CN210143069U - 一种空中无线电监测系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种空中无线电监测系统,通过设置在无人机平台上的无线电监测设备对干扰源发射的无线电干扰信号进行接收、处理并实时显示无线电干扰信号的频谱图,摄像头拍摄频谱图,并通过图传发射模块将拍摄的频谱图的监控画面传输到地面的图传接收模块,图传显示模块显示频谱图的监控画面,地面终端对无人机平台进行控制,并接收无人机平台发送的无人机状态信息。本实用新型降低了测向误差,增强了接收到的信号的幅度强度,增大了监测系统的监测半径,且能够实现对目标信号源的定位,还具备成本低、机动性强、易操作等特点,可以处置多种突发应急任务。
Description
技术领域
本实用新型涉及信号监测领域,具体涉及一种空中无线电监测系统。
背景技术
在当前民航无线电干扰事件频繁发生的情况下,为了民航飞行的安全,迅速准确的排查民航无线电干扰源,传统方式采用在地面二维监测无线电干扰的方式,但由于无线电信号在地面附近容易发生折射、反射、散射等现象,造成这种方式存在测向误差较大,接收到的信号的幅度强度较弱,监测系统的监测半径较小,无法实现对目标信号源的定位等问题,给监测工作带来了困难,并且传统的方式还存在成本高、机动性弱、不易操作等特点,无法处置多种突发应急任务。
实用新型内容
针对上述技术问题,本实用新型提供一种空中无线电监测系统。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下:一种空中无线电监测系统,其特征在于,包括设置在无人机平台上的无线电监测设备、摄像头和图传发射模块,以及设置在地面的图传接收模块、图传显示模块和地面终端,所述摄像头和图传发射模块连接,所述图传接收模块和图传显示模块连接;
所述无线电监测设备用于对干扰源发射的无线电干扰信号进行接收、处理并实时显示无线电干扰信号的频谱图,所述摄像头用于拍摄所述频谱图,并通过所述图传发射模块将拍摄的频谱图的监控画面传输到地面的图传接收模块,所述图传显示模块用于显示所述频谱图的监控画面,所述地面终端用于对所述无人机平台进行控制,并接收所述无人机平台发送的无人机状态信息。
本实用新型的有益效果是:使用无人机携带无线电监测设备升入空中对目标干扰源发出的无线电干扰信号进行监测,并通过摄像头拍摄无线电干扰信号的频谱图并回传至地面接收,相比在地面进行监测的方式,降低了测向误差,增强了接收到的信号的幅度强度,增大了监测系统的监测半径,且能够实现对目标信号源的定位,还具备成本低、机动性强、易操作等特点,可以处置多种突发应急任务。
在上述技术方案的基础上,本实用新型还可以做如下改进。
进一步,所述无线电监测设备包括接收机、测向天线和安装有配套的频谱监控软件的显示设备,所述接收机分别和测向天线和显示设备连接。
进一步,所述接收机和测向天线设置在所述无人机平台的底部,所述显示设备、摄像头和图传发射模块设置在所述无人机平台的顶部,所述摄像头正对所述显示设备的显示画面。
进一步,所述地面终端包括无人机遥控器和地面站。
进一步,所述地面站包括相互连接的安装有地面站软件的智能终端和数据电台,所述智能终端和数据电台连接。
进一步,所述无人机状态信息包括位置信息、姿态信息和电池状态信息。
进一步,所述位置信息包括经纬高信息,所述姿态信息包括航向角信息、俯仰角度信息和速度信息。
进一步,所述无人机平台采用多旋翼无人机或固定翼无人机。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的一种空中无线电监测系统的结构示意图;
图2为无人机平台高度与信号幅度的关系示意图;
图3为信号幅度与测向误差的关系示意图;
图4为无人机平台高度与测向误差的关系图;
图5为无人机平台高度与无人机监测系统测向标准差的关系示意图;
图6为空地测试中信号幅度与信号传输距离的关系示意图;
图7测向定位程序仿真结果图;
图8为交叉定位出的目标信号源位置;
