一種利用通用照射源的無人機無源定位系統的製作方法

2023-10-21 18:25:37

一種利用通用照射源的無人機無源定位系統的製作方法
【專利摘要】一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，本發明所要解決的技術問題是提供一種在GPS、北鬥等衛星定位系統受到幹擾或者失效的情況下，利用常規照射源(民用無線電發射裝置)對無人機進行地理定位的方法及系統。無人機系統在無人控制情況下能夠實現自控飛行、也即是按照預先設計的航路自主飛行，而自主飛行現階段依賴於衛星導航系統與慣導設備，如GPS、北鬥與慣性導航單元解算獲取的位置信息。再由飛行控制系統按照無人機現有位置和目標位置控制無人機實現自主飛行。因此如何實現自身定位是實現自主飛行控制的基礎。本發明可應用於飛行平臺，作為備份定位設備在GPS、北鬥等通用導航系統無法正常工作時提供導航信息。
【專利說明】一種利用通用照射源的無人機無源定位系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，實現和解決了在GPS、GL0NASS、北鬥等衛星定位系統受到幹擾或者失效的情況下，利用常規通用照射源對無人機進行地理位置確認。
【背景技術】
[0002]無人機技術是21世紀軍事裝備技術的重要發展方向，在近10年來的幾次局部戰爭中，無人機都發揮了巨大威力。在民用市場無人機也是從無到有，從少到多、在眾多行業領域顯示了巨大的應用價值與應用潛力。
[0003]無人機系統能夠實現自控飛行、也即是按照預先設計的航路自主飛行，自主飛行是無人機實現應用的重要基礎；而自主飛行現階段主要依賴於其機載導航系統，如GPS、GL0NASS、北鬥與慣性導航單元進行組合解算以獲取自身的位置。再有飛行控制計算機控制無人機實現自主飛行。因此如何實現自身定位是實現自主飛行控制的基礎。
[0004]現有導航技術GPS、GL0NASS、北鬥、慣性導航的方式實現的。其中GPS、GL0NASS、北鬥屬於衛星定位，其應用範圍廣、精度高，屬於主要定位手段；但是因為其重要作用容易成為主要攻擊目標；從而降低其可用性。慣性導航依靠陀螺軸向穩定性實現對搭載平臺的導航，其定位導航誤差會產生積累，運行時間越長其導航誤差越大。除了以上衛星導航、慣性導航外還有將二者結合的組合導航方法，其同樣嚴重依賴於衛星導航。
[0005]而本發明不依賴導航衛星，而是使用民用照射源，民用照射源數量眾多、形式多樣，從而增加了其被幹擾、被欺騙的難度。具有較好的實用價值及應用前景。

【發明內容】

[0006]本發明所要解決的技術問題:克服現有技術的不足，提供一種在GPS、GL0NASS、北鬥等衛星定位系統受到幹擾或者失效的情況下，利用常規民用照射源對無人機進行地理位置確認的系統，能夠弱化無人機系統對衛星定位的依賴性，有效減小戰時因電子戰而導致無人機失蹤及毀傷的概率。
[0007]本發明包括如下技術方案:
[0008]一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，安裝在所述無人機上，包括:接收天線、天線伺服模塊、寬頻接收機、多模採集模塊和數據處理模塊；
[0009]天線伺服模塊控制接收天線360°旋轉，接收所述多個通用照射源發出的信號，並將接收到的信號送入寬頻接收機，寬頻接收機對信號進行濾波處理，並將濾波後的信號送入多模採集模塊，多模採集模塊對輸入到該模塊中的信號依次進行模數轉換及數字下變頻，再將生成的數位訊號送入數據處理模塊進行處理，得到無人機相對於所述多個通用照射源的位置。
[0010]所述多模採集模塊包括採樣率判別模塊和寬頻AD採集模塊；
