CN113110541A - 一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置和方法。本发明在进行频谱监测飞行前，先输入地图信息和预设飞行高度，由移动地面站进行初步飞行路径规划；同时，移动地面站接收无人机发送的数据，在电子地图上实时更新无人机的位置和无线电信号源可能的位置范围；通过调整无人机的飞行路径规划，可以在一次飞行过程确定多个无线电信号源的位置；另外，在无人机飞行过程，移动地面站即可收到数据，实时分析，无人机搜索和人工确认可以同步进行，提高搜索效率；最后，大部分的数据分析过程在移动地面站完成，降低无人机的负载，可以提高搜索范围；在无人机飞行完成后，可以对存储装置中的数据进行进一步分析。
Description
技术领域
本发明涉及无线电频谱监测与定位技术领域，具体涉及一种基于无人机和移动地面站的频谱监测装置及方法。
背景技术
无线电频谱监测指对于一定区域内的无线电信号进行探测、搜索和捕获，并且对这些信号进行分析、识别，获取其技术信息，利用这些信息进行工作特征和辐射位置信息提取的活动，是无线电频谱管理的重要方式。
传统的无线电频谱管理方法是由无线电管理委员会在各地设立监听点，对存在异常无线电信号的区域进行大范围监听，在监听到异常无线电信号后使用车载移动站进行监听，缩小目标范围，最后再使用便携式信号查找仪进行定位。使用便携式信号查找仪时，存在无线电信号易受到遮挡衰减、检测范围窄、机动性差等缺点，需要耗费大量人力资源对于无线电信号源进行精确定位。
相对于手持便携式信号查找仪进行地面监测，采用无人机在空中进行无线电信号定位可以避免以上缺点，可以更精确的确定无线电信号源的位置，同时节省人力资源，提高监管效率。
发明内容
本发明所要解决的是现有无线电频谱监测与定位技术中存在的效率不高的问题，提出一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置和方法，具有无线电信号源定位精确和使用便利的特点。
为解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明首先提供了一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位方法，其包括如下步骤：
步骤1、确定监测区域，将相应电子地图上传移动地面站；
步骤2、移动地面站根据电子地图和监控频段设计频谱监测实施方案，并将飞行路径规划图显示在电子地图上；
步骤3、无人机升空，按照设计的频谱监测实施方案进行飞行，接收无线电信号并进行分析，每隔一定时间向移动地面站传回数据信号，包括信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息；
步骤4、移动地面站接收无人机发送来的信号，解调信号获取数据，在电子地图上更新无人机的当前位置；
步骤5、移动地面站对功率满足触发阈值的频点，记录其对应的信息，包括：信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息；
步骤6、依据多点无线电测量的分析结果进行无线电信号源的定位，并将可能的位置范围显示在电子地图上；
步骤7、针对可疑无线电信号源，通过修改无人机飞行路径，并重复执行步骤4-6对特定区域进行精确搜查，逐步缩小信号源的可能存在位置范围，直至确认；
步骤8、逐个确认可疑无线电信号源位置之后，频谱监测无人机返航。
作为本发明的优选方案，所述的可疑无线电信号源为监测频段内信号功率超过触发阈值的频点所对应的无线电信号源。
进一步的，步骤7包括以下步骤：
(1)移动地面站将步骤6中无线电信号源的可能位置范围作为特定区域；
(2)移动地面站设定特定区域的中心位置为搜索中心，记录当前位置为搜索起点；
(3)移动地面站通过搜索中心和搜索起点生成新的飞行路径，优先执行；
(4)判断可能位置的精度是否满足要求，若满足则让无人机回到搜索起点，按原来飞行路径飞行，否则重复以上步骤。
本发明还提供了一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置，其包括频谱监测无人机和移动地面站；
