CN112598934B - 基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统及侦测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统及侦测方法，所述装置包括一组结构相同的单节点阵列，其中，每个单节点包括顺序连接的数据采集传输及识别模块、北斗定位及组网模块、管控及反击模块，数据采集传输及识别模块设有接收天线，管控及反击模块设有发射天线，发射天线连接可调节功率的信号功率放大器。所述方法包括：1）数据采集存储及传输；2）信号识别；3）目标定位；4）无线组网连接；5）GPS诱骗信号生成；6）诱骗信号发送。这种系统成本低、探测范围广。这种方法准确率高、实时性强。

Description

基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统及侦测方法

技术领域

本发明涉及无线电技术领域，主要涉及利用无线电信号侦测技术探测及识别无人机，并进行相应管控手段，具体是一种基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统及侦测方法。

背景技术

随着科技不断发展，民用无人机产业蒸蒸日上，民用无人机具备价格低廉，易于操作，飞行条件易于满足等优点，以低、慢、小型为主的民用无人机得到了广泛应用。普通民用无人机在生活中随处可见，但无人机广泛应用也带来一系列问题：无人机航拍侵犯个人隐私，使用无人机进行非法交易，边境区域无人机非法入侵等。对无人机进行侦测定位及管控成为了无人机监管问题的重中之重，只有监测到无人机的入侵并对其定位，才能针对其展开下一步反击。目前常见侦测主要依赖音频、图像、无线电信号探测等方法，定位主要由多点定位结合算法实现。

音频及图像侦测是基于不同种类无人机的螺旋桨旋转声或利用高精度摄像头对空中目标进行测量及监控，但以上方法均易受环境干扰，如遇雷雨、大雾等天气探测效果将急剧下降；基于无线电信号探测主要为有源及无源方式，对于有源雷达探测来说，雷达系统需要主动发射大功率信号对目标进行探测，并利用探测目标反射回波进行后续处理，但是传统雷达侦测技术，较难侦测到类似无人机的小型目标，且发射大功率信号辐射高功耗大不适合民用；而无源探测不主动发射信号只接收探测目标信号，普遍存在探测范围距离受限、探测精度低等问题，且使用的探测及数据处理硬件设备价格昂贵，目前大多系统只是针对目标的定位或目标的识别侦测，在定位到目标后进行下一步的反击操作。因此目前市场需要一种探测范围广，准确率高，实时性强、节约成本的探测反击一体化系统满足要求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统及侦测方法。这种系统成本低、探测范围广。这种方法准确率高、实时性强。

实现本发明目的的技术方案是：

一种基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统，包括一组结构相同的单节点阵列，其中，每个单节点包括顺序连接的数据采集传输及识别模块、北斗定位及组网模块、管控及反击模块，所述数据采集传输及识别模块设有电连接的AD9361射频前端单元、FPGA板、AD9361数据处理单元和多通道DDR3异步防冲突读写单元，FPGA板设有飞控信号识别、图传信号识别、识别结果仲裁、GPMC总线、千兆网口和ARM处理器功能单元，FPGA板控制AD9361驱动后进行数据采集及处理且内部实现飞控及图传信号的双源识，所述北斗定位及组网模块设有电连接的北斗授时定位单元、北斗通信单元和无线组网连接单元，所述管控及反击模块设有电连接的PC总控制端和带软件的无线电设备，其中数据采集传输模块设有接收天线，管控及反击模块设有发射天线，发射天线连接可调节功率的信号功率放大器，信号功率放大器可根据需求调节发射信号的功率大小，确定管控区域范围，数据采集传输及识别模块采用FPGA控制AD9361进行双通道定频扫频采集、采集数据经千兆网口传输，信号识别算法由FPGA板实现完成了对无人机飞控及图传信号的双源侦收和识别，将信号和识别结果经北斗定位及组网模块进行目标定位后将信息汇总入管控及反击模块的PC控制端，PC控制端采用带软件的无线电设备发送反击命令对目标进行GPS诱骗实现管控目的。

所述FPGA板为黑金开发板AX7325，AX7325内部集成有XC7K325TIFFG900的FPGA、DDR3内存条、FMC扩展接口、串口和温度传感器LM75。

