基于無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源研究

魏澤華，戴慧玲，汪庭霽

（國(guó)家無(wú)線(xiàn)電監(jiān)測(cè)中心，北京 100037）

1 引言

隨著我國(guó)無(wú)線(xiàn)電事業(yè)的迅猛發(fā)展，無(wú)線(xiàn)電新技術(shù)、新業(yè)務(wù)的廣泛應(yīng)用，無(wú)線(xiàn)電臺(tái)（站）數(shù)量急劇增加，無(wú)線(xiàn)電干擾現(xiàn)象也日趨嚴(yán)重，直接威脅到社會(huì)穩(wěn)定、國(guó)家安全和人民生命財(cái)產(chǎn)的安全。在無(wú)線(xiàn)電干擾源查找過(guò)程中，通常采用的方法是首先利用固定監(jiān)測(cè)站對(duì)目標(biāo)干擾源進(jìn)行測(cè)向定位以鎖定大致區(qū)域，然后通過(guò)移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)逼近目標(biāo)干擾源縮小查找范圍，最終徒步攜帶便攜設(shè)備確定目標(biāo)干擾源位置。在查找目標(biāo)干擾源的過(guò)程中，當(dāng)無(wú)線(xiàn)電波受到建筑物的遮擋或者反射時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響查找目標(biāo)干擾源的快速性和準(zhǔn)確性，大大增加查找目標(biāo)干擾源的工作量。因此在查找目標(biāo)干擾源時(shí)，一個(gè)比較有效的方法是尋找目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的制高點(diǎn)來(lái)進(jìn)行測(cè)向定位，降低建筑物等復(fù)雜環(huán)境帶來(lái)的影響，但是會(huì)在很大程度上增加監(jiān)測(cè)人員的工作量和時(shí)間，嚴(yán)重影響查找效率。

無(wú)人機(jī)被稱(chēng)為“空中機(jī)器人”，隨著微電子、導(dǎo)航、控制、通信等技術(shù)的不斷成熟與進(jìn)步，無(wú)人機(jī)開(kāi)始向小型化、低空化、簡(jiǎn)單化、低技術(shù)化、低成本化方向發(fā)展，憑借站得高、看得遠(yuǎn)、飛得快、行進(jìn)無(wú)障礙、適應(yīng)能力強(qiáng)、改裝方便等優(yōu)勢(shì)，迅速在軍事和民用領(lǐng)域獲得青睞。

利用無(wú)人機(jī)空中測(cè)向定位可以有效彌補(bǔ)徒步查找目標(biāo)干擾源難度大、效率低的缺點(diǎn)，降低人力成本與時(shí)間成本，提高干擾源查找的快速性與準(zhǔn)確性。無(wú)人機(jī)上攜帶有接收天線(xiàn)、接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理單元、網(wǎng)絡(luò)傳輸單元、電源、電子羅盤(pán)及GPS模塊等。

2 基于單無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源研究

基于單無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源原理如圖1所示。該方法主要是利用比幅測(cè)向法[1]進(jìn)行測(cè)向，多點(diǎn)交匯來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。當(dāng)利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)鎖定目標(biāo)干擾源的精確范圍后，將無(wú)人機(jī)在測(cè)向點(diǎn)1位置升空，無(wú)人機(jī)攜帶的接收天線(xiàn)將接收到的目標(biāo)干擾源的信號(hào)信息進(jìn)行采集，并傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將目標(biāo)干擾源信號(hào)信息、GPS位置信息與時(shí)間信息融合，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸單元傳輸至地面測(cè)向顯示系統(tǒng)，測(cè)向顯示系統(tǒng)通過(guò)比幅測(cè)向法測(cè)得目標(biāo)干擾源的來(lái)波方向，得到對(duì)目標(biāo)干擾源的示向線(xiàn)1。操控?zé)o人機(jī)飛行至測(cè)向點(diǎn)2，再次測(cè)向測(cè)得目標(biāo)干擾源的方位，得到對(duì)目標(biāo)干擾源的示向線(xiàn)2。示向線(xiàn)1和示向2的交匯點(diǎn)即目標(biāo)干擾源的具體位置。