图9为目标信号源的实际位置。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述,所举实例只用于解释本实用新型,并非用于限定本实用新型的范围。
图1为本实用新型实施例提供的一种空中无线电监测系统的结构示意图,如图1所示,该系统包括设置在无人机平台上的无线电监测设备、摄像头和图传发射模块,以及设置在地面的图传接收模块、图传显示模块和地面终端,所述摄像头和图传发射模块连接,所述图传接收模块和图传显示模块连接。
具体的,以下分别对各个组成器件进行介绍:
(1)无人机平台:作为空中部分的飞行平台,遵照地面的控制命令进行飞行,主要用于测试点间的快速移动,可大大缩短测试时间,从而实现快速寻找干扰源。同时又是空中设备的载体,携带无线电监测设备和天线,另外平台上还可配备摄像头、导航装置,从而具备了图像航拍、地理定位等功能。无人机可选择多旋翼无人机或固定翼无人机,具体选择根据干扰源特点确定。
本实施例中,无人机平台选用大疆S1000,该无人机具有便携易用、操作友好、安全稳定等特点,大疆S1000的起落架可收放自如,机臂、螺旋桨、GPS等都可以进行收起折叠使得大疆S1000具有很好的便携性。同时大疆S1000还具备减震功能,动力充足,全方位的航拍视角和高质量的拍摄效果等特点。配合DJI多轴飞控系统,可获得稳定安全的飞行性能,基于以上优点,选择S1000作为本次空中无线电干扰源监测平台的飞行器。
(2)无线电监测设备:由测向天线、接收机和安装有配套的频谱监控软件的显示设备组成。测向天线和接收机组成监测系统,用于获取无线电干扰信号;显示设备可采用笔记本电脑,用于通过频谱监控软件实时显示包含接收到的无线电干扰的频率信息和幅度信息的频谱图。
本实施例中,无线电监测设备采用由成都奥特为公司生产的OutwitP9030便携式无线综测设备,OutwitP9030具备体积小、质量轻、低功耗等特点。OutwitP9030同时具有收、发机功能,具有2路接收和2路发送端口。通过千兆LAN实现设备与客户端的数据传输。设备采用外置5V直流供电,其内置的可充电锂电池,支持续航可达120分钟,适合于现场环境测试应用。OutwitP9030具备以下主要功能:1)70MHz-6GHz频谱监控;2)支持AM、FM、PM等多种解调方式;3)支持PAM、PSK、QAM等多种调制方式;4)最大FFT分析帧长度65536点;5)可调带宽200kHZ-56M;6)增益0-74.5dB;7)RF输入峰值功率2.5dBm;8)支持对多种信号的解调,并可计算其EVM值。测向天线的工作频段是50MHz-800MHz,尺寸大小23cm*23cm8*0.2cm。
(3)地面终端:地面终端由地面站和无人机遥控器组成,无人机遥控器用于对无人机的操控,执行起飞、旋转、降落等指令。地面站可以用于规划无人机的飞行路径,也能够提取无人机平台发送的位置信息、姿态信息、电池状态信息等等无人机状态信息。
本实施例中,无人机遥控器选取日本产的Futaba14SG遥控器,地面站选取DJI地面站4.0版本,装有DJI地面站4.0的笔记本通过数据电台与机载数据模块取得无线通信,通过天线实现地空双向数据传输。无人机飞控解算无人机状态信息并实时传输到地面站软件界面进行显示,包括经纬高信息、航向角信息、俯仰角度信息、速度信息、电池状态信息等等,地面软件终端则可以发送航迹规划指令控制无人机朝不同方向飞行。
(4)图传模块:图传模块由摄像头、图传发射模块、图传接收模块和图传显示模块组成,摄像头用于实时拍摄显示设备中安装的频谱监控软件实时显示的无线电信号的频谱图,图传发射模块用于将摄像头拍摄的画面实时将传输到地面,图传接收模块用来接收图传发射模块传输下来的实时频谱监控图像,图传显示模块用来显示图传接收模块接收的实时频谱监控图像。