所述频谱监测无人机包括：
机载无线电接收模块：用于接收第一特定频段的无线电信号，对频段内无线电信号进行分析，提取的结果包括：天线指向、带宽、强度、时域信号、频谱形态；
机载无线电发送模块：用于发射经过处理后的包括位置信息、飞行姿态和机载无线电接收模块分析结果在内的第二特定频段的无线电信号至移动地面站；
机载遥控模块：用于接收来自移动地面站的控制信号，控制无人机的飞行姿态和飞行路径规划；
N轴陀螺仪：用于监测包括高低角、方位角以及飞机机头方向在内的飞行姿态；
定位模块：用于记录无人机的位置信息；
存储模块：用于第一特定频段实时采集与分析数据保存；
机载数字信号处理模块：用于与机载无线电发送模块、机载遥控模块、N轴陀螺仪、定位模块、储存模块连接以及相应信号的处理；
所述移动地面站包括：
频谱监测实施方案生成模块：用于设计生成频谱监测实施方案，根据电子地图、飞行高度、检测频段和记录门限，产生无人机飞行路径规划方案；
无人机遥控模块：用于在移动地面站控制无人机的飞行路径规划和飞行姿态；
地面无线电接收模块：用于接收第二特定频段无线电信号；
外设模块：用于提供外部装置，所述外设模块包块显示装置、存储装置、接口装置和控制装置中的一种或者多种；
地面数字信号处理模块：用于对第二特定频段无线电信号进行解调，以及与频谱监测实施方案生成模块、无人机遥控模块、地面无线电接收模块和外设模块的连接以及对应信号的处理。
本发明的有益部分包括：
(1)因为本发明采用了无人机监测的手段，因此克服了现有技术中的受到遮挡衰减、检测范围窄等缺点，从而能够保证大范围的监测和监测范围内监测的可靠性；
(2)因为本发明在每次进行频谱监测飞行之前，根据电子地图信息对飞行路径预先规划，因此能够高效地对监测区域进行搜索，提高监测效率；
(3)因为本发明通过无人机采集数据，再传回移动地面站对数据进行处理的方式，克服了现有技术中飞行结束后才能处理数据的缺点，提高了信息处理的实时性；
(4)因为本发明通过移动地面站实时处理数据，并可以对无人机飞行路径进行实时修改，因此在飞行期间，若发现无线电信号源，就可以对其可能所在区域进行精确搜索，提高了无线电信号源的定位精度。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为频谱监测无人机模块框图；
图3为移动地面站模块框图；
图4为实施例1无人机修改飞行轨迹示意图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案：
实施例1为对X频段的无线电信号源进行探测。
第一特定频段为X频段，第二特定频段为L频段。
本发明实施例提供了一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置，包括频谱监测无人机和移动地面站。
如图2所示，所述频谱监测无人机包括：
X频段机载无线电接收模块，用于接收X频段的无线电信号，并且分析得到天线指向、带宽、强度、时域信号、频谱形态。
L频段机载无线电发送模块，用于发射经过处理后的包括位置信息、飞行姿态和X频段机载无线电接收模块的分析结果在内的L频段无线电信号至移动地面站。
机载遥控模块，用于接收来自移动地面站的控制信号，控制无人机的飞行姿态和飞行路径规划。
10轴陀螺仪，用于监测包括高低角、方位角以及飞机机头方向在内的飞行姿态。
GPS模块，用于记录无人机的位置信息。
SD卡，用于数据保存。
机载数字信号处理模块，主要为FPGA以及DSP等相关数字信号处理模块，用于与L频段机载无线电发送模块、机载遥控模块、10轴陀螺仪、GPS模块、SD卡连接以及相应信号的处理。
如图3所示，所述移动地面站包括：
频谱监测实施方案生成模块，用于设计生成频谱监测实施方案，根据电子地图、飞行高度、检测频段和记录门限，产生无人机飞行路径规划方案。
无人机遥控模块，用于在移动地面站控制无人机的飞行路径规划和飞行姿态。
L频段地面无线电接收模块，用于接收L频段无线电信号。
外设模块，用于提供外部装置，所述外设模块包块显示装置、存储装置、接口装置和控制装置中的一种或者多种。
本实施例中，外设模块为显示器、鼠标和键盘。
显示器，用于显示频谱信息、无人机在电子地图上的实时位置和无线电信号源的可能位置。
