基于空中无线电监测平台的无人机操作者定位系统及方法与流程

本发明属于无线电测向定位技术领域，涉及到无人机操作者定位方法，具体涉及到一种基于空中无线电监测平台的无人机地面遥控跳频信号定位系统及方法。

背景技术：

随着无人机技术的越发成熟和消费级无人机的蓬勃发展，无人机大量使用也带来了一些安全隐患，特别是“黑飞”事件屡禁不止，不仅严重扰乱空中交通秩序，危及航空安全，也给人民群众生命财产带来安全威胁，可以说无人机管控势在必行。作为国家无线电管理部门，应在无线电安全保障方面对无人机“黑飞”进行有效监管，需要快速发现和识别“不明”无人机，在第一时间内完成对目标信号的精确定位。其中关键的一个环节是对地面操作者进行定位和查找，从源头上消除潜在威胁。因此，如何快速准确对无人机遥控器发射的信号进行定位，是无人机无线电管控中一项至关重要的任务。

目前，针对无人机遥控信号的定位技术，以传统的地面可搬移式无线电监测设备为主体，并结合到达时间差(TDOA)或者到达角度(AOA)的测量，实现多点交汇定位。由于无人机遥控器通常工作在2.4GHz频段，信号极易受到建筑物或者障碍物遮挡而使传播路径发生改变。因此，上述定位技术对环境条件要求比较苛刻，设备需要架设在制高点或者无遮挡的地面监测区域。但是，在复杂城市环境中，设备架设条件受到限制，信号在传播过程中产生多径和非视距折射等情况，严重影响传统地面监测设备对目标信号的定位精度。

另外，无论是基于TDOA还是AOA的地面监测定位方法，都需要多台设备进行联合定位，这在一定程度上进一步加大了地面设备架设的难度。其中，TDOA方法是通过测量目标信号到达各监测点之间的时间差，可以获得以监测点为焦点，路径差为长轴的双曲线，双曲线的交汇点即为信号的位置估计，至少采用三个不同的监测点才能完成定位，各监测点设备之间需要进行时间同步，接收天线为单根全向天线；AOA方法是测量目标信号到达测向天线阵列各阵元之间的相位差，利用相关干涉仪、多普勒或空间谱等体制，对信号到达的角度进行计算，两条示向线的交点为信号的位置估计，至少采用两个不同的监测点实现定位，天线阵列体积较大，测向系统复杂度高。可以说，传统地面监测设备系统结构复杂，架设难度大，设备成本高昂。

传统地面监测设备一方面受限于复杂地理环境条件，另一方面无人机遥控信号所具备的快速跳频特性也提升了监测和定位的难度。以市场上主流的Futaba遥控器为例，信号频谱图如图1所示，跳频频段为2.405GHz-2.477GHz，总带宽为72MHz，分为36个信道，子信道带宽2MHz，通过时频分析可以得知，跳频信号在一个子信道停留时间约为3ms，可以计算出信号跳变速率约为333跳/s。针对如此快速跳变信号的监测和定位，给现有监测设备和技术带来很大的挑战，也为无线电管控能力提出了更高的要求。

综上，针对无人机遥控信号定位问题，现有设备和技术的缺点既体现在技术层面，也体现在对环境的要求和系统复杂程度，具体可以总结为以下几个方面：

(1)在复杂城市环境下，障碍物遮挡造成遥控器信号在传播过程中会产生多径和非视距情况，大幅度降低TDOA或者AOA等参数测量的精度，严重制约现有地面监测设备定位能力；

