基于信號(hào)識(shí)別和TDOA定位的無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)方法研究

中國(guó)無(wú)人機(jī)發(fā)展概況

從2014年起，全球無(wú)人機(jī)行業(yè)經(jīng)歷了井噴式的發(fā)展，中國(guó)無(wú)人機(jī)領(lǐng)跑世界。另一方面，無(wú)人機(jī)行業(yè)與市場(chǎng)面臨著監(jiān)管的難題，空中愈來(lái)愈多的無(wú)人機(jī)，引發(fā)了人們對(duì)無(wú)人機(jī)使用安全事故和社會(huì)治安等風(fēng)險(xiǎn)問(wèn)題的擔(dān)憂，也引起了國(guó)家監(jiān)管層與社會(huì)各界的極大關(guān)注。截止目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)多次出現(xiàn)無(wú)人機(jī)干擾民航起降，以及在重大活動(dòng)中未經(jīng)審批私自遙控飛行等行為。

無(wú)線電管理局主要負(fù)責(zé)無(wú)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(wú)線電發(fā)射設(shè)備監(jiān)管等。工信部無(wú)管局已發(fā)布《關(guān)于無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)頻率使用事宜的通知》，各級(jí)無(wú)線電管理工作者也在探索使用無(wú)線電監(jiān)測(cè)、定位、干擾、壓制等技術(shù)手段來(lái)管理和規(guī)范無(wú)人機(jī)的合規(guī)使用，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

是德科技定位無(wú)人機(jī)控制源的研究

在無(wú)人機(jī)管控的技術(shù)手段中，快速識(shí)別和定位無(wú)人機(jī)控制信號(hào)發(fā)射源是一種有效的方式。目前民用無(wú)人機(jī)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(shù)手段快速定位。大多數(shù)民用無(wú)人機(jī)工作在2.4GHz和5.8GHz非授權(quán)頻段，在這些頻段無(wú)線局域網(wǎng)、工科醫(yī)設(shè)備、無(wú)繩電話等各種無(wú)線電業(yè)務(wù)非常擁擠。如何在擁擠的無(wú)線電業(yè)務(wù)中快速識(shí)別隱藏的無(wú)人機(jī)控制信號(hào)，從而進(jìn)行定位是主要的技術(shù)難點(diǎn)。由于頻譜重疊和功率限值相同，傳統(tǒng)的最大場(chǎng)強(qiáng)定位、側(cè)向交叉定位等方法都很難識(shí)別和定位無(wú)人機(jī)控制信號(hào)。

本文討論基于信號(hào)識(shí)別和到達(dá)時(shí)間差(TDOA, Time Difference of Arrival)定位無(wú)人機(jī)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(wú)人機(jī)控制源監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)基于是德科技N6820ES信號(hào)監(jiān)測(cè)定位軟件和N6841A室外小型監(jiān)測(cè)接收機(jī)。

1、無(wú)人機(jī)控制信號(hào)識(shí)別

對(duì)于工信部無(wú)管局規(guī)劃的840.5MHz-845MHz、1430MHz-1444MHz和2408MHz-2440MHz無(wú)人駕駛航空器系統(tǒng)工作頻段以及5.8GHz非授權(quán)頻段，無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)支持分段掃描、信道掃描和信號(hào)識(shí)別歸類，對(duì)于識(shí)別的無(wú)人機(jī)控制信號(hào)自動(dòng)定位控制信號(hào)發(fā)射源。系統(tǒng)也可以添加對(duì)無(wú)人機(jī)視頻回傳信號(hào)的識(shí)別，進(jìn)而定位無(wú)人機(jī)的位置。

N6820ES軟件繼承了安捷倫/是德科技傳統(tǒng)“黑鳥”無(wú)線電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的能量檢測(cè)、信號(hào)識(shí)別、信號(hào)分類和通用信號(hào)檢測(cè)(USD，Universal Signal Detection)功能。N6820ES成熟的能量檢測(cè)算法可以準(zhǔn)確快速的發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)頻段內(nèi)所有感興趣的信號(hào)。通用信號(hào)檢測(cè)器(USD，Universal Signal Detector)允許用戶通過(guò)自定義的條件來(lái)識(shí)別無(wú)人機(jī)控制信號(hào)。USD包含三個(gè)協(xié)同或獨(dú)立工作的條件來(lái)識(shí)別無(wú)人機(jī)控制信號(hào)：

· 頻率計(jì)劃，包含監(jiān)測(cè)頻段、工作信道和獨(dú)立頻點(diǎn)等;

· 帶寬濾波器;

· 寬帶頻譜特征檢測(cè)器;

寬帶頻譜特征檢測(cè)器是識(shí)別無(wú)人機(jī)控制信號(hào)的有效手段，實(shí)際測(cè)試中非常準(zhǔn)確的區(qū)分了不同類型的設(shè)備。檢測(cè)器算法包含頻譜特征相關(guān)算法、峰值比較法和限值比較法。頻譜特征相關(guān)算法如圖1所示，寬帶頻譜特征檢測(cè)器利用相關(guān)算法比較每段頻譜的特征是否匹配，當(dāng)頻譜特征匹配兩次以上時(shí)，觸發(fā)系統(tǒng)執(zhí)行告警、定位、調(diào)制識(shí)別、記錄等任務(wù)。