鼠标和键盘，用于输入设定飞行高度、监控频段和触发阈值，以及确认和修改频谱监测实施方案。
地面数字信号处理模块，用于对无线电信号进行解调，以及与频谱监测实施方案生成模块、无人机遥控模块、L频段地面无线电接收模块和外设模块的连接以及对应信号的处理。
在本实施例中，所述机载数字信号处理模块包括：
飞行控制单元：根据机载遥控模块接收的地面遥控信号进行无人机的飞行姿态和飞行路径规划。
定位数据收集单元：获取并收集GPS模块所获得的定位数据，并在SD卡中进行保存。
监测信号收集单元：获取并收集X频段机载无线电接收模块所获得的信号分析结果，并在SD卡中进行保存。
无人机飞行状态分析单元：获取并收集10轴陀螺仪所获得的飞行姿态数据，并在SD卡中进行保存。
数据发送单元：用于将存储模块中定位数据收集单元、信号分析结果收集单元和X频段无人机飞行状态分析单元的数据整合，发送到L频段机载无线电发射模块。
在本实施例中，所述地面数字信号处理模块包括：
频谱监测实施方案分析单元：用于分析输入的频谱监测实施方案，获得飞行路径规划和对应高度，以及设置的监测频段和比较门限。
飞机遥控单元：根据移动地面站设定的频谱监测方案，生成无人机的飞行指令，并发送到无人机遥控模块。
数据提取单元：获取并分析L频段地面无线电接收模块接收到的无线电信号，将其中的定位数据、飞行姿态数据和信号分析结果分别送入不同的处理单元。
信号比较与记录单元：根据频谱监测实施方案分析单元获得的监测频段和比较门限，与数据提取单元获得的无线电信号进行比较，如果符合监测频段和比较门限的要求，则认为可能存在该频点的无线电信号源，记录该频点的信号分析结果和定位数据。
信号源定位单元：依据多点无线电测量的分析结果进行自动无线电信号源的定位，以电子地图的形式标记信号源的可能位置范围，并将定位结果发送到外设模块。
所述信号源定位单元根据信号比较与记录单元记录的可疑频点的功率信息以及定位数据，通过相邻定位点的功率数据比较，排除受到多径干扰以及遮挡影响的功率剧烈变化的定位参考点，利用优选的分析结果进行信号源的定位。
在本实施例中，对于仿真环境的设置如下：
无人机飞行速度为40m/s，飞行高度为z＝20m，初始飞行路径为沿x＝-40m的直线由S1至S4方向匀速飞行，无线电信号源位置在(0m,0m,5m)点发射X频段无线电信号，在S1点处无人机接接收到的无线电信号功率超过触发阈值。
如图1所示，基于以上所述装置和仿真环境，一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位方法，包括如下步骤：
步骤1、监测区域的确定。将相应电子地图上传移动地面站，并通过已知信息对无线电信号源可能方位进行标注；
步骤2、设计频谱监测实施方案。在移动地面站的主机上，输入需要参数，设计合理的频谱监测无人机飞行路径，为S1、S2、S3、S4所在直线，并保存在移动地面站上：
在本实施例中，所述的步骤2具体采用如下方法设计合理的频谱监测无人机飞行路径(频谱监测实施方案)：
(1)上传电子地图到移动地面站主机上。
(2)设计飞行高度。
(3)设置监测频段为X频段，设置触发阈值。
(4)地面移动站生成无人机飞行路径规划，并显示在屏幕上。
(5)确认和修改频谱监测实施方案。
步骤3、频谱监测无人机升空，按照设计的频谱监测实施方案进行飞行：
(1)机载无线电接收模块接收X频段信号，并且进行分析，分析结果包括：天线指向、带宽、强度、时域信号、频谱形态。
(2)无人机每隔一定时间采集定位模块的位置信息、10轴陀螺仪的飞行姿态信息和机载无线电接收模块的X频段信号分析结果，存储在存储模块中。
(3)机载数字信号处理模块从存储模块中获取同一时刻的位置信息、飞行姿态信息以及X频段信号分析结果，通过机载无线电发送模块通过L频段的无线电信号一起发出。
步骤4、无人机无线电信号的处理。移动地面站接收L频段的无线电信号，解调获得无人机的位置信息、飞行姿态信息以及X频段信号分析结果，在电子地图上显示无人机最新的位置。
步骤5、频点信息的记录和追踪。移动地面站分析频谱信息，在S1点处发现X频段中某一频点的功率超过触发阈值，因此开始记录该频点后续信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息。
