基于六旋翼無人機(jī)平臺的GNSS 干擾源測向與定位系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

孫興信，甄衛(wèi)民，張發(fā)祥

( 中國電波傳播研究所，山東 青島 266107 )

0 引 言

本文設(shè)計了一種基于六旋翼無人機(jī)平臺的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)干擾源測向與定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由無人飛行器、空中監(jiān)測測向載荷、地面控制站三部分組成，無人飛行器選用現(xiàn)階段技術(shù)成熟的六旋翼無人機(jī)平臺. 此飛行平臺已被廣泛應(yīng)用于航拍、植保、電力巡檢等行業(yè). 空中監(jiān)測測向載荷是基于雙通道采樣的超外差接收機(jī)[2]，技術(shù)較為成熟，文章方案進(jìn)行了小型化、輕量化的設(shè)計，能夠滿足六旋翼無人機(jī)平臺的載重要求. 地面站采用了大功率圖傳設(shè)備，能滿足長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r效性要求. 圖1 為該系統(tǒng)的實(shí)物圖，作者研究團(tuán)隊在某飛行場區(qū)進(jìn)行了干擾源定位精度的測試，證明此技術(shù)路線是切實(shí)可行的.

圖1 基于六旋翼無人機(jī)平臺的GNSS 干擾源測向與定位系統(tǒng)

六旋翼無人機(jī)提供干擾監(jiān)測測向設(shè)備的搭載平臺，可以裝載監(jiān)測測向設(shè)備. 機(jī)身和起落架之間預(yù)留足夠的空間，可掛載體積較大的吊艙和云臺，搭載的設(shè)備使用無人機(jī)電源進(jìn)行供電.

空中監(jiān)測測向載荷主要包括監(jiān)測測向主機(jī)、監(jiān)測測向天線、電子羅盤等，主要完成對干擾信號的監(jiān)測、測向. 在查找干擾源的過程中，相機(jī)對干擾環(huán)境進(jìn)行拍照，數(shù)傳發(fā)射設(shè)備和圖傳發(fā)射設(shè)備分別將監(jiān)測數(shù)據(jù)和圖像信息實(shí)時回傳地面控制站.

地面控制站一方面完成對無人機(jī)飛行器的控制和飛行路線的顯示；另一方面完成干擾監(jiān)測信號的實(shí)時接收、處理、顯示，以及參數(shù)設(shè)置等. 地面控制站硬件設(shè)備組成主要包括：數(shù)傳設(shè)備、圖傳設(shè)備、飛控設(shè)備、監(jiān)控終端(含監(jiān)控計算機(jī)1 臺、數(shù)據(jù)處理計算機(jī)1 臺)等，軟件包括地面無人機(jī)飛行顯控軟件和干擾源監(jiān)測與定位軟件.

1 六旋翼無人機(jī)平臺

基于六旋翼無人機(jī)平臺的GNSS 干擾源測向與定位系統(tǒng)采用定制的六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要用于執(zhí)行城市、叢林、山地等復(fù)雜地形環(huán)境下的偵察、監(jiān)視、跟蹤、識別地形和道路通行情況觀察，以及偵察校射等任務(wù).

如圖2 所示，六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)由飛行器子系統(tǒng)、測控子系統(tǒng)、綜合保障子系統(tǒng)、任務(wù)載荷子系統(tǒng)組成.

圖2 六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)組成圖

2 空中監(jiān)測測向載荷

空中監(jiān)測測向載荷主要由測向天線陣(含切換開關(guān))、射頻模塊、中頻模塊、電子羅盤、電源控制模塊組成. 其中測向定位所需的GPS 數(shù)據(jù)由無人機(jī)平臺實(shí)時提供，空中監(jiān)測測向載荷架構(gòu)組成圖如圖3所示.

圖3 空中監(jiān)測測向載荷架構(gòu)組成圖

無人機(jī)測向天線由1 000～3 000 MHz 天線陣、射頻開關(guān)矩陣、結(jié)構(gòu)件等幾部分組成. 無人機(jī)測向天線的外形示意圖如圖4 所示，高度約0.2 m，總重量小于1.2 kg.