(2)基于地面监测设备的定位技术，目前主要用于常发信号的监测定位，针对无人机遥控器发射的快速跳频信号精确捕获和参数测量能力有限，严重影响定位精度。

(3)地面监测定位系统，需要在多点进行架设，位置相对固定，不能机动灵活完成对不同区域的发射源的定位任务，应急机动性能差。

(4)地面监测定位系统，体积大，结构复杂，经济成本高昂。

技术实现要素：

本发明是在传统地面监测定位技术基础上，创新性地提出一种基于空中无线电监测平台的无人机地面操作者测向定位系统及方法。本发明采用空中移动单站替代传统地面多站这一颠覆性理念，设计开发了集专用天线、信号采集、分析计算和网络传输等功能于一体的新型测向系统，突破性地提高定位精度和大幅降低定位成本，实现在空中无遮挡的情况下对目标进行快速定位。

本发明提供的基于空中无线电监测平台的无人机操作者定位系统，包括机载测向系统和地面控制系统。机载测向系统搭载于空中监测平台，并与地面控制系统之间通过无线网络通信。机载测向系统在空中监测目标信号，测量目标信号最大能量出现的来波方向，确定无人机操作者的位置。地面控制系统用于远程控制机载测向系统和空中监测平台，并从机载测向系统实时获取定位结果。

所述的机载测向系统包括数据处理单元，数据处理单元中实现的功能包括：对天线接收到的信号进行监测，当监测到目标信号时进行信号采集；对采集的信号进行同步数据压缩和数据处理，提取跳频信号，所述的数据处理包括提取恒模包络信号；实时将跳频信号与电子罗盘的方位角度数据、GPS位置和时间信息关联起来；根据在各个方向上对目标信号能量的测量，确定最大能量出现的来波方向，根据测向线计算无人机操作者的位置。

通过控制空中监测平台改变空中姿态，使机载测向系统在各个方向上对目标信号能量进行测量。通过控制空中监测平台变换位置，使机载测向系统进行多次目标信号方位测量。机载测向系统在不同位置对目标信号与接收端之间的方位角度进行测量后，对测向结果进行融合定位，确定无人机操作者的位置。

所述的机载测向系统还包括天线、信号接收机、供电单元、电子罗盘和GPS模块以及无线网络传输单元。所述的天线为定向天线，工作频率范围为2.4GHz-2.5GHz；所述的信号接收单元的工作频率范围含2.4GHz-2.5GHz；所述的天线和信号接收单元将接收到的信号发送给数据处理单元；所述的供电单元为数据处理单元供电；所述的电子罗盘和GPS模块将电子罗盘的方位角度数据以及GPS位置和时间信息传输到数据处理单元。

相应地，基于所述的定位系统，本发明提供的一种基于空中无线电监测平台的无人机操作者定位方法，对地面遥控信号进行定位，包括如下步骤：

步骤一：机载测向系统搭载于空中监测平台在空中移动，在2.4GHz-2.5GHz频段全方向搜索监测目标信号，当搜索到目标信号时，进行下一步；所述的目标信号为无人机遥控的跳频信号；

步骤二：机载测向系统对目标信号进行采集并对数据压缩；

步骤三：机载测向系统对压缩后数据进行跳频信号提取，包括：首先提取恒模包络信号，然后构造参考信号模板，与得到的恒模包络信号进行互相关计算，得到的相关峰值反映出跳频时隙中心位置，也代表该时隙信号在某一方向上的能量值；

步骤四：机载测向系统将电子罗盘输出的方位角度数据以及GPS位置和时间信息，与采集的跳频信号在时间维度上进行实时匹配；

步骤五：控制空中监测平台改变空中姿态，使机载测向系统在各个方向上对目标信号能量进行测量，对采集时间内各相关峰值的幅度进行累加，得到该时刻跳频信号总能量，确定目标信号最大能量出现的来波方向；

步骤六：变换空中监测平台位置，进行多次目标信号方位测量；

步骤七：根据步骤六各个方位角测量值，进行联合优化定位。

本发明的优点和积极效果在于：本发明利用空中监测平台对无人机地面操作者进行精确、快速定位，克服了传统地面监测设备对环境的依赖，从根本上消除了多径和非视距对定位精度的影响。本发明是根据实际需求提出，特别适用于复杂城市环境下无条件架设多点地面监测设备的区域，可节约大量人力及资金，采用机动灵活的空中监测系统，实现对遥控器跳频信号的宽频段、全方位、高精度空间定位，具有重要的实际意义。本发明将相关处理技术与跳频信号参数测量技术有机结合，实现对无人机遥控器发射的快速跳频信号进行精准捕获。

