TWI648519B - 無人機偵測系統及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明關於一種無人機偵測系統及方法。該無人機偵測系統包括：一天線模組，包括二相間隔之接收天線，相對於一空間，各該接收天線具有多方向角之接收訊號能力，可接收該空間中之一無人機（unmanned aerial vehicle, UAV）之控制訊號；一處理/控制模組，包括一訊號濾波單元及一連接該訊號濾波單元之三角測量單元，該訊號濾波單元對該天線模組所接收之訊號中的RF訊號進行濾波，以提取RF 2.4GHz和5.8GHz訊號至少其中一者，該三角測量單元依據經濾波後之RF訊號計算該UAV之實際位置的高度、方位角和距離。

Description

無人機偵測系統及方法
本發明係與偵測系統有關，特別是有關於一種無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)偵測系統及方法。
無人機(UAV)如商用無人機已可廣泛取得。無人機的一些應用具有顯著的優勢，例如更快地交付包裹和監視安全問題；然而，一些應用具有惡意的影響，例如對個人進行間諜或入侵隱私和禁區。因此，需要一種技術來偵測無人機，並在無人機對人員造成傷害或侵犯禁區之前阻止無人機。無人機的偵測可以通過在無人機操作期間產生的聲音的峰值諧波匹配來識別UAV來實現。然而，如果無人機遠離偵測系統，聲音訊號可能會迅速消失，或者可能會由於背景噪聲而容易地被覆蓋。或者，大多數無人機通常允許在諸如射頻(radio frequency,RF)2.4GHz和5.8GHz的RF頻譜上的幾個主要頻帶中操作，使得可以通過濾除二個之外的RF頻帶訊號來識別UAV，來實現UAV的偵測無人機的主要運行無線電頻率。然而，在諸如城市的環境中，大量的射頻訊號在空中傳輸和交換，導致強的射頻干擾。這樣的射頻干擾使得RF頻帶的有效濾波變得困難。
因此，有必要提供一種新穎且具有進步性之無人機偵測系統及方法，以解決上述之問題。
本發明之主要目的在於提供一種無人機偵測系統及方法，可快速、精確辨識及鎖定無人機。
為達成上述目的，本發明提供一種無人機偵測系統，包括：一天線模組，包括二相間隔之接收天線，相對於一空間，各該接收天線具有多方向角之接收訊號能力，可接收該空間中之一無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)之控制訊號；一處理/控制模組，包括一訊號濾波單元及一連接該訊號濾波單元之三角測量單元，該訊號濾波單元對該天線模組所接收之訊號中的RF訊號進行濾波，以提取RF 2.4GHz和5.8GHz訊號至少其中一者，該三角測量單元依據經濾波後之RF訊號計算該UAV之實際位置的高度、方位角和距離。
為達成上述目的，本發明提供一種利用如上所述之無人機偵測系統之無人機偵測方法，包括以下步驟：利用該天線模組接收該空間中之一無人機之控制訊號；以該訊號濾波單元對該天線模組所接收之訊號中的RF訊號進行濾波，以提取RF 2.4GHz和5.8GHz訊號至少其中一者；以該三角測量單元依據經濾波後之RF訊號計算該UAV之實際位置的高度、方位角和距離。
100‧‧‧無人機
101‧‧‧UAV偵測系統
103‧‧‧HD圖像傳感器
104‧‧‧天線模組
109‧‧‧圖像處理單元
110‧‧‧訊號濾波單元
111‧‧‧三角測量單元
112‧‧‧控制/警報單元
105‧‧‧處理/控制模組
106‧‧‧監視顯示器
107‧‧‧驅動裝置
108‧‧‧定向天線
108a‧‧‧天線構件
113‧‧‧訊號放大器
114‧‧‧直流訊號轉換器
115‧‧‧集線器
116‧‧‧處理裝置
θ‧‧‧角度
圖1是根據本發明的一個實施例的UAV偵測系統的代表性結構關係方塊圖。
