CN113138381B - 一种基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，将对低慢小无人机的识别过程拆分成两个阶段，第一阶段采用雷达发现识别的低慢小无人机；第二阶段采用光电探测系统实现精确识别低慢小无人机，充分发挥了雷达和光电探测系统的优点并在切换策略中克服了它们的缺点。

Description

一种基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法

技术领域

本发明涉及一种反低慢小无人机的方法，尤其涉及一种基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，属于无人机领域。

背景技术

近年来，民用微小型无人机相关技术迅速发展，市场上的民用小型无人机数量爆发式增长。然而，由于空域管理制度不完善，微小型无人机的管理不健全，无人机的“乱飞”、“黑飞”等现象日益严重，甚至部分无人机的“乱飞”已经对民用航空飞行安全构成了新的威胁，耽误航班的情况时有发生。

低慢小无人机除了对航空安全造成威胁外，也极易导致重要场所相关信息的泄露：微小型无人机具有体积小，隐蔽性强等特点，一些不法人员利用其进行非法侦察和违规勘测等活动，严重威胁到保密场所的信息安全。因此，对低慢小无人机进行有效的探测、跟踪和击毁，对于保障国家机密，保护居民生活和军民航的飞行安全具有重要意义。

如何快速准确地获取目标无人机的运动信息，并保持有效地跟踪成为实现反低慢小无人机的一大技术难题,传统的雷达探测由于雷达反射面积小，对于低慢小无人机的发现存在精度不足，容易丢失的缺点，已不能满足实际使用要求。

目前对低慢小无人机的探测主要有激光扫描探测、红外探测和光电系统探测等方法，例如[白玉茹；用于低慢小目标探测与识别的激光谐振扫描技术研究[D]；哈尔滨工业大学；2019年]中涉及的用于低慢小目标探测与识别的激光谐振扫描技术，但由于受到激光设备的影响，可探测的空域范围有限；又例如单珍等人提出一种基于无人机遥控遥测信号监测、测向交叉定位的反无人机系统(CN201710148391.5)，但该系统探测范围小，定位精度差，不能获取无人机身份信息；又例如[李震.低小慢目标光电探测技术研究[D].]提出了一种红外低小慢目标的探测方法，但由于实际场景复杂，单一波段红外探测受到了较大的限制，对低小慢目标的探测率有待提高。

由于上述原因，本发明人对现有的反低慢小目无人机的方法进行了锐意研究，提出一种探测范围大、探测精度高的反低慢小无人机方法。

发明内容

为了克服上述问题，本发明人进行了锐意研究，设计出一种基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，将雷达和光电探测系统相结合对低慢小无人机位置进行精确识别，然后由反制无人机进行拦截或者捕获。

根据本发明，将对低慢小无人机的识别过程拆分成两个阶段，第一阶段采用雷达发现识别的低慢小无人机，该阶段反制无人机的制导称为初制导阶段；第二阶段采用光电探测系统实现精确识别低慢小无人机，该阶段反制无人机的制导过程称为末制导阶段。

进一步地，在初制导阶段开始时刻，雷达探测系统处于工作状态，光电吊舱处于关闭状态，当反制无人机与低慢小无人机之间的距离到达光电吊舱开启理想距离时，开启光电吊舱。

根据本发明一种优选的实施方式，所述光电吊舱开启的理想距离可以通过下式表示：

其中，R_s表示光电吊舱的最大稳定识别范围，可从光电吊舱出厂说明中获得，V_T为低慢小无人机的速度，由雷达提供，V_M为反制无人机的速度，K₁为系数。

根据本发明，初制导阶段反制无人机的过载a_c1可通过下式表示：

a_c1＝K_pΔP+K_i∫ΔPdt+K_dΔV 式三

其中，K_p，K_i，K_d为常数系数；ΔP是低慢小无人机和反制无人机之间的相对位置，可由雷达和GPS解算模块得到；ΔV是低慢小无人机和反制无人机之间的相对速度，可由雷达测得的低慢小无人机速度减去反制无人机自身的速度得到。