附图说明

图1为无人机遥控器跳频信号时频域占用情况示意图；

图2为本发明提供的无人机操作者定位系统的结构示意图；

图3为本发明提供的无人机操作者定位系统示意图；

图4为本发明提供的无人机操作者定位方法的一个流程示意图；

图5为2.4GHz专用高增益定向接收天线实物图；

图6为本发明在高信噪比条件下，跳频信号提取情况的一个示意图；

图7为本发明在低信噪比条件下，跳频信号提取情况的一个示意图；

图8为本发明测向系统软件界面：在地点A对目标信号的测向结果；

图9为本发明测向系统软件界面：在地点B对目标信号的测向结果；

图10为本发明测向定位结果在地图上显示情况的一个示例图；

图11为本发明所采用的一个空中无线电监测平台静态实物图；

图12为本发明所采用的空中无线电监测平台空中姿态图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

本发明提出的基于空中无线电监测平台的无人机地面操作者定位系统，用于解决无人机管控新形势下对操作者定位的实际问题，是一项全新的监测定位手段。本发明能够对提升无人机管控能力、维护人民财产安全和社会稳定起到重要积极作用。本发明的核心技术是实现在复杂背景噪声下对跳频信号快速发现和精确定位。系统结构简单、集成度高、体积小、重量轻、机动性强，能够对突发情况做出快速反应，同时大幅度降低了建设成本，具有重大现实意义。

本发明的核心是利用空中监测平台，在无遮挡情况下对地面遥控器信号进行精确、快速的定位。要完成这一核心目标，需要解决问题如下：

(1)2.4GHz宽频段数据采集、压缩及快速处理；

(2)微弱跳频信号快速发现和准确提取；

(3)跳频信号接收信号能量与电子罗盘方位角数据高精度同步；

(4)机载系统远程控制；

(5)高精度优化定位方法；

(6)方便灵活的小型化空中监测系统。

本发明的空中无线电监测平台的无人机操作者定位系统，包括两个子系统，分别是机载测向系统和地面控制系统，如图2所示。机载测向系统以数据处理单元为核心，还包括天线、信号接收单元、供电单元(即电源单元)、电子罗盘和GPS模块以及无线网络传输单元，可实现在空中无遮挡情况下对地面目标进行高精度定位。地面控制系统是将主控计算机通过无线网络与机载测向系统进行连接，实现对机载测向系统和空中监测平台的远程控制及测向和定位结果的实时回传和显示。

如图3所示，机载测向系统搭载于空中监测平台可进行快速移动，采用小型化单通道数据采集模块并结合专用定向监测天线和电子罗盘，通过测量捕获到跳频信号在不同方向上能量的变化，对目标信号到达角度进行计算。机载测向系统可在不同位置测量目标信号与接收端之间的方位角度，并对多组测向结果进行优化融合，计算辐射源的位置。

优选地，对本发明的定位系统中的硬件具体要求如下：

(1)专用监测接收天线参数要求：频率范围：2.4GHz-2.5GHz；方向性：定向天线；增益：≥20dBi；驻波比：≤1.5(全频段)。

(2)高精度信号接收机性能要求：频率范围：含2.4GHz-2.5GHz；采样速度：≥5Msps；频率精度：≤1e-7/Hz；增益类型：AGC(自动增益控制)；动态范围：≥110dB。