本实施例中,摄像头采用RunCamSwift2(雨燕2)。该摄像头具有以下特点:集成了动力电压回传OSD,摄像头读取电池电压并通过图传传输到地面;摄像头内部装有麦克风,通过图传可传输飞行器声音;5-36V宽电压工作,能够避免过压毁坏,兼容市面上绝大多数图传。图传接收模块和图传显示模块选取鹰眼锐视系列一体机。该一体机具有以下特点:亮度高达700lux;内部集成双接收系统;集成DVR黑匣子系统,DVR可后台录像;视频没有任何延时,不会出现黑屏、蓝屏现象;该一体机能够自动搜索频率。图传发射模块选取奥姆威tx001。该图传发射模块具有以下特点:全新5.8G、1W接收机,配合AAT和平板天线可以达到15km,原装天线的情况下,可以达到3km;32频点,覆盖了市场上主流设备的所有频段;为避免出错因此频段和频点独立显示;升级了视频电路和灵敏度;在没有安上天线或是天线没有安好的情况下不会烧机。
本实施例提供的空中无线电监测系统,由大疆S1000作为无人机平台,携带P9030综测仪、笔记本电脑、摄像头和图传发射模块作为空中无线电监测系统的空中硬件部分。其中P9030综测仪包括便携式接收机、测向天线,连接安装配套的频谱监控软件的笔记本电脑,固定测向天线与机头方向一致(允许有误差,该搭建系统测向天线与机头偏差15°,在后续实地测试过程中,会将15°偏差加入测试数据中),通过无人机方位信息确定测向天线的方位信息,即无线电信号的来波方位信息;便携式接收机用来处理通过测向天线接收的无线电信号;笔记本电脑用来安装频谱监测软件,实时显示接收到的无线电信号频谱图;摄像头用于拍摄笔记本电脑实时显示的无线电信号的频谱图;奥姆威tx001图传发射模块用于将拍摄到的频谱监控画面实时传输到地面,鹰眼锐视系列一体机作为图传接收模块和图传显示模块,用于接收并显示图传发射模块传输下来的频谱监控画面。
可选地,在该实施例中,接收机和测向天线设置在无人机平台的底部,显示设备、摄像头和图传发射模块设置在无人机平台的顶部,摄像头正对显示设备的显示画面。
为了论证本实用新型实施例提供的一种空中无线电监测系统对民航无线电干扰监测方案的可行性,本次测试应该着重分析空中无线电监测系统在同一测试场景中无人机平台不同高度段所对应的测向误差、不同高度段所对应的监测半径以及空中无线电监测系统对信号源进行交叉定位测试等内容,设计测试内容如下所示。
1)测向误差测试内容
将无人机平台的高度升到不同的高度段,然后对同一个目标信号源进行测向测试,获取目标信号源的来波方位信息,通过测试数据结果分析空中无线电监测系统的高度与测向误差、接收的信号幅度强度之间的关系。
2)监测半径测试内容
通过在不同高度段对同一目标信号源进行测向,研究随着空中无线电监测系统平台高度增加,分析空中无线电监测系统与监测半径的关系。
3)交叉定位测试内容
通过前面测试结果选定合适的无人机平台的飞行高度,对设定的某一目标信号源进行两点测向交叉定位,记录下无人机平台的俯仰角和方位角、以及无人机两次位置信息,通过测向定位原理计算出目标信号源的位置信息,将其与目标信号源的真实位置信息进行对比,验证空中无线电监测系统排查民航无线电干扰的可行性。
(3)测试设备与器材
为了保证此次验证空中无线电监测系统定位民航无线电干扰源的可行性的测试能够顺利进行,需提前准备好测试所需的器材,表1为本次测试所需器材。
表1测试器材
本次测试使用已知的信号源作为目标信号源来完成验证空中无线电监测系统排查民航无线电干扰的可行性测试。
(4)测试评价指标及参数说明
本次测试结果中涉及到的符号说明:
n—测向次数;
Xi—第i次测向的方位角;
X—目标信号源的实际方位;
(5)测试步骤
为了保证在测试过程顺利对目标信号源测向和定位,更好的完成空中无线电监测系统排查民航无线电干扰源的可行性测试,在测试前期要做好充分准备,在测试过程要十分熟悉无人机和监测系统的操作流程,测试结束要对测试数据进行分析,形成测试结论。
测试的步骤大致分为以下几个步:
1)第一步:对空中无线电监测系统进行测试。根据测试需求,熟悉并掌握空中无线电监测系统的使用流程,并对该空中无线电监测系统的性能进行测试以保证空中无线电监测系统升入高空对无线电信号进行监测时能够顺利进行。