[0011]由寬頻接收機濾波處理之後的信號送入多模採集模塊中的採樣率判別模塊，採樣率判別模塊根據奈奎斯特帶通採樣定律和滿足信噪比要求條件下的載波中心頻率摺疊次數確定採樣率，並將採樣率提供給寬頻AD採集模塊，寬頻AD採集模塊根據該採樣率對所述寬頻接收機濾波處理之後的信號依次進行AD採集和下變頻，並根據不同照射源的頻率和帶寬對下變頻後的信號進行區分，得到對應於每個照射源的基帶數位訊號，之後將生成的基帶數位訊號送入數據處理模塊。
[0012]所述數據處理模塊包括照射源識別模塊、定位解算模塊和組合解算模塊；照射源識別模塊將每個照射源信號的固有參數和輸入到數據處理模塊中的基帶數位訊號的相應參數進行比對，從而完成對照射源的識別，並將識別結果和相應照射源的位置信息提供給定位解算模塊；所述每個照射源信號的固有參數包括載波中心頻率、帶寬、照射源波譜形式和照射源同步信息；
[0013]定位解算模塊根據所述照射源位置信息和無人機慣導數據進行載波相位測距解算，得到無人機和照射源之間的相對距離，再解算出無人機相對多個照射源的坐標位置，並將無人機的坐標位置提供給組合解算模塊；
[0014]組合結算模塊根據無人機慣導數據和定位解算模塊提供的無人機的坐標位置信息進行組合濾波處理，得到最終的無人機位置信息。
[0015]定位解算模塊解算出無人機相對多個照射源的坐標位置通過如下公式進行:
[0016](Xl1-Xp)2+ (Yl1-Yp)2+ (Zl1-Zp) 2=Lu2
[0017]其中，XpYli' Zli為照射源坐標，Xp、Yp、Zp為無人機坐標位置，Lli為無人機距照射源的距離。
[0018]組合結算模塊根據無人機慣導數據和定位解算模塊提供的無人機的坐標位置信息進行組合濾波處理具體為:
[0019]通過卡爾曼組合濾波進行組合濾波處理，卡爾曼組合濾波通過如下公式進行:
[0020]XK+1=Ak+1Xk+ffk
[0021]Zk+1 -Hk+1Xk+1 +Vk+1
[0022]其中，Ak為k時刻的狀態轉移矩陣，Hk為k時刻的觀測矩陣，Xk為k時刻的狀態變量，Zk為k時刻的觀測變量，Wk為k時刻的系統誤差，Vk為k時刻的觀測誤差。
[0023]本發明與現有技術相比具有如下優點:
[0024]( I)現有技術不能在衛星定位系統受到幹擾或失效的情況下進行高精度無人機定位，本發明以無源定位方法為基礎，以統一參考係為標準，多照射源解算將地理位置信息的通過鏈路傳回指控中心，實現無衛星定位系統下的無人機定位。
[0025](2)本發明使用的無源定位技術其精度能夠保證在百米量級，而通常無人機在GPS丟失情況下會利用磁力計信息、或者鏈路引導進行航路估算，其定位精度很差，本發明有效提高了無衛星定位系統下的定位精度。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1本發明的利用通用照射源的無源定位系統組成示意圖；
[0027]圖2本發明的多模採集模塊示意圖；
[0028]圖3數據處理模塊及處理流程示意圖
[0029]圖4利用通用照射源的無源定位系統工作流程示意圖【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，本發明提供了一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，安裝在所述無人機上，包括:接收天線、天線伺服模塊、寬頻接收機、多模採集模塊和數據處理模塊；
[0031]天線伺服模塊控制接收天線360°旋轉，接收所述多個通用照射源發出的信號，並將接收到的信號送入寬頻接收機，寬頻接收機對信號進行濾波處理，並將濾波後的信號送入多模採集模塊，多模採集模塊對輸入到該模塊中的信號依次進行模數轉換及數字下變頻，再將生成的數位訊號送入數據處理模塊進行處理，得到無人機相對於所述多個通用照射源的位置。
[0032]如圖2所示，多模採集模塊包括採樣率判別模塊和寬頻AD採集模塊；
