無人機頻譜遠距離探測和高精度測向技術探索

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，我國各領域的發展也越來越快。頻譜探測技術是我國高新技術中的重要技術類型，尤其在無人機行業發展過程中，頻譜探測技術的應用范圍不斷擴大。各種新進科學技術的發展可以推動無線電技術的發展，不同電子設施的應用范圍也不斷擴大，由此可以形成緊密的電磁網，為我國無人機頻譜探測技術的發展提供了堅實基礎。在實際研究中，相關人員只有全面掌握無人機頻譜遠距離探測和高精度測向技術的應用原理，拓展無人機頻譜遠距離探測技術與高精度測向技術的應用范圍，明確在無人機探測技術應用過程中存在的問題，才能對技術進行深入研究，促進技術創新與發展。

1 無人機頻譜遠距離探測技術存在的問題

目前，電子頻譜探測技術的應用受到世界各國的廣泛關注，例如美國在研究過程中的典型系統包括民用航空無線電干擾監測系統IMDS，主要是對民航通信導航等占用頻譜進行有效監測；狼群網絡系統的主要功能是戰場捕獲敵方雷達和通信；GPS導航干擾監測系統也屬于無人頻譜探測技術的典型應用[1]。此外，德國短波信號監測、韓國非法電磁信號監測網絡、我國的頻譜專項感知研究與驗證等項目都是對頻譜探測技術的研究與應用項目。近年來，我國低空空域被逐步開放，無人機技術產業以及應用發展速度越來越快，但是隨之而來的低空安全隱患越來越突出。無人機探測以及反制技術成為當前的研究熱點。

近些年，我國低空空域被逐步開放，無人機技術產業以及應用發展速度越來越快，但是隨之而來的低空安全隱患越來越突出。無人機探測以及反制技術成為當前的研究熱點。因為無人機具有低慢小的特點，目標機動也比較復雜，速度比較慢，雷達反射截面積比較小，所以現有的雷達無法有效探測無人機遠距離目標。頻譜探測技術在使用過程中需要獲取無人機的遙控和回傳信息，從而對無人機進行監測、識別、定位、跟蹤、干擾打擊。作為性價比較高的手段，無人機的發展越來越受到關注。在無人機應用中可以對無人機信號進行遠距離探測，但是因為接收靈敏度在同一中頻寬帶下的差別比較小，獲取的信號準確度不高。因此，需要對弱信號檢測技術進行優化，加強無人機頻譜測探效果研究十分重要。

頻譜資源作為國家發展過程中的重要戰略資源，在無線電技術快速發展、電子設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，相關人員對頻譜資源進行應用時，可以共用無線通信信道，但是受自然電磁環境的影響，會形成復雜快變的電磁空間，導致探測效果不佳。此外，因為無人機目標機動也比較復雜，速度比較慢，雷達反射截面積比較小，現有的雷達無法有效探測無人機遠距離目標。在獲取無人機遠距離目標信號時，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確度。

因此，為了提升無人機頻譜測探效果，尤其是提升遠距離探測結果的準確性，相關人員需要研究頻譜設備的天線增益，利用定向喇叭天線完成空域探索任務。此外，相關人員還需要利用全空域監測陣列，采用幅度關系完成目標信號方位計算工作，提高測向精度。

2 對無人機頻譜遠距離探測技術與高精度測向技術的應用

2.1 改進頻譜設備，提升遠距離探測的可靠性

2.1.1 全向天線增益設計

當前，大多數頻譜設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，在無人機研發過程中，一些企業對無人機頻譜偵測設備進行設計增益，使其增益達到12 dBi，定向喇叭天線也可以完成空域探索任務。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)。以此為基礎進行計算，假設作用的距離增加n倍時，9.5=20 lgn，反對數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。設備預計偵測距離為10 km，在實際研究中需要通過圖傳信號進行分析，利用全向天線進行發射并經過空間傳播到接收天線，接收天線后即為側向開關矩陣，可以對信號進行放大和選擇輸出，最后通過射頻電纜發送到車上接收機。

2.1.2 偵測設備靈敏度優化

在測試LK-WDF001偵測設備靈敏度的過程中，相關人員發現，6 GHz頻段的靈敏度可以達到-100 dbm，這代表信號滿足最低靈敏度要求，意味著探測系統在估計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，低噪放設計增益為11 dB，開關矩陣噪聲系數為5，系統靈敏度能夠提高6 dB，有利于開展信號自動探索以及信號識別工作，提升無人機頻譜遠距離探測結果的可靠性。

2.2 高精度測向技術優化設計

2.2.1 計算目標信號方位

無人機探測設備主要應用于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設備需要利用全空域監測陣列，采用幅度關系完成目標信號方位計算工作。

其中，1號對周與1號喇叭可以通過2選1開關進行選通，然后通過低噪放電路進行輸出，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5選1開關輸出兩路信號后，可以將其輸入測向接收機。兩層天線列陣在空間上需要錯開布置，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。天線內部安裝結構以8個喇叭天線合成的陣列天線為主。

2.2.2 分析數據對應方向

分析合成方向，如果目標信號從某一個方向進入天線陣列，每一個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系。通過唯一映射關系研究可以掌握信號幅度的分布關系，獲取信號入射范圍。一般情況下，幅度相關工程實現方法主要是通過電子開關選通1號到8號天線，對目標頻點信號帶內平均功率進行有效采集，獲取天線接收的平均功率值。將獲取的數據和樣板庫內相同頻點數據進行對比，獲取相關系數。數據相關系數最大時，說明數據對應方向值為來波方向值。

