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無人機載監測測向系統快速干擾源定位應用探討與實踐
來源:國家無線電監測中心哈爾濱監測站   作者:蘆偉東,羅士偉,吳文   添加時間:2018-11-26 10:38
本文介紹了一般無人機載監測測向系統的概況
  1 引言
 
  無人機載監測測向設備是近年來新興的無線電監測測向設備,使用無人機載監測測向系統實現對干擾信號的空中監測、測向,避免障礙物的影響,可有效提高干擾源定位準確度。
 
  2 無人機載監測測向系統概述
 
  2.1 系統組成和功能
 
  (1)飛行平臺。飛行平臺最好選擇正規廠商出產的六旋翼飛行平臺作為空中無人機載監測測向系統的飛行平臺。
 
  (2)飛控系統。飛控部分由兩級控制組成:下層是目前比較先進的A3飛控系統,上層是自動飛行駕駛系統。自動飛行駕駛系統接受來自地面站的飛行指令,控制下層的A3飛控系統進行飛行姿態調控,協同執行飛行任務。
 
  (3)數傳系統。數傳系統是空中與地面互聯的橋梁,負責上傳監測或飛行命令下傳監測或飛行數據,一般采用數據收發協議802.11。
 
  (4)地面系統。通信單元含信號收發天線,一臺平板電腦作為控制、儲存平臺,應具有良好的人機交互界面。地面站通過發送飛行、監測指令來控制飛行平臺執行任務,同時接受飛行平臺下傳的各類飛行與監測數據,可用于顯示、存儲與回放。
 
  (5)監測設備。空中無線電監測測向系統搭載的無線電信號監測與測向系統,應包括監測接收機與所覆蓋頻段的多種監測與測向天線,盡量選擇輕便且性能優良的監測接收機。
 
  2.2 飛行控制
 
  飛行控制是空中無線電監測測向系統的設計重點。可以自動飛行,也可以手動接管,保證飛行安全和操控靈活性。
 
  (1)飛控系統。應配置遙控接收機與遙控器,且模式切換在遙控器上進行,功能的優先級高于電腦自動控制,以便于地面人員可以隨時切換到遙控模式。在自動飛行的模式下,保留手動遙控的靈活性;在緊急情況下可以手動接管控制權,保證飛行安全。
 
  (2)自動控制。自動飛行控制屬于默認飛行模式,操作人員只需要設置當前信號監測測向的懸停高度即可,余下的問題由電腦自動完成。
 
  (3)手動控制。開啟手動操控模式,系統立即回被遙控器接管,所有飛行動作都將由遙控器發出,電腦控制無效。
 
  2.3 數據傳輸
 
  (1)自動模式。一般無人機上配置的是高增益板式定向天線,地面站使用的是圓極化定向天線。地空天線相向發射,保證數據傳輸的可靠性。在自動模式下,監測數據與飛行控制命令發送協議一般采用802.11ngb,即常見的5.8G Wi-Fi。
 
  (2)遙控模式。在遙控模式下,僅下傳監測與飛行數據,遙控器在2.4GHz以跳頻方式上傳遙控指令。收發天線均為全向天線,使遙控命令具有很強的抗干擾能力和較大的遙控范圍。
 
  2.4 電磁兼容性
 
  必須對擬作為空中平臺的無人機進行徹底的電磁兼容改造,系統的平均噪聲電平低于-100dBm。
 
  2.5 信號監測
 
  空中無線電監測測向系統通過地面站平板電腦實時顯示空中監測數據。系統應具備標準的ITU測量、頻譜測量與頻段掃描功能,對數據實時存儲,并能按各種條件進行統計分析。信號參數測量應包括頻率測量、頻差測量、頻偏測量、帶寬測量等,測量結果均能夠被記錄。中頻頻譜分析支持多種頻譜顯示寬度,應支持基本的FM、AM、LSB、USB解調。可以進行瞬時譜、平均譜和峰值譜的顯示。在監測過程中,既能夠實時監聽,又能夠完整記錄,可按頻段方式掃描和記錄信號。支持頻段掃描功能,使用接收機內置快速拼接功能掃描并顯示更寬頻帶,頻譜圖自動記錄并支持回放。系統界面應分為三個部分:信號監測,主要是傳統的頻譜掃描與測量;信號測向,顯示信號示向度與地圖上的方位;飛行控制,只需要高度設置。
 
