CN207764373U - 全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，该系统包括：计算机、高性能信号收发机和无线信号接收模块；所述无线信号接收模块接收环境中的无线信号，并传送给高性能信号收发机；所述高性能信号收发机将接收到的无线电信号转化为实时频谱信号，并传送给计算机；计算机根据接收到的无线电信号的强弱，控制无线电信号接收模块对产生目标实时频谱信号的无人机定位；计算机根据接收到的实时频谱信号的内容，实现对产生目标实时频谱信号的无人机识别。本实用新型采用大量复杂的侦测与定位创新算法，实现全频段无人机信号精确识别、侧向与定位，可同时实现多架无人机的侦测与识别，并可实时监控位置变化的无人机信号，满足追踪和定位的需要。

Description

全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统

技术领域

本实用新型涉及无线电监测领域，尤其涉及一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统。

背景技术

随着无人机技术的变革和发展，人们对无人机使用需求的日渐提高，小型商业多轴无人机以其尺寸小、噪音小、携带方便、操纵简便的自身特点已成为一种热门的消费产品。目前国内外无人机市场发展迅猛，越来越多的无人机爱好者拥有了自己的无人机，但由此带来的问题也日渐突出。

无人机虽然在高空拍摄、空中挂载等使用上给使用者带来方便，同时也给群众和执法人员带来很大的麻烦和安全隐患。由无人机带来的窥视他人隐私、无人机私自改装运货、无人机携带过激词语条幅、无人机边境走私等一系列不安全问题已引起各国对无人机隐患的担忧。为此各国已经对相应的无人机飞行规则进行了限制，并成立了相关管理部门，但这并未有效的防范无人机对社会安全的侵害。在近两年各国无人机擅闯政府办公区、机场起降航线、地标建筑、军事基地等危险事件依然层出不穷。

针对上述问题，需要对无人机进行监测，以便进一步排除非法飞行的无人机。在现有监测无人机技术主要有以下几类：

雷达技术：利用军事雷达对民用无人飞机进行发现和定位，通过多普勒或相控阵等雷达发射无线电波，利用民用无人飞机反射回来的回波进行测量和定位。

然而，对于低，小，慢的目标，由于目标物体的反射面积小，监测距离近时，雷达甚至无法发现目标物体，特别是对于悬停目标，现有的雷达技术无法对目标物体进行有效探测和定位。此外，雷达在探测目标物体的过程中需要不间断开机监测，造成工作成本较高。

光电技术：光电技术主要利用可见光和红外光探测技术对民用无人飞机进行拍摄和跟踪，结合激光测距技术，也可以对民用无人飞机进行测距和定位。然而，单纯地依靠光电技术无法实现对一定范围内的无人机的监测，需要配合其它电子信息技术手段，给光电检测装置一个方位指示，才能实现对无人飞机的跟踪和拍摄。

无线电监测技术：无线电管理部门利用现有的监测技术可以对无人飞机信号进行一定程度的识别和侧向。然而，现有的无线电监测技术只能依靠人工大致识别无人飞机的图传信号和飞控信号等，无法定位无人飞机俯仰角；其次，飞行中的无人机的方位角多变，现有的无线电监测技术不能识别飞控信号；再次，现有的无线电监测技术无法监测、定位多架次的无人飞机；再次，当监测距离近，现有的无线监测技术无法识别图传信号是WIFI的图传信号还是无人机的图传信号；再次，现有的无线电检测技术监测距离只有1公里左右，通常无法自动识别无人飞机的型号等，检测效果差，而且成本高。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术的不足，提供一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统。

本实用新型的技术方案如下：一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，包括：计算机、高性能信号收发机和无线信号接收模块；所述高性能信号收发机和无线信号接收模块电性连接；所述计算机与高性能信号收发机有线或无线连接；

所述无线信号接收模块接收环境中的无线信号，并传送给高性能信号收发机；所述高性能信号收发机将接收到的无线电信号转化为实时频谱信号，并传送给计算机；计算机根据接收到的无线电信号的强弱，控制无线电信号接收模块对产生目标实时频谱信号的无人机定位；计算机根据接收到的实时频谱信号的内容，实现对产生目标实时频谱信号的无人机识别。