2)第二步:利用空中无线电监测系统进行地面测试。在掌握空中无线电监测系统基本性能的前提下,预选几处合适的地点作为目标信号源的放置地点,展开地面前期测试工作,让测试团队熟悉整个测试原理、测试内容和测试流程,培养测试团队的默契,为后期空中测试打好基础,记录测试数据,并进行整理保存。
3)第三步:利用空中无线电监测系统进行空中测试。将空中无线电监测系统升入空中对目标无线电信号源进行监测,其监测内容与地面监测内容一致,获取空中测试数据,对其进行整理保存,并将其与地面获得的测试数据进行对比。
4)第四步:形成结论。结合理论分析和测试数据,得出相关的结论,验证空中无线电监测系统排查民航无线电干扰的可行性。
具体的测试分析过程如下:
1.测向误差测试
空中无线电监测系统的平台高度依次设置为0m,15m,21m,30m(无人机平台高度为0m时表示监测系统放置在地面上,无人机平台高度是相对于无人机平台高度为0m时的高度)时对5个不同地点的目标信号源进行监测,取5个测试地点分别是F1(非视距,中低层建筑群,距离较近)、F2(非视距,有中高层建筑群,距离相对较远)、F3(非视距,稀疏树林和建筑,距离相对较远)、F4(非视距,树林,距离较近)、F5(非视距,低矮建筑群且过马路,距离较远)。
(1)测试数据记录
测试数据如表2-5所示:
表2不同高度段测向误差测试数据(0m)
表3不同高度段测向误差测试数据(15m)
表4不同高度段测向误差测试数据(21m)
表5不同高度段测向误差测试数据(30m)
(2)测试数据分析
对测试数据进行整理,计算出接收信号的幅度均值,空中无线电监测系统在不同地点、不同高度的测向误差和测向标准差,整理结果如表6-10所示。
表6测试数据分析(F1)
表7测试数据分析(F2)
表8测试数据分析(F3)
表9测试数据分析(F4)
表10测试数据分析(F5)
(3)结果分析
1)当目标信号源分别位于F1、F2、F3、F4、F5测试地点,空中无线电监测系统对目标信号源进行监测,空中无线电监测系统接收的信号幅度强度随无人机平台高度的变化如图2所示。
由图2可以看出:随着无人机平台的升高,空中无线电监测系统接收到的信号的幅度强度呈现增长趋势,无人机平台高度在0-15m范围内时,空中无线电监测系统接收到的信号幅度强度增长比较明显;无人机平台的高度在15米时,接收到的信号幅度强度出现一个突变;超过15m之后,信号幅度强度增长的趋势变化不明显。这主要是因为在0-15m范围内,空间中的树木、建筑物等障碍物十分多,阻碍了无线电信号的传播,导致信号会出现折射、反射、散射等现象。随着无人机平台升空高度的不断增加,当其高度超过测试场景空间中的大多数障碍物高度时,空中无线电监测系统可以接收到无线电信号的直射波,接收到的信号幅度强度会突然增强许多;而测试地点的地面遮挡物的高度高于15m的占少数,当无人机平台高度高于15m时,空间监测环境相对比较空旷,因此接收的信号幅度强度增长趋势减缓。
2)当目标信号源分别位于F1、F2、F3、F4、F5测试地点,空中无线电监测系统对目标信号源进行监测,空中无线电监测系统的接收的信号幅度强度与测向误差之间的关系如图3所示。
由图3可以看出:在一定的信号幅度范围内,随着信号幅度强度增加,空中无线电监测系统的测向误差有一定程度的降低,当接收信号的幅度增加到一定强度时,信号幅度强度对空中无线电监测系统的测向误差影响不再明显。这主要是因为当空中无线电监测系统接收到的信号幅度比较微弱时,空中无线电监测系统会受到周边干扰信号影响,对目标信号的来波方向指向不明。但是当接收到的信号幅度强度较强时,对干扰的排除比较有利,因而会对目标信号的来波方位指向明显。
3)当目标信号源分别位于F1、F2、F3、F4、F5测试地点,空中无线电监测系统对目标信号源进行监测,空中无线电监测系统的测向误差随无人机平台高度的变化如图4所示。
