链路的无线电信号，并将其发送给软件无线电电路板；

S2、软件无线电电路板接收来自天线的无线电信号，并对其进行数据处理后发送给CPU工控板；

S3、CPU工控板接收来自软件无线电电路板的信号，并查询是否包含机身识别码，如若是，则进入步骤S4，如若否，则进入步骤S5；

S4、CPU工控板根据接收到的来自软件无线电电路板的信号，获取无人机的厂商信息、飞行高度、经纬度等属性信息，并对探测到的无人机信息进行存储，同时通过无线网络将探测到的无人机信息以及来自定位模块的位置信息发送到后台；

S5、CPU工控板将接收到的无法获取机身识别码的信号发送给AI芯片；

S6、AI芯片识别此信号是否为探测区域内出现的新信号：

如若是新信号，则AI芯片将其与数据库中的无人机信息进行匹配以判定是否为数据库中的无人机信号：如是数据库中的无人机信号，则将匹配到的无人机信号的相关信息发送给CPU工控板；如不是数据库中的无人机信号，则AI芯片采集无线电信号的特征信息，对此无线电信号进行分类并将其发送到CPU工控板；CPU工控板对来自AI芯片的信息其进行存储，并将其以及来自定位模块的位置信息通过无线网络发送到后台；

如若不是新信号，则AI芯片将之前存储的对应的信号的特征信息发送给CPU工控板，CPU工控板将特征信息以及来自定位模块的位置信息通过无线网络发送到后台。

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