一种无人机的入侵和跟踪干扰系统及方法与流程

本发明涉及无人机防御技术领域，特别是一种无人机的入侵和跟踪干扰系统及方法。

背景技术：

无人机用途广泛，成本低，效费比好，无人员伤亡风险，生存能力强，机动性能好，使用方便，在现代战争以及民用领域有着极其重要的应用价值。但无人机有诸多优点的同时也存在着大量问题，随着无人机的日益普遍，人们可以不用复杂的训练就能以相对较低的价格购买并操作一台无人机进行航拍甚至携带危险物品，由此带来的隐私和安全问题也引起了人们的广泛关注。无人机的数量每年都成倍增长，意味着由其带来的风险和危害也在成倍增长，在无人机飞行范围内，未经允许捕捉私人图像或者传输视频，都会为生活和社会安全造成困扰。因此，对于敏感地区，用技术手段来监测、并驱离无人机就显得尤为重要。

目前，无人机防御系统中普遍采用信号干扰的方式对无人机进行防御，而目前无人机干扰设备的工作频段基本上都固定在1.5GHz、2.4GHz或者5.8GHz左右，对准的是一般消费级无人机的公开使用频段，而这些公开使用频段不仅仅是无人机在使用，还有很多其他的设备比如汽车上地导航装置以及手机导航还有wifi信号也都工作在上述所说的公开频段里面，而且干扰设备发送干扰信号的天线若为全向天线，就会对周边带电子通信的系统比如汽车、手机、wifi等等产生较大干扰。所以可以通过设计一种天线跟踪云台通过定向天线的方式向无人机跟踪发送干扰信号，从而减小信号干扰带来的附加影响。

此外，一个完整的无人机防御系统除了能够干扰无人机以外，还应具备对无人机进行侦测定位，目前普遍采用视频探测、音频探测、无线电探测等方式对无人机进行侦察以及定位，而这些侦察设备成本高、效率低，目前很难有效地对无人机进行精确的跟踪定位，还面临着很多技术瓶颈亟待解决，所以若能采用无线渗透的方式对无人机的通信数据包进行截获并从中获取无人机的运动和位置信息就成了一种高效地侦测无人机位置的手段，同时也能大大降低了侦测无人机的成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：在现有的无人机信号干扰设备的基础上，增加了无线电截获技术获取无人机的运动和位置信息，以一种高效低成本的方式实现对无人机的侦测定位，并且利用定向天线跟踪无人机的方式向目标无人机发送定向干扰信号，保证在干扰无人机正常工作以及捕获无人机的过程中降低信号干扰所带来的附加影响。

本发明为了解决上述技术问题提出的技术方案如下：一种无人机的入侵和跟踪干扰系统，该系统包括入侵设备单元、跟踪设备单元、干扰设备单元。

无线入侵设备单元通过监听无人机与地面站的通信频段，截获并解析数据包，获取无人机的运动和位置数据，并将无人机的位置数据发送给跟踪设备单元；

跟踪设备单元通过TELEM1接口与无线入侵设备单元相连，跟踪设备单元根据入侵设备单元发送过来的无人机位置信息，控制跟踪设备单元上的定向天线做360度范围内的水平偏转和180度范围内的俯仰偏转从而保证定向天线可以实时跟踪空中任意位置的无人机目标；

干扰设备单元包括分别可向目标无人机发送指令干扰信号、图传干扰信号和导航干扰信号的指令干扰模块、图传干扰模块和导航干扰模块；干扰设备单元通过SMA连接线与跟踪设备单元的定向天线相连，干扰设备单元产生的干扰信号通过跟踪设备单元的定向天线发送出去，从而实现对目标无人机的信号干扰。

进一步地，所述的无线入侵设备由一个定制的无线数传构成，来完成对目标无人机位置信息的截获；定制的无线数传是在普通的无线数传基础上对无线数传的固件源代码进行修改，使得定制的无线数传在接收到无人机发送过来的MavLink协议数据包时，先解析出数据包中的网络ID号，然后与定制的无线数传本身的网络ID号比较，如果网络ID号一致，则定制的无线数传就能直接与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，如果网络ID号不一致，则定制的无线数传不能与无人机建立连接，此时定制的无线数传会将自身的网络ID号自动设置成和数据包中的网络ID号一致，这时定制的无线数传就能与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，由于数据包中含有无人机运动以及位置等状态信息，故使用定制的无线数传就能截获无人机的位置信息，最后定制的无线数传会将截获的无人机数据包发送给与之相连的跟踪设备单元。本发明中将定制的无线数传作为无线入侵设备单元来截获无人机的位置信息，与无线入侵设备单元相连的跟踪设备单元就能获取到无人机的位置数据。

