CN108089205B

CN108089205B - 一种无人机飞控人员定位***

Info

Publication number: CN108089205B
Application number: CN201711394737.6A
Authority: CN
Inventors: 罗正华; 康腾飞; 任小平
Original assignee: Chengdu University
Current assignee: Chengdu University
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: CN108089205A

Abstract

本发明涉及定位技术领域，具体涉及一种无人机飞控人员定位***，包括空中设备、地面设备及上下行数据链路；其中空中设备包括无源雷达，用于侦收监视空域的电磁信号，对进行滤除处理后的电磁信号进行预处理得到各个电磁信号脉冲描述字PDW；无人机机载平台，用于安装无源雷达，采用差分GPS获取自身的位置数据、速度数据及姿态数据；地面设备包括飞行控制器，通过上行数据链路向无人机机载平台发出飞行控制信息，用于控制无人机机载平台的飞行；地面综合处理单元，用于接收空中设备发送的自身位置数据、速度数据、姿态数据及各个电磁信号脉冲描述字PDW，并根据上述数据计算出目标无人机飞控信号的位置。本发明能够快速精确地进行定位。

Description

一种无人机飞控人员定位***

技术领域

本发明属于定位技术领域，具体涉及一种无人机飞控人员定位***。

背景技术

“非合作型”无人机对机场和其他公共区域的正常运行造成干扰，具有极大的危害。对操作无人机非法飞行的飞控人员进行定位，能够帮助相关单位和执法部门迅速处理险情，保障机场和其他公共区域的空域安全。

在不确定“非合作型”无人机飞控人员的身份之前，常规的卫星定位和网络基站定位***无法派上用场，只能利用无线电通过飞控人员操纵无人机时辐射的电磁信号进行定位。但是飞控人员操纵无人机时辐射的电磁信号微弱，信号频率与民用电磁信号重叠，且监控区域无线电信号杂乱，建筑物干扰大，导致无线电侦查速度慢、定位不够准确，不适用于“非合作型”无人机飞控人员的定位。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无人机飞控人员定位***，该***可以对无人机飞控人员进行快速精确定位。

为达到上述要求，本发明采取的技术方案是：提供一种无人机飞控人员定位***，包括空中设备、地面设备及上下行数据链路，上下行数据链路包括上行数据链路和下行数据链路；其中空中设备包括无源雷达，用于侦收监视空域的电磁信号，滤除电磁信号中的噪声信号和干扰信号，对进行滤除处理后的电磁信号进行预处理得到各个电磁信号脉冲描述字PDW，并将各个电磁信号脉冲描述字PDW通过下行数据链路实时同步下传至地面设备；无人机机载平台，用于安装无源雷达，采用差分GPS获取自身的位置数据、速度数据及姿态数据，并通过下行数据链路将位置数据、速度数据及姿态数据实时同步下传至地面设备；地面设备包括飞行控制器，通过上行数据链路向无人机机载平台发出飞行控制信息，用于控制无人机机载平台的飞行；地面综合处理单元，用于接收空中设备发送的自身位置数据、速度数据、姿态数据及各个电磁信号脉冲描述字PDW，并根据上述数据计算出目标无人机飞控信号的位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

采用无源雷达，无源定位***本身不发出电磁波，对监控范围不产生干扰，无源定位***接收机接收目标发射的单程直射波，没有回波反射过程，因此可以简化接收机的设计，还能扩大***信号的侦收半径；采用单站定位技术，通过无人机机载平台单站的运动来对目标定位，不需要多站定位技术多站之间的时钟同步和数据传输工作，可以简化***的设计，降低***的复杂度，单站定位技术***简单，体积小，功耗低，便于移动部署，适应了“非合作型”无人机飞控人员定位技术的新需求；并且能够快速精确定位，帮助相关执法部门快速处置紧急事件，抓获违法违规人员。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明组成示意图和工作示意图；

图2为本发明工作流程示意图；

图3为本发明无源雷达的组成示意图；

图4为本发明多基线天线阵列的组成示意图；

图5为本发明射频前端的组成示意图；

图6为本发明中频数字化接收机的组成示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图及具体实施例，对本申请作进一步地详细说明。为简单起见，以下描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征。

如图1、图2所示，本实施例提供一种无人机飞控人员定位***，包括空中设备、地面设备及上下行数据链路，上下行数据链路包括上行数据链路和下行数据链路。其中空中设备包括：

