CN111999730A - 一种黑飞无人机飞手定位方法及系统 - Google Patents

一种黑飞无人机飞手定位方法及系统 Download PDF

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CN111999730A CN202010853698.7A CN202010853698A CN111999730A CN 111999730 A CN111999730 A CN 111999730A CN 202010853698 A CN202010853698 A CN 202010853698A CN 111999730 A CN111999730 A CN 111999730A
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吴波
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白明顺
秦建飞
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明涉及低空安全防御领域，本发明公开了一种黑飞无人机飞手定位方法及系统，本发明依据雷达探测的目标无人机的飞行航迹，通过我方无人机对目标无人机的地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向，利用多点交叉定位方法实现目标无人机的操控终端即飞手的准确定位，并通过光电设备进行取证，具备定位快速且准确、操作简单、作用距离远等特点，可应用于低空安全防御系统中黑飞无人机操控终端即飞手的准确定位和取证，能很好的为相关部门抓捕“黑飞”飞手提供信息支撑，具备很强的工程应用价值。

Description

一种黑飞无人机飞手定位方法及系统
技术领域
本发明涉及低空安全防御技术领域，尤其涉及一种黑飞无人机飞手定位方法及系统。
背景技术
随着无人机在不同场景的“黑飞”事件频发，对无人机的拒止手段及系列化产品发展较为成熟。目前针对飞手的定位方法大多采用两种手段完成，一种是手持式逼近搜索设备，存在作用距离短、搜索精度差、搜索时间长、易受电磁环境影响等缺陷，且成功率很低；另一种是利用两台无源频谱侦测设备进行交叉定位方式，存在部署不灵活、部署时间长、虚警率高、定位精度差等缺陷。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种黑飞无人机飞手定位方法及系统，依据雷达探测的目标无人机的飞行航迹，通过我方无人机对目标无人机的地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向，利用多点交叉定位方法实现目标无人机的操控终端即飞手的准确定位，并通过光电设备进行取证。本发明可应用于低空安全防御系统中黑飞无人机操控终端即飞手的准确定位和取证，为有关部门对无人机飞手实施抓捕提供信息支持。本发明的飞手定位系统利用低空防御系统中雷达探测的无人机目标信息，能被兼容到低空防御系统中，可作为低空防御系统的重要组成部分。
本发明的一种黑飞无人机飞手定位方法，包括以下步骤：
S1.地面指控终端连接低空防御系统中的雷达探测设备，获取并显示目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息；
S2.所述地面指控终端依据目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息快速完成我方无人机的路径规划，使我方无人机在飞行过程中不与目标无人机发生碰撞，且按照规划路径飞行后到达的位置能无遮挡接收目标无人机的上行遥控信号；
S3.我方无人机到达第一次路径规划的终点后悬停，并开启无线电侦测设备，对地面遥控信号进行侦测和测向；
S4.完成第一个点的侦测和测向后，我方无人机根据第二次路径规划，依次围绕地面遥控信号源进行多点悬停、侦测与测向，并将数据实时回传到所述地面指控终端，实现飞手的多点交叉准确定位；
S5.在第二次路径飞行过程中，实时开启机载的光电设备，瞄准飞手方位进行实施摄像取证与跟踪。