进一步地，所述的跟踪设备单元包括一个云台，两个舵机、一个GPS、地磁仪、一个定向天线、一个控制器；云台作为跟踪设备单元的主体，所有的设备都被安置在云台的特定区域，云台上包括水平转轴和垂直转轴，一个360度的舵机安装在水平转轴上负责控制云台水平偏转，水平偏转范围是360度，一个180度的舵机安装在垂直转轴上负责控制云台垂直偏转，垂直偏转范围是180度，两个舵机通过杜邦线分别与控制器相连。控制器安装于机架的垂直转轴上，GPS和地磁仪安装在垂直转轴的两端，GPS通过杜邦线与控制器的GPS接口相连用于测量跟踪设备单元自身的位置信息，地磁仪通过杜邦线与控制器的I2C接口相连用于跟踪设备单元进行角度测量。上述的无线入侵设备单元与跟踪设备单元中控制器的TELEM1接口相连，控制器通过接收无线入侵设备传过来的无人机位置信息，同时控制器通过相连的GPS和地磁仪来获取跟踪设备单元自身的位置信息以及云台的偏转角度，控制器分析无人机的位置信息和跟踪设备单元自身的位置以及角度信息，分别输出两路PWM波到云台上的两个舵机，利用占空比的变化，控制舵机的转动角度从而带动安装于云台上的定向天线做水平和垂直方向上的偏转，使得定向天线实时指向目标无人机的方向，定向天线可以跟随云台做360度范围内的水平偏转和180度范围内的俯仰偏转从而保证定向天线可以跟踪空中任意位置的无人机目标。

进一步地，所述的干扰设备单元包括选择开关、干扰样式产生器、变频器、功率放大器。干扰样式产生器包括数字频率合成器、压控振荡器和噪声源，干扰样式产生器接收选择开关发送的干扰控制信号，压控振荡器基于控制器的数字指令及噪声源信号，产生干扰所需频率的信号，但存在置频精度不高，同一指令下产生的频率重复性差等问题。采用数字频率合成器可产生频率准确的信号。用数字频率合成器接收上述噪声调频信号，与其自身产生的射频信号进行混频，从而产生宽带扫频信号或梳状谱干扰信号；干扰样式产生器产生的干扰信号经变频器输出至多个工作频段不同的功率放大器进行放大，干扰信号经过各功率放大器放大之后通过跟踪设备单元的定向天线辐射输出，从而达到干扰目标无人机信号的作用。

上述各功率放大器的工作频段在0.1GHz-6GHz范围内，各功率放大器均采用固态连续波功率放大器。如设置三个功率放大器，工作频段分别为1.5GHz、2.4GHz和5.8GHz，可以覆盖GPS/GLNOSS/BD所在的工作频段，以及2.4G和5.8G的无人机常用工作频段。各不同频段的功率放大器对无人机导航、指令以及图像干扰信号进行放大后，通过相应频段的天线进行辐射。固态连续波功率放大器可采用200W固态连续波功率放大器。

基于上述系统的无人机的入侵和跟踪干扰方法，包括以下步骤：

步骤一，通过无线入侵设备单元中定制的无线数传监听无人机与地面站的通信频段，接收到无人机发送到地面站的Mavlink数据包之后，先解析出数据包中的网络ID号，然后与定制的无线数传本身的网络ID号比较，如果网络ID号一致，则定制的无线数传就能直接与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，如果网络ID号不一致，则此时定制的无线数传不能与无人机建立连接，于是定制的无线数传会将自身的网络ID号自动设置成和数据包中的网络ID号一致，然后定制的无线数传就能与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，定制的无线数传将接收到的无人机数据包发送给跟踪设备单元的控制器；

步骤二，跟踪设备单元的控制器获得数据包中无人机的位置信息，并通过与控制器相连的GPS来测量跟踪设备单元自身的位置信息，同时与控制器相连的地磁仪用于测量跟踪设备单元中云台的偏转角度，控制器分析无人机的位置信息和跟踪设备单元自身的位置信息以及角度信息，输出特定占空比的PWM波指令给云台上的舵机，控制舵机在水平、垂直两个方向上分别转动特定的角度，从而带动云台上的定向天线转动，使得定向天线实时指向目标无人机的方位。

步骤三，干扰设备单元根据需要利用选择开关分别选择不同的信号干扰模块产生对应的无人机干扰信号，包括：指令干扰模块产生的无人机指令干扰信号；图传干扰模块产生的无人机图传干扰信号；导航干扰模块产生的无人机导航干扰信号。干扰设备单元可以选择上述一种或多种信号并通过跟踪单元的定向天线辐射发送出去从而实现对目标无人机的干扰。

