無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測和高精度測向技術(shù)探索

趙紫稷

(中船重工第八研究院，江蘇 南京 211106)

0 引言

在科技水平不斷提升的背景下，我國各領(lǐng)域的發(fā)展也越來越快。頻譜探測技術(shù)是我國高新技術(shù)中的重要技術(shù)類型，尤其在無人機(jī)行業(yè)發(fā)展過程中，頻譜探測技術(shù)的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。各種新進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展可以推動無線電技術(shù)的發(fā)展，不同電子設(shè)施的應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大，由此可以形成緊密的電磁網(wǎng)，為我國無人機(jī)頻譜探測技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。在實(shí)際研究中，相關(guān)人員只有全面掌握無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測和高精度測向技術(shù)的應(yīng)用原理，拓展無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測技術(shù)與高精度測向技術(shù)的應(yīng)用范圍，明確在無人機(jī)探測技術(shù)應(yīng)用過程中存在的問題，才能對技術(shù)進(jìn)行深入研究，促進(jìn)技術(shù)創(chuàng)新與發(fā)展。

1 無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測技術(shù)存在的問題

目前，電子頻譜探測技術(shù)的應(yīng)用受到世界各國的廣泛關(guān)注，例如美國在研究過程中的典型系統(tǒng)包括民用航空無線電干擾監(jiān)測系統(tǒng)IMDS，主要是對民航通信導(dǎo)航等占用頻譜進(jìn)行有效監(jiān)測；狼群網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要功能是戰(zhàn)場捕獲敵方雷達(dá)和通信；GPS導(dǎo)航干擾監(jiān)測系統(tǒng)也屬于無人頻譜探測技術(shù)的典型應(yīng)用[1]。此外，德國短波信號監(jiān)測、韓國非法電磁信號監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)、我國的頻譜專項(xiàng)感知研究與驗(yàn)證等項(xiàng)目都是對頻譜探測技術(shù)的研究與應(yīng)用項(xiàng)目。近年來，我國低空空域被逐步開放，無人機(jī)技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及應(yīng)用發(fā)展速度越來越快，但是隨之而來的低空安全隱患越來越突出。無人機(jī)探測以及反制技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

近些年，我國低空空域被逐步開放，無人機(jī)技術(shù)產(chǎn)業(yè)以及應(yīng)用發(fā)展速度越來越快，但是隨之而來的低空安全隱患越來越突出。無人機(jī)探測以及反制技術(shù)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。因?yàn)闊o人機(jī)具有低慢小的特點(diǎn)，目標(biāo)機(jī)動也比較復(fù)雜，速度比較慢，雷達(dá)反射截面積比較小，所以現(xiàn)有的雷達(dá)無法有效探測無人機(jī)遠(yuǎn)距離目標(biāo)。頻譜探測技術(shù)在使用過程中需要獲取無人機(jī)的遙控和回傳信息，從而對無人機(jī)進(jìn)行監(jiān)測、識別、定位、跟蹤、干擾打擊。作為性價(jià)比較高的手段，無人機(jī)的發(fā)展越來越受到關(guān)注。在無人機(jī)應(yīng)用中可以對無人機(jī)信號進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測，但是因?yàn)榻邮侦`敏度在同一中頻寬帶下的差別比較小，獲取的信號準(zhǔn)確度不高。因此，需要對弱信號檢測技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)無人機(jī)頻譜測探效果研究十分重要。

頻譜資源作為國家發(fā)展過程中的重要戰(zhàn)略資源，在無線電技術(shù)快速發(fā)展、電子設(shè)備不斷增加的情況下，其作用越來越突出。隨著電子信號不斷交織，相關(guān)人員對頻譜資源進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，可以共用無線通信信道，但是受自然電磁環(huán)境的影響，會形成復(fù)雜快變的電磁空間，導(dǎo)致探測效果不佳。此外，因?yàn)闊o人機(jī)目標(biāo)機(jī)動也比較復(fù)雜，速度比較慢，雷達(dá)反射截面積比較小，現(xiàn)有的雷達(dá)無法有效探測無人機(jī)遠(yuǎn)距離目標(biāo)。在獲取無人機(jī)遠(yuǎn)距離目標(biāo)信號時(shí)，在同一中頻寬帶下的信號差別比較小，直接影響了信號獲取的準(zhǔn)確度。

因此，為了提升無人機(jī)頻譜測探效果，尤其是提升遠(yuǎn)距離探測結(jié)果的準(zhǔn)確性，相關(guān)人員需要研究頻譜設(shè)備的天線增益，利用定向喇叭天線完成空域探索任務(wù)。此外，相關(guān)人員還需要利用全空域監(jiān)測陣列，采用幅度關(guān)系完成目標(biāo)信號方位計(jì)算工作，提高測向精度。