无人机机载平台，采用大型四旋翼无人机，为无源雷达的安装提供充足的搭载空间，提高设备搭载能力，提升定位***的工作时长；无人机机载平台上安装差分GPS，差分GPS获取无人机机载平台自身的位置数据、速度数据及姿态数据，并通过下行数据链路将上述数据实时同步下传至地面综合处理单元；无人机机载平台上还安装有拍摄设备，在无人机机载平台到达目标无人机飞控人员的位置后，该拍摄设备对目标无人机飞控人员进行拍照取证，并通过下行数据链路将上述图像信息实时同步下传至地面综合处理单元；

无源雷达，具有四路平行通道，用于侦收监视空域的电磁信号，滤除电磁信号中的噪声信号和干扰信号，对进行滤除处理后的电磁信号进行预处理，并将预处理得到的数据通过下行数据链路实时同步下传至地面综合处理单元；如图3所示，无源雷达包括依次信号连接的多基线天线阵列、多通道射频前端、多通道中频接收机及信号预处理单元。

多基线天线阵列是无源雷达最基本的硬件之一，主要完成电磁信号的截获。为了使本发明能使用到电磁信号复杂的环境中，本发明对天线的角度覆盖范围、频率覆盖范围、天线增益、天线的极化方式以及相位一致性、天线的尺寸和重量进行了综合考量，选择定制的宽带鞭状天线，该天线角度覆盖范围大，频率响应范围宽，可以覆盖目前无人机飞控信号所有频率范围，增益大，圆极化方式，相位一致性好，体积小重量轻，便于安装。如图4所示，本实施例采用四路天线，以第一路天线作为相位基准，第一路和第二路天线构成基线一，第一路和第三路天线构成基线二，第一路和第四路天线构成基线三，构成三基线测向***，三条基线的长度定为D1＝50mm、D2＝125mm、D3＝300mm，基线总长475mm。本发明采用的测向方法是基于干涉仪体制的比相法测向，多基线天线阵列采用多基线阵列，长基线用于对相位的精确测量，短基线用于解决相位模糊问题，多基线联合测向，得到目标无人机飞控信号最小的测向误差。

多通道射频前端具有四路射频前端，四路射频前端与四路天线一一对应连接，射频前端对天线侦收到的电磁信号进行滤波、放大，并变频至中频模拟信号。四路射频前端共用本振，以保证各通道间相位一致性。如图5所示，每路射频前端均包括依次连接的低噪声放大器、带通晶体滤波器、限幅器、数控衰减器、第一混频器、第一带通滤波器、功率放大器、第二混频器及第二带通滤波器，第一混频器还连接第一本振，第二混频器还连接第二本振。多通道射频前端总体设计采用两级下变频超外差体制，通过两次混频将射频信号下变频为中频信号；利用超外差接收机高频率选择性来规避复杂电磁环境信号干扰问题，降低中频的采样速率，同时抑制中频镜像频率的干扰；采用带通晶体滤波器，设计带宽50M，晶体滤波器品质因数较高，有较好的滤波性能，对带外抑制有较好的性能；***频率覆盖范围为70M-6G，满足飞控信号频率范围的完整覆盖；***采用多波段搜索式接收机技术，采用的分频段进行频谱扫描，降低频率源大动态设计难度，将70M-6G频率范围化分为四个波段，分别为70M-1G、1G-2G、2G-4G、4G-6G，使用频率合成器为***提供可靠的频率源。

多通道中频接收机具有四路中频数字化接收机，四路中频数字化接收机与四路射频前端一一对应连接。中频数字化接收机的结构如图6所示，包括依次连接的带通滤波器、放大器、A/D采样芯片及A/D转换器，射频前端变频得到的中频模拟信号经带通滤波器进行滤波，然后经放大器进行放大，A/D采样芯片对放大后的中频模拟信号进行采集，再利用A/D转换器将采集到的中频模拟信号变换为中频数字信号。该中频数字化接收机的中频频率选择为140M，中频分析带宽30M。为获得精准的数字信息，选用采样速率为125M的A/D采样芯片，并选用14位编码的A/D转换器。中频数字化接收机为本***提供数字处理机制，一方面它简化了前端接收机的设计，另一方面它提高了***的动态范围和信噪比，通过数字化，提升了***的反应时间和信号处理速度。