圖4 天線示意圖

測向天線陣采用五振元天線陣，頻率覆蓋方位1 000～3 000 MHz. 測向定位天線包括天線陣元、電子羅盤和射頻開關(guān). 天線陣元接收空間中的電磁信號，經(jīng)由天線陣控制器中的RF 信號模塊處理后，輸出可用于無線電測向的RF 信號，以便后續(xù)進(jìn)行測向定位算法. 電子羅盤提供磁北方向，開關(guān)矩陣選擇兩個天線陣元接到兩路輸出通道上. 測向天線陣原理圖如圖5 所示.

圖5 測向天線陣原理圖

空中監(jiān)測測向接收機(jī)采用超外差式數(shù)字接收機(jī)技術(shù)研制[3-5]，結(jié)合固態(tài)微波及嵌入式軟件技術(shù)，將來自天線的1 000～3 000 MHz 射頻信號下變頻成76.8 MHz 中頻輸出到AD，經(jīng)帶通采樣后，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號[6].

3 地面站

地面控制站一方面完成對無人機(jī)飛行器的控制和飛行路線的顯示；另一方面完成干擾監(jiān)測信號的實(shí)時接收、處理、顯示以及參數(shù)設(shè)置等.

地面控制站硬件設(shè)備組成主要包括地面數(shù)傳終端、圖傳終端、地面飛控便攜計算機(jī)(便攜式工業(yè)地面站)、數(shù)據(jù)處理終端等.

六旋翼無人機(jī)系統(tǒng)地面站軟件包括地面無人機(jī)飛行顯控軟件和干擾源監(jiān)測與定位軟件. 兩款軟件可以將結(jié)果融合處理顯示，根據(jù)無線電監(jiān)測管理軟件定位結(jié)果，可通過飛控軟件設(shè)置無人飛行器自動飛行，逐步逼近發(fā)射源. 在飛機(jī)遙控范圍邊緣報警、返回.

4 工作流程

基于六旋翼無人機(jī)平臺的GNSS 干擾源測向與定位系統(tǒng)的工作流程主要是先發(fā)現(xiàn)干擾源，再提取干擾源參數(shù)信息，然后對干擾源進(jìn)行測向，最后進(jìn)行交匯定位，找到干擾源位置. 具體流程如圖6 所示.

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

a) 無人機(jī)升空前準(zhǔn)備工作：規(guī)劃好飛行路線(用于查找干擾源位置，飛行軌跡一般采用“L”形狀，即L型航跡規(guī)劃)，給整套設(shè)備加電啟動，檢查設(shè)備和通信鏈路是否正常.

b) 發(fā)現(xiàn)和提取干擾源參數(shù)信息：無人機(jī)垂直升空到指定高度后原地駐留，電磁監(jiān)測測向載荷開啟頻率掃描監(jiān)測模式，發(fā)現(xiàn)和提取干擾源參數(shù)信息，對干擾源信號參數(shù)信息進(jìn)行本地存儲，同時將結(jié)果上報.

c) 干擾源方位測量：獲取干擾源信息參數(shù)后，在該駐留點(diǎn)位對該干擾源進(jìn)行測向，結(jié)果在本地存儲并同時將結(jié)果上報.

d) 規(guī)劃其他點(diǎn)位對干擾源測向：第一個駐留點(diǎn)位測向完畢，按規(guī)劃的其它點(diǎn)位，對該干擾源進(jìn)行測向，結(jié)果在本地存儲并同時將結(jié)果上報；無人機(jī)空中測試完成，返回地面.

e) 干擾源定位：通過每個駐留點(diǎn)位的干擾源參數(shù)提取和方位測量的結(jié)果，對干擾源交匯定位.

f) 逼近查看干擾源：干擾源定位后，評估干擾源在無人機(jī)飛行范圍內(nèi)，無人機(jī)可逼近干擾源位置，通過相機(jī)載荷，對干擾源進(jìn)行監(jiān)視.

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)驗(yàn)證平臺由待測設(shè)備、模擬信號源、發(fā)射天線和測試軟件等組成，如圖7 所示. 試驗(yàn)驗(yàn)證平臺一般架設(shè)于空曠無遮擋、電磁環(huán)境好的標(biāo)準(zhǔn)場地，按照工作流程放飛無人機(jī)，并調(diào)整工作模式；選定某一地點(diǎn)架設(shè)干擾系統(tǒng)，利用干擾源發(fā)射連續(xù)波、調(diào)頻、調(diào)幅等多種干擾.