根据一个优选的实施方式中，末制导阶段反制无人机的过载a_c2可通过下式表示：

其中，N是比例导引系数，一般取3～5；V_r是低慢小无人机和反制无人机的相对速度，可由光电吊舱解算得到；

是低慢小无人机相对于反制无人机的视线角速率，由光电吊舱输出得到。

优选地，在初制导阶段与末制导阶段的切换过程中增加过渡段，减小制导切换对反制无人机的影响，减小因过载指令的跳变对反制无人机控制和飞行轨迹的影响，过渡段的起点称之为交班点，反制无人机在过渡段的飞行时长称之为交班持续时间。

根据本发明，在初制导阶段，反制无人机朝向目标飞行时，对拦截点进行预测，

预测的拦截点位置可通过下式表示：

x_G＝x_T+V_xTt_go 式五

y_G＝y_T+V_yTt_go

其中，x_G，y_G表示在惯性坐标系下预测拦截点的坐标，x_T，y_T表示低慢小无人机在惯性坐标系下当前位置的坐标，V_xT，V_yT表示低慢小无人机速度在惯性系下的投影，t_go表示估计拦截剩余飞行时间，可通过下式进行估计：

其中，R表示反制无人机和低慢小无人机之间的距离，q表示反制无人机和低慢小无人机之间的视线角。

进一步地，所述交班点通过下式获得：

x_H＝x_G-R_s cosq_f 式七

y_H＝y_G-R_s sinq_f

其中，x_H，y_H表示交班点在惯性系下的坐标；R_s表示光电吊舱的最大稳定识别范围，根据光电吊舱的性能确定，一般为20～30米；q_f表示在预测拦截点相对于反制无人机的视线角。

根据本发明，过渡段反制无人机的过载可通过下式表示：

其中，t₀为交班开始时刻，T为交班持续时间，一般取1～3s，t∈[t₀,t₀+T]；2＜β＜∞为常数系数。

本发明所具有的有益效果包括：

(1)根据本发明提供的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，采用了雷达和光电探测系统相结合的方式来识别低慢小无人机，充分发挥了雷达和光电探测系统的优点并在切换策略中克服了它们的缺点；

(2)根据本发明提供的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，通过设置预测拦截点和交班点使反制无人机更优完成交班任务；

(3)根据本发明提供的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，提供了较优的制导方式切换位置，使得反制无人机飞行轨迹更加平滑；

(4)根据本发明提供的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，通过设置光电吊舱开启的理想距离，通过设置光电吊舱开启的理想距离，节约了远距离时间段光电吊舱引起不必要的能量损耗；

(5)根据本发明提供的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，提供了一种交班时刻平滑过渡制导律，实现交班过程中过载和轨迹的平滑过渡。

附图说明

图1示出根据本发明一种优选实施方式的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法流程示意图；

图2示出根据本发明一种优选实施方式的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法中反制无人机与低慢小无人机运动关系图；

图3示出实施例1中仿真轨迹结果图；

图4示出实施例1与实施例2中反制无人机在初制导到末制导的制导律切换过程中的过载对比图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。

在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

根据本发明提供的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，将雷达和光电探测系统相结合对低慢小无人机位置进行精确识别，然后由反制无人机进行拦截或者捕获。

目前的反低慢小无人机的方法，包括激光扫描探测、红外探测和光电系统探测等均有探测距离短、探测范围小等缺点，在实际使用时，当探测到低慢小无人机时，常常出现低慢小无人机已经进入了防御空域或已经接近防御空域边缘位置，容易出现极大的安全隐患。

在本发明中，采用雷达和光电探测系统相结合的方式对低慢小目标进行识别，将对低慢小无人机的识别过程拆分成两个阶段，第一阶段采用雷达发现识别可能的低慢小无人机，第二阶段采用光电探测系统实现精确识别和跟踪低慢小无人机，如图1所示。

进一步地，在采用雷达发现识别的第一阶段，反制无人机的制导过程称之为初制导阶段，在采用光电探测系统实现精确识别的第二阶段，反制无人机的制导过程称之为末制导阶段。

所述雷达能够实时获得低慢小无人机的经纬高和低慢小无人机的速度，并传递至反制无人机。

所述光电探测系统又称为光电吊舱，优选为二轴光电吊舱，安装在反制无人机上，其通过摄像头实时获取目标相对于反制无人机的角度和角速率，用于生成过载指令，从而控制反制无人机的飞行姿态。

