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基于无人机的空中测向定位干扰源研究

魏泽华/戴慧玲/汪庭霁 国家无线电监测中心

摘要:本文针对当前无线电监管技术设施建设标准化工作现状,通过分析当前无线电管理技术设施建设总体情况及无线电管理十三五规划的建设目标,总结无线电监管技术设施准化工作现状和面临形势,提出无线电监管技术设施标准化工作建议。

关键词:标准;无线电监测;信息化系统;体系建设;测试验证

  1 引言

  随着我国无线电事业的迅猛发展,无线电新技术、新业务的广泛应用,无线电台(站)数量急剧增加,无线电干扰现象也日趋严重,直接威胁到社会稳定、国家安全和人民生命财产的安全。在无线电干扰源查找过程中,通常采用的方法是首先利用固定监测站对目标干扰源进行测向定位以锁定大致区域,然后通过移动监测车逼近目标干扰源缩小查找范围,最终徒步携带便携设备确定目标干扰源位置。在查找目标干扰源的过程中,当无线电波受到建筑物的遮挡或者反射时,会严重影响查找目标干扰源的快速性和准确性,大大增加查找目标干扰源的工作量。因此在查找目标干扰源时,一个比较有效的方法是寻找目标区域内的制高点来进行测向定位,降低建筑物等复杂环境带来的影响,但是会在很大程度上增加监测人员的工作量和时间,严重影响查找效率。

  无人机被称为“空中机器人”,随着微电子、导航、控制、通信等技术的不断成熟与进步,无人机开始向小型化、低空化、简单化、低技术化、低成本化方向发展,凭借站得高、看得远、飞得快、行进无障碍、适应能力强、改装方便等优势,迅速在军事和民用领域获得青睐。

  利用无人机空中测向定位可以有效弥补徒步查找目标干扰源难度大、效率低的缺点,降低人力成本与时间成本,提高干扰源查找的快速性与准确性。无人机上携带有接收天线、接收机、数据处理单元、网络传输单元、电源、电子罗盘及GPS模块等。

  2 基于单无人机的空中测向定位干扰源研究

  基于单无人机的空中测向定位干扰源原理如图1所示。该方法主要是利用比幅测向法[1]进行测向,多点交汇来实现定位。当利用移动监测车锁定目标干扰源的精确范围后,将无人机在测向点1位置升空,无人机携带的接收天线将接收到的目标干扰源的信号信息进行采集,并传输至数据处理单元,数据处理单元将目标干扰源信号信息、GPS位置信息与时间信息融合,通过网络传输单元传输至地面测向显示系统,测向显示系统通过比幅测向法测得目标干扰源的来波方向,得到对目标干扰源的示向线1。操控无人机飞行至测向点2,再次测向测得目标干扰源的方位,得到对目标干扰源的示向线2。示向线1和示向2的交汇点即目标干扰源的具体位置。



图1 基于单无人机的空中测向定位干扰源原理

 

  需要注意的是,当对目标干扰源进行第二次测向时,无人机的移动方向应避免与第一次测向获得的示向线在同一直线上,否则将不能进行交汇获得准确的定位结果。

  采用基于单无人机和比幅测向法的干扰源定位方法的优点是结构简单、体积小巧、实际用途广泛,频率变化对系统测量影响较小,只需使用一架无人机就能获得定位结果。但是接收信号幅度容易受发射信号起伏、传播过程中反射和折射影响,监测弱信号时幅度比较难度较大,测向精度不高,同时受限于遥控距离,在地理环境复杂等特殊情况下,对无人机的操控难度较大,也可能会因为不能将无人机遥控至理想的测向点而不能获得满意的定位结果。

  3 基于双无人机的空中测向定位干扰源研究

  基于双无人机的空中测向定位干扰源原理如图2所示。该方法是将TDOA定位法[2][3]与比幅测向法结合起来的定位方法。当利用移动监测车锁定目标干扰源的精确范围后,将两架无人机在测向点1和测向点2升空,两架无人机携带的接收天线将接收到的目标干扰源的信号信息进行采集,并传输至数据处理单元,数据处理单元将目标干扰源信号信息、GPS位置信息与时间信息融合,通过网络传输单元传输至地面测向显示系统,测向显示系统通过目标干扰源到达两架无人机的时间差并转换成距离差获得一条双曲线。然后根据从其中一架无人机上(测向电2处无人机)接收到的数据通过比幅测向法测得目标干扰源的方位,得到对目标干扰源的示向线。示向线与双曲线的交汇点即目标干扰源的具体位置。



