一种无人机预警管控方法及系统与流程

本发明涉及无人机预警管控技术领域，具体是一种基于无人机所发射信号的无人机预警管控方法及系统。

背景技术：

近年来，随着中小型无人机的研发与生产门槛的大幅降低，轻小型民用无人机大量进入市场，成为爱好者手中的“高端玩具”，其商用价值也不断拓展，被广泛应用于航拍测绘、管路巡线、森林防火、农林作业、物流餐饮等诸多领域。然而，由于我国民用无人机管理的相关法律法规和行业标准尚不完善，导致无人机市场发展自由度较大，产品质量参差不齐，各地因无人机“黑飞”导致的安全事件屡见报端，有的甚至引发空中险情，危及军民航飞行安全和公共安全，引发公众及相关国家部门的担忧。目前缺乏有效手段对无人机进行预警管控，随着轻小型无人机的普及，无人机所带来的安全隐患会越来越大，越来越迫切地需要有效的无人机预警管控技术。

随着技术的进步，商业无人机续航里程不断增加，飞行速度可达到20m/s，飞行高度最高可到2000m，对无人机进行预警管控的首要任务是发现并识别目标。商业无人机由于其体积小，机身材质金属成分很少，其雷达反射截面积(RCS)非常小，且飞行高度很低，因此采用常规雷探测手段很难发现并识别无人机目标。通过对商业无人机工作模式的研究发现，无人机升空后会不断的向外发射信号，本发明通过对无人机自身发射信号的接收处理，可实现对无人机的识别、定位跟踪与预警，而预警系统只接收信号，不需要发射大功率信号，不会对周围电磁信号形成干扰，且具备作用距离远、抗干扰能力强等优势。

基于无人机自身发射信号的特征，本发明通过对无人机发射信号的接收、处理、识别及定位跟踪，完成对无人机的发现识别、定位跟踪与预警，全程监视无人机在空中的活动情况，一旦发现非法无人机闯入“禁区”，即采取措施对目标进行射击，将目标驱离或击落，从而实现对无人机的有效预警与管控，保障空域安全、飞行安全、公共安全及重点区域安全。一套预警管控系统的有效监视范围可达到数公里，通过多套系统的组网，可以实现数十公里甚至上百公里范围内目标的预警与管控。

技术实现要素：

针对目前商业无人机预警管控存在的技术空白问题，本发明公开了一种无人机预警管控方法及系统，包括信号接收单元、通信传输单元、采集处理单元、定位跟踪单元、预警监视单元。所述信号接收单元用于接收无人机目标所发射的信号，通信传输单元采用有线或无线通信方式将所接收的信号传输至采集处理单元，采集处理单元完成信号的采集处理，自动识别无人机目标并提取目标特征信息，估计相关定位参数，基于采集处理单元输出的结果，定位跟踪单元完成对目标的定位与跟踪，提取目标位置和速度信息并发送给预警监视单元，预警监视单元在电子地图上显示目标位置、速度及轨迹信息，基于目标特征信息，自动识别是否为非法目标，同时预测目标下一时刻的位置，通过在电子地图上划定区域，预警监视单元自动提取区域的边界形成电子防区，结合目标位置和速度信息，自动判断非法目标是否会闯入电子防区，对即将闯入飞行“禁区”的非法目标提前触发告警，非法目标闯入飞行“禁区”后，将包含目标位置和速度的射击引导信息发送给驱离射击单元，由驱离射击单元对非法闯入的目标进行射击，预警监视单元同步监视射击效果，直到将目标驱离或击落为止，实现对无人机的全自动、全天候、全程监视，提前预警，并对非法闯入目标进行驱离射击，最终完成对无人机的有效预警与管控。

本发明的技术方案如下：

一种无人机预警管控方法包括：

步骤1：利用多个信号接收单元同时接收无人机发射的信号，并将所接收到的信号通过通信传输单元传输至采集处理单元；

步骤2：采集处理单元同步完成对所接收信号的采集处理、特征提取与参数估计，自动识别无人机目标，并将无人机目标特征数据及定位参数发送到定位跟踪单元；

步骤3：基于采集处理单元输出的目标特征数据和定位参数，定位跟踪单元完成对多个目标的定位与跟踪，输出目标位置、速度到预警监视单元；

步骤4：预警监视单元首先在电子地图上完成目标位置、速度及运动轨迹的显示，基于目标特征信息，自动识别是否为非法目标，同时基于目标当前位置和速度，对目标下一时刻的位置进行预测，通过在电子地图上划定区域，预警监视单元自动提取区域的边界形成电子防区，结合目标位置和速度信息，自动判断非法目标是否会闯入电子防区，并预估非法目标进入电子防区的时间。