由图4可以看出:当无人机平台高度在0-15m范围内时,空中无线电监测系统的测向误差随着无人机平台高度的升高而减小。无人机平台高度在15m时,测向误差呈现一个突变现象。当无人机平台高度超过15m时,无人机平台高度对测向误差的影响逐渐减缓。这是因为由无人机平台高度与接收信号强度关系可知,无人机平台高度在0-15m范围内,伴随着无人机平台高度的不断增加,空中无线电监测系统接收到的目标信号源的强度也会增大,而接收到的信号的强度越强,测向误差会随之降低。当无人机平台高度高于15m时,目标信号传播环境相对空旷,无线电信号接近视距传播,无人机平台高度对空中无线电监测系统接收的信号幅度强度影响不大,因此测向误差也不会出现明显变化。
4)当目标信号源分别位于F1、F2、F3、F4、F5测试地点,空中无线电监测系统对目标信号源进行监测,空中无线电监测系统的测向标准差随无人机平台高度的变化如图5所示。
由图5可以看出:伴随着无人机平台高度的不断增加,空中无线电监测系统的测向标准差会越来越大。这是因为在无人机在飞行过程中会受到风和气流的影响,使得OutwitP9030综测设备产生振动,使得无人机监测系统测得的俯仰角与方位角都有一定的偏差,位置信息也在不断变化中,使得空中无线电监测系统测得的数据差异较大,即空中无线电监测系统的测向标准差起伏较大。
2.监测半径测试
监测半径的地面测试,将空中无线电监测系统放置在地面上某一固定点,然后让团队成员骑着自行车携带目标信号源从该固定点开始出发,一路行驶并间隔几个地点发射信号,并及时记录信号幅度强度,直至接收不到信号或是信号幅度强度变化不明显为止。对空中无线电监测系统进行地面测试获取的监测数据如表11所示。
从测向误差测试结果可知,无人机平台高度高于15m之后,因为目标信号源的传播环境相对比较空旷,目标信号接近视距传播,因此只选取无人机平台高度为30m进行监测半径的空中测试,测试过程与监测半径的地面测试过程相同,表12是空中监测数据。
对地面数据和空中数据进行整理分析,研究接收信号的幅度强度和传播距离(即空中无线电监测系统的监测半径)之间的关系,如图6所示。
表11监测半径数据
表12监测半径数据
由图6可以看出:伴随着空中无线电监测系统与目标信号源之间的距离的不断增加,空中无线电监测系统接收的信号幅度强度会随之呈现变小趋势。若是保持目标信号源与空中无线电监测系统之间的距离不变时,随着无人机平台高度的不断增加,信号的幅度强度呈现增强趋势。当无人机平台高度一定时,无人机平台与目标信号源之间的距离超过一定范围时,空中无线电监测系统接收的信号幅度强度呈现平稳趋势。在本次测试地点,监测半径的地面测试中,目标信号源距空中无线电监测系统超过500m时,接收到的目标信号十分微弱,难以确定目标信号的来波方向。无人机平台高度为30m时,无人机监测系统距目标信号源2000m也能接收到目标无线电信号,且能够指向目标无线电信号的来波方位。即在本次测试地点,空中无线电监测系统放置在地面时,监测半径约等于500m。无人机平台高度为30m时,监测半径约等于2000m。
3.两点交叉定位测试
将目标信号源放置在P点,选取无人机平台高度基本高于测试地点周围遮挡物高度,使得目标无线电信号接近视距传播。选取A1和A2两个位置作为空中无线电监测系统空中交汇测试的监测地点,空中无线电监测系统先后飞往A1、A2点对目标信号源进行监测,实时记录空中无线电监测系统在A1、A2点的GPS信息,空中无线电监测系统分
别对目标信号源进行5次测试,测试结果如表13-15所示。
表13空中交叉定位测试数据
表14A1点位置信息
表15A2点位置信息
输入测向定位仿真程序计算出的坐标为(104.3037,30.9492,420.0194),如图7所示,而目标信号源P点的实际位置坐标为(104.30321,30.94984,421.92),交叉定位出的目标信号源位置与目标信号源的实际位置在电子地图中显示如图8、图9所示。