(3)数据处理单元配置要求：USB3.0端口数量：≥2；内存：≥8GB；处理器：i5及以上；操作系统：win7及以上。

(4)电子罗盘及GPS数据模块要求：电子罗盘方位角度精度：≤0.1°；GPS位置精度：≤10m；GPS时间精度：≤30ns；数据输出速率：≥20Hz。

(5)电源单元要求：直流输出电压：≥19V；容量：≥32000mA。

(6)网络传输单元要求：无线通信频率：5.8GHz频段；通信距离：无遮挡条件下≥3km。

(7)地面主控单元要求：内存：≥8GB；处理器：i7；操作系统：win7及以上。

如图2所示，天线接收在频率范围内的信号，信号接收单元采集信号并发送给数据处理单元；电源单元为数据处理单元供电；电子罗盘和GPS模块将电子罗盘的方位角度数据以及GPS位置和时间信息传输到数据处理单元。无线网络传输单元用于将数据处理单元计算的测向和定位结果发送给地面控制系统。数据处理单元对接收的信号进行监测，当监测到目标信号时进行信号采集；对采集的信号进行同步数据压缩和数据处理，提取跳频信号；并实时将跳频信号与电子罗盘的方位角度数据、GPS位置和时间信息关联起来，根据在各个方向上对目标信号能量的测量，确定最大能量出现的来波方向，根据测向线计算无人机操作者的位置。

如图4所示，本发明提供的基于空中监测平台的无人机地面操作者定位方法的一个流程图，其中对目标信号进行了多次测向，具体步骤实现如下：

步骤一：全方向搜索监测目标信号。

无人机遥控常用发射频率处于2.4GHz-2.5GHz，此频段同时也开放给工业、科学、医学三个主要机构使用，无需授权许可。频段内信号数量较多，遥控信号发射功率低，信号跳变速度快，常规监测定位手段效果不理想。因此需要根据目标信号(即无人机遥控信号)特征，首先确定目标信号是否出现，判断方法如下：采用研制的专用高增益定向天线，如图5所示，并结合信号分析处理软件，在各个方向上搜索监测区域内目标信号。根据其频率、带宽、跳频速率等参数的特征，确定是否为目标信号，如果是，则转步骤二，否则继续进行搜索监测。

步骤二：参数设置及信号采集压缩。

根据目标信号特征和监测区域内频段占用情况，智能设置数据处理单元中信号采集模块对应的频点、采样带宽、采样速率和增益等参数，并触发信号采集功能。如果侦测到遥控器跳频信号所在频段存在wifi或者其他大信号，系统可自动识别不受其他信号干扰的跳频子信道，并进行采集；在不存其他干扰信号的情况下，可对跳频信号进行宽带高速采集，针对这种情况，需要对采集的信号进行同步数据压缩和处理，数据压缩是在信号不失真的情况下最大程度上提高系统运行效率，本发明中数据压缩比应大于10：1。数据处理在下面步骤三中进行说明。步骤二针对本发明提到的关键问题(1)，即2.4GHz宽频段数据采集、压缩及快速处理，提供了有效的解决方法。

步骤三：跳频信号提取。

跳频信号在时域和频域均为非连续的，若对采集压缩后的数据直接处理，会使噪声的影响进一步放大。因此，需要对信号预处理，实现信号跳变时隙的准确捕获。信号提取是采集压缩后自动完成，采集到的数据是I/Q(同相正交)数据，具体提取方法如下：

(1)提取恒模包络信号。对接收到的I/Q数据取模值，得到包络信号。在图6中上图中，信号采集带宽为2.5MHz，对目标信号近距离采集，在0.5秒采集时间内，只出现了两个跳变信号，每个信号持续时间约为0.005秒。在高信噪比条件下，通过处理后的包络信号平均电平要明显高于背景噪声。

(2)构造参考信号模板，与得到的包络信号进行互相关计算，进一步提升信号识别和发现的能力。如图6下图所示，相关函数峰值准确反映出跳频时隙中心位置，信噪比得到大幅度提高，同时相关峰值也代表该时隙信号在某一方向上的能量值。相关技术的另一优势体现在对低信噪比信号的处理能力。图7给出对目标信号远距离采集的情况，在上图的包络波形中，很难发现跳频信号及所在位置，而通过相关计算后，可以清晰地显示出信号参数信息。