本发明基于无人机信号干扰设备，针对目前无人机探测和抓捕的难点，用无线电截获技术获取无人机的运动和位置信息，并且利用跟踪的定向天线向无人机定向发送干扰信号，实现探测防御无人机的同时干扰无人机正常工作并且减小了信号干扰所带来的附加影响。

本发明的技术构思为：为了用无线电技术实现无人机入侵，通过入侵无人机对地通信网络来截获无人机的数据包。为入侵无人机对地通信网络，将无线数传的固件代码进行修改，使入侵设备单元的无线数传能够根据截获的网络ID号修改自身网络ID，从而接收无人机数传发送的数据包。为实现对无人机定向发送干扰信号来减小干扰信号带来的附加影响，设计了天线跟踪设备，根据无人机位置调整干扰信号的发送方向，实现对无人机的干扰。

本发明的有益效果为：本发明基于现有的无人机信号干扰设备，增加了无线电截获技术获取无人机的运动和位置信息，以一种高效低成本的方式实现对无人机的侦测定位，并且利用定向天线跟踪无人机的方式向目标无人机发送定向干扰信号，保证在干扰无人机正常工作以及捕获无人机的过程中降低信号干扰所带来的附加影响。具体有以下优点：

1.本发明通过改进无线数传的固件代码使得该定制的无线数传能够作为无人机的无线入侵设备，此入侵设备单元可以根据截获的数据包中网络ID号修改入侵设备自身的网络ID，进而与目标无人机建立连接并接收无人机上的数传发送的数据包，通过数据包中包含的关于无人机运动和位置等状态信息来实现对无人机的侦测定位，是一种高效地侦测无人机位置的方法，同时也能大大降低侦测无人机的成本。

2.本发明设计的天线跟踪系统通过定向天线的方式向无人机发送干扰信号，能够有效解决定向天线干扰范围固定而导致的干扰成功率低的问题，同时也避免为了提高干扰成功率而采用全向天线所导致的干扰影响范围大的问题。本发明所设计的天线跟踪系统在提高无人机干扰拦截成功率的同时也大大降低了信号干扰所带来的附加影响。

附图说明

图1所示为系统结构示意图；

图2所示为入侵设备结构示意图；

图3所示为跟踪设备结构示意图；

图4所示为干扰设备结构示意图；

图5所示为方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

参考图1，本发明的无人机入侵和跟踪干扰系统，包括入侵设备单元、跟踪设备单元、干扰设备单元：

无线入侵设备单元通过监听无人机与地面站的通信频段，截获并解析数据包，获取无人机的运动和位置数据，并将无人机的位置数据发送给跟踪设备单元；

跟踪设备单元通过TELEM1接口与无线入侵设备单元相连，跟踪设备单元根据入侵设备单元发送过来的无人机位置信息，控制跟踪设备单元上的定向天线做360度范围内的水平偏转和180度范围内的俯仰偏转从而保证定向天线可以实时跟踪空中任意位置的无人机目标；

干扰设备单元包括分别可向目标无人机发送指令干扰信号、图传干扰信号和导航干扰信号的指令干扰模块、图传干扰模块和导航干扰模块；干扰设备单元通过SMA连接线与跟踪设备单元的定向天线相连，干扰设备单元产生的干扰信号通过跟踪设备单元的定向天线发送出去，从而实现对目标无人机的信号干扰。

实施例

参考图2，本发明的无线入侵设备由一个定制的433MHz(或915MHz、2.4GHz)无线数传构成,来完成对目标无人机位置信息的截获；普通的433MHz(或915MHz、2.4GHz)无线数传用于无人机与地面站进行无线连接和通信，无人机和地面站各安装有一个普通的无线数传并通过设置成相同的网络ID号来保证无人机和地面站进行无线连接，并通过Mavlink协议进行无线通信。定制无线数传是在普通无线数传基础上对无线数传的固件源代码进行修改，使得定制无线数传在接收到无人机发送过来的MavLink协议数据包时，先解析出数据包中的网络ID号，然后与定制的无线数传本身的网络ID号比较，如果网络ID号一致，则定制的无线数传就能直接与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，如果网络ID号不一致，则定制的无线数传不能与无人机建立连接，此时定制无线数传会将自身的网络ID号自动设置成和数据包中的网络ID号一致，这时定制的无线数传就能与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，由于数据包中含有无人机运动以及位置等状态信息，故使用定制的无线数传就能截获无人机的位置信息，最后定制的无线数传会将截获的无人机数据包发送给与之相连的跟踪设备单元。本发明中将定制的无线数传作为无线入侵设备单元来截获无人机的位置信息，与无线入侵设备单元相连的跟踪设备单元就能获取到无人机的位置数据。