进一步地，还包括GPS接收模块、GPS接收天线、计算模块，所述高性能信号收发机电性分别连接GPS接收模块和计算模块，GPS接收模块另一端与GPS接收天线连接；

所述GPS接收模块将GPS接收天线接收到的GPS信号传送给高性能信号收发机，高性能信号收发机将GPS信号传送给计算模块，计算模块处理GPS信号并将处理后的信息反馈给计算机，通过计算从而得出目标无人机的位置信息。

进一步地，所述无线信号接收模块包括第一天线切换开关，以及与其连接的全向天线，所述全向天线通过第一天线切换开关来实现全向天线接收和发射无线信号功能的转变。

进一步地，所述无线信号接收模块还包括：第二天线切换开关、驱动电机和定向天线；所述第二天线切换开关、驱动电机的输出端分别与定向天线连接；所述全向天线通过第二天线切换开关来控制全向天线收发无线信号功能的开关；所述驱动电机驱动定向天线在水平面上旋转和在竖直面上旋转。

进一步地，还包括控制模块，所述控制模块分别与高性能信号收发机、第一天线切换开关、第二天线切换开关、驱动电机电性连接；

所述控制模块通过控制第一天线切换开关和第二天线切换开关，分别控制全向天线和定向天线收发信号与启动；所述控制模块控制驱动电机，从而控制定向天线在水平面上旋转和在竖直面上旋转。

进一步地，还包括网络交换模块，所述网络交换模块与高性能信号收发机电性连接，所述计算机通过网络交换模块与高性能信号收发机实现无线通信。

采用上述方案，本实用新型提供一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，有如下有益效果：

1、本实用新型中的无线信号接收模块包含定向天线和全向天线组成，可以实行一般警戒和高级警戒监测，在一般警戒的情况下可以采用全向天线进行警戒侦测，发现无人飞机信号后，系统自动切换为定向天线进行测向侦测。当然也可以采用高级警戒定向侦测；

2、本实用新型具有GPS接收天线和GPS接收模块，可以自动获取自身位置GPS信息。在移动监测的状态下，可以准确感知自身位置，并在网络地图上标示自身位置和侦测出的无人飞机位置；

3、本实用新型含有特殊研制的高性能信号收发机，实时带宽大于100MHZ，可以满足无人飞机图传信号和飞控信号的接收和分辨，匹配全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统的强大侦测功能；

4、本实用新型实时性强，不但能自动获取自身位置GPS信息，还可实时监控位置在不断变化中的无人机信号，满足无人飞机信号侦测和定位的需要；

5、本实用新型采用大量复杂的侦测与定位创新算法，保证无人机识别与定位的准确性，可同时实现多架无人机的侦测与识别。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的工作流程图；

图3为实施例的结构示意图；

图4为控制模块的部分电路原理图；

图5为控制模块的部分电路原理图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本实用新型进行详细说明。

参照图1至图5所示，本实用新型提供一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，包括：计算机1、网络交换模块2、高性能信号收发机3和无线信号接收模块；所述高性能信号收发机3分别和网络交换模块2、无线信号接收模块电性连接；所述计算机1通过网络交换模块2与高性能信号收发机3实现无线通信。

所述无线信号接收模块接收环境中的无线信号，并传送给高性能信号收发机3；所述高性能信号收发机3将接收到的无线电信号转化为实时频谱信号，并传送给计算机1；计算机1根据接收到的无线电信号的强弱，控制无线电信号接收模块对产生目标实时频谱信号的无人机定位；计算机1根据接收到的实时频谱信号的内容，实现对产生目标实时频谱信号的无人机识别。

所述无线信号接收模块包括第一天线切换开关51，以及与其连接的全向天线52，所述全向天线52通过第一天线切换开关51来实现全向天线52接收和发射无线信号功能的转变。所述无线信号接收模块还包括：第二天线切换开关53、驱动电机55和定向天线54；所述第二天线切换开关53、驱动电机的输出端分别与定向天线54连接；所述全向天线52通过第二天线切换开关53来控制全向天线52收发无线信号功能的开关；所述驱动电机驱动定向天线54在水平面上旋转和在竖直面上旋转。

本实用新型还包括设置在高性能信号收发机3与无线信号接收模块之间的控制模块4，所述控制模块4分别与高性能信号收发机3、第一天线切换开关51、第二天线切换开关53、驱动电机55电性连接；所述控制模块4通过控制第一天线切换开关51和第二天线切换开关53，分别控制全向天线52和定向天线54收发信号与启动；所述控制模块4控制驱动电机55，从而控制定向天线54在水平面上旋转和在竖直面上旋转。