2 對無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測技術(shù)與高精度測向技術(shù)的應(yīng)用

2.1 改進(jìn)頻譜設(shè)備，提升遠(yuǎn)距離探測的可靠性

2.1.1 全向天線增益設(shè)計(jì)

當(dāng)前，大多數(shù)頻譜設(shè)備主要利用全向天線完成信號探測，但是全向天線的增益存在一定限制，無法有效優(yōu)化增益，大多保持在2 dBi左右，探測距離為2 km左右。為了解決天線增益限制問題，在無人機(jī)研發(fā)過程中，一些企業(yè)對無人機(jī)頻譜偵測設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)增益，使其增益達(dá)到12 dBi，定向喇叭天線也可以完成空域探索任務(wù)。在信號幅度相同的情況下，探測距離與全向探測能夠提高3倍左右。對全向雙錐無源天線的增益情況進(jìn)行研究，可以確定其在6 GHz以下，頻段天線增益維持在2 dBi左右。在定向監(jiān)測的增益測試中，2～6 GHz頻段增益保持在11～12 dBi。由此可以確定，喇叭天線增益比全向監(jiān)測天線增益高9.5 dBi左右[2]。

無線信號空間衰減模型：Ls(dB)=32．4+20Lgf(MHz)+20LgD(km)。以此為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)作用的距離增加n倍時(shí)，9.5=20 lgn，反對數(shù)n=3，代表增益高9.5 dBi的喇叭偵測天線作用距離比全向雙追偵測天線作用距離高3倍。設(shè)備預(yù)計(jì)偵測距離為10 km，在實(shí)際研究中需要通過圖傳信號進(jìn)行分析，利用全向天線進(jìn)行發(fā)射并經(jīng)過空間傳播到接收天線，接收天線后即為側(cè)向開關(guān)矩陣，可以對信號進(jìn)行放大和選擇輸出，最后通過射頻電纜發(fā)送到車上接收機(jī)。

2.1.2 偵測設(shè)備靈敏度優(yōu)化

在測試LK-WDF001偵測設(shè)備靈敏度的過程中，相關(guān)人員發(fā)現(xiàn)，6 GHz頻段的靈敏度可以達(dá)到-100 dbm，這代表信號滿足最低靈敏度要求，意味著探測系統(tǒng)在估計(jì)自動探測和識別方面存在一定難度，探測精度受到影響。因此，需要將天線接收信號與低噪放電路連接，低噪放設(shè)計(jì)增益為11 dB，開關(guān)矩陣噪聲系數(shù)為5，系統(tǒng)靈敏度能夠提高6 dB，有利于開展信號自動探索以及信號識別工作，提升無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測結(jié)果的可靠性。

2.2 高精度測向技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 計(jì)算目標(biāo)信號方位

無人機(jī)探測設(shè)備主要應(yīng)用于5 GHz以上頻段，在這一頻段使用相位法測量無法獲取理想的測向效果。在這種情況下，LK—WDF001設(shè)備需要利用全空域監(jiān)測陣列，采用幅度關(guān)系完成目標(biāo)信號方位計(jì)算工作。

其中，1號對周與1號喇叭可以通過2選1開關(guān)進(jìn)行選通，然后通過低噪放電路進(jìn)行輸出，其他7組天線以同樣的方法輸出。輸出的8組信號完成兩個(gè)5選1開關(guān)輸出兩路信號后，可以將其輸入測向接收機(jī)。兩層天線列陣在空間上需要錯(cuò)開布置，以上下方式安裝，喇叭測向陣列為下層，對周測向陣列在下層。天線內(nèi)部安裝結(jié)構(gòu)以8個(gè)喇叭天線合成的陣列天線為主。

2.2.2 分析數(shù)據(jù)對應(yīng)方向

分析合成方向，如果目標(biāo)信號從某一個(gè)方向進(jìn)入天線陣列，每一個(gè)喇叭接收的幅度值會存在明顯差異，并且信號入射的方位與幅度分布具有唯一映射關(guān)系。通過唯一映射關(guān)系研究可以掌握信號幅度的分布關(guān)系，獲取信號入射范圍。一般情況下，幅度相關(guān)工程實(shí)現(xiàn)方法主要是通過電子開關(guān)選通1號到8號天線，對目標(biāo)頻點(diǎn)信號帶內(nèi)平均功率進(jìn)行有效采集，獲取天線接收的平均功率值。將獲取的數(shù)據(jù)和樣板庫內(nèi)相同頻點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，獲取相關(guān)系數(shù)。數(shù)據(jù)相關(guān)系數(shù)最大時(shí)，說明數(shù)據(jù)對應(yīng)方向值為來波方向值。