图2 基于双无人机的空中测向定位干扰源原理

 

  采用基于双无人机和TDOA及比幅测向法的干扰源定位方法的优点是在不显著增加复杂度的条件下克服了基于单无人机干扰源定位法受限于操控距离和复杂地形的缺点,结构相对简单。但是仍存在接收信号幅度容易受发射信号起伏、传播过程中反射和折射影响,监测弱信号时幅度比较难度较大,测向精度不高,同时对接收信号的时间同步要求较高。

  4 基于多无人机的空中定位干扰源研究

  基于多无人机的空中定位干扰源原理如图3所示,我们以三架无人机为例。该方法完全采用TDOA定位法对目标干扰源进行定位。当利用移动监测车锁定目标干扰源的精确范围后,将三架无人机在不同定位点升空(三架无人机方位差别尽量较大),其中定位点1处的无人机设为主无人机,定位点2和定位点3处的无人机设为从无人机。三架无人机携带的接收天线将接收到的目标干扰源的信号信息进行采集,并传输至数据处理单元,数据处理单元将目标干扰源信号信息、GPS位置信息与时间信息融合,通过网络传输单元传输至地面测向显示系统,测向显示系统通过测算目标干扰源到达定位点1与定位点2、定位点1与定位点3处无人机的时间差并转换成距离差获得两条双曲线,两条双曲线的交汇点即目标干扰源的具体位置。需要注意是,为了获得更高的定位精度,有时可不设主无人机,通过测算目标干扰源到三个定位点无人机两两之间的到达时间差得到三条双曲线来获得交汇定位点。



图3 基于多无人机的空中干扰源定位原理

 

  采用基于多无人机和TDOA定位干扰源定位法的优点是系统相对简单,天线为监测天线,没有复杂的测向天线,环境兼容性较好,具有一定的抗多径能力,定位结果精确,信号带宽越宽,时间测量精度越高,尤其适用于宽带低功率谱信号。但是对无人机接收信号的时间同步要求较高,同时由于需要升空多架无人机,对监测人员的技术业务水平要求较高。

  5 空中测向定位干扰源方法对比

  基于无人机的空中测向定位干扰源的方法对比如表1所示,主要在无人机数量、成本、定位精度、复杂度、时间同步要求、抗多径能力等方面进行对比。基于单无人机的空中测向定位干扰源的方法适用于无人机操控人员不足、地理环境简单的开阔区域;基于双无人机的空中测向定位干扰源的方法适用于无人机操控人员相对不足、地理环境较简单的城郊区域;基于三无人机的空中定位干扰源的方法适用于无人机操控人员充足、对定位结果要求较高、地理环境较复杂的城市区域。



表1 三种空中测向定位方法对比

 

  6 结束语

  本文对基于无人机的空中测向定位干扰源方法进行了简单介绍,分析了不同方法的优缺点及适用场景。在实际干扰源定位工作中,要根据实际情况灵活选择不同的定位方法以达到最优的定位结果,降低干扰源查找工作的复杂度,提高工作效率。此外,无线电技术的发展会促生出更复杂的干扰信号,因而针对干扰信号的定位方法还需要进一步的研究。

  参考文献

[1] 高为.无源定位技术研究[D].上海交通大学,2006.

[2] 肖秀丽,唱亮.测向交会定位的定位精度分析[J].中国无线电,2011(4): 51-53 +66.

[3] 刘刚,赵国庆.分布式多站无源时差定位系统研究[D].西安电子科技大学,2006.

  作者简介:

魏泽华,男,硕士研究生,现任职于国家无线电监测中心北京监测站,助理工程师,主要从事超短波信号监测及定位方面工作。

戴慧玲,女,硕士研究生,现任职于国家无线电监测中心办公室,工程师,主要从事超短波信号监测及定位方面工作。

汪庭霁,男,硕士研究生,现任职于国家无线电监测中心北京监测站,工程师,主要从事超短波信号监测及定位方面工作。

 
 
 
 
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