还包括GPS接收模块7、GPS接收天线8、计算模块6，所述高性能信号收发机3电性分别连接GPS接收模块7和计算模块6，GPS接收模块7另一端与GPS接收天线8连接；所述GPS接收模块7将GPS接收天线8接收到的GPS信号传送给高性能信号收发机3，高性能信号收发机3将GPS信号传送给计算模块6，计算模块6处理GPS信号并将处理后的信息反馈给高性能信号收发机3，高性能信号收发机3将处理后的信息反馈给计算机1，从而得出目标无人机的位置信息。

作为一种实施例，全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统包括：电源Z0、网络交换模块Z1、计算模块Z2、控制模块Z3、高性能信号收发机Z4、第一天线切换开关Z10、第二天线切换开关Z11、GPS接收模块Z15、定向天线ANT1、全向天线ANT3、GPS接收天线ANT4。其中，计算模块Z2为型号为TQ2440的嵌入式单片机，控制模块Z3为控制电路板含电源供电转换电路，高性能信号收发机Z4型号为为DDS2.0，第一天线切换开关Z10、第二天线切换开关Z11为射频通路开关。

控制模块Z3中，P1为与计算模块Z2接口的GPIO，计算机1送来的控制信号经过计算模块Z2转换为PIO输出电路，U1为5V输出，U2为12V输出，U3-U6为电机控制电路，控制定向天线54在水平面上旋转和在竖直面上旋转。Q1-Q11为控制输出电路，输入的PIO TTL电平转换为12V的开关信号，从而控制射频开关。控制模块Z3还与计算模块Z2电性连接，控制模块Z3受计算模块Z2指令，控制射频开关。

高性能信号收发机Z4由2个射频子板和一个基带处理子板组成。射频子板工作频率范围为10MHZ-6GHZ，每个射频子板包含收发两部分电路。在RX部分中不同频率的信号经过不同的LNA低噪声放大器后，对低于500MHZ的信号进行上变频处理，高于500MHZ的信号直通，经过高增益小信号放大后，进入IQ分离(移相90°)，对于不同频率采用不同的本振信号，分离后的基带模拟IQ信号进行滤波放大，阻抗匹配处理后送入基带处理子板。

基带处理子板由FPGA、ADC、DAC、时钟发生电路、时钟同步电路、网络交换电路和存储芯片等组成。由射频子板输入的模拟信号经ADC处理后送入FPGA进行各种处理，如DDC(数字下变频)，抽取和梳状滤波，FFT等各种软件无线电处理后经过网络接口送入计算机1。

本实用新型工作时能接收到无线信号和GPS信号两种信号。其中，接收无线信号时分为两种工作状态：一般警戒状态和高度警戒状态。一般警戒时，全向天线ANT3接收无线信号，并经第一天线切换开关Z10接入高性能信号收发机Z4；高度警戒时，定向天线ANT1接收无线信号，并依次经第一天线切换开关Z10、第二天线切换开关Z11后接入高性能信号收发机Z4。

一般警戒状态和高度警戒状态由控制模块Z3控制电路板为天线切换开关等提供控制输出。高性能信号收发机Z4接收到的数字IQ信号经过网络交换模块Z1送入计算机1处理。计算机1的控制信息经过网络交换模块Z1，送入控制模块Z3，控制天线水平面旋转和竖直面旋转，以及控制天线切换开关等。

接收GPS信号时，GPS接收天线8接收的GPS信号经GPS接收模块Z15处理后，PPS同步信号送入高性能信号收发机Z4用于时钟同步，GPS位置信息经串口送入计算模块Z2进行位置信息计算处理。

使用全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统的过程包括以下步骤：

S1，天线接收到的无线电信号经过高性能信号收发机3后，转化为实时频谱数据，高性能信号收发机将实时频谱数据再传送给计算机1；

S2，计算机1将接收到的实时频谱数据与作为样本存在的特征频谱数据进行比对，如果数据相匹配，则控制天线对发射无线信号的目标无人机定位，并控制天线接收目标无人机图传信号和/或飞控信号；如果数据不匹配，则重复S1；

其中，所述天线包括全向天线52和定向天线54，S2中计算机1控制天线的运用过程包括以下步骤：

S201，计算机1通过全向天线52接收无线电信号，并获得实时频谱数据；

S202，计算机1将实时频谱数据与作为样本存在的特征频谱数据进行比对，如果数据相匹配，则关闭全向天线52，开启定向天线54，并驱动定向天线54旋转；

S203，定向天线54在旋转过程中不断将检测到目标无人机的无线电信号反馈给计算机1，计算机1根据接收到的无线信号的强弱，控制定向天线54转向无线电信号最强的方向；

