基于空中平台的移动干扰源跟踪定位方法技术

本发明专利技术公开了基于空中平台的移动干扰源跟踪定位方法，主要解决现有技术采用多架无人机对移动式干扰源进行定位与跟踪，成本高且计算复杂的问题。其实现方案是：地面终端对空中平台巡航周围的电磁辐射信号进行频谱分析，若出现可疑频点，则计算干扰源的初始方位角与俯仰角；地面终端运用空间谱估计算法和三维空间坐标拟合算法建立初始预测模型；地面终端不断修正预测模型，直至其预测值h

【技术实现步骤摘要】
基于空中平台的移动干扰源跟踪定位方法


[0001]本专利技术属于通信
，特别涉及一种干扰源跟踪定位，可用于对在复杂电磁环境中异常辐射源造成通信干扰的抑制和消除。

技术介绍

[0002]随着无线通信系统的发展，电磁频谱环境日益复杂。私飞无人机、伪基站和黑广播等非法设备通常没有经过无线电管理委员会的许可，不但能够窃听人们的信息，并且对现有的通信性能造成很大的干扰。因此，通信系统的干扰源检测与定位显得愈发重要。
[0003]南京航空航天大学在其申请号为：202010579364.5的专利文献中提出“一种基于分布式无人机移动监测的干扰源直接定位方法”。该方法的实现步骤为：首先，提取L≥4个无人机监测节点接收的来自未知辐射源的辐射信号y；其次，对提取的辐射源信号进行离散傅里叶变换，得到信号频域表达式Y；接着，将多个监测站的频域数据进行合成，并建立和干扰源位置直接相关的代价函数；然后，多个无人机监测平台移动后重新监测，结合多次移动监测数据形成合成的代价函数；最后，基于相关法找出未知干扰源的位置。该方法由于利用无人机的空中性、分布性和移动性进行数据融合，导致其计算复杂度较高，不利于数据的实时传输；同时由于采用多架无人机，其运维成本较高，且鲁棒性较差。
[0004]桂林电子科技大学在其申请号为：202010823492.X的专利文献中公开了一种基于升空无人机的无线电频谱监测与定位系统和方法。该方法的具体步骤为：进行频谱监测飞行前，先输入地图信息和预设飞行高度，由移动地面站进行初步飞行路径规划；同时，移动地面站接收无人机发送的数据，在电子地图上实时更新无人机的位置和无线电信号源可能的位置范围；通过调整无人机的飞行路径规划，以在一次飞行过程确定多个无线电信号源的位置；另外，在无人机飞行过程，移动地面站即可收到数据，实时分析，无人机搜索和人工确认可以同步进行；最后，大部分的数据分析过程在移动地面站完成；在无人机飞行完成后，可以对存储装置中的数据进行进一步分析。该方法能够在一般的电磁环境下检测到干扰信号的存在。但存在两方面的不足：一是需要多架无人机，成本较高，且鲁棒性差；二是定位过程中需要多个升空测试点，对飞行精度要求较高，且采用比幅度测向法，定位精度不够高。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的缺陷，提出一种基于空中平台的移动干扰源跟踪定位方法，以减小平台成本，降低定位复杂度，提高定位精度和鲁棒性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的技术方案包括如下：
[0007](1)地面终端先确定监测区域，再以正东方向为y轴，正南方向为x轴，垂直于地面的方向记为z轴建立空间坐标系，并指挥单架空中平台到初始位置；
[0008](2)将均匀L型天线阵列搭载空中平台上，并通过空中平台在监测区域内巡航，接收周围电磁辐射信号，传回地面终端；
[0009](3)地面终端对巡航区域内的信号进行频谱分析，观察是否出现可疑干扰：
[0010]若未出现可疑频点，则继续执行(2)；
[0011]若出现可疑频点，则计算得干扰源初始方位角与俯仰角(α0,θ0)，并指挥空中平台继续向既定路线飞行，每隔L段距离采样一次电磁辐射信号，得出三组测量值(α
i
,θ
i
),i＝1,2,3；
[0012](4)根据相邻两组测量角度(α0,θ0)、(α1,θ1)，(α1,θ1)、(α2,θ2)和(α2,θ2)、(α3,θ3)，计算得出对应的三组高度估计值h0、h1、h2，由这三组高度估计值拟合出预测模型：H＝M(α,θ)，其中H为干扰源的高度预测值，α为方位角，θ为俯仰角；
[0013](5)地面终端指挥空中平台向第i个测量角度飞行L
′
的距离，计算此时的角度测量值(α
i+1
,θ
i+1
)，并将其代入预测模型H中得到干扰源的预测值
[0014](6)根据两组角度测量值(α
i+1
,θ
i+1
)与(α
i
,θ
i
)得出第i个干扰源的实际高度值h
i
，利用该实际高度值h
i
和干扰源的预测值对预测模型进行修正，得到修正后的预测模型H
′
＝M
′
(α,θ)；
[0015](7)将高度阈值h
λ
与预测值H
i
比较：
[0016]若H
i
≥h
λ
，则返回(5)；
[0017]若H
i
＜h
λ
，则表示空中平台已经到达干扰源的附近位置，地面终端记录当前位置，指挥空中平台返航。
[0018]本专利技术与现有技术相比，具有以下优点：
[0019]第一，本专利技术采用二维DOA定位估计算法结合三维坐标拟合的预测模型，使得对移动式干扰源的定位与跟踪只需要单架空中平台即可实现，相较于传统的多架无人机定位，有效地降低了运维成本，提高了定位与跟踪过程的鲁棒性；
[0020]第二，本专利技术通过无人机与地面终端的实时交互，结合实时的测量角度与测量距离，对无人机的飞行路径实时修改，实现了监测区域的精确搜索，提高了干扰源的定位精度。
附图说明
