基于无线电干涉测量的多轴飞行器无源定位方法和装置与流程

本发明涉及电子对抗领域，尤其涉及民用多轴飞行器无源定位领域。
背景技术：
：多轴飞行器具有多个动力输出轴，每个动力输出轴连接一个旋翼，通过各个旋翼的不同转速，产生各个方向的扭力，从而控制机身。多轴飞行器属于无人机的一类，与固定翼飞机、直升机等无人机相比，多轴飞行器有着结构相对简单、尺寸小、重量轻、造价低等优点。随着多轴飞行器技术飞行控制、电调、电机等技术的快速发展和成熟，多轴飞行器的市场和应用空前繁荣。众多多轴飞行器被应用于专业的消防、救灾、测绘、航拍以及军事领域，同时由于成本的不断降低，越来越多的多轴飞行器被众多无人机爱好者购买及操控，用于娱乐以及其他用途。在多轴飞行器市场和应用空前繁荣背景下，其造成问题也随之而来。虽然中国已经制定了如《民用无人机空中交通管理办法》《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》等一系列法律法规，但是大量的多轴飞行器“黑飞”行为依然存在。多轴飞行器进入军事禁区、拍摄敏感区域、投递非法物品等事件时有发生。所以多轴飞行器的监控和防御也成为世界各国面临亟待解决的新难题。多轴飞行器机体积小、飞行高度低、飞行速度慢，且大多数消费级多轴飞行器采用塑料、玻璃纤维、碳纤维等非金属材料制造，雷达反射截面较小，反射信号不稳定，不易被传统的低空雷达探测及跟踪。为了解决多轴飞行器的监控和防御难题，亟需针对多轴飞行器的自身特点，发明一种针对多轴飞行器监控方法和装置。公开内容(一)要解决的技术问题本公开提供了一种基于无线电干涉测量的多轴飞行器无源定位方法和装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面，提供了一种基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位算法，包括：步骤s1，根据监控天线位置和监控区域，定义一个用于进行多轴飞行器定位计算的坐标系；步骤s2，布放四套监控天线接收多轴飞行器发出的无线电信号，对所述四套监控天线输出信号进行互相关处理，输出三组独立的观测值；步骤s3，利用上述信号相关处理输出的三组独立的观测值列出三个空间位置关系方程组，求解所述空间位置关系方程组，计算出多轴飞行器在坐标系中的三维坐标。在本公开一些实施例中，所述步骤s1中包括：步骤s101，进行监控坐标系定义并确定各个天线坐标；步骤s102，对目标多轴飞行器到各天线的距离、各天线间的几何时延和固有时延进行定义，并根据几何时延和固有时延得到三个独立观测时延的表达式；步骤s103，确定监控范围边界值。在本公开一些实施例中，所述步骤s101中包括：定义监控坐标系的原点为监控天线a1所在点，以a1为原点建立三维直角坐标系，坐标系的定义满足右手螺旋法则，所述监控天线a1的坐标为(0,0,0)，并使用全站仪测量得到其他三个监控天线在监控坐标系中坐标(xi,yi,zi)i＝2,3,4。在本公开一些实施例中，所述步骤s102中包括：定义目标坐标点为t，将ta1定义为目标到监控天线a1的距离，同理定义ta2至ta4；将delay12定义为目标到监控天线a1的距离与目标到监控天线a2的距离的几何差值所引起的时间差，即几何时延，同理定义delay13，delay14；将p12定义为监控天线a1和监控天线a2两者之间的固有系统时间差，即固有时延，同理定义p13和p14；将o12定义为目标发射信号到达监控天线a1和监控天线a2之间的时间差，即观测时延，同理定义o13和o14，观测时延由几何时延和固有时延组成，三组独立观测时延的表示如下式：在本公开一些实施例中，所述步骤s103中包括：根据需要监控区域的实际情况在监控坐标系中确定监控区域范围，确定监控区域形状；选定监控区域形状后，根据监控区域表达式确定监控区域的边界范围，并确定每个几何时延的范围，从而确定互相关处理的窗口大小；监控区域的边界范围确定后，将求解空间位置的过程中落在边界范围之外的解滤除。