CN113012476A - 一种基于禁飞区的区域无人机管控方法及设备 - Google Patents

一种基于禁飞区的区域无人机管控方法及设备 Download PDF

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李鹏程
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Abstract

本发明提供一种基于禁飞区的区域无人机管控方法及设备，所述区域无人机管控方法为：发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，以干扰无人机的导航接收机，篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。本发明利用模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号将无人机的定位结果篡改为特定禁飞区，迫使无人机启动禁飞区策略，只能迫降或无法起飞，达到在特定区域内无人机被有效管控，无法飞越受保护区域的目的。

Description

一种基于禁飞区的区域无人机管控方法及设备
技术领域
本发明涉及无人机管控技术领域，具体而言，涉及一种基于禁飞区的区域无人机管控方法及设备。
背景技术
近年来，无人机技术快速、广泛扩散，出现了大量各式容易操控的遥控直升机、多旋翼无人机，但同时与无人机相关的意外事件频繁出现，通过无人机可以随意偷拍、窃取其覆盖区域内的隐私信息或者存在投放危险物品等重大隐患，对安全保卫、治安管理等形成了挑战。
当前，传统的反无人机方式以捕获、摧毁无人机为主，使用导弹、炮弹等传统防空武器击落无人机，或者发射拦截网缠住目标，令其操纵和动力***失灵，从而捕获无人机。这类措施在军事领域应用较多，如果直接应用于民用无人机领域，容易造成其他连带伤害，应用受限较多。
欺骗式卫星导航干扰技术通过发播伪造的导航欺骗信号，诱导接收机捕获、跟踪该欺骗信号，使接收机解算出错误的位置、时间信息。利用卫星导航欺骗干扰技术使得无人机的接收机解算出特定的错误定位结果，结合无人机的飞控策略，可以实现在特定区域内有效管控无人机的目的。
发明内容
本发明旨在提供一种基于禁飞区的区域无人机管控方法及设备，以解决军事反无人机方式直接应用于民用无人机时容易造成其他连带伤害的问题。
本发明提供的一种基于禁飞区的区域无人机管控方法为：发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，以干扰无人机的导航接收机，篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。
进一步，采用全向天线朝周围360°的一定距离范围内发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
进一步，采用定向天线朝其波束覆盖范围内被跟踪到的无人机发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
进一步，发射的所述模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率。
进一步，所述多模复合虚假卫星导航信号为模拟GPS+GLONASS的多模复合卫星导航信号。
进一步，所述多模复合虚假卫星导航信号为模拟GPS+GLONASS+北斗的多模复合卫星导航信号。
本发明还提供一种基于禁飞区的区域无人机管控设备，所述区域无人机管控设备用于发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，以干扰无人机的导航接收机，篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。
进一步，所述区域无人机管控设备上设置有全向天线，所述全向天线用于朝周围360°的一定距离范围内发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
进一步，所述区域无人机管控设备上设置有定向天线，所述定向天线用于朝其波束覆盖范围内被跟踪到的无人机发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
进一步，所述区域无人机管控设备发射的所述模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明利用模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号将无人机的定位结果篡改为特定禁飞区，迫使无人机启动禁飞区策略，只能迫降或无法起飞，达到在特定区域内无人机被有效管控，无法飞越受保护区域的目的。并且本发明不会造成其他连带伤害。
2、本发明能够根据需求提供全向和/或定向的无人机管控。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例的基于禁飞区的区域无人机管控的原理图。
图2为本发明实施例的全向管控区域场景示意图。
图3为本发明实施例的定向管控区域场景示意图。
图4为本发明具体示例中大疆无人机的定位结果从当前位置被篡改到机场禁飞区时的控制APP截图。
图5为本发明具体示例中大疆无人机启动禁飞区策略的控制APP截图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的设计思路如下：
因为政策或保护人身财产安全方面的需要，世界各地的政府在主要的城市、机场都设置了禁飞区。从大疆无人机白宫坠落事件之后，大多数厂商在无人机的出厂设置中划定了禁飞区，而且禁飞区的范围可以通过强制***升级的方式进行更新。无人机在禁飞区是不能起飞的，即使是到达了禁飞区也会自动降落。利用这一特点，结合导航欺骗技术，可以实现一种基于禁飞区的区域无人机管控方法，使无人机无法飞越受保护区域，达到保护特定区域的目的。