进一步地，由于雷达探测范围较大，可以在低慢小无人机距离防御区域较远时提前获取低慢小无人机入侵信息，在雷达探测到低慢小无人机后，反制无人机朝向低慢小无人机飞行，当反制无人机与低慢小无人机之间距离相近时，采用光电探测系统对低慢小无人机进行精确识别，从而实现反制无人机对低慢小无人机的拦截或者捕获。

进一步地，由于雷达探测范围较大，低慢小无人机飞行速度较慢，反制无人机可将低慢小目标在防御区域以外拦截或捕获。

在一个优选的实施方式中，所述雷达为地面站雷达，地面站雷达相对于机载雷达具有功率大、探测频率高、探测距离远的特点，并且其不会消耗反制无人机的能源，增加了反制无人机的续航能力。

由于对低慢小无人机的识别需要由雷达切换为光电吊舱，为避免错过最佳切换时机，可以长期保持光电吊舱为开启状态，持续对光电吊舱拍摄的图像进行解算，但是此种方式浪费大量的能源，占用反制无人机机载计算机大量的运算量，使得机载无人机的续航能力以及响应能力下降。

在本发明中，设置有光电吊舱开启的理想距离，在初制导阶段开始时刻，光电吊舱处于关闭状态，当反制无人机与低慢小无人机之间的距离到达光电吊舱开启理想距离时，再开启光电吊舱，既能保证有足够的时间将雷达识别切换为光电吊舱识别，又能使整个识别、跟踪过程中反制无人机的能量损失最少。

根据本发明，所述光电吊舱开启的理想距离可以通过下式表示：

其中，R_s表示光电吊舱的最大稳定识别范围，可从光电吊舱出厂说明中获得，V_T为低慢小无人机的速度，由雷达提供，V_M为反制无人机的速度，K₁为系数。

进一步地，K₁根据目标机动性进行调整，目标机动性越大，K₁值越大，一般而言，K₁取值为1～5。

进一步地，

满足以下约束条件：

其中，R_r为雷达的最大探测距离，R_p为需要防御的空域范围，θ为低慢小无人机速度与雷达中心连线的夹角。

优选地，在初制导阶段，反制无人机的制导采用PID控制，更优选地，初制导阶段反制无人机的过载a_c1可通过下式表示：

a_c1＝K_pΔP+K_i∫ΔPdt+K_dΔV 式三

其中，K_p，K_i，K_d表示系数，本领域技术人员可根据实际经验进行调整，在本发明中不做特别限定；ΔP是低慢小无人机和反制无人机之间的相对位置，可由雷达和GPS解算模块得到；ΔV是低慢小无人机和反制无人机之间的相对速度，可由雷达测得的低慢小无人机速度减去反制无人机自身的速度得到。

在初制导阶段，反制无人机朝低慢小无人机飞行，对拦截点进行预测。

优选地，在末制导阶段，反制无人机的制导采用比例导引法，更优选地，末制导阶段反制无人机的过载a_c2可通过下式表示：

其中，N是比例导引系数，一般取3～5；V_r是低慢小无人机和反制无人机的相对速度，可由光电吊舱解算得到；

是低慢小无人机相对于反制无人机的视线角速率，由光电吊舱输出得到。

反制无人机对低慢小无人机的识别、跟踪在何时或何处由雷达识别转变为光电探测系统识别是本发明的难点所在。

发明人发现，由初制导阶段转变为末制导阶段的过程中，由于对低慢小无人机识别的位置、速度不同，会产生较大的过载瞬时波动，严重影响反制无人机的飞行姿态，甚至严重时导致反制无人机出现机械故障。

在本发明中，在初制导阶段与末制导阶段的切换过程中增加过渡段，以减小制导切换对反制无人机的影响，在本发明中，将过渡段的起点称之为交班点，反制无人机在过渡段的飞行时长称之为交班持续时间T。