2.2.3 計(jì)算天線幅度系數(shù)

在工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，高增益定向天線構(gòu)建的測向陣列受天線源強(qiáng)烈的方向特性影響，在遠(yuǎn)距離目標(biāo)信號采集過程中，很多天線源無法有效接收信號。受這種情況影響，需要引入8個(gè)天線幅度完成相關(guān)系數(shù)計(jì)算，導(dǎo)致測向結(jié)果的準(zhǔn)確度受到影響。因此，相關(guān)人員需要開發(fā)相鄰幅度法測向算法，可以將數(shù)據(jù)篩選和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方法有效結(jié)合，提高無人機(jī)圖傳信號的精準(zhǔn)性。同時(shí)，相關(guān)人員可以使用累計(jì)幅度統(tǒng)計(jì)方法，以低成本的硬件架構(gòu)為基礎(chǔ)，對遙控器的高速跳頻信號進(jìn)行測向。根據(jù)這一方法研發(fā)的無人機(jī)偵測設(shè)備外場實(shí)測探測距離能夠達(dá)到8 km以上，測向精度也可以達(dá)到3°左右[3]。

3 無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測與高精度測向技術(shù)的應(yīng)用

3.1 在重要區(qū)域防護(hù)中的應(yīng)用

無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測和測向技術(shù)的應(yīng)用有助于完成重要區(qū)域防護(hù)工作，特別是對監(jiān)獄、機(jī)場等重要區(qū)域進(jìn)行防護(hù)時(shí)，利用集中式協(xié)作頻譜探測技術(shù)構(gòu)建TDOA無人機(jī)定位系統(tǒng)，可以對整個(gè)區(qū)域內(nèi)400 MHz至6 GHz的無線電信號進(jìn)行全面掃描、采集，并將信號存儲在對應(yīng)的系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)數(shù)據(jù)使用需求完成測量分析，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)位置信號，之后通過頻譜特征庫匹配對無人機(jī)目標(biāo)進(jìn)行識別、定位和跟蹤[4]。在重要區(qū)域防護(hù)過程中，需要加強(qiáng)傳感器部署工作，要確保傳感器位置和數(shù)量與地形條件相適應(yīng)。傳感器站點(diǎn)越多，定位精度越高，一般在重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域需要部署4個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。在傳感器節(jié)點(diǎn)布設(shè)過程中，最好按照正方形分布，每個(gè)傳感器相距1～2 km，位置標(biāo)定為1 m。

無線傳感器主要由寬帶天線、配套線纜和信號接收器組成。在信號采集和預(yù)處理完成后，相關(guān)人員需要將采集的數(shù)據(jù)回傳到融合中心。例如：無人機(jī)以直徑300 m、高度50 m進(jìn)行環(huán)繞飛行時(shí)，獲取的無人機(jī)圖傳和控制信號強(qiáng)度為-80 dbm～-90 dbm，圖傳信號為寬帶信號，控制信號為窄帶慢速變頻信號。在獲取可疑信號時(shí)，系統(tǒng)可以直接切換到識別模式，如果識別為無人機(jī)信號會轉(zhuǎn)為定位跟蹤模式，并給出無人機(jī)定位的具體信息。利用周期性持續(xù)定位，相關(guān)人員可以獲取無人機(jī)的飛行軌跡，通過頻譜特征識別以及對比工作能夠準(zhǔn)確掌握無人機(jī)的型號。在基于3個(gè)節(jié)點(diǎn)的探測覆蓋測試系統(tǒng)應(yīng)用過程中，傳感器需要設(shè)置在比較開闊的江面，兩岸距離為1 km，高度為15 m，天線增益為2 dBi。在對無人機(jī)信號進(jìn)行檢測時(shí)，靈敏度為3 dB，無人機(jī)的高度固定在20 m，系統(tǒng)對2.4 GHz附近的信號頻譜進(jìn)行監(jiān)測?？梢源_定站與站之間的距離為1 km時(shí)，距離不同站0.4 km范圍內(nèi)的區(qū)域定位精度比較高，探測威力受天線高度、無人機(jī)飛行高度和大氣衰減等不同因素的影響較大。在監(jiān)測過程中，相關(guān)人員需要根據(jù)現(xiàn)場情況合理調(diào)整無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測與高精度測向方案，確保探測結(jié)果的可靠性。