经过步骤一至三对信号处理后，本发明中涉及到的关键问题(2)，即微弱跳频信号快速发现和准确提取，得到了解决。

步骤四：电子罗盘、GPS与采集数据高精度同步。

对步骤三中采集时间内各相关峰值的幅度进行累加，得到该时刻跳频信号总能量。由于本发明需要通过测量目标信号在不同方向上能量的变化情况来判断来波方向，因此信号采集模块应与电子罗盘配合使用，且精确同步。本发明中，根据实际需要，研制开发电子罗盘与GPS适配模块，该模块通过适配电路将目前独立的三轴电子罗盘和GPS芯片进行整合和数据输出，提升数据输出频率和测量精度。本发明中该模块通过COM端口可以最大以20Hz的速率将电子罗盘的方位角度数据以及GPS位置和时间信息输出到数据处理单元，并与跳频信号数据在时间维度上进行实时匹配，将信号能量与方位角度关联起来。步骤四针对提到的关键问题(3)，即跳频信号接收信号能量与电子罗盘方位角数据高精度同步，提供了有效的解决方法。

步骤五：根据能量变化计算来波方向。

空中监测平台通过远程控制改变空中姿态，在各个方向上对目标信号能量进行测量。图8给出测向定位系统软件界面，该图涉及到的场景中，空中监测平台飞行高度50m，距离目标信号地面直线距离200m，通过接收信号能量的变化，可以推算出最大能量出现的来波方向为294.7°。

步骤六：变换空中监测平台位置，进行多次目标信号方位测量。

如图9所示，空中监测平台在另一位置，重复步骤二到步骤五，再次对目标信号的来波方向测量结果为351.1°。空中平台姿态的控制以及测量参数的设置是通过地面控制系统来实现的。由于2.4GHz无线传输频段与遥控器跳频信号频段重叠，为减少附加干扰，本发明使用5.8GHz无线网络组建点对点式局域网实现地面主控系统对机载测向系统的远程控制，使用433MHz频段对空中监测平台姿态的控制。在无障碍物遮挡情况下，有效通信距离可达3公里以上。该方法可以解决本发明的关键问题(4)，即机载系统远程控制。

步骤七：联合优化定位。

根据步骤五和步骤六的测向结果，计算测向线的交汇点，得到目标信号的位置估计。图10给出基于两次方位实际测量的定位结果，并在地图上进行了标记，经过实际勘查，定位误差为5m。当测向次数大于2次，可对多个测向线交汇点进行优化融合处理，本发明采用基于粒子滤波算法的非线性参数估计方法对目标位置进行优化定位，该方法以递推式估计的方式逐步剔除定位奇异点，进一步提高精度。步骤七可以有效解决本发明中的关键问题(5)，即高精度优化定位方法。

综上，通过使用本发明中开发的空中监测定位系统对无人机跳频遥控信号定位的效果可以看出，该系统及配套的算法能够达到预期目标，能够满足目前对无人机“黑飞”地面操作者定位的精度要求。

本发明实施例中，设计开发的测向定位系统是以大型八旋翼无人机为载体。图11给出了该平台的静态实物图，从图中可以看出，监测系统挂载于无人机旋翼下方、脚架之间。平台最大负载10公斤，监测系统设备总重量不足5公斤，体积小、重量轻。图12给出了该平台在空中的姿态图，飞行稳定性高、机动性强，飞行时速可达15m/s，并且能够适应恶劣天气，有效飞行时间约为30分钟。可以说，本发明研制的空中监测平台是方便灵活的小型化空中监测系统，解决了本发明的关键问题(6)。

该发明利用空中平台对地面目标进行定位，突破传统地面设备的局限性，大幅度降低经济成本，弥补在大范围的区域内，对无人机跳频遥控信号高精度定位的空白。在无人机管控无线电安全保障中发挥了重要作用，现实意义重大。