进一步的，一种无人机预警管控方法还包括步骤5：非法目标闯入电子防区后，预警监视单元自动触发报警，并将包含目标位置和速度的射击引导信息发送给驱离射击单元；基于预警监视单元提供的射击引导信息，驱离射击单元实施对非法闯入目标的射击，预警监视单元同步监视射击效果，直到将目标驱离或击落为止，实现对无人机的预警与管控。

进一步的，所述通过设置多个接收站，利用接收单元对无人机所发射信号进行接收，并将接收到的信号发送至通信传输单元。

进一步的，利用通信传输单元将各信号接收单元所接收的信号传送至采集处理单元。

进一步的，对多个接收站的信号进行同步采集处理，估计接收信号参数，包括信号到达方位角、信号到达时差或距离差、信号到达频差。

进一步的，利用方位角、信号到达时差或距离差、信号到达频差完成对目标的定位与跟踪，获取目标位置及运动速度信息，并将目标位置、速度及特征发送至预警监视单元。

一种基于无人机自身发射信号的无人机预警管控系统包括信号接收单元，通信传输单元、采集处理单元、定位跟踪单元、预警监视单元和驱离射击单元，所述信号接收单元由接收天线和接收通道组成，用于接收无人机目标所发射的信号，通信传输单元采用有线或无线通信方式将所接收的信号传输至采集处理单元，采集处理单元由采集模块和信号处理模块组成，采集模块完成信号的采集，信号处理模块通过对信号的处理，自动识别无人机目标，并提取目标特征信息，估计相关定位参数，基于采集处理单元输出的结果，定位跟踪单元完成对目标的定位与跟踪，提取目标位置和速度信息并发送给预警监视单元，预警监视单元在电子地图上显示目标位置、速度及轨迹信息，基于目标特征信息，自动识别是否为非法目标，同时预测目标下一时刻的位置，通过在电子地图上划定区域，预警监视单元自动提取区域的边界形成电子防区，结合目标位置和速度信息，自动判断非法目标是否会闯入电子防区，并预估非法目标进入电子防区的时间。目标特征信息包括目标身份和信号参数。

进一步的，对即将闯入飞行“禁区”的非法目标提前触发告警，并将包含目标位置和速度的射击引导信息发送给驱离射击单元；基于预警监视单元提供的射击引导信息，驱离射击单元实施对非法闯入目标的射击，预警监视单元同步监视射击效果，直到将目标驱离或击落为止，实现对无人机的预警与管控。

通过采用以上的技术方案，本发明的有益效果为：基于对无人机自身发射信号的接收、处理、特征提取，实现对无人机的发现识别、定位跟踪与预警，能够实现全程监视、全天候、全自动预警，并能够对非法目标进行驱离射击，自动预测目标位置并提前预警是否将闯入防区，自动引导驱离射击单元对闯入防区的非法目标进行射击，将目标驱离或击落，从而实现对无人机的有效预警与管控，保障空域安全、飞行安全、公共安全及重点区域安全。预警管控系统只接收信号，不需要发射大功率信号，不会对周围电磁信号形成干扰，且能够自动识别无人机目标，自动识别非法目标，具备作用距离远、抗干扰能力强等优势，利用多套系统的组网，可实现上百公里范围内的无人机目标预警监视与管控。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1为无人机预警管控系统原理图。

图2为定位原理示意图。

图3为方位角测量原理图。

图4为到达频差测量原理图。

图5为预警管控系统处理流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图，详细说明本发明的具体实施方式。

本发明公开了一种无人机预警管控方法，该方法基于无人机自身发射信号，通过设置多个信号接收站对信号接收处理，提取目标特征信息并识别无人机目标，估计各接收站的信号参数，基于信号参数与目标位置间的关系构建定位方程，通过求解定位方程获得目标位置，采用跟踪滤波技术进一步抑制定位误差，得到更准确的目标位置与速度，在电子地图上实时显示目标位置及运动轨迹等信息，基于目标特征信息自动识别非法目标，基于目标位置和速度信息预测目标进入防区的时间，实现全程监视、提前预警，非法目标闯入防区后，自动引导驱离射击单元进行射击。

所述无人机预警管控方法及系统组成原理图如图1所示，主要包括信号接收单元、通信传输单元、采集处理单元、定位跟踪单元、预警监视单元及驱离射击单元。无人机预警管控具体实施步骤如下：

1.信号接收单元同步接收无人机所发射信号，并将所接收到的信号发送至通信传输单元；

2.通信传输单元将各信号接收单元所接收的信号传输至采集处理单元，由采集处理单元完成对所接收信号的同步采集，自动识别无人机目标并提取目标特征，估计信号参数，包括到达方位角、到达时差、到达频差等定位参数；

3.如图2所示定位原理图，基于采集处理单元所获取的定位参数，信号到各接收站的传播距离不同，信号到达各接收站后存在到达时差或距离差，目标相对各接收站的相对速度不同，信号到达各接收站后存在到达频差。其中目标T(x,y,z)到接收站S_i(x_i,y_i,z_i)之间的距离为r_i：

