CN117311245A - 一种升空式频谱监测设备及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电磁环境监测领域，公开了一种升空式频谱监测设备及控制方法，包括地面控制单元、地面通信单元、电池单元、空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元、无人机和天线；所述的地面控制单元与所述的地面通信单元通信连接，所述的空中通信单元与所述的地面通信单元通信连接；所述的中频处理单元、飞控单元分别与空中通信单元连接，飞控单元与无人机连接，所述的中频处理单元与射频采集单元连接，射频采集单元与天线连接，电池单元用于为空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和无人机进行供电。通过本发明，可以实现确定信号粗略来波方向和精确来波方向，满足不同性能要求的使用场景。

Description

一种升空式频谱监测设备及控制方法

技术领域

本发明涉及电磁环境监测领域，具体是一种升空式频谱监测设备及控制方法。

背景技术

现有的电磁环境监测设备以固定监测站和移动监测车为主，搬移式和便携式监测设备为辅，构建多平台立体化的空中电磁环境监测体系。随着城市化进程的不断发展，人口密集区域的电磁环境日渐复杂，特别是以空间波方式传播的信号，易受到障碍物遮挡和反射，造成信号衰减和多径效应，增加了电磁环境监测的复杂难度，现有监测设备难以有效发挥作用。为此，新型频谱监测设备尝试采用升空方式解决上述问题，但是随之出现新的问题：

搭载无人机的监测设备采用无线通信方式与地面终端进行通信，如通信频率为所监测的频率，会产生同频干扰问题，影响监测任务的开展；

搭载系留无人机的监测设备采用有线通信方式与地面终端进行通信，通过系留线缆提供电源和通信传输，但是需要400V高压供电才能保证电源有效传输，使系留无人机和设备正常工作，系留线缆及配套设备发生漏电或损坏，难免造成升空设备损坏或人员受伤，并且系留线缆具有一定重量，需要较大体积和功率的系留无人机才能保证升空要求，搭建监测环境较为不便。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种升空式频谱监测设备，包括无人机，包括地面控制单元、地面通信单元、电池单元、空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和天线；

所述的地面控制单元与所述的地面通信单元通信连接，所述的空中通信单元与所述的地面通信单元通信连接；所述的中频处理单元、飞控单元分别与空中通信单元连接，飞控单元与无人机连接，所述的中频处理单元与射频采集单元连接，射频采集单元与天线连接，电池单元用于为空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和无人机进行供电；

所述的地面控制单元用于发送任务命令至地面通信单元用以控制升空平台的工作状态，并接收地面通信单元传回数据信息；

所述的地面通信单元用于RJ45和光口的通信转换，通过光纤连接至空中通信单元，空中通信单元用于光口和RJ45的通信转换，将任务命令发送至飞控单元和中频处理单元，并回传数据至地面通信单元；

所述的飞控单元用于控制无人机飞行姿态，所述的飞行姿态包括升空、悬停、自转和平移；控制无人机升空至设定高度，开展频谱监测任务；

所述的中频处理单元用于控制射频采集单元的工作状态，接收射频采集单元的中频信号，并对中频信号进行信号采集、数字滤波、信号分析和数据整合，通过空中通信单元和地面通信单元回传数据地面控制单元；

所述的射频采集单元接收天线射频信号，并根据中频处理单元的工作命令参数对射频信号进行变频，输出中频信号至中频处理单元；

所述的天线用于空中信号采集，天线包括全向天线和定向天线；全向天线用于监测任务，实时监测空中信号，定向天线用于测向任务；通过比对各个方向的信号电平幅度，判断信号来波方向，进而得到信号精确位置。

一种升空式频谱监测设备控制方法，应用于所述的一种升空式频谱监测设备，所述的飞控单元用于控制无人机飞行姿态，所述的飞行姿态包括升空、悬停、自转和平移；控制无人机升空至设定高度，开展频谱监测任务，包括：

无人机升空开展频谱监测任务，采用被动避障方式和主动避障方式，所述的被动避障方式：无人机升空前，人工目视判断空域环境是否有障碍物，能否满足无人机升空要求，空中作业过程中实时观测空域情况，地面控制单元发布指令给飞控单元进行无人机动作；所述的主动避障方式：无人机集成超声波和红外感知部件，飞控单元采集超声波和红外感知信号，计算无人机当前位置与障碍物距离，若达到设定的危险距离则自动悬停，并反馈障碍告警信号给地面控制单元，由地面控制单元判断并进行避险。