在本公开一些实施例中，所述步骤s2包括：步骤s201，进行固有时延p120、p130、p140的测量，包括：在坐标系原点放置一个发射天线，模拟探测目标发射信号，通过监控天线a1，a2，a3，a4的坐标求得所述步骤s102中定义的所述几何时延delay12，delay13，delay14的值为delay120、delay130和delay140；通过信号的相关处理得到此时的观测时延o120、o130和o140，则固有时延p120、p130和p140由如下式计算得到：步骤s202，获取几何时延delay12、delay13和delay14，包括：选取监控天线a1作为参考天线，假设装置的采样速率为sampleratesa/s,根据步骤s102确定的相关处理窗口大小，取m个点作为相关处理数据；读入参考天线a1的m个观测数据o1(tj)，0<j<m，当固有时延p12＝b，再选取天线a2相关处理数据时，需要进行一个固有时延补偿，即需要往后错b*samplerate位读取m个点数据，o2(tb*samplerate+0)....o2(tb*samplerate+m-1)；将上述两组读取数据去除直流分量，进行快速傅立叶变换，并进行互相关，得到互相关频谱，对互相关频谱求傅立叶反变换，得到两组数据的互相关函数，互相关函数的最大值对应的时间偏移量就是几何时延delay12，依次类推得到几何时延delay13和delay14。在本公开一些实施例中，所述步骤s3包括：假设目标t的坐标为(x,y,z)，定义为目标t到监控天线的向量，则得到下式：其中，c为光速，求解上述方程组获得目标t的坐标值。根据本公开的另一个方面，提供了一种基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置，包括：信号采集单元，用于采集监控区域内的多轴飞行器发出的无线电信号；时钟和频标单元，连接到信号采集单元的输入端，用于为信号采集单元提供时钟和频率标准；运算处理单元，连接到信号采集单元的输出端，用于对由信号采集单元采集到多轴飞行器的无线电信号进行运算处理，根据无源定位方法运算得到多轴飞行器位置信息；其中，所述运算处理单元用于执行如权利要求1至7任一项所述的基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位方法，进行多轴飞行器无源定位。在本公开一些实施例中，所述信号采集单元包括：天线模块，用于实现从空间接收多轴飞行器发出的无线电信号；低噪声放大器模块，用于对前端天线接收到无线电信号进行放大；模数转换模块，用于对低噪声放大器输出信号进行模数转换，将信号由模拟信号变换到数字信号；信号处理模块，将采集到的数字信号进滤波、数字下变频、降速及格式化后供后发送至运算处理单元。在本公开一些实施例中，所述时钟和频标单元包括：时钟和频率源，用于为信号采集单元提供时钟和频率标准；时钟和频标分配模块，用于将同源的时钟和频标分配成为四路，供四套信号采集单元使用。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开至少具有以下有益效果其中之一：(1)由于采用的无源检测方法，不需要布置辐射源，与传统雷达相比，不用考虑因为辐射源带来的健康问题，也不受无线电发射相关法规影响；还可以克服多轴无人飞行器雷达反射截面较小，反射信号不稳定，不易被传统的低空雷达探测及跟踪的缺点。(2)由于采用纯电子器件，没有机械转动部件，该方法的跟踪性能和运行可靠性也较传统的雷达有大幅提升。附图说明图1为本公开实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位示意图。图2为本公开实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位算法流程图。图3为本公开实施例互相关处理法求解几何时延的数据处理图。图4为本公开实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置组成框图。具体实施方式本公开提供了一种基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置和方法。通过使用多个监控天线对多轴飞行器的图传或者飞控信号进行被动接收，通过对多个监控天线接收到的无线电信号进行干涉处理及运算，得到多轴飞行器的空间位置。为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位算法为了便于解释本发明，将监控区域简化为一个正方体，监控天线布放在正方体下底面的四个顶点处。此种简化为了方便解释本发明，不作为对本发明的限定。在实际应用中根据需要监控区域的实际情况在监控坐标系中确定监控区域范围，从而确定监控区域的形状。所述监控区域的形状包括：正方体、圆柱体，球体等。图1是本实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位示意图。从图1中可以看监控区域内目标飞行器的图传或者飞控信号被四个监控天线接收到。由于目标飞行器和四个监控天线的几何位置关系以及监控系统由于时间同步及频标路径不同等原因，飞行器信号到达各个监控天线的信号采集单元会存在时延，称为观测时延。观测时延主要由几何时延和固有时延构成。其中几何时延是由监控天线与观测目标所处的几何位置引起，是进行观测目标定位需要的数据。