[0021]图1为本专利技术的实现流程图；
[0022]图2为本专利技术的定位原理图；
[0023]图3为本专利技术的定位性能仿真图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图详细描述本专利技术的实施例，该实施例仅用于解释本专利技术，而不能解释为对本专利技术的限制。
[0025]参照图1，本实例的实现步骤如下：
[0026]步骤1：确定监测区域，空中平台进行巡航准备。
[0027]1.1)地面终端根据异常辐射源的可能区域，并结合实际地空环境确定空中平台的监测区域；
[0028]1.2)空中平台根据监测区域进行如下巡航准备：
[0029]检查空中平台及其上搭载天线阵列与设备，开机；
[0030]地面终端设计飞行航线、高度，估算飞行时间；
[0031]设置监测频段，设置高度阈值H
λ
与角度阈值λ。
[0032]步骤2：空中平台开始巡航，并监测周围电磁辐射信号。
[0033]2.1)以正东方向为y轴，正南方向为x轴，垂直于地面的方向记为z轴建立空间坐标系，指挥单架空中平台至初始位置(x0,y0,z0)开始巡航，接收周围电磁辐射信号，传回地面终端；
[0034]2.2)地面终端对巡航区域内的信号进行频谱分析，观察是否出现可疑干扰；
[0035]若未出现可疑频点，则继续执行步骤2.1)；
[0036]若出现可疑频点，则计算干扰源初始方位角与俯仰角(α0,θ0)，指挥空中平台继续向既定路线飞行，每飞行L的距离采样一次电磁辐射信号，得出三组初始测量角度值(α
i
,θ
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空中平台的移动干扰源跟踪定位方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)地面终端先确定监测区域，再以正东方向为y轴，正南方向为x轴，垂直于地面的方向记为z轴建立空间坐标系，并指挥单架空中平台到初始位置；(2)将均匀L型天线阵列搭载空中平台上，并通过空中平台在监测区域内巡航，接收周围电磁辐射信号，传回地面终端；(3)地面终端对巡航区域内的信号进行频谱分析，观察是否出现可疑干扰：若未出现可疑频点，则继续执行(2)；若出现可疑频点，则计算得干扰源初始方位角与俯仰角(α0,θ0)，并指挥空中平台继续向既定路线飞行，每隔L段距离采样一次电磁辐射信号，得出三组测量值(α
i
,θ
i
),i＝1,2,3；(4)根据相邻两组测量角度(α0,θ0)、(α1,θ1)，(α1,θ1)、(α2,θ2)和(α2,θ2)、(α3,θ3)，计算得出对应的三组高度估计值h0、h1、h2，由这三组高度估计值拟合出预测模型：H＝M(α,θ)，其中H为干扰源的高度预测值，α为方位角，θ为俯仰角；(5)地面终端指挥空中平台向第i个测量角度飞行L
′
的距离，计算此时的角度测量值(α
i+1
,θ
i+1
)，并将其代入预测模型H中得到干扰源的预测值(6)根据两组角度测量值(α
i+1
,θ
i+1
)与(α
i
,θ
i
)得出第i个干扰源的实际高度值h
i
，利用该实际高度值h
i
和干扰源的预测值对预测模型进行修正，得到修正后的预测模型H
′
＝M
′
(α,θ)；(7)将高度阈值h
λ
与预测值H
i
比较：若H
i
≥h
λ
，则返回(5)；若H
i
＜h
λ
，则表示空中平台已经到达干扰源的附近位置，地面终端记录当前位置，指挥空中平台返航。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中计算对应测量角度(α0,θ0)、(α1,θ1)，(α1,θ1)、(α2,θ2)和(α2,θ2)、(α3,θ3)的三组高度估计值h0、h1、h2，是假设每两组的测量中干扰源的位置未变，根据其方位角与俯仰角联立两点坐标，得到其对应的高度估计值h0、h1、h2，即：根据得到根据得到根据得到其中L
x
表示干扰源在x轴上的投影，L
y
表示干扰源在y轴上的投影。3.得根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)中由三组高度估计值拟合出预测模型，实现如下：(4a)将干扰源的三个点坐标记为A(x1,y1,z1)、B(x2,y2,z2)，C(x3,y3,z3)，将三维空间中
直线的标准方程：转化为参数方程组：其中x、y分别表示干扰源在空间坐标系中x与y的投影；(4b)计算干扰源每个点x
i
与x之间误差的平方和，并计算干扰源每个点y
i
与y之间误差的平方和，构建出一组目标函数：其中x＝k1z+b1，y＝k2z+b2，I为测量点的总个数；(4c)将干扰源的i个坐标点(x
i
,y
i
,z
i
)代入目标函数，并对b,k分别求偏导得偏导方程组计算上述方程组，得到四个常数k1,k2，b1,b2；(4d)对参数方程组进行转化，得到干扰源对坐标系中z轴的投影z
x
、z
y
，其中z
x
＝(x
‑
b1)/k1，z
y
＝(y
‑
b2)/k2；(4e)对z
x
，z
y
取均值得干扰源的预测值：其中，(4f)将x3与y3中的常量θ3与α3转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李林，蔡晨雨，姬辛迪，臧博，张文博，崔黎明，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：