进一步的，所述的天线用于空中信号采集，天线包括全向天线和定向天线；全向天线用于监测任务，实时监测空中信号，定向天线用于测向任务，包括：

所述的全向天线用于监测任务，实时监测全频段无线电信号；所述的定向天线用于测向任务，实时对某一频点进行监测和测向；

工作时，全向天线的监测信号经过射频采集单元和中频处理单元的采集和处理，将数据回传至地面控制单元进行图像化显示；选定某一频点进行测向时，无人机通过自带的电子罗盘校对正北方向，并自转至正北方向作为初始角度0°，以顺时针方向按照间隔15°角度自转并依次采集每个角度的信号电平，信号电平最大值所对应的角度为信号粗略来波方向；在信号粗略来波方向所对应的角度的15°范围内按照设定的微调角度调整无人机自转角度，当前15°范围内号电平最大值所对应的角度即为信号精确来波方向。

进一步的，所述的通过比对各个方向的信号电平幅度，判断信号来波方向，进而得到信号精确位置，包括：

在设定空域内，无人机移动至不同位置时，每个停留位置所测得的信号精确来波方向的示向线交汇点即为信号粗略位置，3个及以上交汇点可形成封闭区域，此区域即为信号精确位置。

本发明的有益效果是：开展测向任务时，经过多次信号电平比对，确定信号粗略来波方向和精确来波方向，满足不同性能要求的使用场景。在一定空域内的不同位置开展多次测向任务，通过多条示向线的交汇，实现信号定位。

附图说明

图1为一种升空式频谱监测设备的原理示意图；

图2为无人机测向任务流程示意图；

图3为信号精确位置交汇定位示意图。

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，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，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。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

而且，术语“包括”，“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程，方法，物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程，方法，物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程，方法，物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种升空式频谱监测设备，其各功能单元所用器件均为低功耗部件或元器件，从而降低功耗，可以使用锂电池电源对升空平台进行供电，取消高压供电从而提高安全性；

监测天线为小型化全向天线和定向天线，全向天线用于信号监测，定向天线用于信号测向（比幅法），从而适应不同任务工作的开展；

升空设备与地面终端的数据通信采用光纤通信方式，从而降低信号干扰，提高数据通信稳定性。升空平台的各功能单元的屏蔽位置的结构件采用铝镁合金材料，非屏蔽位置的结构件采用碳纤维材料，整体均为轻量化设计，降低了无人机负载重量，提高了无人机升空效率，延长了滞空时间。

具体而言，本发明提供了一种升空式频谱监测设备，包括地面控制单元、地面通信单元、电池单元、空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元、无人机和天线。

地面控制单元和地面通信单元部署在地面，电池单元、空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和天线部署在无人机，无人机升空开展工作。地面控制单元与地面通信单元通过连接，地面通信单元与空中通信单元连接，空中通信单元连接与飞控单元和中频处理单元连接，飞控单元与无人机连接，中频处理单元与射频采集单元连接，射频采集单元与天线连接，电池单元与空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和无人机连接。

本发明的一种升空式频谱监测设备工作时，地面控制单元发送任务命令至地面通信单元用以控制升空平台的工作状态，并接收地面通信单元传回数据信息。地面通信单元用于RJ45和光口的通信转换，通过光纤连接至空中通信单元，空中通信单元用于光口和RJ45的通信转换，将任务命令发送至飞控单元和中频处理单元，并回传数据至地面通信单元，实现地面控制单元的远端控制。

地面控制单元控制各单元工作状态，处理分析信号数据和图像化数据显示。

飞控单元控制无人机飞行姿态，包括升空、悬停、自转、平移等。无人机升空至一定高度，确保监测空域无障碍物，能够开展频谱监测任务 。

无人机升空开展频谱监测任务，需保证无人机能够安全升空，因此采用被动方式和主动方式避障方法。被动方式：无人机升空前，人工目视判断空域环境是否有障碍物，能否满足无人机升空要求，空中作业过程中实时观测空域情况，地面控制单元发布指令给飞控单元进行无人机动作。主动方式：无人机集成超声波和红外感知部件，飞控单元采集超声波和红外感知信号，计算无人机当前位置与障碍物距离，如已达到危险距离则自动悬停，并反馈障碍告警信号给地面控制单元，由地面控制单元判断下一步动作，及时避险。由于无人机仅作为搭载其他单元的升空平台，开展频谱监测任务时移动速度相对较慢，并且无人机与地面设备有通信线缆连接，其活动区域相对固定，在采用主动和被动方式的避障方法能够做到安全飞行。

中频处理单元用于控制射频采集单元的工作状态，接收射频采集单元的中频信号，并对中频信号进行信号采集、数字滤波、信号分析、数据整合等，通过空中通信单元和地面通信单元回传数据地面控制单元。

射频采集单元接收天线射频信号，并根据中频处理单元的工作命令参数对射频信号进行变频，输出中频信号至中频处理单元。

天线用于空中信号采集，天线包括全向天线和定向天线。全向天线用于监测任务，实时监测空中信号，定向天线用于测向任务，无人机在空中自转一周，通过比对各个方向的信号电平幅度，判断信号来波方向，即采用比幅法进行信号测向。