[0033]由寬頻接收機濾波處理之後的信號送入多模採集模塊中的採樣率判別模塊，採樣率判別模塊根據奈奎斯特帶通採樣定律和滿足信噪比要求條件下的載波中心頻率摺疊次數確定採樣率，並將採樣率提供給寬頻AD採集模塊，寬頻AD採集模塊根據該採樣率對所述寬頻接收機濾波處理之後的信號依次進行AD採集和下變頻，並根據不同照射源的頻率和帶寬對下變頻後的信號進行區分，得到對應於每個照射源的基帶數位訊號，之後將生成的基帶數位訊號送入數據處理模塊。
[0034]多模米樣及處理的實例，選擇GSM信號和數位電視信號同時存在於空間中的情況，其中GSM信號的載波頻率約1.8GHz，基帶信號帶寬270KHz，信號經調製編碼；數位電視信號的載波頻率約670MHz，基帶信號帶寬約8MHz，信號經調製編碼。根據奈奎斯特帶通採樣定理，選擇的AD採樣率至少為8MHz才能滿足兩種信號的採集，但是利用16MHz對670MHz或者1.SGHz信號進行採樣時，由於中心頻率需要摺疊多次才能滿足中頻採集，多次的摺疊會增加採樣帶寬內的噪聲，因此需要選擇合適的採樣率以權衡中頻摺疊和帶通採樣的關係，本實例中按照670MHz和1800MHz兩種載波為參考，可選擇340MHz的AD採樣率。對670MHz的數位電視信號，340MHz的採樣率使中心頻率摺疊2次至10MHz，噪聲增長為原來的
4倍，滿足帶通採樣的情況下要求8MHz的信號帶寬採樣率不得低於8MHz，可對340MHz的採樣率進行數字下變頻以減小參與運算的數據量，下變頻倍數可選為40，變頻後基帶採樣率為8.5MHz，滿足採樣要求；對1800MHz的GSM信號，340MHz的採樣率使中心頻率摺疊5次至100MHz，噪聲增長為原來的32倍，滿足帶通採樣的情況下要求270KHz的信號帶寬採樣率不得低於540KHZ，為統一運算量，可保留變頻後基帶採樣率為8.5MHz，滿足採樣要求，同時為採用並行處理，可選擇使用高倍數下變頻，通過合理的濾波器組合，實現340倍下抽，得到IMHz的基帶採樣率，同樣滿足採樣要求，由於下變頻抽取倍數不同，需要使用自適應技術進行採樣和處理的多模切換。通過實例，可以看出在設計本系統AD採樣模塊時，需要預先獲取照射源的信息，採樣率的選擇可以依照本實例中所考慮的各個情況進行設計。
[0035]如圖3所示，數據處理模塊包括照射源識別模塊、定位解算模塊和組合解算模塊；照射源識別模塊將每個照射源信號的固有參數和輸入到數據處理模塊中的基帶數位訊號的相應參數進行比對，從而完成對照射源的識別，並將識別結果和相應照射源的位置信息提供給定位解算模塊；所述每個照射源信號的固有參數包括載波中心頻率、帶寬、照射源波譜形式和照射源同步信息；[0036] 照射源識別需要有輸入口接收多模採集數據，所接收的數位訊號數據在進行信號頻率及標準特徵識別時，需要充分利用照射源中所包含的載波頻率、照射源波譜形式、照射源同步信息等主要特徵。通用照射源的特徵與信息多數是公開的，識別廣播信號使用其中心頻率，由於廣播信號的帶寬較窄，各地廣播電臺可利用的中心頻率多數集中在50MHz~150MHz範圍內，因此在寬頻信號接收機接收到信號載波頻率50MHz~150MHz內並且信號帶寬較窄可初步確定為廣播信號，可從當地廣播信號列表中進行篩選，以確定廣播電臺或廣播發射塔；數位電視信號擁有幾種中心頻率，不同的中心頻率又對應相應的同步碼，即信號幀結構形式，因此通過識別同步碼(幀結構)可以確定出數位電視信號，繼而確定數位電視發射塔位置，值得注意的是，數位訊號在進行編解碼時有特殊的同步頻率，而在第三方接收設備(例如本發明中的射頻前端)進行電磁波採集時大多使用的不是相應的同步頻率，因而需要重新計算長度以匹配幀頭定義；GSM信號具有與數位電視信號相似的信號形式，其信號頻率相對固定，同時具有非常嚴格的信號幀結構，由於GSM信號的發射站較多，因此GSM信號幀結構中必然會包含各信號發射塔的序列號信息，通過作戰前期調研，明確作戰範圍內的所有發射塔位置，即可實現目標位置識別。