进一步地，在初制导阶段，反制无人机朝低慢小无人机飞行，对拦截点进行预测，进而通过预测拦截点解算出预测交班点，当无人机在预测交班点附近时进行交班。

更进一步地，所述预测拦截点是根据反制无人机速度、位置以及低慢小无人机的速度、位置实时预估的拦截位置。

所述预测拦截点位置可通过下式表示：

x_G＝x_T+V_xTt_go 式五

y_G＝y_T+V_yTt_go

其中，x_G，y_G表示惯性坐标系下预测拦截点的坐标，x_T，y_T表示低慢小无人机在惯性坐标系下当前位置的坐标，V_xT，V_yT表示低慢小无人机速度在惯性系下投影，t_go表示估计拦截剩余飞行时间，可通过下式进行估计：

其中，R表示反制无人机和低慢小无人机之间的距离，q表示反制无人机和低慢小无人机之间的视线角，如图2所示。

由于雷达近距离定位精度低、光电探测系统远距离识别效果差，过早的将低慢小无人机的识别由雷达识别切换为光电探测系统识别极易出现目标丢失，切换过晚又导致反制无人机对低慢小无人机位置判断精确度下降，容易造成拦截失败或拦截轨迹较长、拦截时间长，导致防御效果变差，因此交班点的选择至关重要。

发明人经过锐意研究，提供了一种交班点确定方法，所述交班点通过下式获得：

x_H＝x_G-R_s cosq_f 式七

y_H＝y_G-R_s sinq_f

其中，x_H，y_H表示交班点在惯性系下的坐标；R_s表示光电吊舱的最大稳定识别范围，根据光电吊舱的性能确定，一般为20～30米；q_f表示在预测拦截点相对于反制无人机的视线角。

进一步地，过渡段反制无人机的过载可通过下式表示：

其中，t₀为交班开始时刻，T为交班持续时间，一般取1～3s，t∈[t₀,t₀+T]；2＜β＜∞，根据低慢小无人机的机动性取值，优选为2＜β＜10。

根据本发明一个优选的实施方式，地面雷达持续进行远距离探测，探测到低慢小无人机后，反制无人机朝向低慢小无人机飞行，进入初制导阶段；

当反制无人机与低慢小无人机之间的距离到达光电吊舱开启理想距离时，开启光电吊舱，光电吊舱开始对低慢小目标进行识别；

当反制无人机到达交班点时，进入过渡段，经过交班持续时间T后进入末制导阶段，进而快速准确的对低慢小无人机进行拦截或捕获。

实施例

实施例1

进行仿真实验，设定如下：

反制无人机初始位置为(0,0,15)m；反制无人机初始速度为(0,2,0)m/s；

雷达监测到远处目标(即低慢小无人机)的初始位置为(0,500,10)m；

目标做速度函数为(2,-6sin(0.05t),0)m/s的机动运动。

根据式一可得到光电吊舱开启的理想距离为68.12米：

其中K₁的取值为1，R_s取值为30米；

在初制导阶段反制无人机的过载a_c1为：

a_c1＝K_pΔP+K_i∫ΔPdt+K_dΔV 式三

其中，过载分三通道PID控制，三通道的K_p，K_i，K_d系数为：

K_px＝0.05；K_ix＝0；K_dx＝0.25；

K_py＝0.05；K_iy＝0；K_dy＝0.25；

K_pz＝0.05；K_iz＝0.01；K_dz＝0.25；

在末制导阶段反制无人机的过载a_c2可为：

其中，N为4；

进一步地，在初制导阶段，通过下式实时预测拦截点，反制无人机朝向预测拦截点飞行。

x_G＝x_T+V_xTt_go 式五

y_G＝y_T+V_yTt_go

其中，x_G，y_G表示预测拦截点的在经度坐标和纬度坐标，x_T，y_T表示低慢小无人机当前位置的坐标，V_xT，V_yT表示低慢小无人机速度的投影，t_go表示估计拦截剩余飞行时间，可通过下式进行估计：

反制无人机在交班点处进入过渡段，进行制导律切换，交班点通过下式获得：

x_H＝x_G-R_s cosq_f 式七

y_H＝y_G-R_s sinq_f

其中，R_s表示光电吊舱的最大稳定识别范围，取值为30米。

过渡段反制无人机的过载为：

其中交班持续时间T为2秒，β＝2.82。

仿真轨迹结果如图3所示，从图上可以看出，反制无人机的轨迹平滑，拦截轨迹距离短。

此外，反制无人机在位置(190.12，316.66，10.00)时开启光电吊舱，在位置(203.78，387.988，10.00)处进入了过渡段，既保证了光电吊舱有足够的时间完成目标识别，又能使其开启时间短，使得反制无人机整个制导过程中能量损失最少。