3.2 在探測與反制中的實(shí)踐

深入研究無人機(jī)的目標(biāo)特性和頻譜發(fā)射源定位技術(shù)有助于將其運(yùn)用在探測和反制領(lǐng)域。無人機(jī)利用TDOA交叉定位方法能夠制造出可以在不同環(huán)節(jié)與地點(diǎn)應(yīng)用的探測儀。例如：多普勒測量儀、干涉儀測向機(jī)等，并使用交叉定位方式發(fā)揮測向儀的積極作用，實(shí)現(xiàn)完美的結(jié)合效果。TDOA本身的定位精度比較高，系統(tǒng)運(yùn)行比較簡單，出現(xiàn)的問題也比較少，將其應(yīng)用在無人機(jī)系統(tǒng)內(nèi)具有實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性，可以在大規(guī)模探測工作中應(yīng)用。特別是在重點(diǎn)區(qū)域防護(hù)過程中，相關(guān)人員可以利用集中協(xié)作頻譜探測技術(shù)構(gòu)建無人機(jī)定位系統(tǒng)，掌握區(qū)域內(nèi)的不同信號和消息，提升重點(diǎn)區(qū)域綜合防護(hù)效果。

此外，利用無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行定位可以分配無人機(jī)的位置和數(shù)量，最大限度地提高探測精度，保證定位效果。在無人機(jī)反制應(yīng)用方面，系統(tǒng)一般由光電跟蹤設(shè)備和無線電干擾器組成，鎖定相應(yīng)的目標(biāo)后，可以及時(shí)完成定位，之后需要對無人機(jī)系統(tǒng)干擾。為了達(dá)到理想的效果，常用的干擾方式主要包括反制式干擾和欺騙式干擾。反制式干擾是對高頻率信號進(jìn)行干擾；欺騙式干擾主要是對無人機(jī)進(jìn)行欺騙，方便對無人機(jī)進(jìn)行捕捉。相關(guān)人員需要根據(jù)具體的情況合理選擇干擾方式，獲取更多的情報(bào)信息，保護(hù)無人機(jī)以及定位系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行。

4 無人機(jī)頻譜探測技術(shù)應(yīng)用前景

無人機(jī)頻譜遠(yuǎn)距離探測和高精度測向技術(shù)發(fā)展過程，受衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)、數(shù)字通信系統(tǒng)等科學(xué)技術(shù)的影響較大。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，無人機(jī)逐漸從軍用領(lǐng)域朝著民用領(lǐng)域普及。近年來，消費(fèi)級無人機(jī)越來越多，無人機(jī)自主導(dǎo)航和監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展也越來越快。我國自主制造的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)是無人機(jī)定位設(shè)備安全飛行的重要保障。RTK技術(shù)可以提高無人機(jī)的定位精準(zhǔn)度。網(wǎng)絡(luò)RTK可以解決單基準(zhǔn)站和人工架設(shè)參考站存在的距離短和信號弱等問題。相關(guān)人員對無人機(jī)自主導(dǎo)航技術(shù)的深入研究推動了我國無人機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，也豐富了無人機(jī)的功能。目前，國內(nèi)慣導(dǎo)技術(shù)不斷成熟，無線通信技術(shù)也在不斷發(fā)展。遠(yuǎn)距離無人機(jī)測控技術(shù)也越來越成熟。在今后的研究過程中，相關(guān)人員需要根據(jù)社會發(fā)展對無人機(jī)的具體需求，提高無人機(jī)遠(yuǎn)距離探測水平，可以在電力監(jiān)測、遠(yuǎn)海監(jiān)測和橋梁監(jiān)測中充分應(yīng)用無人機(jī)探測技術(shù)，達(dá)到節(jié)省人力、物力，提高任務(wù)執(zhí)行效率的目的[5]。此外，在森林滅火和高空滅火等援救過程中，無人機(jī)有助于提高火災(zāi)現(xiàn)場的探測效率，掌握火災(zāi)情況，對加快救援進(jìn)程、縮短救援時(shí)間、挽救人們的生命和財(cái)產(chǎn)有積極作用。同時(shí)，相關(guān)人員還要從無人機(jī)飛行規(guī)范等角度出發(fā)，約束無人機(jī)的應(yīng)用，防止非法使用無人機(jī)。

5 結(jié)語

在無人機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的情況下，研究無人機(jī)遠(yuǎn)距離頻譜探測技術(shù)與高精度測向技術(shù)、提高遠(yuǎn)距離探測技術(shù)和高精度測向技術(shù)的應(yīng)用效果是推動無人機(jī)行業(yè)長遠(yuǎn)穩(wěn)定發(fā)展的重要前提。在當(dāng)前的無人機(jī)遠(yuǎn)距離探測技術(shù)和高精度測向技術(shù)研究過程中，研究人員需要綜合分析相關(guān)理論，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模型搭建和數(shù)據(jù)仿真等不同方法深入掌握技術(shù)的發(fā)展趨勢，為后續(xù)無人機(jī)反制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定基礎(chǔ)。