所述AD9361为ADI公司评估板。

所述千兆网口单元为黑金千兆网口扩展板。

所述北斗定位及组网模块为DM910型模块，DM910型模块内部集成有高性能RDSS射频收发芯片、功放单元、北斗专用RDSS基带电路和小型化导航定位单元，可实现RDSS定位、通信及RNSS导航定位功能。

所述软件无线电设备为Hackrf One开源无线电设备及发射天线。

基于北斗定位及无线组网的无人机侦测方法，包括上述基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统，所述方法包括如下步骤：

1）数据采集存储及传输：经由FPGA控制AD9361板卡链接高增益天线对无人机飞控及图传信号进行双源侦收，实现数据的采集存储及传输，过程包括：

1-1）初始化：FPGA控制SPI时序对AD9361配置相关寄存器使寄存器初始化；

1-2）定频、扫频模式采集：外接控制终端控制FPGA板进入双通道扫频模式，FPGA通过SPI时序对AD9361进行配置，实现对2.3Ghz-2.5Ghz、5.7Ghz-5.9Ghz频段快速扫频采集，其中，2.3Ghz-2.5Ghz、5.7Ghz-5.9Ghz频段为无人机飞控及图传信号所在频段；

1-3）数据存储及传输：步骤1-2）采集到的数据通过AD9361数据处理单元传输至DDR3异步防冲突读写单元，步骤1-2）采集到的数据分为5路多通道数据，两路数据用于进行飞控信号处理识别，两路数据用于图传信号处理识别，一路数据送往信号识别模块的千兆网口单元用于PC上位机频谱显示，此过程完成数据跨时钟处理；

2）信号识别：信号识别中由于飞控信号采用跳频方式进行传输、图传信号采用OFDM调制方式进行传输，首先对探测频段信号功率进行检测并设置阈值判断是否有突发信号出现，之后对信号进行相应算法识别，其中飞控信号识别为基于跳频信号特征的识别算法，根据跳频信号频率点随时间变化这一特点，对频段内信号进行时频分析提取时频脊线特征与无人机飞控信号进行对比；OFDM信号为带宽10M的宽带信号，频谱近似矩形，通过宽带信号特征对图传信号进行识别；双源信号的识别算法均由FPGA板实现，双源信号的识别结果经过内部仲裁单元进行裁决，裁决结果通过GMPC总线传输至ARM单元中；

3）目标定位：ARM单元获得步骤2)前级处理的结果及数据源，经北斗DM910模块中的BD2 B1/GPS L1 小型化导航定位模块实现目标定位，并将定位数据及频谱数据进行发送；

4）无线组网连接：步骤1）-步骤3）完成无人机目标的单节点探测，为扩大探测范围，将经步骤3)所得目标定位信息及数据通过无线组网单元进行汇总连接，发送至管控及反击模块的总控制PC端，总控制端对每一节点设置有其对应的上位机实时共享显示界面，若出现异常情况该节点对应界面将出现警告提醒，多个节点共享界面组成总控制端的实际探测情景图；

5）GPS诱骗信号生成：PC总控制端获得步骤4）所得数据，发送反击命令至各单节点ARM，每个单节点ARM将该数据传输至带软件的无线电设备，依据无人机内部设置的相关禁飞设置，采用软件代码方式生成包含禁飞区坐标的虚拟GPS信号，虚拟GPS信号生成过程为：

5-1）仿真器获取编译：虚拟GPS信号的生成于Linux环境下实现，采用clone指令获取开源软件GPS信号仿真器代码gps-sdr-sim，将仿真器代码gps-sdr-sim保存在指定路径，采用gcc编译器对仿真器代码gps-sdr-sim编译得到可执行文件；

5-2）确定坐标信息：查找到禁飞区位置坐标信息如桂林两江国际机场坐标，记录禁飞区位置坐标经纬度，通过单节点上位机进行输入坐标参数输入，设置8为采样精度，生成数据文件；

5-3）文件保存备份：步骤5-2）生成的数据文件即为通过GPS信号仿真器生成的虚拟GPS信号数据，将虚拟GPS信号数据保存为后缀.bin的文件，以备下一步骤的信号发送；