S204，目标无人机的位置改变后，计算机1根据定向天线54反馈的无线电信号强弱的变化控制定向天线54调整旋转位置；

S3，计算机1比对天线在不同位置接收到的目标无人机的图传信号和/或飞控信号的强弱，控制天线转向信号最强的位置，从而得到目标无人机及操控者的方位角和/或俯仰角位置；

S4，计算机1处理天线接收到的图传信号和/或飞控信号的数据，得到目标无人机及操控者的测向距离和无人机型号；

S5，计算机1通过GPS接收天线8获取测试点的经纬度信息，并根据测试点的经纬度信息和目标无人机的方位角计算目标无人机的经纬度信息。

针对若干个目标无人机，系统对飞控信号识别和测向定位过程中包括以下步骤：

Sa1，计算机1将检测到的若干个飞控信号的实时频谱数据与作为样本存在的各种型号的无人机的特征频谱数据一一对比；

Sa2，针对匹配的若干个飞控信号，计算机1中样本型号为产生飞控信号的若干个目标无人机的型号，同时得到多架无人机的型号；

Sa3，计算机1根据接收到的每个飞控信号的强弱，控制定向天线54转向每个飞控电信号最强的方向，计算机1读取飞控信号最强时，定向天线54的方位角和俯仰角，同时得到多架无人机的方位角和俯仰角。

针对若干个目标无人机，系统对图传信号识别和测向定位过程中包括以下步骤：

Sb1，计算机1获取目标无人机的图传信号，获取测试点的位置信息；

Sb2，计算机1将检测到的若干个图传信号的实时频谱数据与作为样本存在的无人机的图传信号的特征频谱数据一一对比；

Sb3，计算机1根据接收到的每个图传信号的强弱，控制定向天线54转向每个图传电信号最强的方向，计算机1读取图传信号最强时，定向天线54的方位角和俯仰角，同时得到多架无人机的方位角和俯仰角。

本实用新型采用单站射频扫描侦测定位技术，假定被定位的信号强度是一致的，由于本技术的定位为模糊定位，对于高度的定位存在一定误差，但被反无人飞机系统所接受；系统经过多次测试试验得出如下结论：图传信号识别和测向距离>1.6公里；飞控信号操作者识别和侧向距离>1.5公里；测试角度误差±3°；系统稳定可靠。

计算机1处理飞控信号、图像信号以及GPS信号可得到无人机的准确定位，以下为计算方法。

一、飞控信号和图像信号传输损耗常数预估：

1.自由空间损耗的计算

Lbf＝32.5+20lgF+20lgD

其中，Lbf＝自由空间损耗(dB)；D＝距离(km)；F＝频率(MHz)。

2.信号接收强度的计算：

信号接收强度是指接收站设备接收到的无线信号的强度。

RSS＝Pt+Gr+Gt-Lc-Lbf

其中，RSS＝接收信号强度；Pt＝发射功率；Gr＝接收天线增益；Gt＝发射天线增益；Lc＝电缆和缆头的衰耗；Lbf＝自由空间损耗；RSS＝F-Lbf＝F-(32.5+20lgF+20lgD)。

对于一定功率信号的频谱，理论上，知道了功率，则可以推算出距离。

二、飞控图像传输信号距离模糊估算

实际工程应用中，假定图传信号的功率为2W，无线电频率为2.4G，计算出接收信号强度与距离的对应值如下：

通过查表得出目标信号的距离，对于不同的频段做不同的表进行调适。对于个别信号根据不同机型的模型库(不同发射功率)调整距离或者进行人工误差补偿。无人飞机频谱特征模型库除包含频谱特征外，还包含并可以录入图传频谱功率和遥控信号上行功率，在系统软件中可以支持在线远程更新。

三、无人飞机经纬度和高度计算

本实用新型可读取GPS信号从而得知系统的经纬度，根据系统所在位置的经纬度以及无人机信号的方位角，可计算得到无人飞机的大致经纬度，用于飞行轨迹模拟等。

当无人机高于系统测试高度时，无人飞机的高度H＝D*SIN(θ)，θ为无人机的俯仰角，D为系统到无人机的距离；当无人机低于系统测试高度时，则无人飞机的高度H＝h-D*SIN(|θ|)，θ为负数，h为定位设备的地面高度。