[0037]定位解算模塊根據所述照射源位置信息和無人機慣導數據進行載波相位測距解算，得到無人機和照射源之間的相對距離，再解算出無人機相對多個照射源的坐標位置，並將無人機的坐標位置提供給組合解算模塊；
[0038]定位解算模塊解算出無人機相對多個照射源的坐標位置通過如下公式進行:
[0039](Xl1-Xp)2+ (Yl1-Yp)2+ (Zu-Zp) 2=lli2
[0040]其中，Xli^Yli, Zli為照射源坐標，Xp、Yp、Zp為無人機坐標位置，Lli為無人機距照射源的距離。
[0041]組合結算模塊根據無人機慣導數據和定位解算模塊提供的無人機的坐標位置信息進行組合濾波處理具體為:
[0042]通過卡爾曼組合濾波進行組合濾波處理，卡爾曼組合濾波通過如下公式進行:
[0043]XK+1=Ak+1Xk+Wk
[0044]Zk+1=Hk+1Xk+1+Vk+1
[0045]其中，Ak為k時刻的狀態轉移矩陣，Hk為k時刻的觀測矩陣，Xk為k時刻的狀態變量，Zk為k時刻的觀測變量，Wk為k時刻的系統誤差，Vk為k時刻的觀測誤差。
[0046]如圖4本發明實施過程中提供一套系統運行步驟如下:
[0047](1)開機時間及並行處理
[0048]本發明所實現的硬體設備並不向外輻射電磁波，因此適合長時間開機作業，在無人機起飛後即開啟無源定位設備並對各個可能的照射源進行定位，本系統的輸入除了照射源的射頻信號外，還可以包括GPS、GL0NASS、北鬥等衛星定位系統的天線，在衛星定位系統信息存在的情況下，可以將衛星定位信息和無源定位信息進行參考比對，在對無源定位信息進行實時監測的同時，也減小了衛星定位系統的探測收斂時間。
[0049](2)功能啟動
[0050]設備在進行無源定位檢測的同時，持續監視衛星定位系統的空間信號，在衛星定位系統空間信號存在的情況下，重複步驟(1)中並行處理的，當在本步驟中檢測到衛星定位系統的空間信號消失或受到幹擾導致無法完成定位時，使用衛星定位的運算處理模塊被掛起，保留射頻信號檢測以確定信號是否恢復，同時進入步驟(3)由無源定位系統提供定位信
肩、O
[0051](3)系統輸出
[0052]無源定位系統按照射頻接收、伺服配合、寬帶信號接收、AD採集、數位訊號處理等模塊進行運轉，系統的輸出為當前無人機飛行過程中與各已知通用照射源的相對位置，通過一個照射源可以得到近似水平位置信息，通過兩個及以上照射源可以得到三維坐標位置，通過數據鏈路將位置信息反饋給地面指揮中心進行任務規劃。
[0053](4)無源定位系統功能
[0054]無源定位系統的實時性和定位精度受到當前科技發展的限制，並且在無人機飛行過程中包含了運動變化，所計算得到的結果無法為無人機飛行提供精確導航，當衛星定位系統的空間信號消失或受到幹擾時，對無人機的正常飛行造成了極為嚴重的影響，無源定位系統在此情況下為無人機提供備用定位功能，因此當出現使用無源定位系統的情況時，需要立刻規劃返航航跡，在慣導數據漂移和無源定位系統誤差累積量允許的情況下將無人機引導入鏈路可視範圍內，利用可視鏈路進行迫降等，由此可知，無源定位系統提供的定位信息不能應用於飛機的起飛降落。當飛行過程中持續監測衛星定位信號，如果不正常，執行步驟(3)，如果監測到可用的衛星定位信號，執行步驟(I)中的並行處理功能。
[0055]本發明在當前無人機使用衛星定位系統的基礎上，為飛行過程中的定位提供了一套系統規模較小、精度可接受的無源定位方法及系統，從而代替當前無人機使用磁力計、慣性導航等精度過低的設備實現衛星定位系統信號丟失或受幹擾後的無人機導航。本發明的「【具體實施方式】」中為該系統設計方案提供了具有參考價值的理論分析依據，按照本發明中的描述進行方案規劃，並通過適當的調整和優化，即可以完成利用通用照射源的無人機無源定位系統設計。本發明中利用了當前科技允許範圍內的先進技術，具有較強的可實現性，有效的解決了目前無人機系統過分依賴於衛星定位系統進行導航的問題。本發明具有較強的普適性，並未限定於某一款無人機品種，針對常規無人機、高空長航時無人機、旋翼無人機等，均無特殊要求，在載荷重量、系統規模允許及包含通用照射源環境的情況下，各種無人機平臺均可以對本發明及系統進行掛載，同時，本發明中在地面進行定位系統組網的思想也可以應用於其他空中定位系統中。