信号预处理单元接收来自四路中频数字化接收机传输的中频数字信号，对中频数字信号进行存储和处理分析，获得信号时域和频域的参数，根据信号时域和频域的参数形成各个电磁信号的脉冲描述字PDW，并将各个电磁信号的脉冲描述字PDW通过下行数据链路实时同步下传至地面综合处理单元。时域和频域的参数包括幅度、频率、到达时间、脉宽、各通道信号相位、载频信号、调制特性等参数。该信号预处理单元，采用FPGA+DSP架构，能够快速有效处理大量数据，快速得出信号的PDW参数。

下行数据链路主要传输三大部分信息，第一部分是无人机机载平台自身的信息，包括位置数据、速度数据及姿态数据；第二部分是无源雷达监控范围获得的各种信号的脉冲描述字PDW；第三部分是拍摄设备拍照取证产生的图传信息。下行数据链路的三大部分信息都将整合到一个下行数据发送链路，以保证地面设备解算时不同信息源的同步，便于数据融合计算。为保证数据链路的可靠性和有效性，本发明采用定制的无线电台完成下行数据链路，频率范围1380Mhz-1520Mhz，最大瞬时带宽小于12M，采用MSK调制方式，符号速率16M。

地面设备包括：

飞行控制器，通过上行数据链路向无人机机载平台发出飞行控制信息，用于控制无人机机载平台的飞行；

地面综合处理单元，可以是一台通用的笔记本电脑或者其他处理终端，本实施例统一设定为地面处理终端。地面处理终端在接收到空中设备发送的各个电磁信号的脉冲描述字PDW，以及无人机自身的位置数据、速度数据、姿态数据后进行如下处理：

对各个电磁信号的描述字PDW进行配库查询，优先寻找典型无人机飞控信号，再对非常规的飞控信号进行分选算法处理，从收到的众多电磁信号中提取目标无人机飞控信号信息，并丢弃无用的其他电磁信号。无人机机载平台的信号库中具有典型无人机飞控信号的识别库，当电磁信号的描述字PDW与识别库中的信号相匹配则重点侦察；当电磁信号的描述字PDW与识别库中的信号不匹配，则采用分选算法处理这些非常规飞控信号，分选算法具体的做法是将该电磁信号存储至信号库，然后对该电磁信号进行测向定位，如果确实是无人机飞控发出的信号，那么就正确识别；如果不是无人机飞控发出的信号，那么再收到此类信号时直接丢弃。分选算法的主要目的是依据先验和不断学习，对进入接收机的信号进行过滤，保留真正的目标信号。

获得目标无人机飞控信号后，再对各通道相同的信号进行数字鉴相，因为本实施例采用的是四路平行通道设计，各通道信号除了因为路径不同导致的相差外，其他参数是相同的，所以通过鉴相可以得出不同基线信号的相位差；

根据上述相位差计算出目标无人机飞控信号相对于无人机记载平台的方位角，计算公式如下：

其中，θ为目标无人机飞控信号的方位角，

为无模糊相位差，d_k为基线对应的基线长度，φ_k为各个基线对应的相位差，n_k为基线比。

根据***设计，第一路天线和第二路天线构成的干涉仪具有最大的无模糊视角，第一路天线和第四路天线构成的干涉仪具有最大的测角精度，上述公式根据长短基线对有模糊的相位差φ_k进行解模糊，从而得出多基线下无模糊的相位差

再根据无模糊的相位差

求出对应情况下的方位角θ。

解算出的方位角将直接显示在地面处理终端大屏幕上，设备使用人员可以根据显示的目标方位，操纵无人机机载平台向目标运动，由于无人机机载平台和目标无人机飞控人员辐射源的相对运动，无源雷达基线测量的相位差会以一定的速率变化，地面处理终端根据相位差变化率计算出目标无人机飞控信号与无人机记载平台之间的距离，结合方位角θ获得目标无人机飞控信号的精确位置。本***采用的方法是测相位差变化率定位法，在基于相位干涉仪体制下测量到信号的相位差后，再利用定位***平台的运动，实现对目标的定位，定位计算公式如下：

其中，R为无人机机载平台与目标无人机飞控信号的距离，D为两个天线间的基线距离，f₀为来波频率，V为无人机机载平台自身速度，θ(t)为对应相位差时刻的来波方位角，c为光速，

为相位差变化率。

由上式可知，两个天线间的基线距离D是设置好的，来波频率f₀通过无源雷达测得，无人机机载平台自身速度由差分GPS获取，来波方位角θ(t)由上一步骤计算获得，光速c为已知值，相位差变化率