步骤6、无线电信号源位置的初步确定。比较上述X频段频点在S1、S2、S3、S4点处的信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息，在电子地图上标出无线电信号源的可能位置，如图4的A1区域，此时X方向标准差为2.42m，Y方向标准差为1.39m。
步骤7、无线电信号源位置的精确搜查。由于步骤6中确定的X频段无线电信号源的位置精度达不到要求，因此移动地面站需要修改无人机的飞行路径，进行精确搜索，：
(1)移动地面站站确定X频段无线电信号源的可能位置范围为特定区域；
(2)移动地面站设定特定区域的中心位置为搜索中心，记录当前位置S4为搜索起点；
(3)移动地面站通过搜索中心和搜索起点生成新的飞行路径S4-S5-S6-S7-S8-S9-S10，优先执行；
(4)移动地面站根据S5、S6、S7、S8、S9、S10点中的优选数据重新定位无线电信号源的位置，如图4所示，重新定位的位置为A2区域，此时X方向标准差为0.09m，Y方向标准差为0.05m，满足定位精度要求，移动地面站记录该无线电信号源位置，并控制无人机回到S4，沿虚线继续之前的路线。
步骤8、按照原来设定的飞行路径完成监测任务后，频谱监测无人机返航。
图4为实施例1无人机修改飞行轨迹示意图，图中A1区域为移动地面站根据S1、S2、S3、S4处的信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息确定的X频段无线电信号源位置范围，X方向标准差为2.42m，Y方向标准差为1.39m，图中A2区域为移动地面站根据S5、S6、S7、S8、S9、S10点中的优选点的信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息确定的X频段无线电信号源位置范围,X方向标准差为0.09m，Y方向标准差为0.05m，由此可见，通过实时修改无人机飞行路径可以实现对无线电信号源更精确的定位。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、确定监测区域，将相应电子地图上传移动地面站；
步骤2、移动地面站根据电子地图和监控频段设计频谱监测实施方案，并将飞行路径规划图显示在电子地图上；
步骤3、无人机升空，按照设计的频谱监测实施方案进行飞行，接收无线电信号并进行分析，每隔一定时间向移动地面站传回数据信号，包括信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息；
步骤4、移动地面站接收无人机发送来的信号，解调信号获取数据，在电子地图上更新无人机的当前位置；
步骤5、移动地面站对功率满足触发阈值的频点，记录其对应的信息，包括：信号分析结果、位置信息和无人机飞行姿态信息；
步骤6、依据多点无线电测量的分析结果进行无线电信号源的定位，并将可能的位置范围显示在电子地图上；
步骤7、针对可疑无线电信号源，通过修改无人机飞行路径，并重复执行步骤4-6对特定区域进行精确搜查，逐步缩小信号源的可能存在位置范围，直至确认；
步骤8、逐个确认可疑无线电信号源位置之后，频谱监测无人机返航。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位方法，其特征在于：步骤2中，所述的移动地面站根据电子地图和监控频段设计频谱监测实施方案，包括以下步骤：
(1)设置飞行高度；
(2)设置监测频段和触发阈值；
(3)生成基于电子地图的无人机飞行路径规划；
(4)通过移动地面站确认和修改频谱监测实施方案。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位方法，其特征在于：步骤7中，所述的可疑无线电信号源为监测频段内信号功率超过触发阈值的频点所对应的无线电信号源。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位方法，其特征在于：步骤7，包括以下步骤：
(1)移动地面站将步骤6中无线电信号源的可能位置范围作为特定区域；