目前，大疆、零度、亿航等主流消费级无人机厂商的无人机，在全球范围内均设置了很多“无人机禁飞区域”，无人机上的卫星导航接收机一旦定位解算其在“禁飞区”，则会立即自动平稳降落，且不能重新起飞。以目前市场上占有率最高的大疆无人机为例，大疆公司把一些机场限制飞行区域和特殊飞行限制区域设置为限制飞行区域，大疆官方网站上公布了全球已被飞行限制功能覆盖的特殊区域列表。大疆无人机在禁飞区中的飞行控制策略和提示信息如表1所示。
表1：
Figure BDA0002915047470000051
由此可知，大多数无人机在禁飞区是不能起飞的，即使是到达了禁飞区也会自动降落。如果能够利用模拟禁飞区位置的卫星导航干扰信号将无人机的定位结果篡改为禁飞区，就能启动无人机内置的禁飞区策略，使其迫降或无法起飞。要实现该种管控方法，需要产生比真实卫星导航信号更强的导航欺骗干扰信号对目标无人机进行位置欺骗干扰。
对导航接收机的欺骗式干扰就是采用与导航信号相同载波频率、相同调制方式和相同伪码序列的虚假卫星导航信号取代真实卫星导航信号，使接收机误以为自己在正常工作，而实际上所获得的都是错误信息，从而导致接收机的错误定位。
对导航***的欺骗干扰可通过给出虚假导航信息或增加信号延时时间来实现，一般可分为产生式和转发式两种干扰方式。产生式干扰是模拟卫星的真实信号形式，编制虚假导航电文的生成式干扰；转发式干扰是通过对导航信号的转发来增加导航信号的传输时延，使接收机计算出错误的伪距,从而得出错误的位置信息。
由于商业无人机一般都采用导航信号的民用C/A码进行定位，不会使用到加密的军用码，而民用C/A码的所有信息(如帧结构、同步头等)都已经通过相应的ICD文件对外公布，因此可以采用自主产生虚假导航信号的方式对民用无人机进行导航欺骗干扰。
综上所述，如图1所示，本实施例提出的一种基于禁飞区的区域无人机管控方法为：发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，以干扰无人机的导航接收机，篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。当无人机启动其禁飞区策略后，在空中飞行的无人机将会自动降落到地面，而在降落到地面的无人机则无法起飞。具体地：
(1)时间同步
本实施例中的多模复合虚假卫星导航信号包含有位置信息和时间信息，该位置信息即是模拟禁飞区位置；而该时间信息是指模拟的场景时间与当前时间是同步的，也即是说，所述多模复合虚假卫星导航信号是在满足时间同步的约束条件下生成的。由于时间信息对于欺骗能否起效具有重要作用，发射的多模复合虚假卫星导航信号所模拟的场景时间与当前时间的同步性是欺骗能否成功的关键，直接决定了无人机能否用多模复合虚假卫星导航信号来定位。因此本实施例中的多模复合虚假卫星导航信号除了提供模拟禁飞区位置的位置信息以外，还提供模拟场景时间与当前时间同步的时间信息，从而使得所述多模复合虚假卫星导航信号能够成功干扰无人机的导航接收机，并篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。
(2)多模复合
由于目前大多数商用无人机是接收多模复合卫星导航信号来进行定位的，即无人机至少是接收GPS和GLONASS双模卫星导航信号，甚至还接收北斗卫星导航信号，进行多模复合导航定位，因此仅发射模拟一种卫星***的虚假卫星导航信号无法对无人机实时有效导航欺骗。由此，本实施例的所述多模复合虚假卫星导航信号如下：
a)所述多模复合虚假卫星导航信号为模拟GPS+GLONASS的多模复合卫星导航信号，即满足对通过接收GPS和GLONASS双模卫星导航信号来进行多模复合导航定位的无人机进行导航欺骗。
b)所述多模复合虚假卫星导航信号为模拟GPS+GLONASS+北斗的多模复合卫星导航信号，即满足对通过接收GPS、GLONASS和北斗三模卫星导航信号来进行多模复合导航定位的无人机进行导航欺骗。
(3)发射功率
要使得多模复合虚假卫星导航信号能够干扰无人机的导航接收机，则发射的所述模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率。由此使得无人机的导航接收机优先接收发射的多模复合虚假卫星导航信号，从而能够篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，迫使无人机启动其禁飞区策略。
对于上述的基于禁飞区的区域无人机管控方法，结合受保护区域需要保护的时间范围、是否有目标无人机位置引导设备(包括雷达、光电等探测跟踪设备)相配合等情况，所述区域无人机管控方法可以采用全向和定向两种方式来实施保护：
(1)全向
当受保护区域在特定的时间范围内完全禁止无人机飞越，或者没有目标无人机位置引导设备的配合时，如图2所示，此时可以采用全向天线朝周围360°的一定距离范围内发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，形成一定距离范围的全向管控区域，并使得该全向管控区域内的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率，无人机的导航接收机将接收到多模复合虚假卫星导航信号并将其用于定位，定位结果被篡改为特定禁飞区，此时无人机将启动禁飞区策略，在空中飞行的无人机将会自动降落到地面，而降落到地面的无人机则无法起飞。在多模复合虚假卫星导航信号发射期间，全向管控区域内将成为无人机的禁飞区，在该全向管控区域内可以有效管控无人机，确保无人机无法飞越受保护区域。
(2)定向