【權利要求】
1.一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，安裝在所述無人機上，其特徵在於包括:接收天線、天線伺服模塊、寬頻接收機、多模採集模塊和數據處理模塊； 天線伺服模塊控制接收天線360°旋轉，接收所述多個通用照射源發出的信號，並將接收到的信號送入寬頻接收機，寬頻接收機對信號進行濾波處理，並將濾波後的信號送入多模採集模塊，多模採集模塊對輸入到該模塊中的信號依次進行模數轉換及數字下變頻，再將生成的數位訊號送入數據處理模塊進行處理，得到無人機相對於所述多個通用照射源的位置。
2.根據權利要求1所述的一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，其特徵在於:所述多模採集模塊包括採樣率判別模塊和寬頻AD採集模塊； 由寬頻接收機濾波處理之後的信號送入多模採集模塊中的採樣率判別模塊，採樣率判別模塊根據奈奎斯特帶通採樣定律和滿足信噪比要求條件下的載波中心頻率摺疊次數確定採樣率，並將採樣率提供給寬頻AD採集模塊，寬頻AD採集模塊根據該採樣率對所述寬頻接收機濾波處理之後的信號依次進行AD採集和下變頻，並根據不同照射源的頻率和帶寬對下變頻後的信號進行區分，得到對應於每個照射源的基帶數位訊號，之後將生成的基帶數位訊號送入數據處理模塊。
3.根據權利要求1所述的一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，其特徵在於:所述數據處理模塊包括照射源識別模塊、定位解算模塊和組合解算模塊；照射源識別模塊將每個照射源信號的固有參數和輸入到數據處理模塊中的基帶數位訊號的相應參數進行比對，從而完成對照射源的識別，並將識別結果和相應照射源的位置信息提供給定位解算模塊；所述每個照射源信號的固有參數包括載波中心頻率、帶寬、照射源波譜形式和照射源同步信息； 定位解算模塊根據所述照射源位置信息和無人機慣導數據進行載波相位測距解算，得到無人機和照射源之間的相對 距離，再解算出無人機相對多個照射源的坐標位置，並將無人機的坐標位置提供給組合解算模塊； 組合結算模塊根據無人機慣導數據和定位解算模塊提供的無人機的坐標位置信息進行組合濾波處理，得到最終的無人機位置信息。
4.根據權利要求3所述的一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，其特徵在於:定位解算模塊解算出無人機相對多個照射源的坐標位置通過如下公式進行:
(Xl1-Xp) W(Yl1-Yp)2+(Zl1-ZpV=Lli2 其中，XpYpZli為照射源坐標，Xp, Yp, Zp為無人機坐標位置，Lli為無人機距照射源的距離。
5.根據權利要求3所述的一種利用通用照射源的無人機無源定位系統，其特徵在於:組合結算模塊根據無人機慣導數據和定位解算模塊提供的無人機的坐標位置信息進行組合濾波處理具體為: 通過卡爾曼組合濾波進行組合濾波處理，卡爾曼組合濾波通過如下公式進行:
XK+「Ak+1Xk+Wk
Zk+i_Hk+1Xk+1+Vk+1 其中，Ak為k時刻的狀態轉移矩陣，Hk為k時刻的觀測矩陣，Xk為k時刻的狀態變量，Zk為k時刻的觀測變量，Wk為k時刻的系統誤差，Vk為k時刻的觀測誤差。
【文檔編號】G01S5/16GK103616665SQ201310692453
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2013年12月17日 優先權日:2013年12月17日
【發明者】樊自偉, 吳洋 申請人:中國航天空氣動力技術研究院