(2)移动地面站设定特定区域的中心位置为搜索中心，记录当前位置为搜索起点；
(3)移动地面站通过搜索中心和搜索起点生成新的飞行路径，优先执行；
(4)判断可能位置的精度是否满足要求，若满足则让无人机回到搜索起点，按原来飞行路径飞行，否则重复以上步骤。
5.一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置，其特征在于：包括频谱监测无人机和移动地面站；
所述频谱监测无人机包括：
机载无线电接收模块：用于接收第一特定频段的无线电信号，对频段内无线电信号进行分析，提取的结果包括：天线指向、带宽、强度、时域信号、频谱形态；
机载无线电发送模块：用于发射经过处理后的包括位置信息、飞行姿态和机载无线电接收模块分析结果在内的第二特定频段的无线电信号至移动地面站；
机载遥控模块：用于接收来自移动地面站的控制信号，控制无人机的飞行姿态和飞行路径规划；
N轴陀螺仪：用于监测包括高低角、方位角以及飞机机头方向在内的飞行姿态；
定位模块：用于记录无人机的位置信息；
存储模块：用于第一特定频段实时采集与分析数据保存；
机载数字信号处理模块：用于与机载无线电发送模块、机载遥控模块、N轴陀螺仪、定位模块、储存模块连接以及相应信号的处理；
所述移动地面站包括：
频谱监测实施方案生成模块：用于设计生成频谱监测实施方案，根据电子地图、飞行高度、检测频段和记录门限，产生无人机飞行路径规划方案；
无人机遥控模块：用于在移动地面站控制无人机的飞行路径规划和飞行姿态；
地面无线电接收模块：用于接收第二特定频段无线电信号；
外设模块：用于提供外部装置，所述外设模块包块显示装置、存储装置、接口装置和控制装置中的一种或者多种；
地面数字信号处理模块：用于对第二特定频段无线电信号进行解调，以及与频谱监测实施方案生成模块、无人机遥控模块、地面无线电接收模块和外设模块的连接以及对应信号的处理。
6.根据权利要求5所述的一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置，其特征在于：所述机载数字信号处理模块包括：
飞行控制单元：根据机载遥控模块接收的地面遥控信号进行无人机的飞行姿态和飞行路径规划；
定位数据收集单元：获取并收集定位模块所获得的定位数据，并在存储模块中进行保存；
信号分析结果收集单元：获取并收集机载无线电接收模块所获得的信号分析结果，并在存储模块中进行保存；
无人机飞行状态分析单元：获取并收集N轴陀螺仪所获得的飞行姿态数据，并在存储模块中进行保存；
数据发送单元：用于将存储模块中定位数据收集单元、信号分析结果收集单元和无人机飞行状态分析单元的数据整合，发送到机载无线电发射模块。
7.根据权利要求5所述的一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置，其特征在于：所述地面数字信号处理模块包括：
频谱监测实施方案分析单元：用于分析输入的频谱监测实施方案，获得飞行路径规划和对应高度，以及设置的监测频段和比较门限；
飞机遥控单元：根据移动地面站设定的频谱监测方案，生成无人机的飞行指令，并发送到无人机遥控模块；
数据提取单元：获取并分析地面无线电接收模块接收到的无线电信号，将其中的定位数据、飞行姿态数据和信号分析结果分别送入不同的处理单元；
信号比较与记录单元：根据频谱监测实施方案分析单元获得的监测频段和比较门限，与数据提取单元获得的信号分析结果进行比较，如果符合监测频段和比较门限的要求，则认为可能存在该频点的无线电信号源，记录该频点的信号分析结果和定位数据；
信号源定位单元：依据多点无线电测量的分析结果进行自动无线电信号源的定位，以电子地图的形式标记信号源的可能位置范围，并将定位结果发送到外设模块。
8.根据权利要求7所述的一种基于无人机和移动地面站的无线电频谱监测与定位装置，其特征在于：所述信号源定位单元根据信号比较与记录单元记录的可疑频点的功率信息以及定位数据，通过相邻定位点的功率数据比较，排除受到多径干扰以及遮挡影响的功率剧烈变化的定位参考点，利用优选的分析结果进行信号源的定位。
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