基于信號識別和到達時間差定位無人機控制源的方法

中國無人機發(fā)展概況

從2014年起，全球無人機行業(yè)經(jīng)歷了井噴式的發(fā)展，中國無人機領跑世界。另一方面，無人機行業(yè)與市場面臨著監(jiān)管的難題，空中愈來愈多的無人機，引發(fā)了人們對無人機使用安全事故和社會治安等風險問題的擔憂，也引起了國家監(jiān)管層與社會各界的極大關注。截止目前，國內(nèi)已經(jīng)多次出現(xiàn)無人機干擾民航起降，以及在重大活動中未經(jīng)審批私自遙控飛行等行為。

無線電管理局主要負責無人駕駛航空器系統(tǒng)頻率資源的規(guī)劃指配及非航空頻段無線電發(fā)射設備監(jiān)管等。工信部無管局已發(fā)布《關于無人駕駛航空器系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》，各級無線電管理工作者也在探索使用無線電監(jiān)測、定位、干擾、壓制等技術手段來管理和規(guī)范無人機的合規(guī)使用，促進產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

是德科技定位無人機控制源的研究

在無人機管控的技術手段中，快速識別和定位無人機控制信號發(fā)射源是一種有效的方式。目前民用無人機大多在視距內(nèi)飛行，空曠區(qū)域最大控制距離為2千米到5千米，城市環(huán)境控制距離更短，有利于技術手段快速定位。大多數(shù)民用無人機工作在2.4GHz和5.8GHz非授權頻段，在這些頻段無線局域網(wǎng)、工科醫(yī)設備、無繩電話等各種無線電業(yè)務非常擁擠。如何在擁擠的無線電業(yè)務中快速識別隱藏的無人機控制信號，從而進行定位是主要的技術難點。由于頻譜重疊和功率限值相同，傳統(tǒng)的最大場強定位、側(cè)向交叉定位等方法都很難識別和定位無人機控制信號。

本文討論基于信號識別和到達時間差（TDOA, Time Difference of Arrival）定位無人機控制源的方法，介紹了定位距離的仿真結(jié)果，以及系統(tǒng)整體安裝配置。無人機控制源監(jiān)測定位系統(tǒng)基于是德科技N6820ES信號監(jiān)測定位軟件和N6841A室外小型監(jiān)測接收機。

1、無人機控制信號識別

對于工信部無管局規(guī)劃的840.5MHz-845MHz、1430MHz-1444MHz和2408MHz-2440MHz無人駕駛航空器系統(tǒng)工作頻段以及5.8GHz非授權頻段，無人機監(jiān)測定位系統(tǒng)支持分段掃描、信道掃描和信號識別歸類，對于識別的無人機控制信號自動定位控制信號發(fā)射源。系統(tǒng)也可以添加對無人機視頻回傳信號的識別，進而定位無人機的位置。

N6820ES軟件繼承了安捷倫/是德科技傳統(tǒng)“黑鳥”無線電監(jiān)測系統(tǒng)的能量檢測、信號識別、信號分類和通用信號檢測（USD，Universal Signal Detection）功能。N6820ES成熟的能量檢測算法可以準確快速的發(fā)現(xiàn)監(jiān)測頻段內(nèi)所有感興趣的信號。通用信號檢測器（USD，Universal Signal Detector）允許用戶通過自定義的條件來識別無人機控制信號。USD包含三個協(xié)同或獨立工作的條件來識別無人機控制信號：

· 頻率計劃，包含監(jiān)測頻段、工作信道和獨立頻點等；
· 帶寬濾波器；
· 寬帶頻譜特征檢測器；

寬帶頻譜特征檢測器是識別無人機控制信號的有效手段，實際測試中非常準確的區(qū)分了不同類型的設備。檢測器算法包含頻譜特征相關算法、峰值比較法和限值比較法。頻譜特征相關算法如圖1所示，寬帶頻譜特征檢測器利用相關算法比較每段頻譜的特征是否匹配，當頻譜特征匹配兩次以上時，觸發(fā)系統(tǒng)執(zhí)行告警、定位、調(diào)制識別、記錄等任務。

圖1、USD寬帶頻譜特征檢測的無人機控制信號

USD功能支持將監(jiān)測到的信號頻譜記錄為頻譜特征條件、用戶自定義頻譜特征條件和文件導入頻譜特征條件，保證系統(tǒng)對無人機信號的識別能力可以跟隨技術和產(chǎn)品的發(fā)展不斷更新。系統(tǒng)預定義的無人機控制設備和USD編輯界面如圖2所示：