进一步的，步骤S3中，第一次路径规划由所述地面指控终端根据目标无人机的航迹方向设定，使我方无人机在不发生交互点的飞行方向到达目标无人机被雷达探测到的第一个点附近，同时设定我方无人机在飞行中的飞行高度超过目标无人机飞行的高度，使我方无人机不会与目标无人机发生碰撞；我方无人机对地面遥控信号进行侦测和测向后，将实时信息传回所述地面指控终端进行信息分析与解算。
进一步的，步骤S4中，第二次路径规划所规划的每一个悬停探测点避开目标无人机的飞行方向，依据第一次探测的频谱源方位以相对于第一次的路径飞行方向旋转一定角度飞行，进行多点交叉探测，并将探测信息传回所述地面指控终端，进行飞手的位置信息解算。
进一步的，步骤S4中，飞手的位置信息解算包括以下步骤：
以所述地面指控终端为原点建立直角坐标系，且原点也为雷达的布置点以及我方无人机的起飞点，Y轴为正北向；我方无人机悬停点分别为Q0(X0、Y0、Z0)、Q1(X1、Y1、Z1)、Q2(X2、Y2、Z2)；
令飞手的坐标信息为P(X、Y、Z)，则：
Figure BDA0002645667400000031
Figure BDA0002645667400000032
在△Q0 Q1P和△Q1 Q2P中，依据正弦定理存在的以下关系求得|Q0P|、|Q1P|、|Q2P|的值：
Figure BDA0002645667400000033
Figure BDA0002645667400000034
其中，θ1、θ2、θ3分别为我方无人机在悬停点Q1、Q2、Q3处机头相对于地面遥控信号的方位角度，α为悬停点Q2处我方无人机的旋转角度；
再根据以下距离公式求得P(X、Y、Z)的值：
Figure BDA0002645667400000035
Figure BDA0002645667400000036
Figure BDA0002645667400000037
则飞手相对于所述地面指控终端与正北向的夹角为
Figure BDA0002645667400000038
飞手相对于所述地面指控终端的距离
Figure BDA0002645667400000041
本发明的一种黑飞无人机飞手定位系统，包括：
地面指控终端，用于通过雷达探测设备获取并显示目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息，以此规划我方无人机的飞行路径，并根据我方无人机得到的目标无人机的地面遥控信号的测向信息，解算出目标无人机的操控终端即飞手的位置信息；
我方无人机，根据所述地面指控终端规划的飞行路径进行飞行，并对地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向。
进一步的，我方无人机上设置有无线电侦测设备，所述无线电侦测设备通过探测、搜索和截获地域内的无线电信号，并对该无线电信号进行分析、识别并获取其相关信息来判别和跟踪信号源，采用比幅测向技术实现地面遥控信号的测向；所述相关信息包括技术参数、频段特征和辐射位置。
进一步的，所述无线电侦测设备包括天线阵、电子开关、信号接收模块、中频采集处理模块和电源模块；
所述天线阵采用多阵元对数周期天线均匀分布组成圆形阵面，利用多个天线阵元，将空间同一无线电磁波信号感应为不同幅度、相位的信号；
所述电子开关负责接收所述信号接收模块的控制，在不同模式下输出不同的控制信号，对所述天线阵实施信号高速选择与切换控制；
所述信号接收模块实现对无线信号的搜索、监测与分析，所述信号接收模块包括接收模块、本振模块和通信控制模块，所述接收模块实现对无线信号的放大、变频或衰减处理，所述本振模块提供所述接收模块变频所需的本振频率，所述通信控制模块实现所述接收模块对外通信和所述接收模块本身的衰减、变频控制；
所述中频采集处理模块用于进行信号采集、处理、特征匹配及测向，所述中频采集处理模块包括硬件处理模块和嵌入式软件，所述硬件处理模块包括FPGA芯片、DSP芯片及系统控制器，所述嵌入式软件通过比幅测向技术实现信号源的测向，并通过建立无人机相关参数的特征库以及探测的信号分析实现无人机特征匹配及识别，所述相关参数包括生产厂家和型号；
所述电源模块用于进行供电。