测试结果表明,该仿真程序可用于实际监测无线电信号时解算目标信号源的大地坐标。且两点交叉定位求解出为目标源位置与实际目标源位置相距约85m,在X、Y、Z方向上的误差为(53.99,-22.21,61.83)m,误差来源主要是因为空中无线电监测系统对目标无线电信号进行监测时,目标信号源来波方位的测向角度精度不高。但是该方法基本能够实现测向定位,在现实生活中有一定的应用价值。
测试结论:
将无人机携带监测系统升入空中对目标无线电信号进行监测,相比在地面对目标无线电信号进行监测,空中无线电监测系统的测向误差出现较明显的降低,接收到的信号的幅度强度有所增强,监测系统的监测半径有所增大,且空中无线电监测系统实现了对目标信号源的定位。本次测试中无人机平台高度在15m、21m、30m测得的数据相差不大,主要是因为此次测试环境中的遮挡物超过15m的为数较少,因此无线电信号在15m以上的高空环境接近视距传播,且无人机平台的飞行高度越高,因为气流和风力的影响对监测系统的稳定性有比较大的影响,因此无人机平台相对合适的飞行高度要根据现实监测环境中周边遮挡物而定。本次的测试结果与第四章的理论仿真结果基本一致。
综上所述,本次测试结果论证了空中无线电监测系统监测民航无线电干扰的可行性和优越性,在当前民航无线电干扰事件频繁发生的情况下,为了民航飞行的安全,迅速准确的排查民航无线电干扰源,空中无线电监测系统对排查民航无线电干扰源有一定的现实指导意义。
本实用新型根据无人机携带监测系统对民航无线电干扰进行监测的实际需求,设计搭建了空中无线电监测系统,并对该系统进行了可行性测试,测试内容主要包括测向误差测试,监测半径测试和两点交叉定位测试,将在空中获取的测试数据与在地面获取的测试数据进行对比,论证了空中无线电监测系统排查民航无线电干扰的可行性和优越性。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例,并不用以限制本实用新型,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、改进等,均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种空中无线电监测系统,其特征在于,包括设置在无人机平台上的无线电监测设备、摄像头和图传发射模块,以及设置在地面的图传接收模块、图传显示模块和地面终端,所述摄像头和图传发射模块连接,所述图传接收模块和图传显示模块连接;
所述无线电监测设备用于对干扰源发射的无线电干扰信号进行接收、处理并实时显示无线电干扰信号的频谱图,所述摄像头用于拍摄所述频谱图,并通过所述图传发射模块将拍摄的频谱图的监控画面传输到地面的图传接收模块,所述图传显示模块用于显示所述频谱图的监控画面,所述地面终端用于对所述无人机平台进行控制,并接收所述无人机平台发送的无人机状态信息。
2.根据权利要求1所述的一种空中无线电监测系统,其特征在于,所述无线电监测设备包括接收机、测向天线和安装有配套的频谱监控软件的显示设备,所述接收机分别与所述测向天线和所述显示设备连接。
3.根据权利要求2所述的一种空中无线电监测系统,其特征在于,所述接收机和测向天线设置在所述无人机平台的底部,所述显示设备、摄像头和图传发射模块设置在所述无人机平台的顶部,所述摄像头正对所述显示设备的显示画面。
4.根据权利要求1所述的一种空中无线电监测系统,其特征在于,所述地面终端包括无人机遥控器和地面站。
5.根据权利要求4所述的一种空中无线电监测系统,其特征在于,所述地面站包括相互连接的安装有地面站软件的智能终端和数据电台,所述智能终端和数据电台连接。
6.根据权利要求1所述的一种空中无线电监测系统,其特征在于,所述无人机状态信息包括位置信息、姿态信息和电池状态信息。
7.根据权利要求6所述的一种空中无线电监测系统,其特征在于,所述位置信息包括经纬高信息,所述姿态信息包括航向角信息、俯仰角度信息和速度信息。
8.根据权利要求1至7任一项所述的一种空中无线电监测系统,其特征在于,所述无人机平台采用多旋翼无人机或固定翼无人机。
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