圖1A主要是示出本發明一實施例的UAV偵測系統的天線模組配置關係示意圖。
圖2示出了根據本發明的一個實施例用於鎖定UAV的三角測量過程。
圖3示出了根據本發明的一個實施例的UAV偵測的流程圖。
以下僅以實施例說明本發明可能之實施態樣，然並非用以限制本發明所欲保護之範疇，合先敘明。
請參考圖1、1A、2及3，其顯示本發明之一較佳實施例，本發明涉及一種無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)偵測系統。該無人機偵測系統可以是可攜式的。該UAV偵測系統可以包括：一用於拍攝UAV的照片的圖像傳感器(較佳為高解析度(HD)圖像傳感器)；一通過三角測量尋找UAV的天線模組(三角測量是通過向其形成三角形來確定點的位置的過程已知點)；一處理/控制模組，用於處理來自傳感器的訊號，並且確定是否識別無人機；以及一監視顯示器，供將無人機顯示於其屏幕上。該天線模組還包括兩個被配置為特定偵測RF 2.4GHz和5.8GHz訊號至少其中一者的定向天線、和配置成調整該等定向天線以遠距追蹤無人機的至少一個驅動裝置(例如馬達)。該處理/控制模組還包括：一圖像處理單元，用於處理來自該HD圖像傳感器的照片圖像數據；一訊號濾波單元，被配置為對RF頻譜進行濾波以提取用於UAV的RF 2.4GHz和5.8GHz的訊號至少其中一者；一個三角測量單元，被配置來控制三角測量過程和該控制/警報單元來分析來自其他單元的數據，以確定是否有無人機。要說明的是，該圖像傳感器、該圖像處理單元及該監視顯示器的配置是選擇性的，亦可省略不配置。
圖1示出了根據本發明的一個實施例的UAV偵測系統的代表性結構關係方塊圖。該UAV偵測系統101包括一HD圖像傳感器103、一天線模組104、一處理/控制模組105和一連接該控制/警報單元之監視顯示器106。該HD圖像傳感器103可對一空間提取圖像，可以具有至少4k的解析度以提取HD圖像，並且可以設置有CCD成像器、CMOS成像器及/或其組合。該監視顯示器根據該控制/警報單元之決定的相應資訊顯示已被識別的該UAV的位置。
在本實施例中，該天線模組104還包括一驅動裝置107和二個接收天線(在此以2.4GHz之定向天線108為例)，該二定向天線108被隔開一固定距離，相對於該空間，各該接收天線具有多方向角之接收訊號能力，可接收該空間中之一無人機100之控制訊號，並且都被配置為具有對RF 2.4GHz頻率的高響應度並且搜索最大訊號強度的無人機。該驅動裝置107被配置為調整該等定向天線的高度和方位角。也就是說，每個定向天線的焦點可以通過該驅動裝置在垂直和水平方向上移動。該二定向天線108之間的距離可以如此設置，使得三角測量過程可以在沒有相互干擾的情況下進行。例如，間隔距離可以不小於10米。然，各該接收天線亦可如圖1A所示而包括複數天線構件108a(例如6個，亦可更多或更少)，該複數天線構件108a呈等角距而360度配置，然各該接收天線亦可僅包括單一的天線構件，該天線構件為360度旋轉掃描式天線構件。藉此，該天線模組可不需驅動裝置，即可具備多方向角之接收訊號能力。
該處理/控制模組105還包括：一圖像處理單元109，用於處理由該HD圖像傳感器103提取的圖像數據；一訊號濾波單元110，該訊號濾波單元110對該天線模組所接收之訊號中的RF訊號進行濾波，以提取RF 2.4GHz和5.8GHz訊號至少其中一者，在本實施例中其對RF頻譜的訊號進行濾波，以搜索RF 2.4GHz訊號，其中RF訊號是最有可能代表UAV的訊號；一個連接該訊號濾波單元之三角測量單元111，其確定該二定向天線是否對準UAV並且產生與UAV的位置相關的參數，該三角測量單元依據經濾波後之RF訊號計算該UAV之實際位置的高度、方位角和距離；以及一連接該三角測量單元之控制/警報單元112，基於該圖像處理單元和該三角測量單元的訊號(當不具該圖像傳感器及該圖像處理單元時，僅基於該三角測量單元的訊號)，最終決定是否偵測到並識別出一UAV。該訊號濾波單元與該三角測量單元之間可另連接有一訊號放大器113，可放大經濾波後之RF訊號，且該訊號放大器與該三角測量單元之間可另連接有一能將RF 訊號轉為直流訊號之直流訊號轉換器114，便於經一集線器115(HUB)傳至一處理裝置116(例如電腦)之該天線模組的訊號之處理、解析及特徵提取等程序。