实施例2

进行与实施例1相同的仿真实验，区别在于，不设置过渡段，反制无人机在交班点处过载直接由初制导阶段反制无人机的过载a_c1转变为末制导阶段反制无人机的过载a_c2。

将实施例1中反制无人机的过载曲线与实施例2中反制无人机的过载曲线进行比对，结果如图4所示。

从图上可以明显看出，在初制导到末制导的制导律切换过程中，实施例2中反制无人机的过载出现了跳变，容易导致无人机出现抖动、失控甚至损坏的现象，而实施例1中反制无人机的过载变化更加平滑，无人机的飞行更加安全可靠。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，其特征在于，将雷达和光电探测系统相结合对低慢小无人机位置进行精确识别，然后由反制无人机进行拦截或者捕获；

将对低慢小无人机的识别过程拆分成两个阶段，第一阶段采用雷达发现识别低慢小无人机，该阶段反制无人机的制导称为初制导阶段；

初制导阶段反制无人机的过载a_c1可通过下式表示：

a_c1＝K_pΔP+K_i∫ΔPdt+K_dΔV 式三

其中，K_p，K_i，K_d为常数系数；ΔP是低慢小无人机和反制无人机之间的相对位置，可由雷达和GPS解算模块得到；ΔV是低慢小无人机和反制无人机之间的相对速度，可由雷达测得的低慢小无人机速度减去反制无人机自身的速度得到；

第二阶段采用光电探测系统实现精确识别低慢小无人机，该阶段反制无人机的制导过程称为末制导阶段；

末制导阶段反制无人机的过载a_c2可通过下式表示：

其中，N是比例导引系数，一般取3～5；V_r是低慢小无人机和反制无人机的相对速度，可由光电吊舱解算得到；

是低慢小无人机相对于反制无人机的视线角速率，由光电吊舱输出得到；

在初制导阶段开始时刻，雷达探测系统处于工作状态，光电吊舱处于关闭状态，当反制无人机与低慢小无人机之间的距离到达光电吊舱开启理想距离时，开启光电吊舱；

所述光电吊舱开启的理想距离可以通过下式表示：

其中，R_s表示光电吊舱的最大稳定识别范围，可从光电吊舱出厂说明中获得，V_T为低慢小无人机的速度，由雷达提供，V_M为反制无人机的速度，K₁为系数；

在初制导阶段与末制导阶段的切换过程中增加过渡段，减小制导切换对反制无人机的影响，减小因过载指令的跳变对反制无人机控制和飞行轨迹的影响，过渡段的起点称之为交班点，反制无人机在过渡段的飞行时长称之为交班持续时间；

过渡段反制无人机的过载通过下式表示：

其中，t₀为交班开始时刻，T为交班持续时间，t∈[t₀,t₀+T]；2＜β＜∞为常数系数。

2.根据权利要求1所述的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，其特征在于，

在初制导阶段，反制无人机朝向目标飞行时，对拦截点进行预测，

预测的拦截点位置可通过下式表示：

x_G＝x_T+V_xTt_go

y_G＝y_T+V_yTt_go

其中，x_G，y_G表示在惯性坐标系下预测拦截点的坐标，x_T，y_T表示低慢小无人机在惯性坐标系下当前位置的坐标，V_xT，V_yT表示低慢小无人机速度在惯性系下的投影，t_go表示估计拦截剩余飞行时间，可通过下式进行估计：

其中，R表示反制无人机和低慢小无人机之间的距离，q表示反制无人机和低慢小无人机之间的视线角。

3.根据权利要求2所述的基于雷达和光电探测系统的反低慢小无人机方法，其特征在于，

所述交班点通过下式获得：

x_H＝x_G-R_scosq_f

y_H＝y_G-R_ssinq_f

其中，x_H，y_H表示交班点在惯性系下的坐标；R_s表示光电吊舱的最大稳定识别范围，根据光电吊舱的性能确定；q_f表示在预测拦截点相对于反制无人机的视线角。

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