圖1、USD寬帶頻譜特征檢測(cè)的無(wú)人機(jī)控制信號(hào)

USD功能支持將監(jiān)測(cè)到的信號(hào)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(dǎo)入頻譜特征條件，保證系統(tǒng)對(duì)無(wú)人機(jī)信號(hào)的識(shí)別能力可以跟隨技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展不斷更新。系統(tǒng)預(yù)定義的無(wú)人機(jī)控制設(shè)備和USD編輯界面如圖2所示：

圖2、預(yù)定義無(wú)人機(jī)控制信號(hào)及USD編輯界面

無(wú)人機(jī)控制信號(hào)常用跳頻工作模式。N6820ES 和N6841A組成的監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)具有精確的時(shí)間同步和信號(hào)回放分析功能，支持對(duì)此類信號(hào)的識(shí)別和定位。N6841A傳感器網(wǎng)絡(luò)采用GPS或IEEE-1588協(xié)議進(jìn)行同步掃描。對(duì)于20MHz帶寬的IQ數(shù)據(jù)，每個(gè)傳感器內(nèi)置緩存可以記錄4.8秒。系統(tǒng)同步每個(gè)傳感器接收的數(shù)據(jù)，對(duì)于識(shí)別到的跳頻信號(hào)，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(shí)際測(cè)試中分段掃描并識(shí)別的四款無(wú)人機(jī)控制信號(hào)：

圖3、N6820ES分段掃描和識(shí)別歸類四款無(wú)人機(jī)控制信號(hào)

2、監(jiān)測(cè)和定位作用距離

無(wú)人機(jī)控制信號(hào)的定位使用N6841A小型室外監(jiān)測(cè)接收機(jī)組成的TDOA網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)。通常需要布置至少四臺(tái)移動(dòng)或可搬移監(jiān)測(cè)站，站點(diǎn)間距離1~2公里。每個(gè)站點(diǎn)既可以執(zhí)行常規(guī)信號(hào)監(jiān)測(cè)任務(wù)，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(duì)無(wú)人機(jī)控制信號(hào)發(fā)射源的定位距離進(jìn)行分析。

無(wú)人機(jī)控制信號(hào)被識(shí)別和定位的距離受地形地貌、無(wú)人機(jī)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)天線的安裝高度、無(wú)人機(jī)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(gè)假設(shè)條件：

· 無(wú)人機(jī)控制器發(fā)射帶寬2MHz，發(fā)射功率100mW(20dBm);

· 監(jiān)測(cè)接收機(jī)天線安裝高度5米。

監(jiān)測(cè)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(shè)地面無(wú)人機(jī)控制器在監(jiān)測(cè)天線可視范圍內(nèi)，兩者間沒(méi)有明顯的障礙物遮擋。非視距傳輸模型假設(shè)監(jiān)測(cè)天線和無(wú)人機(jī)控制器之間有明顯的障礙物阻擋信號(hào)傳輸。

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

表1、無(wú)人機(jī)控制信號(hào)監(jiān)測(cè)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(wú)人機(jī)控制源監(jiān)測(cè)定位站點(diǎn)的布置。使用SPOT建模和仿真工具，可以為監(jiān)測(cè)和保障的重點(diǎn)區(qū)域提供最佳覆蓋。圖4為SPOT工具仿真的單個(gè)無(wú)人機(jī)控制源監(jiān)測(cè)定位站點(diǎn)覆蓋范圍。

圖4、是德科技SPOT工具仿真的無(wú)人機(jī)控制源監(jiān)測(cè)定位站點(diǎn)覆蓋范圍

3、無(wú)人機(jī)控制源監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)配置

無(wú)人機(jī)控制源監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)主要由N6820ES監(jiān)測(cè)軟件和N6841A小型室外監(jiān)測(cè)接收機(jī)組成。N6820ES軟件實(shí)現(xiàn)無(wú)線電監(jiān)測(cè)信號(hào)的識(shí)別和定位結(jié)果輸出，N6841A組成的室外站執(zhí)行信號(hào)監(jiān)測(cè)和定位。建議布置四臺(tái)或四臺(tái)以上室外監(jiān)測(cè)站點(diǎn)用于信號(hào)監(jiān)測(cè)和TDOA定位。每套室外監(jiān)測(cè)站點(diǎn)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(cè)接收機(jī)，頻率范圍20MHz到6GHz，帶GPS天線，IP67防護(hù)，交流供電;

· 轉(zhuǎn)運(yùn)箱;

· 8小時(shí)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(cè)站點(diǎn)配置

4、總結(jié)

上文介紹了基于信號(hào)識(shí)別和TDOA定位對(duì)無(wú)人機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位的方法，在不同環(huán)境多次實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了系統(tǒng)良好的工作效果。為了促進(jìn)無(wú)人機(jī)產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展，引導(dǎo)用戶合規(guī)高效的使用無(wú)人機(jī)開(kāi)展業(yè)務(wù)，并且減少和降低其帶來(lái)的各種風(fēng)險(xiǎn)，各級(jí)無(wú)線電工作者都在探索和鉆研無(wú)人機(jī)管控的技術(shù)手段。通過(guò)本文的討論，為大家提供一個(gè)無(wú)人機(jī)管控的新思路，與大家一起探索前行。