  2.6 信號測向
 
  (1)單次測向。無人機在收到測向指令后,進行360°旋轉,取得信號強度的矢量數據,經過計算,得到信號的示向度,并在平板電腦上結合電子地圖顯示。對多個信號,可設置成自動任務逐個測向。
 
  (2)3D掃描。使用空中監測測向系統的比幅測向體制進行信號測向,可以做到在三維層面上展示信號強度、方向與高度的關系,微信號測向與電波傳播研究提供了一種創新形式。表1給出了不同測試高度下,接收電平值的變化。
 
  
表1 飛行高度與信號強度的變化
 
  (3)多點定位。地面站軟件可以將無人機多地點升空測向的數據,在電子地圖上進行交會定位,提高大范圍追蹤信號的效率。同時,系統軟件還可以使用公眾移動4G網絡聯網多套無人機載監測系統,同時升空聯合定位干擾源。
 
  (4)電子地圖。所有懸停的測向結果和確認后的三維采集結果,其指向都會自動在電子地圖上顯示。
 
  2.7 過程記錄
 
  在系統啟動后,將自動對監測、測向以及全部飛行過程數據進行實時保存。
 
  3 無人機載監測側向系統與便攜式接
 
  收機性能對比
 
  表2無人機載監測設備DZF-AC1與PR100性能對比。
 
  
表2 性能指標對比
 
  通過對比可以看出,DZF-AC1與PR100的大部分性能指標相近,并具有更寬的中頻帶寬和適應更低溫度工作的能力,完全可以勝任復雜的監測測向工作。
 
  4 查找信號源實驗
 
  4.1 演練方案
 
  (1)演練內容。演練信號源的設置范圍為國家無線電監測中心哈爾濱監測站江北園區內;各參加人員通過抽簽確定查找順序和相應頻點,并領取任務卡;演練共分14組,每組2人,使用一套監測設備,每組查找2個信號源;共設4個信號源,每個信號源配置不同的打卡器;參加演練的隊員找到目標信號源后,使用打卡器在任務卡對應頻點下方打卡確認。
 
  (2)評分方法。本次演練設備準備時間為3分鐘,每組間隔為2分鐘,查找時間為15分鐘,出發后15分鐘內必須攜任務卡回到出發地點,否則成績無效。由裁判統計信號源數量,確認所查信號源頻率和位置正確的成績方可有效。按規定時間內查找正確信號源數量多少排名,信號源數量相同則用時少者排名靠前。
 
  4.2 實驗結果比對
 
  2016-2018年實際參加演練人員的成績對比情況如表3所示。
 
  傳統的無線電干擾源監測定位方式一般需先通過兩個以上的固定監測站對干擾源信號進行監測定位,確定大概區域,出動監測車逼近目標區域,進一步縮小、鎖定范圍,然后使用便攜式監測測向設備逼近查找干擾源,最終定位干擾源的實際位置。在上述使用便攜式設備逼近查找干擾源過程中,經常遇到障礙物遮擋或復雜地理環境,電波被折射或反射,上述手段的準確度和穩定性受到極大的影響,致使不能快速、有效地定位干擾源。如果使用無人機載監測測向系統構筑空中監測平臺,將有效提高監測測向的準確度和穩定性,不僅能夠避免障礙物引起的電波多徑效應,而且能夠實現快速定位干擾源,提高工作效率。
 
  通過實驗,根據場強定位法,只使用PR100監測接收機查找干擾源,查找時間和查找干擾源個數并沒有明顯的提高,而使用PR100和DCF-AC1無人機載監測系統,查找時間和查找干擾源個數得到了顯著的提升。
 
  
表3 演練成績對比
 
  5 結束語
 
  隨著無線電技術的蓬勃發展,面對日益復雜的電磁環境,既要保障通信安全,又要充分利用緊缺的頻譜資源,助力經濟建設,加強頻譜監測,快速定位干擾源,及時消除干擾,變得越來越重要。將無人機載無線電監測測向系統應用于實際的監測技術演練中,通過對比實驗得到了理想的效果。
 
  參考文獻
 
  [1] DZF-AC1空中監測測向系統用戶手冊,成都點陣公司.

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