全向天线用于监测任务，实时监测全频段无线电信号，定向天线用于测向任务，实时对某一频点进行监测和测向，定向天线的3dB波瓣宽度要小，具有较好的方向性，可以保证改变定向天线的接收方向即可改变接收信号电平，正对信号来波方向时，接收到的信号电平最大。如图2所示，工作时，全向天线的监测信号经过射频采集单元和中频处理单元的采集和处理，将数据回传至地面控制单元进行图像化显示（如IQ、频谱、电平、带宽、制式等）。选定某一频点进行测向时，无人机通过自带的电子罗盘校对正北方向，并自转至正北方向作为初始角度0°，之后以顺时针方向按照间隔15°角度自转并依次采集每个角度的信号电平，由于定向天线在每个角度上收到的信号电平有所不同，信号电平最大值所对应的角度即为信号粗略来波方向。之后在所确定角度的15°范围内微调无人机自转角度（如1°），比对当前15°范围内哪个角度信号电平，信号电平最大值所对应的角度即为信号精确来波方向。可以在短时间内不断按照上述步骤刷新信号方向信息，以减少其他信号干扰，不断修正信号来波方向，并累积记录信号方向数据，通过概率计算得出信号方向置信度，更加精准确定信号方向。在一定空域内，当无人机移动至不同位置时，每个停留位置所测得的信号方向均指示到信号发射位置，示向线两两一组形成交汇点，交汇点即为信号粗略位置，3个及以上交汇点可形成封闭区域，此区域即为信号精确位置。测向精度越高，信号位置封闭区域越小，定位精度越高，如图3所示。

电池单元为空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和无人机供电，其采用大容量锂电池，可直接拆装，与备用电池交替使用，确保工作时长。

地面通信单元与空中通信单元通过光纤连接，无电源馈电，减少系留线缆的重量，提供无人机升空效率，同时采用有线通信方式，无通信频率的同频干扰问题，通信更加稳定可靠，频谱监测环境更加真实。

电池单元、空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和天线，均采用低功耗部件或元器件从而降低功耗，使升空各功能单元整体功耗更低，延长无人机滞空时间，减少电池更换次数，提升监测任务效率。电池单元、空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和天线的屏蔽位置的结构件采用铝镁合金材料，非屏蔽位置的结构件采用碳纤维材料，以降低升空各功能单元的整体重量，提高无人机载重效率。

如图1所示，本发明提供了一种升空式频谱监测设备，包括地面控制单元1、地面通信单元2、电池单元3、空中通信单元4、飞控单元5、中频处理单元6、射频采集单元7、无人机8和天线9。地面控制单元1和地面通信单元2部署在地面，电池单元3、空中通信单元4、飞控单元5、中频处理单元6、射频采集单元7和天线9部署在无人机8，无人机8升空开展工作。地面控制单元1与地面通信单元2连接，地面通信单元2与空中通信单元4连接，空中通信单元4与飞控单元5和中频处理单元6连接，飞控单元5与无人机8连接，中频处理单元6与射频采集单元7连接，射频采集单元7与天线9连接，电池单元3与空中通信单元4、飞控单元5、中频处理单元6、射频采集单元7和无人机8连接。

地面控制单元1发送任务命令至地面通信单元2用以控制空中各功能单元的工作状态，并接收地面通信单元2传回数据信息。地面通信单元2用于RJ45和光口的通信转换，通过光纤连接至空中通信单元4，空中通信单元4用于光口和RJ45的通信转换，将任务命令发送至飞控单元5和中频处理单元6，并回传数据至地面通信单元2，实现地面控制单元1的远端控制。飞控单元5控制无人机8飞行姿态，包括升空、悬停、自转、平移等。无人机8升空至一定高度，确保监测空域无障碍物，能够开展频谱监测任务。中频处理单元6用于控制射频采集单元7的工作状态，接收射频采集单元7的中频信号，并对中频信号进行信号采集、数字滤波、信号分析、数据整合等，通过空中通信单元4和地面通信单元2回传数据地面控制单元1。射频采集单元7接收天线9的射频信号，并根据中频处理单元6的工作命令参数对射频信号进行变频，输出中频信号至中频处理单元6。天线9用于空中信号采集，天线9包括全向天线和定向天线，全向天线用于监测任务，实时监测空中信号，定向天线用于测向任务，无人机8在空中自转一周，通过比对各个方向的信号电平幅度，判断信号来波方向，即采用比幅法进行信号测向。电池单元3为空中通信单元4、飞控单元5、中频处理单元6、射频采集单元7和无人机8供电，其采用大容量锂电池，可直接拆装，与备用电池交替使用，确保工作时长。地面通信单元2与空中通信单元4通过光纤连接，无电源馈电，减少系留线缆的重量，提供无人机8升空效率，同时采用有线通信方式，无通信频率的同频干扰问题，通信更加稳定可靠，频谱监测环境更加真实。电池单元3、空中通信单元4、飞控单元5、中频处理单元6、射频采集单元7和天线9，均采用低功耗部件或元器件从而降低功耗，使升空各功能单元整体功耗更低，延长无人机8滞空时间，减少电池更换次数，提升监测任务效率。电池单元3、空中通信单元4、飞控单元5、中频处理单元6、射频采集单元7和天线9的屏蔽位置的结构件采用铝镁合金材料，非屏蔽位置的结构件采用碳纤维材料，以降低升空各功能单元的整体重量，提高无人机8载重效率。