接收站S₀(x₀,y₀,z₀)与S_i(x_i,y_i,z_i)之间的距离为L_i：

对距离r_i求微分可得目标相对于S_i的径向速度

利用方位角、到达时差、到达频差等参数构建目标定位方程并求解目标位置，具体步骤如下：

a)如图3所示，基于接收站S_i与目标T(x,y,z)之间的关系，可得方位角α_i的测量方程：

b)如图2所示，以接收站S₀为参考，接收站S_i与目标位置T之间的关系，可得到达时差t_i0(或距离差)的测量方程：

其中t_i为信号到达接收站S_i的时间，c为电磁波传播速度。

c)如图4所示，以接收站S₀为参考，接收站S_i与目标位置T(x,y,z)和速度之间的关系，可得到达频差f_i0的测量方程：

其中f_i为信号到达接收站S_i的频率，λ为信号波长，为目标T相对于S_i的径向速度即目标速度在r_i方向上的投影。

d)由测量方程(4)～(6)可知，方位角、到达时差及到达频差三个测量值中包含了目标位置和速度信息，利用测量方程(4)～(6)构建关于目标状态的定位方程：

Z_m＝G(X)+σ_m (7)

其中Z_m＝[α_i,t_i0,f_i0]^T为参数测量向量，σ_m为参数测量误差向量，G(X)为关于目标状态的测量方程：

e)定位方程(7)中有六个未知数即目标位置T(x,y,z)和速度通过布置多个接收站，提供不少于六个测量方程，通过求解定位方程(7)就可以获得目标位置T(x,y,z)和速度信息。

4.基于对目标定位方程求解所获得的目标位置信息，采用跟踪滤波技术对目标进行连续跟踪，进一步抑制定位误差，得到稳定的目标位置及速度信息并发送到预警显示单元，完成对目标的预警显示与管控，具体处理流程如图5所示；

5.预警显示单元在电子地图上显示目标位置、速度、运动轨迹以及目标特征等信息；

6.基于目标当前位置和运动速度，预测T秒后的目标位置，结合电子防区，预报目标进入防区的时间；基于目标特征信息，自动识别是否为非法目标；

7.预警显示单元检测到非法目标闯入电子防区后立即触发报警，并自动发送包含目标位置及速度的射击引导信息到驱离射击单元；

8.驱离射击单元根据射击引导信息对非法目标进行射击，预警显示单元同步监视对目标的驱离射击效果，直到将非法目标驱离或击落为止，实现对无人机目标的预警与管控。

本发明还公开了一种无人机预警管控系统，其具体包括信号接收单元、通信传输单元、采集处理单元、定位跟踪单元、预警监视单元和驱离射击单元，所述信号接收单元由接收天线和接收通道组成，用于接收无人机目标所发射的信号，通信传输单元采用有线或无线通信方式将所接收的信号传输至采集处理单元，采集处理单元由采集模块和信号处理模块组成，采集模块完成信号的采集处理，信号处理模块通过对信号的处理，自动识别无人机目标并提取目标特征信息，估计相关定位参数，基于采集处理单元输出的结果，定位跟踪单元完成对目标的定位与跟踪，提取目标位置和速度信息并发送给预警监视单元，预警监视单元在电子地图上显示目标位置、速度及轨迹信息，基于目标特征信息，自动识别是否为非法目标，同时预测目标下一时刻的位置，自动判断非法目标是否会闯入电子防区，通过在电子地图上划定区域，预警监视单元自动提取区域的边界形成电子防区，结合目标位置和速度信息，并预估非法目标进入电子防区的时间。

上述系统还包括预警显示单元，用于完成目标位置、速度、运动轨迹及目标特征的显示，同时基于目标当前位置和速度信息预测T秒后的位置，结合电子防区，预报目标进行防区的时间，实现提前预警；基于目标特征信息自动识别是否是非法目标，检测到非法目标闯入电子防区后立即触发报警，并自动发送包含目标位置及速度的射击引导信息到驱离射击单元。

上述系统还包括驱离射击单元，驱离射击单元采用无线电方式对指定目标进行驱离射击，基于预警显示单元提供的射击引导信息，对非法闯入目标执行驱离射击，预警显示单元同步监视对目标的射击效果，直到将非法目标驱离或击落为止。

所述发明方法及系统不仅可用于无人机的预警监视与管控，同样可用于其它空中目标的预警监视与管控。上述的实施例中所给出的系数和参数，是提供给本领域的技术人员来实现或使用发明的，发明并不限定仅取前述公开的数值，在不脱离发明的思想的情况下，本领域的技术人员可以对上述实施例进行种种修改或调整，因而发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权利要求书提到的创新性特征的最大范围。