2.2.3 計算天線幅度系數

在工程應用中發現，高增益定向天線構建的測向陣列受天線源強烈的方向特性影響，在遠距離目標信號采集過程中，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個天線幅度完成相關系數計算，導致測向結果的準確度受到影響。因此，相關人員需要開發相鄰幅度法測向算法，可以將數據篩選和數據統計方法有效結合，提高無人機圖傳信號的精準性。同時，相關人員可以使用累計幅度統計方法，以低成本的硬件架構為基礎，對遙控器的高速跳頻信號進行測向。根據這一方法研發的無人機偵測設備外場實測探測距離能夠達到8 km以上，測向精度也可以達到3°左右[3]。

3 無人機頻譜遠距離探測與高精度測向技術的應用

3.1 在重要區域防護中的應用

無人機頻譜遠距離探測和測向技術的應用有助于完成重要區域防護工作，特別是對監獄、機場等重要區域進行防護時，利用集中式協作頻譜探測技術構建TDOA無人機定位系統，可以對整個區域內400 MHz至6 GHz的無線電信號進行全面掃描、采集，并將信號存儲在對應的系統內，根據數據使用需求完成測量分析，實時發現位置信號，之后通過頻譜特征庫匹配對無人機目標進行識別、定位和跟蹤[4]。在重要區域防護過程中，需要加強傳感器部署工作，要確保傳感器位置和數量與地形條件相適應。傳感器站點越多，定位精度越高，一般在重點防護區域需要部署4個傳感器節點。在傳感器節點布設過程中，最好按照正方形分布，每個傳感器相距1～2 km，位置標定為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。在信號采集和預處理完成后，相關人員需要將采集的數據回傳到融合中心。例如：無人機以直徑300 m、高度50 m進行環繞飛行時，獲取的無人機圖傳和控制信號強度為-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，系統可以直接切換到識別模式，如果識別為無人機信號會轉為定位跟蹤模式，并給出無人機定位的具體信息。利用周期性持續定位，相關人員可以獲取無人機的飛行軌跡，通過頻譜特征識別以及對比工作能夠準確掌握無人機的型號。在基于3個節點的探測覆蓋測試系統應用過程中，傳感器需要設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。在對無人機信號進行檢測時，靈敏度為3 dB，無人機的高度固定在20 m，系統對2.4 GHz附近的信號頻譜進行監測。可以確定站與站之間的距離為1 km時，距離不同站0.4 km范圍內的區域定位精度比較高，探測威力受天線高度、無人機飛行高度和大氣衰減等不同因素的影響較大。在監測過程中，相關人員需要根據現場情況合理調整無人機頻譜遠距離探測與高精度測向方案，確保探測結果的可靠性。

3.2 在探測與反制中的實踐

深入研究無人機的目標特性和頻譜發射源定位技術有助于將其運用在探測和反制領域。無人機利用TDOA交叉定位方法能夠制造出可以在不同環節與地點應用的探測儀。例如：多普勒測量儀、干涉儀測向機等，并使用交叉定位方式發揮測向儀的積極作用，實現完美的結合效果。TDOA本身的定位精度比較高，系統運行比較簡單，出現的問題也比較少，將其應用在無人機系統內具有實用性和經濟性，可以在大規模探測工作中應用。特別是在重點區域防護過程中，相關人員可以利用集中協作頻譜探測技術構建無人機定位系統，掌握區域內的不同信號和消息，提升重點區域綜合防護效果。

此外，利用無人機技術進行定位可以分配無人機的位置和數量，最大限度地提高探測精度，保證定位效果。在無人機反制應用方面，系統一般由光電跟蹤設備和無線電干擾器組成，鎖定相應的目標后，可以及時完成定位，之后需要對無人機系統干擾。為了達到理想的效果，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行干擾；欺騙式干擾主要是對無人機進行欺騙，方便對無人機進行捕捉。相關人員需要根據具體的情況合理選擇干擾方式，獲取更多的情報信息，保護無人機以及定位系統正常穩定運行。

4 無人機頻譜探測技術應用前景

無人機頻譜遠距離探測和高精度測向技術發展過程，受衛星導航定位系統、數字通信系統等科學技術的影響較大。隨著科學技術的不斷發展，無人機逐漸從軍用領域朝著民用領域普及。近年來，消費級無人機越來越多，無人機自主導航和監控技術的發展也越來越快。我國自主制造的北斗導航系統是無人機定位設備安全飛行的重要保障。RTK技術可以提高無人機的定位精準度。網絡RTK可以解決單基準站和人工架設參考站存在的距離短和信號弱等問題。相關人員對無人機自主導航技術的深入研究推動了我國無人機技術的廣泛應用，也豐富了無人機的功能。目前，國內慣導技術不斷成熟，無線通信技術也在不斷發展。遠距離無人機測控技術也越來越成熟。在今后的研究過程中，相關人員需要根據社會發展對無人機的具體需求，提高無人機遠距離探測水平，可以在電力監測、遠海監測和橋梁監測中充分應用無人機探測技術，達到節省人力、物力，提高任務執行效率的目的[5]。此外，在森林滅火和高空滅火等援救過程中，無人機有助于提高火災現場的探測效率，掌握火災情況，對加快救援進程、縮短救援時間、挽救人們的生命和財產有積極作用。同時，相關人員還要從無人機飛行規范等角度出發，約束無人機的應用，防止非法使用無人機。

5 結語

在無人機技術不斷發展的情況下，研究無人機遠距離頻譜探測技術與高精度測向技術、提高遠距離探測技術和高精度測向技術的應用效果是推動無人機行業長遠穩定發展的重要前提。在當前的無人機遠距離探測技術和高精度測向技術研究過程中，研究人員需要綜合分析相關理論，通過結構設計、模型搭建和數據仿真等不同方法深入掌握技術的發展趨勢，為后續無人機反制技術的進一步發展奠定基礎。