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。

Claims (4)

1.一种升空式频谱监测设备，包括无人机，其特征在于，包括地面控制单元、地面通信单元、电池单元、空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和天线；

所述的地面控制单元与所述的地面通信单元通信连接，所述的空中通信单元与所述的地面通信单元通信连接；所述的中频处理单元、飞控单元分别与空中通信单元连接，飞控单元与无人机连接，所述的中频处理单元与射频采集单元连接，射频采集单元与天线连接，电池单元用于为空中通信单元、飞控单元、中频处理单元、射频采集单元和无人机进行供电；

所述的地面控制单元用于发送任务命令至地面通信单元用以控制升空平台的工作状态，并接收地面通信单元传回数据信息；

所述的地面通信单元用于RJ45和光口的通信转换，通过光纤连接至空中通信单元，空中通信单元用于光口和RJ45的通信转换，将任务命令发送至飞控单元和中频处理单元，并回传数据至地面通信单元；

所述的飞控单元用于控制无人机飞行姿态，所述的飞行姿态包括升空、悬停、自转和平移；控制无人机升空至设定高度，开展频谱监测任务；

所述的中频处理单元用于控制射频采集单元的工作状态，接收射频采集单元的中频信号，并对中频信号进行信号采集、数字滤波、信号分析和数据整合，通过空中通信单元和地面通信单元回传数据地面控制单元；

所述的射频采集单元接收天线射频信号，并根据中频处理单元的工作命令参数对射频信号进行变频，输出中频信号至中频处理单元；

所述的天线用于空中信号采集，天线包括全向天线和定向天线；全向天线用于监测任务，实时监测空中信号，定向天线用于测向任务；通过比对各个方向的信号电平幅度，判断信号来波方向，进而得到信号精确位置。

2.一种升空式频谱监测设备控制方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的一种升空式频谱监测设备，所述的飞控单元用于控制无人机飞行姿态，所述的飞行姿态包括升空、悬停、自转和平移；控制无人机升空至设定高度，开展频谱监测任务，包括：

无人机升空开展频谱监测任务，采用被动避障方式和主动避障方式，所述的被动避障方式：无人机升空前，人工目视判断空域环境是否有障碍物，能否满足无人机升空要求，空中作业过程中实时观测空域情况，地面控制单元发布指令给飞控单元进行无人机动作；所述的主动避障方式：无人机集成超声波和红外感知部件，飞控单元采集超声波和红外感知信号，计算无人机当前位置与障碍物距离，若达到设定的危险距离则自动悬停，并反馈障碍告警信号给地面控制单元，由地面控制单元判断并进行避险。

3.根据权利要求2所述的一种升空式频谱监测设备控制方法，其特征在于，所述的天线用于空中信号采集，天线包括全向天线和定向天线；全向天线用于监测任务，实时监测空中信号，定向天线用于测向任务，包括：

所述的全向天线用于监测任务，实时监测全频段无线电信号；所述的定向天线用于测向任务，实时对某一频点进行监测和测向；

工作时，全向天线的监测信号经过射频采集单元和中频处理单元的采集和处理，将数据回传至地面控制单元进行图像化显示；选定某一频点进行测向时，无人机通过自带的电子罗盘校对正北方向，并自转至正北方向作为初始角度0°，以顺时针方向按照间隔15°角度自转并依次采集每个角度的信号电平，信号电平最大值所对应的角度为信号粗略来波方向；在信号粗略来波方向所对应的角度的15°范围内按照设定的微调角度调整无人机自转角度，当前15°范围内号电平最大值所对应的角度即为信号精确来波方向。

4.根据权利要求3所述的一种升空式频谱监测设备控制方法，其特征在于，所述的通过比对各个方向的信号电平幅度，判断信号来波方向，进而得到信号精确位置，包括：

在设定空域内，无人机移动至不同位置时，每个停留位置所测得的信号精确来波方向的示向线交汇点即为信号粗略位置，3个及以上交汇点可形成封闭区域，此区域即为信号精确位置。