圖7 試驗(yàn)驗(yàn)證平臺

通過以上論述，作者研究團(tuán)隊在河南省安陽市六寺小學(xué)附近進(jìn)行了一次針對基于六旋翼無人機(jī)平臺的GNSS 干擾源測向與定位系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)，飛行圖如圖8 所示.

圖8 試驗(yàn)驗(yàn)證飛行照片

起飛后，在某一地點(diǎn)架設(shè)干擾系統(tǒng)，利用干擾源發(fā)射連續(xù)波、調(diào)頻、調(diào)幅等多種干擾. 干擾源測向與定位系統(tǒng)開始工作，首先監(jiān)測北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)/GNSS 頻段附近有無干擾，如果有干擾，則選定第一個地點(diǎn)對干擾源進(jìn)行測向，如圖9 所示. 測向結(jié)束后，保存數(shù)據(jù)，執(zhí)行L 型航跡規(guī)劃指令，無人機(jī)自動飛到第二個合適的地點(diǎn)，同樣對該干擾進(jìn)行測向，并聯(lián)合第一次的測向結(jié)果進(jìn)行交叉定位，如圖10 所示.

圖9 選定第一個地點(diǎn)對干擾源進(jìn)行測向

圖10 飛行L 型軌跡后的第二個地點(diǎn)對干擾源進(jìn)行測向并交叉定位

通過此次試驗(yàn)驗(yàn)證，干擾源系統(tǒng)選取BDS/GNSS主要頻點(diǎn)(f1，f2，···，fn)，發(fā)射連續(xù)波、調(diào)幅、調(diào)頻等多種窄帶、寬帶干擾源，并通過干擾源測向與定位系統(tǒng)對干擾源進(jìn)行檢測、定位，從以下測試表格中得到檢測時間、檢測概率、干擾源測向精度、定位精度.

此次試驗(yàn)共發(fā)射了6 種干擾類型，即F1 連續(xù)波干擾、F1 調(diào)頻干擾、F1 調(diào)幅干擾、F2 連續(xù)波干擾、F2 調(diào)頻干擾、F2 調(diào)幅干擾(F1 指干擾頻點(diǎn)1，F(xiàn)2 指干擾頻點(diǎn)2，在此次試驗(yàn)中F1 選取1 268 MHz，F(xiàn)2 選取1 575 MHz). 每種干擾類型進(jìn)行了20 次飛行試驗(yàn)，統(tǒng)計每次試驗(yàn)的成功率(10 min 內(nèi)定位出干擾源位置即為成功)即為檢測概率[1]. 從開始飛行到定位到干擾源位置的時間間隔為檢測時間. 測向精度為每一次測向結(jié)果與真實(shí)方向值(真實(shí)方向值通過試驗(yàn)前的GPS 打點(diǎn)值計算得出)的方向差. 干擾源定位精度的計算為：首先計算測得干擾源位置與真實(shí)干擾源位置的距離，然后計算兩次測向過程中第一次測向點(diǎn)位與真實(shí)干擾源位置的距離，最后得到二者的比值，即為得到的干擾精度. 統(tǒng)計每次干擾精度值，取平均值填入表1.

測試表格如表1 所示，數(shù)值均為每種干擾類型下得到的數(shù)值平均值.

表1 測試表格

通過此次試驗(yàn)，可以該系統(tǒng)的研制方案切實(shí)可行，可以對特定類型的干擾源進(jìn)行有效的查找與定位，解決了某些不利地形情景下查找干擾源的難點(diǎn).通過統(tǒng)計[7]. 可以看到，以R為測量半徑，該系統(tǒng)的測向精度在3°以內(nèi)，定位精度在5%.

6 結(jié) 論

無論是車載還是手持式干擾源查找設(shè)備，查找過程受地面環(huán)境影響較大，有時存在遮擋、或不易逼近干擾源等情況發(fā)生. 為探索干擾源定位新方式的可能性，作者研究團(tuán)隊打破了基于無人飛行器的導(dǎo)航干擾源探測方面主要集中在理論研究與仿真實(shí)現(xiàn)階段的束縛，試制一套基于六旋翼無人機(jī)平臺的GNSS 干擾源測向與定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對特定類型的干擾源進(jìn)行有效的查找與定位，解決了某些不利地形情景下查找干擾源的難點(diǎn).