6）诱骗信号发送：步骤5)生成后缀.bin的文件数据经发射天线发送给反击目标，反击目标接收到虚拟GPS信号被定位至禁飞区内，返航点刷新开始自动降落，实现对无人机目标的反击。

本技术方案实现了对无人机目标的双源信号探测及识别，不仅可探测无人机地面遥控器所发射飞控信号同时可探测空中无人机目标所发射的图传信号。通过结合北斗模块利用我国自主研发的北斗定位系统实现对目标的定位，并结合无线组网技术将各个不同区域的单节点数据及结果统一传输至主控制端进行下一步反击处理，该系统的优点是实现了无人机目标的定位反击一体化，并经由多个节点的无线组网连接扩大了对无人机的探测范围，不必局限于单一节点的探测区域范围。

本系统易于实现、探测范围广，由于采用无线组网方式进行信息集成处理，只需在主控制端进行监控及指令下达，因此节省人力物力成本，并采用无源探测方式只接收目标信号不主动发射大功率信号，功耗低且绿色环保，具有较强的民用实用价值，可完成对大范围区域的低空安全防护。

这种系统成本低、探测范围广。这种方法准确率高、实时性强。

附图说明

图1为实施例中的单节点装置示意图；

图2为实施例的结构及信号数据处理、识别流程示意图；

图3为实施例中方法的流程示意图；

图4为实施例中北斗定位及组网连接示意图；

图5为实施例中无人机管控示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步的阐述，但不是对本发明的限定。

实施例：

参照图1、图2，一种基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统，包括一组结构相同的单节点阵列，其中，每个单节点包括顺序连接的数据采集传输及识别模块、北斗定位及组网模块、管控及反击模块，所述数据采集传输及识别模块设有电连接的AD9361射频前端单元、FPGA板、AD9361数据处理单元和多通道DDR3异步防冲突读写单元，FPGA板设有飞控信号识别、图传信号识别、识别结果仲裁、GPMC总线、千兆网口和ARM处理器功能单元，FPGA板控制AD9361驱动后进行数据采集及处理且内部实现飞控及图传信号的双源识别，所述北斗定位及组网模块设有电连接的北斗授时定位单元、北斗通信单元和无线组网连接单元，所述管控及反击模块设有电连接的PC总控制端和带软件的无线电设备，其中数据采集传输及识别模块设有接收电线，管控及反击模块设有发射天线，发射天线连接可调节功率的信号功率放大器，信号功率放大器可根据需求调节发射信号的功率大小，确定管控区域范围，数据采集传输及识别模块采用FPGA控制AD9361进行双通道定频扫频采集、采集数据经千兆网口传输，信号识别算法由FPGA板实现完成了对无人机飞控及图传信号的双源侦收和识别，将信号和识别结果经北斗定位及组网模块进行目标定位后将信息汇总入管控及反击模块的PC控制端，PC控制端采用带软件的无线电设备发送反击命令对目标进行GPS诱骗实现管控目的。

所述FPGA板为黑金开发板AX7325，AX7325内部集成有XC7K325TIFFG900的FPGA、DDR3内存条、FMC扩展接口、串口和温度传感器LM75。

所述AD9361为ADI公司评估板。

所述千兆网口单元为黑金千兆网口扩展板。

所述北斗定位及组网模块为DM910型模块，DM910型模块内部集成有高性能RDSS射频收发芯片、功放单元、北斗专用RDSS基带电路和小型化导航定位单元，可实现RDSS定位、通信及RNSS导航定位功能。

所述软件无线电设备为Hackrf One开源无线电设备及发射天线。

基于北斗定位及无线组网的无人机侦测方法，包括上述基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统，如图3所示，所述方法包括如下步骤：

1）数据采集存储及传输：经由FPGA控制AD9361板卡链接高增益天线对无人机飞控及图传信号进行双源侦收，实现数据的采集存储及传输，过程包括：

1-1）初始化：FPGA控制SPI时序对AD9361配置相关寄存器使寄存器初始化；

1-2）定频、扫频模式采集：外接控制终端控制FPGA进入双通道扫频模式，FPGA通过SPI时序对AD9361进行配置，实现对2.3Ghz-2.5Ghz、5.7Ghz-5.9Ghz频段快速扫频采集，其中，2.3Ghz-2.5Ghz、5.7Ghz-5.9Ghz频段为无人机飞控及图传信号所在频段；