圖2、預定義無人機控制信號及USD編輯界面

無人機控制信號常用跳頻工作模式。N6820ES 和N6841A組成的監(jiān)測定位系統(tǒng)具有精確的時間同步和信號回放分析功能，支持對此類信號的識別和定位。N6841A傳感器網(wǎng)絡采用GPS或IEEE-1588協(xié)議進行同步掃描。對于20MHz帶寬的IQ數(shù)據(jù)，每個傳感器內(nèi)置緩存可以記錄4.8秒。系統(tǒng)同步每個傳感器接收的數(shù)據(jù)，對于識別到的跳頻信號，直接定位或者調(diào)用傳感器緩存的數(shù)據(jù)執(zhí)行定位算法。圖3為系統(tǒng)實際測試中分段掃描并識別的四款無人機控制信號：

圖3、N6820ES分段掃描和識別歸類四款無人機控制信號

2、監(jiān)測和定位作用距離

無人機控制信號的定位使用N6841A小型室外監(jiān)測接收機組成的TDOA網(wǎng)絡實現(xiàn)。通常需要布置至少四臺移動或可搬移監(jiān)測站，站點間距離1~2公里。每個站點既可以執(zhí)行常規(guī)信號監(jiān)測任務，又可以執(zhí)行TDOA定位。TDOA定位的具體步驟本文不做介紹，只對無人機控制信號發(fā)射源的定位距離進行分析。

無人機控制信號被識別和定位的距離受地形地貌、無人機監(jiān)測站點天線的安裝高度、無人機工作頻段等多種因素影響。后續(xù)的仿真分析基于下面兩個假設條件：

· 無人機控制器發(fā)射帶寬2MHz，發(fā)射功率100mW（20dBm）；
· 監(jiān)測接收機天線安裝高度5米。

監(jiān)測和定位范圍的仿真分為三種不同的地形地貌傳輸模型：城郊非視距傳輸（Suburban Non-Line of Sight），城郊視距傳輸（Suburban Line of Sight）和農(nóng)村視距傳輸（Rural Line of Sight）。視距模型中假設地面無人機控制器在監(jiān)測天線可視范圍內(nèi)，兩者間沒有明顯的障礙物遮擋。非視距傳輸模型假設監(jiān)測天線和無人機控制器之間有明顯的障礙物阻擋信號傳輸。

基于Wireless World Initiative New Radio consortium (WINNER I and II)提供的傳輸模型，對工作在不同頻段的無人機控制器，監(jiān)測系統(tǒng)作用距離仿真結(jié)果如表1所示：

表1、無人機控制信號監(jiān)測定位距離的仿真分析結(jié)果

是德科技提供了傳感器布置和優(yōu)化工具（SPOT，Sensor Planning and Optimization Tool）用于無人機控制源監(jiān)測定位站點的布置。使用SPOT建模和仿真工具，可以為監(jiān)測和保障的重點區(qū)域提供最佳覆蓋。圖4為SPOT工具仿真的單個無人機控制源監(jiān)測定位站點覆蓋范圍。

圖4、是德科技SPOT工具仿真的無人機控制源監(jiān)測定位站點覆蓋范圍

3、無人機控制源監(jiān)測定位系統(tǒng)配置

無人機控制源監(jiān)測定位系統(tǒng)主要由N6820ES監(jiān)測軟件和N6841A小型室外監(jiān)測接收機組成。N6820ES軟件實現(xiàn)無線電監(jiān)測信號的識別和定位結(jié)果輸出，N6841A組成的室外站執(zhí)行信號監(jiān)測和定位。建議布置四臺或四臺以上室外監(jiān)測站點用于信號監(jiān)測和TDOA定位。每套室外監(jiān)測站點的配置如圖5所示：

• 5米的可伸縮天線桿；
• 是德科技N6850A寬帶全向天線（WBOA），工作頻率20MHz到6GHz；
• 低噪聲放大器，電源，USB電池組和附件；
• 4米的N型室外射頻電纜；
• N6841A監(jiān)測接收機，頻率范圍20MHz到6GHz，帶GPS天線，IP67防護，交流供電；
• 轉(zhuǎn)運箱；
• 8小時工作鋰電池和充電器；
• 50米室外帶屏蔽網(wǎng)線；

圖5、室外可搬移監(jiān)測站點配置

4、總結(jié)

上文介紹了基于信號識別和TDOA定位對無人機控制信號進行監(jiān)測定位的方法，在不同環(huán)境多次實驗中驗證了系統(tǒng)良好的工作效果。為了促進無人機產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，引導用戶合規(guī)高效的使用無人機開展業(yè)務，并且減少和降低其帶來的各種風險，各級無線電工作者都在探索和鉆研無人機管控的技術手段。通過本文的討論，為大家提供一個無人機管控的新思路，與大家一起探索前行。