图2为本公开实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位算法流程图。如图2所示，该算法用于对飞入监控区域的多轴飞行器进行空间定位，包括步骤：步骤s1，根据监控天线位置和监控区域，定义一个用于进行多轴飞行器定位计算的坐标系；所述步骤s1中坐标定义进一步包括：步骤s101，定义坐标系及各个天线坐标。为了方便理解本发明的工作原理，在本实施例中将监控区域简化为一个正方体，监控天线布放在正方体下底面的四个顶点处，如图1所示。定义监控坐标系的原点为监控天线a1所在点，a1a2连线指向正东为y轴正半轴，a1a3连线指向正南为x轴正半轴，a1a4连线为正方体下底面对角线，z轴经过原点指向天顶，垂直于x轴与y轴组成的平面，满足右手螺旋法则。则四个监控天线在监控坐标系中的坐标如下表所示：namex(m)y(m)z(m)a1000a2050000a3500000a4500050000表中name为异地天线阵中各个天线代号，x(m)\y(m)\z(m)分别表示每个监控天线在监控坐标系中的x轴,y轴,z轴数值，单位为米。步骤s102，对目标多轴飞行器到各天线的距离、各天线间的几何时延和固有时延进行定义，并根据几何时延和固有时延得到三个独立观测时延的表达式。如图2所示，将ta1定义为目标到监控天线a1的距离，同理可推广到ta2至ta4。将delay12定义为目标到监控天线a1的距离与目标到监控天线a2的距离的几何差值所引起的时间差，称为几何时延，同理可推广到delay13，delay14。将p12定义为监控天线a1和监控天线a2两者之间的固有系统时间差，称为固有时延，固有时延是由于两个监控天线信号处理系统的定时偏差和信号传输偏差引起，是一个可以测量的固定值，同理可以推广到p13和p14。将o12定义为目标发射信号到达监控天线a1和监控天线a2之间的时间差，称为观测时延，观测时延由几何时延和固有时延组成，同理可以推广到o13和o14。三组独立观测时延可由如下式表示：步骤s103，确定监控范围边界值，将边界范围外的干扰过滤掉。为了防止不在监控范围内的其他信号干扰整个监控系统，需要在系统中设置监控边界，把边界范围外的干扰过滤掉。在本实施例监控坐标系中，监控区域为一个正方体，其边界条件0≤x≤5000,0≤y≤5000,0≤z≤5000。边界范围确定后，可以确定每个几何时延的范围，从而确定互相关处理的窗口大小，同时当最后求解空间位置的过程中，如有有解落在边界范围之外可以不予考虑。对应到本实施例中几何时延delay12、delay13和delay14的边界范围如下：对应的delay12、delay13和delay14相关处理的时间窗口大小为5000/c,5000/c,步骤s2，布放四套监控天线接收多轴飞行器发出的无线电信号，对所述四套监控天线输出信号进行互相关处理，输出三组独立的观测值；为了能够对多轴飞行器进行定位，需要布放四套监控天线，这四套天线均只接收多轴飞行器发出的无线电信号，对四套监控天线输出信号进行互相关处理，输出三组独立的观测值，供后续的位置计算使用。步骤s2进一步包括：步骤201，固有时延p120、p130、p140的测量。在坐标系原点放置一个发射天线，模拟探测目标发射信号。对应到本实施例中，由于目标的位置已知，四个天线的坐标位置也已知，此时几何时延delay120、delay130和delay140如下：此时的观测时延o120、o130和o140可以通过信号的相关处理得到，假设o120、o130和o140分别取值如下：那么固有时延可以由如下式计算得到：步骤s202，获取几何时延delay12、delay13和delay14。选取监控天线a1作为参考天线，通过相关处理的算法得到依次监控天线a2、a3、a4到达参考天线的几何时延delay12、delay13和delay14。本实施例以几何时延delay12为例说明具体相关处理步骤，delay13和delay14可以依次类推。假设装置的采样速率为100msa/s,根据步骤s102确定的相关处理窗口大小，取1024个点作为相关处理数据。读入参考天线观测数据o1(tj)，取1024个点o1(t0)....o1(t1023)，固有时延p12＝0.02s，再选取天线2相关处理数据时，需要进行一个固有时延补偿，本实施例中需要往后错0.02s*100msa/s＝2*e6位读取数据，o2(t2e6+0)....o2(t2e6+1023)。将上述两组数据去除直流分量，进行快速傅立叶变换，并进行互相关，得到互相关频谱，对互相关频谱求傅立叶反变换，得到两组数据的互相关函数，互相关函数的最大值对应的时间偏移量就是这1024个数据的几何时延delay12。