1-3）数据存储及传输：步骤1-2）采集到的数据通过AD9361数据处理单元传输至DDR3异步防冲突读写单元，步骤1-2）采集到的数据分为5路多通道数据，两路数据用于进行飞控信号处理识别，两路数据用于图传信号处理识别，一路数据送往信号识别模块的千兆网口单元用于PC上位机频谱显示，此过程完成数据跨时钟处理；

2）信号识别：信号识别中由于无人机飞控信号采用跳频方式进行传输、图传信号采用OFDM调制方式进行传输，首先对探测频段信号功率进行检测并设置阈值判断是否有突发信号出现，之后对信号进行相应算法识别，其中飞控信号识别为基于跳频信号特征的识别算法，根据跳频信号频率点随时间变化这一特点，对频段内信号进行时频分析提取时频脊线特征与无人机飞控信号进行对比；OFDM信号为带宽10M的宽带信号，频谱近似矩形，通过宽带信号特征对图传信号进行识别；双源信号的识别算法均由FPGA实现，双源信号的识别结果经过内部仲裁单元进行裁决，裁决结果通过GMPC总线传输至ARM单元中；

3）目标定位：ARM单元获得步骤2)前级处理的结果及数据源，经北斗DM910模块中的BD2 B1/GPS L1 小型化导航定位模块实现目标定位，并将定位数据及频谱数据进行发送，如图4所示；

4）无线组网连接：步骤1）-步骤3）完成无人机目标的单节点探测，为扩大探测范围，将经步骤3)所得目标定位信息及数据通过无线组网单元进行汇总连接，发送至管控及反击模块的总控制PC端，总控制端对每一节点设置有其对应的上位机实时共享显示界面，若出现异常情况该节点对应界面将出现警告提醒，多个节点共享界面组成总控制端的实际探测情景图；如图4所示；

5）GPS诱骗信号生成：PC总控制端获得步骤4）所得数据，发送反击命令至各单节点ARM，每个单节点ARM将该数据传输至带软件的无线电设备，依据无人机内部设置的相关禁飞设置，采用软件代码方式生成包含禁飞区坐标的虚拟GPS信号，虚拟GPS信号生成过程为：

5-1）仿真器获取编译：虚拟GPS信号的生成于Linux环境下实现，采用clone指令获取开源软件GPS信号仿真器代码gps-sdr-sim，将仿真器代码gps-sdr-sim保存在指定路径，采用gcc编译器对仿真器代码gps-sdr-sim编译得到可执行文件；

5-2）确定坐标信息：查找到禁飞区位置坐标信息如桂林两江国际机场坐标，记录禁飞区位置坐标经纬度，通过单节点上位机进行输入坐标参数输入，设置8为采样精度，生成的数据文件；

5-3）文件保存备份：步骤5-2）生成的数据文件即为通过GPS信号仿真器生成的虚拟GPS信号数据，将虚拟GPS信号数据保存为后缀.bin的文件，以备下一步骤的信号发送；

6）诱骗信号发送：步骤5)生成后缀.bin的文件数据经发射天线发送给反击目标，反击目标接收到虚拟GPS信号被定位至禁飞区内，返航点刷新开始自动降落，实现对无人机目标的反击，如图5所示。

Claims (1)

1. 基于北斗定位及无线组网的无人机侦测方法，其特征在于，包括基于北斗定位及无线组网的无人机侦测系统，所述系统包括一组结构相同的单节点阵列，其中，每个单节点包括顺序连接的数据采集传输及识别模块、北斗定位及组网模块、管控及反击模块，所述数据采集传输及识别模块设有电连接的AD9361射频前端单元、FPGA板、AD9361数据处理单元和多通道DDR3异步防冲突读写单元，FPGA板设有飞控信号识别、图传信号识别、识别结果仲裁、GPMC总线、千兆网口和ARM处理器功能单元，所述北斗定位及组网模块设有电连接的北斗授时定位单元、北斗通信单元和无线组网连接单元，所述管控及反击模块设有电连接的PC总控制端和软件无线电设备，其中数据采集传输及识别模块设有接收天线，管控及反击模块设有发射天线，发射天线连接可调节功率的信号功率放大器，所述FPGA板为黑金开发板AX7325，AX7325内部集成有XC7K325TIFFG900的FPGA、DDR3内存条、FMC扩展接口、串口和温度传感器LM75，所述AD9361为ADI公司评估板，所述北斗定位及组网模块为DM910型模块，所述北斗定位及组网模块为DM910型模块，所述软件无线电设备为Hackrf One开源无线电设备及发射天线，

