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技术方案

本发明专利技术公开了一种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，属于无线电测向定位技术领域。本发明专利技术包括机载测向系统和地面控制系统，机载测向系统测量目标信号最大能量出现的来波方向，确定位置；地面控制系统远程控制机载测向系统和空中监测平台，实时获取定位结果。机载测向系统对目标信号进行采集并压缩，进行跳频信号提取，将方位角度、GPS位置和时间信息与跳频信号实时匹配；地面控制系统控制空中监测平台改变空中姿态，使机载测向系统确定目标信号最大能量出现的来波方向。本发明专利技术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，节约人力及资金，实现了对遥控器跳频信号的宽频段、全方位、高精度空间定位。

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术属于无线电测向定位
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术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。本专利技术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，实现对遥控本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空中无线电监测平台的无人机操作者定位系统，其特征在于，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；所述的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测向及定位结果；所述的目标信号为无人机遥控的跳频信号；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是提取恒模包络信号；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。

【技术特征摘要】
2017.09.01 CN 20171078005141.一种基于空中无线电监测平台的无人机操作者定位系统，其特征在于，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；所述的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测向及定位结果；所述的目标信号为无人机遥控的跳频信号；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是提取恒模包络信号；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。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的机载测向系统还包括天线、信号接收单元、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。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述的电子罗盘和GPS模块通过适配电路将三轴电子罗盘和GPS芯片进行整合，通过COM端口输出数据给数据处理单元。4.根据权利要求2或3所述的系统，其特征在于，所述的电子罗盘和GPS模块通过COM端口以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。5.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述的地面控制系统与机载测向系统之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏楠，鲍尧，王文帅，汪庭霁，胡中雨，冀维林，段洪涛，李景春，
申请(专利权)人：国家无线电监测中心，
类型：发明
国别省市：北京,11