当受保护区域内有目标无人机位置引导设备的配合，可以及时发现并跟踪入侵的无人机时，如图3所示，此时可以采用定向天线朝其波束覆盖范围内被跟踪到的无人机发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，形成其波束覆盖范围内的定向管控区域，并使得该定向管控区域内的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率，无人机的导航接收机将接收到多模复合虚假卫星导航信号并将其用于定位，定位结果被篡改为特定禁飞区，此时无人机将启动禁飞区策略，在空中飞行的无人机将会自动降落到地面，而降落到地面的无人机则无法起飞。在多模复合虚假卫星导航信号发射期间，定向管控区域内将成为无人机的禁飞区，在该定向管控区域内可以有效管控无人机，确保无人机无法飞越受保护区域。
本实施例还实现一种基于禁飞区的区域无人机管控设备，所述区域无人机管控设备用于发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，以干扰无人机的导航接收机，篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。
进一步，所述区域无人机管控设备上设置有全向天线，所述全向天线用于朝周围360°的一定距离范围内发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
进一步，所述区域无人机管控设备上设置有定向天线，所述定向天线用于朝其波束覆盖范围内被跟踪到的无人机发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
进一步，所述区域无人机管控设备发射的所述模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率。
本实施例的所述基于禁飞区的区域无人机管控设备的具体实现原理与上述的区域无人机管控方法一致，在此不再赘述。
具体示例：
(1)在非禁飞区域内按照如图2所示搭建试验场景，在受保护区域中心位置放置区域无人机管控设备及全向天线，该区域无人机管控设备将通过全向天线朝周围360°的一定距离范围内发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，从而形成如图2中大圆圈范围内的全向管控区域。
2)在全向管控区域范围外遥控大疆无人机起飞，并遥控无人机使之朝着受保护区域的方向飞行，进入全向管控区域范围。
3)大疆无人机进入全向管控区域范围后，受到多模复合虚假卫星导航信号的影响，原本正常接收的真实卫星导航信号丢失，大疆无人机的控制APP截图如图4所示，经过短时间后无人机的定位结果从当前位置被篡改到机场禁飞区。
4)由于大疆无人机的定位结果已被篡改为机场禁飞区，触发其启动禁飞区策略。从图5的控制APP截图可以看出，大疆无人机启动了计时器，并提示在计时结束后飞行器将会强制自动下降，操作遥控器也无法控制油门，只可以调节水平方向以躲避障碍物。
5)计时结束后大疆无人机在全向管控区域内自动下降到地面，飞行器落地后操作遥控器也无法使其重新起飞，达到了在全向管控区域内无人机被有效管控，无法飞越受保护区域的目的。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于禁飞区的区域无人机管控方法，其特征在于，所述区域无人机管控方法为：发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，以干扰无人机的导航接收机，篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。
2.根据权利要求1所述的基于禁飞区的区域无人机管控方法，其特征在于，采用全向天线朝周围360°的一定距离范围内发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
3.根据权利要求1所述的基于禁飞区的区域无人机管控方法，其特征在于，采用定向天线朝其波束覆盖范围内被跟踪到的无人机发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于禁飞区的区域无人机管控方法，其特征在于，发射的所述模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率。
5.根据权利要求1所述的基于禁飞区的区域无人机管控方法，其特征在于，所述多模复合虚假卫星导航信号为模拟GPS+GLONASS的多模复合卫星导航信号。
6.根据权利要求1所述的基于禁飞区的区域无人机管控方法，其特征在于，所述多模复合虚假卫星导航信号为模拟GPS+GLONASS+北斗的多模复合卫星导航信号。
7.一种基于禁飞区的区域无人机管控设备，其特征在于，所述区域无人机管控设备用于发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号，以干扰无人机的导航接收机，篡改其导航接收机的定位结果为特定的禁飞区，从而迫使无人机启动其禁飞区策略。
8.根据权利要求7所述的基于禁飞区的区域无人机管控设备，其特征在于，所述区域无人机管控设备上设置有全向天线，所述全向天线用于朝周围360°的一定距离范围内发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
9.根据权利要求7所述的基于禁飞区的区域无人机管控设备，其特征在于，所述区域无人机管控设备上设置有定向天线，所述定向天线用于朝其波束覆盖范围内被跟踪到的无人机发射模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号。
10.根据权利要求7-9任一项所述的基于禁飞区的区域无人机管控设备，其特征在于，所述区域无人机管控设备发射的所述模拟禁飞区位置且与当前时间同步的多模复合虚假卫星导航信号的功率大于真实卫星导航信号功率。
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