圖1 基于單無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源原理

需要注意的是，當(dāng)對(duì)目標(biāo)干擾源進(jìn)行第二次測(cè)向時(shí)，無(wú)人機(jī)的移動(dòng)方向應(yīng)避免與第一次測(cè)向獲得的示向線(xiàn)在同一直線(xiàn)上，否則將不能進(jìn)行交匯獲得準(zhǔn)確的定位結(jié)果。

采用基于單無(wú)人機(jī)和比幅測(cè)向法的干擾源定位方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小巧、實(shí)際用途廣泛，頻率變化對(duì)系統(tǒng)測(cè)量影響較小，只需使用一架無(wú)人機(jī)就能獲得定位結(jié)果。但是接收信號(hào)幅度容易受發(fā)射信號(hào)起伏、傳播過(guò)程中反射和折射影響，監(jiān)測(cè)弱信號(hào)時(shí)幅度比較難度較大，測(cè)向精度不高，同時(shí)受限于遙控距離，在地理環(huán)境復(fù)雜等特殊情況下，對(duì)無(wú)人機(jī)的操控難度較大，也可能會(huì)因?yàn)椴荒軐o(wú)人機(jī)遙控至理想的測(cè)向點(diǎn)而不能獲得滿(mǎn)意的定位結(jié)果。

3 基于雙無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源研究

基于雙無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源原理如圖2所示。該方法是將TDOA定位法[2][3]與比幅測(cè)向法結(jié)合起來(lái)的定位方法。當(dāng)利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)鎖定目標(biāo)干擾源的精確范圍后，將兩架無(wú)人機(jī)在測(cè)向點(diǎn)1 和測(cè)向點(diǎn)2升空，兩架無(wú)人機(jī)攜帶的接收天線(xiàn)將接收到的目標(biāo)干擾源的信號(hào)信息進(jìn)行采集，并傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將目標(biāo)干擾源信號(hào)信息、GPS位置信息與時(shí)間信息融合，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸單元傳輸至地面測(cè)向顯示系統(tǒng)，測(cè)向顯示系統(tǒng)通過(guò)目標(biāo)干擾源到達(dá)兩架無(wú)人機(jī)的時(shí)間差并轉(zhuǎn)換成距離差獲得一條雙曲線(xiàn)。然后根據(jù)從其中一架無(wú)人機(jī)上（測(cè)向電2處無(wú)人機(jī)）接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)比幅測(cè)向法測(cè)得目標(biāo)干擾源的方位，得到對(duì)目標(biāo)干擾源的示向線(xiàn)。示向線(xiàn)與雙曲線(xiàn)的交匯點(diǎn)即目標(biāo)干擾源的具體位置。

圖2 基于雙無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源原理

采用基于雙無(wú)人機(jī)和TDOA及比幅測(cè)向法的干擾源定位方法的優(yōu)點(diǎn)是在不顯著增加復(fù)雜度的條件下克服了基于單無(wú)人機(jī)干擾源定位法受限于操控距離和復(fù)雜地形的缺點(diǎn)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單。但是仍存在接收信號(hào)幅度容易受發(fā)射信號(hào)起伏、傳播過(guò)程中反射和折射影響，監(jiān)測(cè)弱信號(hào)時(shí)幅度比較難度較大，測(cè)向精度不高，同時(shí)對(duì)接收信號(hào)的時(shí)間同步要求較高。