所述方法包括如下步骤：

1）数据采集存储及传输：经由FPGA控制AD9361板卡链接高增益天线对无人机飞控及图传信号进行双源侦收，实现数据的采集存储及传输，过程包括：

1-1）初始化：FPGA控制SPI时序对AD9361配置相关寄存器使寄存器初始化；

1-2）定频、扫频模式采集：外接控制终端控制FPGA板进入双通道扫频模式，FPGA通过SPI时序对AD9361进行配置，实现对2.3Ghz-2.5Ghz、5.7Ghz-5.9Ghz频段快速扫频采集，其中，2.3Ghz-2.5Ghz、5.7Ghz-5.9Ghz频段为无人机飞控及图传信号所在频段；

1-3）数据存储及传输：步骤1-2）采集到的数据通过AD9361数据处理单元传输至DDR3异步防冲突读写单元，步骤1-2）采集到的数据分为5路多通道数据，两路数据用于进行飞控信号处理识别，两路数据用于图传信号处理识别，一路数据送往信号识别模块的千兆网口单元用于PC上位机频谱显示，此过程完成数据跨时钟处理；

2）信号识别：信号识别中由于飞控信号采用跳频方式进行传输、图传信号采用OFDM调制方式进行传输，首先对探测频段信号功率进行检测并设置阈值判断是否有突发信号出现，之后对信号进行相应算法识别，其中飞控信号识别为基于跳频信号特征的识别算法，根据跳频信号频率点随时间变化这一特点，对频段内信号进行时频分析提取时频脊线特征与无人机飞控信号进行对比；OFDM信号为带宽10M的宽带信号，频谱近似矩形，通过宽带信号特征对图传信号进行识别；双源信号的识别算法均由FPGA板实现，双源信号的识别结果经过内部仲裁单元进行裁决，裁决结果通过GMPC总线传输至ARM单元中；

3）目标定位：ARM单元获得步骤2)前级处理的结果及数据源，经北斗DM910模块中的BD2B1/GPS L1 小型化导航定位模块实现目标定位，并将定位数据及频谱数据进行发送；

4）无线组网连接：步骤1）-步骤3）完成无人机目标的单节点探测，为扩大探测范围，将经步骤3)所得目标定位信息及数据通过无线组网单元进行汇总连接，发送至管控及反击模块的总控制PC端，总控制PC端对每一节点设置有其对应的上位机实时共享显示界面，若出现异常情况该节点对应界面将出现警告提醒，多个节点共享界面组成总控制端的实际探测情景图；

5）GPS诱骗信号生成：PC总控制端获得步骤4）所得数据，发送反击命令至各单节点ARM，每个单节点ARM将该数据传输至带软件的无线电设备，依据无人机内部设置的相关禁飞设置，采用软件代码方式生成包含禁飞区坐标的虚拟GPS信号，虚拟GPS信号生成过程为：

5-1）仿真器获取编译：虚拟GPS信号的生成于Linux环境下实现，采用clone指令获取开源软件GPS信号仿真器代码gps-sdr-sim，将仿真器代码gps-sdr-sim保存在指定路径，采用gcc编译器对仿真器代码gps-sdr-sim编译得到可执行文件；

5-2）确定坐标信息：查找到禁飞区位置坐标信息记录禁飞区位置坐标经纬度，通过单节点上位机进行坐标参数输入，设置8为采样精度，生成的数据文件；

5-3）文件保存备份：步骤5-2）生成的数据文件即为通过GPS信号仿真器生成的虚拟GPS信号数据，将虚拟GPS信号数据保存为后缀.bin的文件；

6）诱骗信号发送：步骤5)生成后缀.bin的文件数据经发射天线发送给反击目标，反击目标接收到虚拟GPS信号被定位至禁飞区内，返航点刷新开始自动降落，实现对无人机目标的反击。

Images