进一步的，所述地面指控终端和我方无人机均设置有通信设备，且通过所述通信设备进行数据传输；所述数据传输的传输频段避开常规无人机遥控信号的使用频谱。
进一步的，我方无人机上设置有光电设备，用于瞄准飞手方位进行实施摄像取证与跟踪。
本发明的有益效果在于：
本发明依据雷达探测的目标无人机的飞行航迹，通过我方无人机对目标无人机的地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向，利用多点交叉定位方法实现目标无人机的操控终端即飞手的准确定位，并通过光电设备进行取证，具备定位快速且准确、操作简单、作用距离远等特点，可应用于低空安全防御系统中黑飞无人机操控终端即飞手的准确定位和取证，能很好的为相关部门抓捕“黑飞”飞手提供信息支撑，具备很强的工程应用价值。此外，本发明的飞手定位系统利用低空防御系统中雷达探测的目标无人机信息，能被兼容到低空防御系统中，可作为低空防御系统的重要组成部分。
本发明通过无人机携带载荷方式探测飞手位置可实现的指标：作用距离：＞6km(距离无人机起飞位置)；定位精度：方位＜1°、距离＜30m；定位时间：＜10min。
附图说明
图1是本发明实施例的飞手定位系统的组成示意图；
图2是本发明实施例的飞手定位原理图；
图3是本发明实施例的无线电侦测设备的组成示意图。
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，现说明本发明的具体实施方式。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。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本实施例提供了一种黑飞无人机飞手定位方法及系统，依据雷达探测的目标无人机的飞行航迹，通过我方无人机对目标无人机的地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向，利用多点交叉定位方法实现目标无人机的操控终端即飞手的准确定位，并通过光电设备进行取证。
本实施例的一种黑飞无人机飞手定位方法，包括以下步骤：
S1.地面指控终端连接低空防御系统中的雷达探测设备，获取并显示目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息；
S2.地面指控终端依据目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息快速完成我方无人机的路径规划，使我方无人机在飞行过程中不与目标无人机发生碰撞，且按照规划路径飞行后到达的位置能无遮挡接收目标无人机的上行遥控信号；
S3.我方无人机到达第一次路径规划的终点后悬停，并开启无线电侦测设备，对地面遥控信号进行侦测和测向，并将实时信息传回指地面指控终端进行信息分析与解算；具体的，第一次路径规划由地面指控终端根据目标无人机的航迹方向设定，使我方无人机在不发生交互点的飞行方向到达目标无人机被雷达探测到的第一个点附近，同时设定我方无人机在飞行中的飞行高度超过目标无人机飞行的高度，使我方无人机不会与目标无人机发生碰撞；
S4.完成第一个点的侦测和测向后，我方无人机根据第二次路径规划，依次围绕地面遥控信号源进行多点悬停、侦测与测向，并将数据实时回传到地面指控终端，实现飞手的多点交叉准确定位；具体的，第二次路径规划所规划的每一个悬停探测点避开目标无人机的飞行方向，依据第一次探测的频谱源方位以相对于第一次的路径飞行方向旋转一定角度飞行，进行多点交叉探测，并将探测信息传回地面指控终端，进行飞手的位置信息解算；
S5.在第二次路径飞行过程中，实时开启机载的光电设备，瞄准飞手方位进行实施摄像取证与跟踪。
此外，本实施例的一种黑飞无人机飞手定位系统，如图1所示，包括地面指控终端和升空平台，其中：
地面指控终端，用于通过雷达探测设备获取并显示目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息，以此规划我方无人机的飞行路径，并根据我方无人机得到的目标无人机的地面遥控信号的测向信息，解算出目标无人机的操控终端即飞手的位置信息；