該控制/警報單元112還可以向能排除或禁止已被識別的UAV的一RF干擾系統發送諸如警告聲音或光的警報訊號。該監視顯示器106可以顯示已被識別的UAV的位置。
如果從該濾波單元110輸出的濾波訊號包括從一UAV發出的RF 2.4GHz訊號，則該三角測量單元111可以啟動三角測量程序。此外，該圖像處理單元109可以用該三角測量單元111確認該無人機的相關位置，取決於其處理的圖像之日期。如前面段落所述，在射頻訊號傳輸的環境中出現強大的射頻干擾，使得在主要RF頻帶(即，2.4GHz和5.8GHz)的UAV的無線電訊號難以由傳統的RF偵測系統偵測。特別是，RF 2.4GHz的訊號來源來自郊區及市區，致使無人機的RF 2.4GHz訊號變得更難被偵測出來。此外，包括路由器(AP)和WiFi訊號的TCP/IP訊號封包在空中空間是普遍的，並且是干擾RF 2.4GHz頻譜的主要來源之一。TCP/IP無線訊號封包傳輸通常涉及在兩個設備之間建立通信通道的交握過程。因此，將UAV訊號封包與TCP/IP訊號封包區分開來，在對RF頻譜進行濾波識別來自無人機的RF 2.4GHz訊號方面發揮了關鍵作用。
在本發明的一個實施例中，訊號封包識別技術隨該訊號濾波單元110被提出。通過分析在該UAV偵測系統的覆蓋範圍內的交握過程中建立的無線通信通道的訊號封包特徵，訊號封包識別可以捨棄涉及TCP/IP交握的封包訊號特徵，並將涉及無人機操作的訊號分配給該三角測量單元以識別無人機。簡單地說，該訊號濾波單元110能夠通過訊號封包識別技術和濾波處理來識別用於UAV的RF 2.4GHz的訊號封包特徵。
在由該訊號濾波單元110提取用於UAV的RF訊號之後，該三角測量單元111確定UAV是否被確實標定，並且生成諸如UAV的位置和距離的參數。 參考圖2，其更詳細地示出了三角測量過程。在圖2中，三角形(由虛線表示)由兩個2.4GHz天線的位置A和B、以及被偵測為可能的無人機訊號之訊號的位置C定義。x軸表示接收天線A和B通過調整方位角水平方向移動其焦點的水平方向；y軸表示接收天線A和B通過調整高度角垂直移動其垂直方向的垂直方向。
在三角測量過程的初期，每個天線在空中空間中接收相應的訊號。然後，該訊號濾波單元110分析接收到的訊號之訊號封包特徵，並且通過訊號封包標識濾除不包括UAV訊號封包的RF頻譜。如果在經濾波的訊號中偵測到UAV訊號封包，那麼每個天線都會對其焦點進行反應調整，以便以決策樹方式逐步尋找發出RF 2.4GHz訊號的最強幅度的位置，直到實際位置(即，偵測到實際最強幅度的位置)被鎖定。對於如圖1A所示而包括複數天線構件108a之接收天線而言，由於其可直接透過配置於不同方向角位之天線構件108a獲得所接收訊號之方位，故無需再以決策樹方式逐步尋找發出RF 2.4GHz訊號的最強幅度的方位。