由无源雷达计算得到，因此可以根据上述公式计算的到无人机与目标无人机飞控信号的距离R。

以上实施例仅表示本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求为准。

Claims

1.一种无人机飞控人员定位***，其特征在于，包括空中设备、地面设备及上下行数据链路，上下行数据链路包括上行数据链路和下行数据链路；其中空中设备包括：

无源雷达，用于侦收监视空域的电磁信号，滤除电磁信号中的噪声信号和干扰信号，对进行滤除处理后的电磁信号进行预处理得到各个电磁信号脉冲描述字PDW，并将各个电磁信号脉冲描述字PDW通过下行数据链路实时同步下传至地面设备；所述无源雷达具有多路通道，且所述多路通道相互平行；

无人机机载平台，用于安装无源雷达，采用差分GPS获取自身的位置数据、速度数据及姿态数据，并通过下行数据链路将位置数据、速度数据及姿态数据实时同步下传至地面设备；

所述无人机机载平台采用单站定位技术对目标定位；所述无人机机载平台采用单站定位技术对目标定位包括：

接收所述空中设备发送的各个电磁信号的脉冲描述字PDW，以及无人机自身的位置数据、速度数据、姿态数据；

对各个电磁信号的描述字PDW进行配库查询，先寻找典型无人机飞控信号，再对非常规的飞控信号进行分选算法处理，从收到的众多电磁信号中提取目标无人机飞控信号；

对所述目标无人机飞控信号的多路通道的信号进行数字鉴相，得出不同基线信号的相位差；

根据所述相位差计算出目标无人机飞控信号的方位角；

无人机机载平台向目标无人机飞控信号的方位运动产生相位差变化率，根据相位差变化率计算出目标无人机飞控信号与无人机机载平台之间的距离，结合所述方位角得出目标无人机飞控信号的具***置；

计算所述方位角的公式为：

其中，θ为目标无人机飞控信号的方位角，

为无模糊相位差，d_k为基线对应的基线长度，φ_k为各个基线对应的相位差，n_k为基线比，λ为无人机飞控信号中心频率对应的波长；

计算目标无人机飞控信号具***置的公式如下：

其中，R为无人机与目标无人机飞控信号的距离，D为两个天线间的基线距离，f₀为来波频率，V为无人机机载平台自身速度，θ(t)为对应相位差时刻的来波方位角，c为光速，

为相位差变化率；

地面设备包括：

地面综合处理单元，用于接收空中设备发送的自身位置数据、速度数据、姿态数据及各个电磁信号脉冲描述字PDW，并根据上述数据计算出目标无人机飞控信号的位置。

2.根据权利要求1所述的无人机飞控人员定位***，其特征在于，所述无源雷达具有N路平行通道，具体包括：

多基线天线阵列，具有N路天线，用于帧收电磁信号；

多通道射频前端，具有与N路天线一一对应连接的N路射频前端，用于接收对应天线传输的电磁信号，对所述电磁信号进行滤波、放大，并变频至中频模拟信号；

多通道中频接收机，具有与N路射频前端一一对应连接的N路中频数字化接收机，用于接收对应射频前端传输的中频模拟信号，对所述中频模拟信号进行滤波、放大后变换成中频数字信号；及

信号预处理单元，用于接收N路中频数字化接收机传输的中频数字信号，对中频数字信号进行存储和处理分析，获得信号时域和频域的参数，根据信号时域和频域的参数形成各个电磁信号的脉冲描述字PDW，并将各个电磁信号的脉冲描述字PDW通过下行数据链路实时同步下传至地面综合处理单元。

3.根据权利要求2所述的无人机飞控人员定位***，其特征在于，所述N＝4。

4.根据权利要求2所述的无人机飞控人员定位***，其特征在于，每路所述射频前端均包括依次连接的低噪声放大器、带通晶体滤波器、限幅器、数控衰减器、第一混频器、第一带通滤波器、功率放大器、第二混频器及第二带通滤波器，第一混频器还连接第一本振，第二混频器还连接第二本振。

5.根据权利要求2所述的无人机飞控人员定位***，其特征在于，所述中频数字化接收机中频频率选择为140M，中频分析带宽30M。

6.根据权利要求1所述的无人机飞控人员定位***，其特征在于，所述无人机机载平台上还安装有拍摄设备，用于对目标飞控人员进行拍照取证。