升空平台，包括我方无人机和无线电侦测设备，其中我方无人机根据地面指控终端规划的飞行路径进行飞行，并对地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向。无线电侦测设备设置于我方无人机上，无线电侦测设备通过探测、搜索和截获地域内的无线电信号，并对该无线电信号进行分析、识别并获取其相关信息来判别和跟踪信号源，采用比幅测向技术实现地面遥控信号的测向；相关信息包括技术参数、频段特征和辐射位置。
可选的，在我方无人机上设置光电设备，用于瞄准飞手方位进行实施摄像取证与跟踪。
可选的，在地面指控终端和我方无人机中设置通信设备，通过通信设备进行数据传输，数据传输的传输频段避开常规无人机遥控信号的使用频谱。例如，选取5.1GHz-5.2GHz传输频段。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上：
如图2所示为飞手方位原理图，其中：
a)图2中圆形区域为飞手定位覆盖区域，覆盖半径为6km；
b)O点为地面指控终端布置点、雷达布置点以及我方无人机起飞点，以O点为原点建立坐标系，Y轴为正北向；
c)Q0为我方无人机第一次手动路径规划的终点，也是第二次自动路径规划的起点，即第一次悬停探测目标点；
d)Q1、Q2分别为第二次路径规划的第二个和第三个悬停点；
e)
Figure BDA0002645667400000091
为第二次路径规划无人机第一个和第二个悬停点的飞行方向，也是无人机机头方向；
f)
Figure BDA0002645667400000092
为第二次路径规划无人机第二个和第三个悬停点的飞行方向，也是无人机机头方向；
g)θ1、θ2、θ3分别为我方无人机在悬停点Q1、Q2、Q3处机头相对于地面遥控信号的方位角度，α为悬停点Q2处我方无人机的旋转角度；
h)P点为飞手的位置，θ为飞手的方位角(相对于正北向的夹角)，D为飞手相对于地面控制终端的距离。
其中已知信息包括：
a)我方无人机悬停点的位置信息分别为Q0(X0、Y0、Z0)、Q1(X1、Y1、Z1)、Q2(X2、Y2、Z2)；
b)我方无人机悬停后探测的飞手遥控信号角度信息由机载频谱侦测设备获取，分别为θ1、θ2、θ3；
c)无人机在第二个悬停点Q2的旋转角度信息为α。
具体的，飞手的位置信息解算包括以下步骤：
令飞手的坐标信息为P(X、Y、Z)，则：
Figure BDA0002645667400000101
Figure BDA0002645667400000102
在△Q0 Q1P和△Q1 Q2P中，依据正弦定理存在的以下关系求得|Q0P|、|Q1P|、|Q2P|的值：
Figure BDA0002645667400000103
Figure BDA0002645667400000104
再根据以下距离公式求得P(X、Y、Z)的值：
Figure BDA0002645667400000105
Figure BDA0002645667400000106
Figure BDA0002645667400000107
则飞手相对于地面指控终端与正北向的夹角为
Figure BDA0002645667400000108
飞手相对于地面指控终端的距离
Figure BDA0002645667400000109
更为具体的，针对实际应用过程中，在二次路径规划时依据我方无人机的性能指标可多设置几个悬停点，进行加权平均获取更高精度的飞手位置信息，针对飞手的方位在设置坐标系中的不同象限里面，只需要做简单的角度变化。
实施例3
本实施例在实施例1的基础上：
如图3所示，无线电侦测设备包括天线阵、电子开关、信号接收模块、中频采集处理模块和电源模块，其中：
天线阵采用多阵元对数周期天线均匀分布组成圆形阵面，利用多个天线阵元，将空间同一无线电磁波信号感应为不同幅度、相位的信号。具体的，可采用8阵元对数周期天线均匀分布组成圆形阵面，频段范围设置为300MHz～6GHz。
电子开关负责接收信号接收模块的控制，在不同模式下输出不同的控制信号，对天线阵实施信号高速选择与切换控制。