本实用新型应用范围广泛，在以下领域有突出作用：公共安全保障，无人飞机黑飞情况严重，影响到诸如国际会议，大型赛事，元首来访等公共安全。通过本实用新型系统与技术可以精确地对无人飞机飞控信号进行干扰反制，驱离或者迫降无人飞机；重要价值目标安全防护，如机场，核电站，水电站，公路与桥梁，油站等，防止黑飞无人飞机和恐怖分子破环上述目标；边境和监狱防犯罪活动，防止不法分子通过无人飞机偷运毒品等犯罪物品；军事领域应用，军用机场、港口，军事基地等防止间谍偷窥，边境线上防止敌对势力利用民用无人飞机进行破坏或者其它敌对活动。除此之外，也可以应用在通用无线电信号测向和干扰查处领域。

综上所述，本实用新型提供一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，有如下有益效果：

1、本实用新型中的无线信号接收模块包含定向天线54和全向天线组成，可以实行一般警戒和高级警戒监测，在一般警戒的情况下可以采用全向天线进行警戒侦测，发现无人飞机信号后，系统自动切换为定向天线54进行测向侦测。当然也可以采用高级警戒定向侦测；

2、本实用新型具有GPS接收天线和GPS接收模块，可以自动获取自身位置GPS信息。在移动监测的状态下，可以准确感知自身位置，并在网络地图上标示自身位置和侦测出的无人飞机位置；

3、本实用新型含有特殊研制的高性能信号收发机，实时带宽大于100MHZ，可以满足无人飞机图传信号和飞控信号的接收和分辨，匹配全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统的强大侦测功能；

4、本实用新型实时性强，可根据实时监控位置在不断变化中的无人机信号，满足无人飞机信号侦测和定位的需要；

5、本实用新型采用大量复杂的侦测与定位创新算法，保证无人机识别与定位的准确性，可同时实现多架无人机的侦测与识别。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，其特征在于，包括：计算机、高性能信号收发机和无线信号接收模块；所述高性能信号收发机和无线信号接收模块电性连接；所述计算机与高性能信号收发机有线或无线连接；

所述无线信号接收模块接收环境中的无线信号，并传送给高性能信号收发机；所述高性能信号收发机将接收到的无线电信号转化为实时频谱信号，并传送给计算机；计算机根据接收到的无线电信号的强弱，控制无线电信号接收模块对产生目标实时频谱信号的无人机定位；计算机根据接收到的实时频谱信号的内容，实现对产生目标实时频谱信号的无人机识别。

2.根据权利要求1所述的全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，其特征在于，该系统还包括GPS接收模块、GPS接收天线、计算模块，所述高性能信号收发机电性分别连接GPS接收模块和计算模块，GPS接收模块另一端与GPS接收天线连接；

所述GPS接收模块将GPS接收天线接收到的GPS信号传送给高性能信号收发机，高性能信号收发机将GPS信号传送给计算模块，计算模块处理GPS信号并将处理后的信息反馈给计算机，通过计算从而得出目标无人机的位置信息。

3.根据权利要求1所述的全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，其特征在于，所述无线信号接收模块包括第一天线切换开关，以及与其连接的全向天线，所述全向天线通过第一天线切换开关来实现全向天线接收和发射无线信号功能的切换。

4.根据权利要求3所述的全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，其特征在于，所述无线信号接收模块还包括：第二天线切换开关、驱动电机和定向天线；所述第二天线切换开关、驱动电机的输出端分别与定向天线连接；所述全向天线通过第二天线切换开关来控制定向天线收发无线信号功能的开关；所述驱动电机驱动定向天线在水平面上旋转和在竖直面上旋转。

5.根据权利要求4中所述的全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，其特征在于，还包括控制模块，所述控制模块分别与高性能信号收发机、第一天线切换开关、第二天线切换开关、驱动电机电性连接；

所述控制模块通过控制第一天线切换开关和第二天线切换开关，分别控制全向天线和定向天线收发信号与启动；所述控制模块控制驱动电机，从而控制定向天线在水平面上旋转和在竖直面上旋转。

6.根据权利要求4中所述的全频段无人机信号精确识别、侧向与定位系统，其特征在于，还包括网络交换模块，所述网络交换模块与高性能信号收发机电性连接，所述计算机通过网络交换模块与高性能信号收发机实现无线通信。