依次类推可以得到几何时延delay13和delay14。图3为本公开实施例互相关处理法求解几何时延的数据处理图，其中列出了本实施例delay12、delay13，delay14的获取过程。步骤s3，利用上述信号相关处理输出的三组独立的观测值列出三个空间位置关系方程组，求解这个空间位置关系方程组，计算出多轴飞行器在坐标系中的三维坐标。步骤s3进一步包括：假设目标t的坐标为(x,y,z)，定义为目标t到监控天线的向量，则从图1中的几何关系可以得到如下表达式：将本实施例中的具体参数带入，有如下方程组：求解上述方程组可得：至此，本公开第一实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位算法介绍完毕。在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置，该装置用于对飞入监控区域的多轴飞行器进行空间定位。图4为本公开第一实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置的结构示意图。如图4所示，本公开基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置包括：信号采集单元、时钟和频标单元和运算处理单元。以下分别对本实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置的各个组成部分进行详细描述。信号采集单元用于采集飞入监控区域的多轴飞行器发出的无线电信号。信号采集单元由天线、低噪声放大器、模数转换(adc)、信号处理等模块组成。其中，天线模块用于实现从空间接收多轴飞行器发出的无线电信号，供后续低噪声放大器使用；低噪声放大器模块用于对前端天线接收到无线电信号进行放大，供后续模数转换(adc)模块使用；模数转换(adc)模块，用于对低噪声放大器输出信号进行模数转换，将信号由模拟信号变换到数字信号；信号处理模块将采集到的数字信号进滤波、数字下变频、降速、格式化后供后续运算处理单元使用。时钟和频标单元连接到信号采集单元的输入端，为信号采集单元提供时钟和频率标准。时钟和频标单元可以分为源和分配模块。时钟和频率源为信号采集单元提供时钟和频率标准；由于整个定位装置需要四套信号采集单元，需要配备时钟和频标分配模块，将同源的时钟和频标分配成为四路供各个信号采集单元使用。运算处理单元连接到信号采集单元的输出端，对由信号采集单元采集到多轴飞行器的无线电信号进行运算处理，根据本公开提出的无源定位方法运算得到多轴飞行器位置信息。为了达到简要说明的目的，上述实施例1中任何可作相同应用的技术特征叙述皆并于此，无需再重复相同叙述。至此，本公开第一实施例基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位装置介绍完毕。本发明提出的基于无线电干涉测量技术的多轴飞行器无源定位方法和装置可以不需要布放辐射源，实现对多轴飞行器的快速定位。该发明在克服多轴无人飞行器雷达反射截面较小，反射信号不稳定，不易被传统的低空雷达探测及跟踪的缺点的同时还提高了监控设备的跟踪性能和运行可靠性。至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属
技术领域：
中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。在此提供的算法和显示不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本公开也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本公开的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本公开的最佳实施方式。本公开可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，可以在实践中使用微处理器或者数字信号处理器(dsp)来实现根据本公开实施例的相关设备中的一些或者全部部件的一些或者全部功能。本公开还可以实现为用于执行这里所描述的方法的一部分或者全部的设备或者装置程序(例如，计算机程序和计算机程序产品)。这样的实现本公开的程序可以存储在计算机可读介质上，或者可以具有一个或者多个信号的形式。这样的信号可以从因特网网站上下载得到，或者在载体信号上提供，或者以任何其他形式提供。本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。当前第1页12