信号接收模块实现对无线信号的搜索、监测与分析，信号接收模块包括接收模块、本振模块和通信控制模块，接收模块实现对无线信号的放大、变频或衰减处理，本振模块提供接收模块变频所需的本振频率，通信控制模块实现接收模块对外通信和接收模块本身的衰减、变频控制。具体的，信号接收模块的接收频率可设置为300～6000MHz，中频带宽可设置为40MHz。
中频采集处理模块用于进行信号采集、处理、特征匹配及测向，中频采集处理模块包括硬件处理模块和嵌入式软件，硬件处理模块包括FPGA芯片、DSP芯片及系统控制器，嵌入式软件通过比幅测向技术实现信号源的测向，并通过建立无人机相关参数的特征库以及探测的信号分析实现无人机特征匹配及识别，所述相关参数包括生产厂家和型号。
电源模块为电子开关、信号接收模块和中频采集处理模块进行供电。
更为具体的，无线电侦测设备的侦测指标可配置为：
a)侦测频段：300MHz～6GHz；
b)瞬时工作带宽：40MHz；
c)测向方向性：方位波束60°，通过无人机旋转实现360°全向覆盖；
d)侦测距离：≥3km；
e)测向误差：≤5°；
f)重量：≤6kg。
实施例4
本实施例在实施例1的基础上：
我方无人机可选取六旋翼W160-1型无人机，机载自身携带三轴双光云台相机，相应指标可配置为：红外和可见光相机作用距离大于2km，无人机平台最大有效载荷15kg，可飞行有效半径大于6km，满载时间大于30分钟，具备抗七级风能力。经论证，此配置的无人机满足定位系统设计要求。
实施例5
本实施例在实施例1的基础上：
地面指控终端和我方无人机中设置的通信设备，可选用双5G频段高速无线传输网桥，选取5.1GHz-5.2GHz传输频段，以有效避免常规无人机遥控信号使用频谱，其点对点通信距离大于15km，传输速率达867Mbps，该通信设备具备传输不拥堵、安装方式简单(抱杆安装)、尺寸小、重量轻、成本低、防尘防雨等特点。经论证此配置的通信设备满足定位系统设计要求。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是有线连接，也可以是无线连接。

Claims (10)

1.一种黑飞无人机飞手定位方法，其特征在于，依据雷达探测的目标无人机的飞行航迹，通过我方无人机对目标无人机的地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向，利用多点交叉定位方法实现目标无人机的操控终端即飞手的准确定位，并通过光电设备进行取证。
2.根据权利要求1所述的一种黑飞无人机飞手定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.地面指控终端连接低空防御系统中的雷达探测设备，获取并显示目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息；
S2.所述地面指控终端依据目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息快速完成我方无人机的路径规划，使我方无人机在飞行过程中不与目标无人机发生碰撞，且按照规划路径飞行后到达的位置能无遮挡接收目标无人机的上行遥控信号；
S3.我方无人机到达第一次路径规划的终点后悬停，并开启无线电侦测设备，对地面遥控信号进行侦测和测向；
S4.完成第一个点的侦测和测向后，我方无人机根据第二次路径规划，依次围绕地面遥控信号源进行多点悬停、侦测与测向，并将数据实时回传到所述地面指控终端，实现飞手的多点交叉准确定位；
S5.在第二次路径飞行过程中，实时开启机载的光电设备，瞄准飞手方位进行实施摄像取证与跟踪。
3.根据权利要求2所述的一种黑飞无人机飞手定位方法，其特征在于，步骤S3中，第一次路径规划由所述地面指控终端根据目标无人机的航迹方向设定，使我方无人机在不发生交互点的飞行方向到达目标无人机被雷达探测到的第一个点附近，同时设定我方无人机在飞行中的飞行高度超过目标无人机飞行的高度，使我方无人机不会与目标无人机发生碰撞；我方无人机对地面遥控信号进行侦测和测向后，将实时信息传回所述地面指控终端进行信息分析与解算。
4.根据权利要求2或3所述的一种黑飞无人机飞手定位方法，其特征在于，步骤S4中，第二次路径规划所规划的每一个悬停探测点避开目标无人机的飞行方向，依据第一次探测的频谱源方位以相对于第一次的路径飞行方向旋转一定角度飞行，进行多点交叉探测，并将探测信息传回所述地面指控终端，进行飞手的位置信息解算。