参考图3，本发明跟踪设备单元包括一个云台，两个舵机、一个GPS、地磁仪、一个定向天线、一个控制器；云台作为跟踪设备单元的主体，所有的设备都被安置在云台的特定区域，云台上包括水平转轴和垂直转轴，一个360度的舵机安装在水平转轴上负责控制云台水平偏转，水平偏转范围是360度，一个180度的舵机安装在垂直转轴上负责控制云台垂直偏转，垂直偏转范围是180度，两个舵机通过杜邦线分别与控制器相连。控制器安装于机架的垂直转轴上，GPS和地磁仪安装在垂直转轴的两端，GPS通过杜邦线与控制器的GPS接口相连用于测量跟踪设备单元自身的位置信息，地磁仪通过杜邦线与控制器的I2C接口相连用于跟踪设备单元进行角度测量。图2的无线入侵设备单元与跟踪设备单元中控制器的TELEM1接口相连，控制器通过接收无线入侵设备传过来的无人机位置信息，同时控制器通过相连的GPS和地磁仪来获取跟踪设备单元自身的位置信息以及云台的偏转角度，控制器分析无人机的位置信息和跟踪设备单元自身的位置以及角度信息，分别输出两路PWM波到云台上的两个舵机，利用占空比的变化，控制舵机的转动角度从而带动安装于云台上的定向天线做水平和垂直方向上的偏转，使得定向天线实时指向目标无人机的方向，定向天线可以跟随云台做360度范围内的水平偏转和180度范围内的俯仰偏转从而保证定向天线可以跟踪空中任意位置的无人机目标。

参考图4，本发明中，所述的干扰设备单元包括选择开关、干扰样式产生器、变频器、功率放大器。干扰样式产生器包括数字频率合成器、压控振荡器和噪声源，干扰样式产生器接收选择开关发送的干扰控制信号，压控振荡器基于干扰控制信号及噪声源信号，产生指定带宽的噪声调制信号，但存在置频精度不高，同一指令下产生的频率重复性差等问题。采用数字频率合成器可产生频率准确的信号。用数字频率合成器接收上述噪声调频信号，与其自身产生的射频信号进行混频，从而产生宽带扫频信号或梳状谱干扰信号；干扰样式产生器产生的干扰信号经变频器输出至多个工作频段不同的功率放大器进行放大，干扰信号经过各功率放大器放大之后通过跟踪设备单元的定向天线辐射输出，从而达到干扰目标无人机信号的作用。

上述各功率放大器的工作频段在0.1GHz-6GHz范围内，各功率放大器分别采用固态连续波功率放大器。如设置三个功率放大器，工作频段分别为1.5GHz、2.4GHz和5.8GHz，可以覆盖GPS/GLNOSS/BD所在的工作频段，以及2.4G和5.8G的无人机常用工作频段。各不同频段的功率放大器对无人机导航、指令以及图像干扰信号进行放大后，通过相应频段的天线进行辐射。固态连续波功率放大器可采用200W固态连续波功率放大器。

参考图5，基于上述的无人机的入侵和跟踪干扰系统的无人机的入侵和跟踪干扰方法，包括以下步骤：

步骤一，通过无线入侵设备单元中定制的无线数传监听无人机与地面站的通信频段，接收到无人机发送到地面站的Mavlink数据包之后，先解析出数据包中的网络ID号，然后与定制的无线数传本身的网络ID号比较，如果网络ID号一致，则定制的无线数传就能直接与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，如果网络ID号不一致，则此时定制的无线数传不能与无人机建立连接，于是定制的无线数传会将自身的网络ID号自动设置成和数据包中的网络ID号一致，然后定制的无线数传就能与无人机建立连接并且接收无人机发送过来的数据包，定制的无线数传将接收到的无人机数据包发送给跟踪设备单元的控制器；

步骤二，跟踪设备单元的控制器获得数据包中无人机的位置信息，并通过与控制器相连的GPS来测量跟踪设备单元自身的位置信息，同时与控制器相连的地磁仪用于测量跟踪设备单元中云台的偏转角度，控制器分析无人机的位置信息和跟踪设备单元自身的位置信息以及角度信息，输出特定占空比的PWM波指令给云台上的舵机，控制舵机在水平、垂直两个方向上分别转动特定的角度，从而带动云台上的定向天线转动，使得定向天线实时指向目标无人机的方位。

步骤三，干扰设备单元根据需要利用选择开关分别选择不同的信号干扰模块产生对应的无人机干扰信号，包括：指令干扰模块产生的无人机指令干扰信号；图传干扰模块产生的无人机图传干扰信号；导航干扰模块产生的无人机导航干扰信号。干扰设备单元可以选择上述一种或多种信号并通过跟踪单元的定向天线辐射发送出去从而实现对目标无人机的干扰。