4 基于多無(wú)人機(jī)的空中定位干擾源研究

基于多無(wú)人機(jī)的空中定位干擾源原理如圖3 所示，我們以三架無(wú)人機(jī)為例。該方法完全采用TDOA定位法對(duì)目標(biāo)干擾源進(jìn)行定位。當(dāng)利用移動(dòng)監(jiān)測(cè)車(chē)鎖定目標(biāo)干擾源的精確范圍后，將三架無(wú)人機(jī)在不同定位點(diǎn)升空（三架無(wú)人機(jī)方位差別盡量較大），其中定位點(diǎn)1處的無(wú)人機(jī)設(shè)為主無(wú)人機(jī)，定位點(diǎn)2和定位點(diǎn)3處的無(wú)人機(jī)設(shè)為從無(wú)人機(jī)。三架無(wú)人機(jī)攜帶的接收天線(xiàn)將接收到的目標(biāo)干擾源的信號(hào)信息進(jìn)行采集，并傳輸至數(shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元將目標(biāo)干擾源信號(hào)信息、GPS位置信息與時(shí)間信息融合，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸單元傳輸至地面測(cè)向顯示系統(tǒng)，測(cè)向顯示系統(tǒng)通過(guò)測(cè)算目標(biāo)干擾源到達(dá)定位點(diǎn)1與定位點(diǎn)2、定位點(diǎn)1與定位點(diǎn)3處無(wú)人機(jī)的時(shí)間差并轉(zhuǎn)換成距離差獲得兩條雙曲線(xiàn)，兩條雙曲線(xiàn)的交匯點(diǎn)即目標(biāo)干擾源的具體位置。需要注意是，為了獲得更高的定位精度，有時(shí)可不設(shè)主無(wú)人機(jī)，通過(guò)測(cè)算目標(biāo)干擾源到三個(gè)定位點(diǎn)無(wú)人機(jī)兩兩之間的到達(dá)時(shí)間差得到三條雙曲線(xiàn)來(lái)獲得交匯定位點(diǎn)。

采用基于多無(wú)人機(jī)和TDOA定位干擾源定位法的優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，天線(xiàn)為監(jiān)測(cè)天線(xiàn)，沒(méi)有復(fù)雜的測(cè)向天線(xiàn)，環(huán)境兼容性較好，具有一定的抗多徑能力，定位結(jié)果精確，信號(hào)帶寬越寬，時(shí)間測(cè)量精度越高，尤其適用于寬帶低功率譜信號(hào)。但是對(duì)無(wú)人機(jī)接收信號(hào)的時(shí)間同步要求較高，同時(shí)由于需要升空多架無(wú)人機(jī)，對(duì)監(jiān)測(cè)人員的技術(shù)業(yè)務(wù)水平要求較高。

圖3 基于多無(wú)人機(jī)的空中干擾源定位原理

5 空中測(cè)向定位干擾源方法對(duì)比

基于無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源的方法對(duì)比如表1所示，主要在無(wú)人機(jī)數(shù)量、成本、定位精度、復(fù)雜度、時(shí)間同步要求、抗多徑能力等方面進(jìn)行對(duì)比?；趩螣o(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源的方法適用于無(wú)人機(jī)操控人員不足、地理環(huán)境簡(jiǎn)單的開(kāi)闊區(qū)域；基于雙無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源的方法適用于無(wú)人機(jī)操控人員相對(duì)不足、地理環(huán)境較簡(jiǎn)單的城郊區(qū)域；基于三無(wú)人機(jī)的空中定位干擾源的方法適用于無(wú)人機(jī)操控人員充足、對(duì)定位結(jié)果要求較高、地理環(huán)境較復(fù)雜的城市區(qū)域。

表1 三種空中測(cè)向定位方法對(duì)比

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)基于無(wú)人機(jī)的空中測(cè)向定位干擾源方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，分析了不同方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用場(chǎng)景。在實(shí)際干擾源定位工作中，要根據(jù)實(shí)際情況靈活選擇不同的定位方法以達(dá)到最優(yōu)的定位結(jié)果，降低干擾源查找工作的復(fù)雜度，提高工作效率。此外，無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展會(huì)促生出更復(fù)雜的干擾信號(hào)，因而針對(duì)干擾信號(hào)的定位方法還需要進(jìn)一步的研究。

[1] 高為.無(wú)源定位技術(shù)研究[D].上海交通大學(xué)，2006.

[2] 肖秀麗，唱亮.測(cè)向交會(huì)定位的定位精度分析[J].中國(guó)無(wú)線(xiàn)電，2011（4）：51-53+66.

[3] 劉剛，趙國(guó)慶.分布式多站無(wú)源時(shí)差定位系統(tǒng)研究[D].西安電子科技大學(xué)，2006.