[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于无线电测向定位技术领域，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。

背景技术

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。