5.根据权利要求4任一项所述的一种黑飞无人机飞手定位方法，其特征在于，步骤S4中，飞手的位置信息解算包括以下步骤：
以所述地面指控终端为原点建立直角坐标系，且原点也为雷达的布置点以及我方无人机的起飞点，Y轴为正北向；我方无人机悬停点分别为Q0(X0、Y0、Z0)、Q1(X1、Y1、Z1)、Q2(X2、Y2、Z2)；
令飞手的坐标信息为P(X、Y、Z)，则：
Figure FDA0002645667390000021
Figure FDA0002645667390000022
在△Q0 Q1P和△Q1 Q2P中，依据正弦定理存在的以下关系求得|Q0P|、|Q1P|、|Q2P|的值：
Figure FDA0002645667390000023
Figure FDA0002645667390000024
其中，θ1、θ2、θ3分别为我方无人机在悬停点Q1、Q2、Q3处机头相对于地面遥控信号的方位角度，α为悬停点Q2处我方无人机的旋转角度；
再根据以下距离公式求得P(X、Y、Z)的值：
Figure FDA0002645667390000031
Figure FDA0002645667390000032
Figure FDA0002645667390000035
则飞手相对于所述地面指控终端与正北向的夹角为
Figure FDA0002645667390000033
飞手相对于所述地面指控终端的距离
Figure FDA0002645667390000034
6.一种黑飞无人机飞手定位系统，其特征在于，包括：
地面指控终端，用于通过雷达探测设备获取并显示目标无人机的三维坐标信息和轨迹信息，以此规划我方无人机的飞行路径，并根据我方无人机得到的目标无人机的地面遥控信号的测向信息，解算出目标无人机的操控终端即飞手的位置信息；
我方无人机，根据所述地面指控终端规划的飞行路径进行飞行，并对地面遥控信号进行多点悬停、侦测与测向。
7.根据权利要求6所述的一种黑飞无人机飞手定位系统，其特征在于，我方无人机上设置有无线电侦测设备，所述无线电侦测设备通过探测、搜索和截获地域内的无线电信号，并对该无线电信号进行分析、识别并获取其相关信息来判别和跟踪信号源，采用比幅测向技术实现地面遥控信号的测向；所述相关信息包括技术参数、频段特征和辐射位置。
8.根据权利要求7所述的一种黑飞无人机飞手定位系统，其特征在于，所述无线电侦测设备包括天线阵、电子开关、信号接收模块、中频采集处理模块和电源模块；
所述天线阵采用多阵元对数周期天线均匀分布组成圆形阵面，利用多个天线阵元，将空间同一无线电磁波信号感应为不同幅度、相位的信号；
所述电子开关负责接收所述信号接收模块的控制，在不同模式下输出不同的控制信号，对所述天线阵实施信号高速选择与切换控制；
所述信号接收模块实现对无线信号的搜索、监测与分析，所述信号接收模块包括接收模块、本振模块和通信控制模块，所述接收模块实现对无线信号的放大、变频或衰减处理，所述本振模块提供所述接收模块变频所需的本振频率，所述通信控制模块实现所述接收模块对外通信和所述接收模块本身的衰减、变频控制；
所述中频采集处理模块用于进行信号采集、处理、特征匹配及测向，所述中频采集处理模块包括硬件处理模块和嵌入式软件，所述硬件处理模块包括FPGA芯片、DSP芯片及系统控制器，所述嵌入式软件通过比幅测向技术实现信号源的测向，并通过建立无人机相关参数的特征库以及探测的信号分析实现无人机特征匹配及识别，所述相关参数包括生产厂家和型号；
所述电源模块用于进行供电。
9.根据权利要求6～8任一项所述的一种黑飞无人机飞手定位系统，其特征在于，所述地面指控终端和我方无人机均设置有通信设备，且通过所述通信设备进行数据传输；所述数据传输的传输频段避开常规无人机遥控信号的使用频谱。
10.根据权利要求6～8任一项所述的一种黑飞无人机飞手定位系统，其特征在于，我方无人机上设置有光电设备，用于瞄准飞手方位进行实施摄像取证与跟踪。
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