決策樹中的每個步驟是根據該三角測量單元111的輸出而確定。在每個步驟中，位置A處的定向天線向上或向下旋轉，使得其焦點沿y軸以+y或-y方向移動以追蹤最強的RF 2.4GHz訊號。如果定向天線A在初始狀態下向上旋轉並且在旋轉之後接收到更強的RF 2.4GHz訊號，則天線A將在以下步驟中重複向上旋轉，直到需要向下旋轉來追蹤更強的訊號。然後，相同的天線向右或向左旋轉，使得其焦點沿x軸在+x或-x方向上移動，以追蹤最強的RF 2.4GHz訊號。如果定向天線A在初始狀態下向右旋轉並且在旋轉之後接收到更強的RF 2.4GHz訊號，則天線A將在以下步驟中重複向右旋轉，直到需要向左旋轉來追蹤更強的訊號。換句話說，在決策樹處理期間，定向天線A繼續向上或向下旋轉，隨後在每個步驟中向右或向左旋轉。一旦UAV被定向天線A鎖定，天線A將機械地以向上、向下、向右和向左旋轉的循環被操作，基於此，該三角測量單元知道UAV 已被鎖定並產生該UAV之實際位置的高度、方位角和距離，並傳送至該控制/警報單元進行進一步決定。
對於位置B處的定向天線，可以重複遵循相同的決策樹步驟，直到UAV的實際位置被鎖定。一旦兩個天線都已經通過決策樹處理鎖定了UAV，則在天線A和UAV之間的距離或天線B和UAV之間的距離、以及該角度θ即可被確定，使得可以通過該三角測量過程來識視UAV之實際位置。要說明的是，本發明係被動地直接接收UAV之RF訊號，無需偵測訊號發射器來主動發射偵測訊號，架構簡單、運算簡易快速、且定位精確。
在UAV被兩個定向天線中的任一個鎖定之後，由該訊號濾波單元濾波的RF 2.4GHz訊號被發送到該三角測量單元。該三角測量單元產生諸如高度角、方位角和無人機的距離等參數，這些參數將進一步由該圖像處理單元進行確認。在確認之後，是否偵測到UAV可以在該控制/警報單元中決定。該監視顯示器將在屏幕上顯示無人機的外觀、或響應於該控制/警報單元的決定而發送警告訊號。
在本發明的一個實施例中，在該控制/警報單元的配置中可以有三種可選模式。如果該三角測量單元和該圖像處理單元都沒有偵測到無人機的RF 2.4GHz訊號，則該控制/警報單元將保持在僅執行待機狀態的安全模式。如果該三角測量單元偵測無人機的RF 2.4GHz訊號，但該圖像處理單元無法確認，則該控制/警報單元切換到能在該監視顯示器屏幕上顯示警告訊號的警報模式。如果該三角測量單元和該圖像處理單元都偵測UAV的RF 2.4GHz訊號，則該控制/警報單元切換到確認模式，除了發送到警告訊號至一射頻干擾系統之外，還可以在該屏幕上放大所識別的UAV的位置。
圖3示出了根據本發明的一個實施例的UAV偵測的流程圖。請參考步驟301，在該無人機偵測系統的覆蓋範圍內，每個定向天線在一開放空間中 接收訊號。請參考步驟302，該訊號濾波單元分析接收的訊號封包並識別UAV訊號封包。請參考步驟303，該三角測量單元以決策樹方式鎖定UAV的位置。請參考步驟305，如果沒有UAV被該三角測量單元鎖定，則該控制/警報單元保持在安全模式和待機狀態，且保持搜索UAV。請參考步驟304，如果UAV被該三角測量單元鎖定，則該圖像處理單元進一步與該三角測量單元確認是否有UAV成像。請參考步驟306，如果未有任何確認達成，則該控制/警報單元設置為警報模式，以警告可能存在接近的UAV。請參考步驟307，如果達成確認，則該控制/警報單元設置為確認模式以放大UAV的位置，並送警告訊號。
通常，未經授權的UAV是從遠處接近禁止區域。為了有效地阻止或禁用無人機接近禁止區域(如軍事基地和機場清除區域)附近，可能需要伴隨無人機偵測系統的一射頻干擾系統。在本發明的另一實施例中，RF干擾系統可以與該UAV偵測系統結合使用。一旦該UAV偵測系統偵測到接近的UAV，該UAV偵測系統的控制/警報單元可以放大顯示器上UAV的位置，並向該RF干擾系統發送警告訊號。該RF干擾系統可以藉由聲音或發光裝置來指示是否接收到警告訊號。如果在該RF干擾系統上激活了聲音或發光裝置，則攜帶該干擾系統的操作者可以根據該顯示器上顯示之無人機的位置來尋找接近的無人機，並使用射頻干擾電磁波來阻擾。

Claims (12)

  1. 一種無人機偵測系統，包括：一天線模組，包括二相間隔之接收天線，相對於一空間，各該接收天線具有多方向角之接收訊號能力，可接收該空間中之一無人機(unmanned aerial vehicle,UAV)之控制訊號；一處理/控制模組，包括一訊號濾波單元及一連接該訊號濾波單元之三角測量單元，該訊號濾波單元對該天線模組所接收之訊號中的RF訊號進行濾波，以提取RF 2.4GHz和5.8GHz訊號至少其中一者，該三角測量單元依據經濾波後之RF訊號計算該UAV之實際位置的高度、方位角和距離；其中該訊號濾波單元分析接收到的訊號之訊號封包特徵，並且通過訊號封包標識濾除不包括UAV訊號封包的RF頻譜；如果在經濾波的訊號中偵測到該UAV訊號封包，則每個天線都會對其焦點進行反應調整，並以決策樹方式逐步尋找發出該UAV訊號的最強幅度的位置，直到實際的最強幅度的位置被鎖定。
  2. 如請求項1的無人機偵測系統，其中各該接收天線包括複數天線構件，該複數天線構件呈等角距而360度配置。
  3. 如請求項1的無人機偵測系統，其中各該接收天線包括單一的天線構件，該天線構件為360度旋轉掃描式天線構件。
  4. 如請求項1的無人機偵測系統，其中該二接收天線之間隔距離不小於10米。
  5. 如請求項1的無人機偵測系統，另包括至少一連接該二接收天線之驅動裝置，該驅動裝置被配置為可調整該二接收天線的高度和方位角。
  6. 如請求項1的無人機偵測系統，另包括一連接該三角測量單元之控制/警報單元，該控制/警報單元基於該三角測量單元的訊號決定是否偵測到並識別出該UAV。
  7. 如請求項6的無人機偵測系統，另包括一可對該空間提取圖像之圖像傳感器，其中該處理/控制模組另包括一圖像處理單元，該圖像處理單元用於處理由該圖像傳感器提取的圖像數據，該控制/警報單元基於該圖像處理單元和該三角測量單元的訊號決定是否偵測到並識別出該UAV。
  8. 如請求項6的無人機偵測系統，另包括一連接該控制/警報單元之監視顯示器，該監視顯示器根據該控制/警報單元之決定的相應資訊顯示已被識別的該UAV的位置。
  9. 如請求項1的無人機偵測系統，其中該訊號濾波單元與該三角測量單元之間另連接有一訊號放大器。
  10. 如請求項9的無人機偵測系統，其中該訊號放大器與該三角測量單元之間另連接有一能將RF訊號轉為直流訊號之直流訊號轉換器。
  11. 一種利用如請求項1至10其中任一項所述之無人機偵測系統之無人機偵測方法，包括以下步驟：利用該天線模組接收該空間中之一無人機之控制訊號；以該訊號濾波單元對該天線模組所接收之訊號中的RF訊號進行濾波，以提取RF 2.4GHz和5.8GHz訊號至少其中一者；以該三角測量單元依據經濾波後之RF訊號計算該UAV之實際位置的高度、方位角和距離；其中該訊號濾波單元分析接收到的訊號之訊號封包特徵，並且通過訊號封包標識濾除不包括UAV訊號封包的RF頻譜；如果在經濾波的訊號中偵測到該UAV訊號封包，則每個天線都會對其焦點進行反應調整，並以決策樹方式逐步尋找發出該UAV訊號的最強幅度的位置，直到實際的最強幅度的位置被鎖定。
  12. 如請求項11的無人機偵測方法，其中在該決策樹中的每個步驟包括：一位置處的接收天線沿y軸旋轉，使得其焦點以+y或-y方向移動以追蹤最強幅度的RF訊號，如果該接收天線在初始狀態下以+y方向旋轉並且在旋轉之後接收到更強的RF訊號，則該接收天線將以+y方向重複旋轉，直到需要以-y方向旋轉來追蹤更強的RF訊號；另一接收天線沿x軸旋轉，使得其焦點以+x或-x方向移動以追蹤最強的RF訊號，如果該另一接收天線在初始狀態下以+x方向旋轉並且在旋轉之後接收到更強的RF訊號，則該另一接收天線將在以+x方向重複向右旋轉，直到需要以-x方向旋轉來追蹤更強的RF訊號。
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