基于多類型信號多平臺的無人機定位方法*

袁 江 蘭增武 熊 鵬

（中國長江電力股份有限公司 宜昌 443000）

1 引言

隨著社會的發展，國家的大型工程對安全和保密的要求也越來越高。因此，大型工程反無人機的需求非常旺盛，許多重點工程也已加裝了反無人機系統。無人機的入侵有多種形式，有單無人機入侵，有多無人機入侵，有白天入侵，也有夜晚入侵。每種形式，都對反無人機系統的無人機探測部分提出了不同的要求。例如多無人機入侵就會有定位出現虛假點的問題，夜間入侵時監視攝像頭會不起作用的問題。因為要求不一樣，因此目前的無人機檢測技術，所適應的場景的廣度一直都不夠。

本文基于紅外線輔助功能的無人機攝像頭探測單元作為前端傳感器，建立多徑回波信號的目標檢測模型，最后使用多平臺無源定位法，動態與靜態相結合的方式，給出入侵無人機的實時坐標。結合多種探測方法，加上對無源定位算法的改進，可以提高無人機檢測的適應場景廣度。

2 多角度攝像頭探測

整個檢測系統的前端使用一種基于紅外線輔助功能的無人機攝像頭探測單元。探測單元包括發射紅光的紅光燈、能夠透過紅光的濾光片，以及探測孔。其中，所述濾光片位于探測孔。一般人眼可以感知到電磁波長在400nm～760nm 之間，紅光波長范圍是760nm～622nm，上述濾光片采用600nm的長波通濾光片，能夠透過紅光。人眼感受不到紅外線，但探測相機的感光原件的感知是在紅外線光譜范圍之內的，通過上述濾光片，便可查覺到無人機相機發射的紅外線的存在。

夜間探測時，攝像頭探測單元處于光線不足的暗環境中，由于攝像頭探測單元設有用于發射紅光的紅光燈，如此通過紅光燈發射紅光，如果遠方有無人機，紅光照射到無人機攝像頭鏡面上會發生反射，反射回來的光波長和發射的光波長是相同的。

反射回來的光到達濾光片，由于濾光片能夠透過紅光，其他顏色的光被濾光片過濾掉，這樣濾光片上就會出現一個紅點。從而實現對具有紅外線輔助功能的偵測無人機的探測。在探測到無人機的同時，攝像頭探測單元還可以通過發射光線的方向判斷出無人機所處的方向。圖1 為攝像頭探測單元結構圖。

圖1 攝像頭探測單元結構圖

圖1 的攝像頭探測單元結構簡單成本低，但有探測角度小的問題。且飛行的無人機在偵測的時處于運動狀態中，其攝像頭的角度是不固定的。這樣會使攝像頭探測單元探測到無人機的概率降低，影響實用性。

針對“1”所述的攝像頭探測單元在探測角度上局限性，同時又針對攝像頭探測單元成本低結構簡單的特點，可對其進行優化，使其能擴大探測范圍和探測角度，從而提高探測概率。

如圖2 所示，將多個攝像頭探測單元按不同角度安裝，角度可以是三維空間內的角度。進一步地，給每個攝像頭探測單元加裝旋轉云臺，機械臂等可以改變方向的裝置，形成一個多角度攝像頭探測模塊。多角度攝像頭探測模塊可以有效地擴展探測出無人機的角度。

圖2 多角度攝像頭探測模塊結構（探測平臺）

3 目標檢測模型

3.1 低空多徑傳播

無人機在飛行時傳遞的信號，除聲音外，都可以歸類于電磁波范疇中。而電磁波的傳輸過程會隨著其所處空間物理特性的不同產生傳播行為和傳播模式的改變。在低空飛行的無人機發出的電磁波會受到山脈、峽谷、高樓等各種地形地物的阻礙，而阻礙物不同的幾何特性和電磁特性會導致無人機發出的電磁波出現反射、透射和衍射等多種傳播行為。其中，對無人機目標檢測最有作用的是多徑反射。

常見的兩種反射模型是理想平面反射模型和近似平面反射模型。其中，理想平面反射模型就很適用于目標的高度較低，距離較近的非合作無人機入侵場合，這種情形下的探測器和目標的高度在米量級，距離在千米量級。理想平面反射模型示意圖如圖3所示［1］。

圖3 理想平面反射模型

探測雷達位于點A處，高度為hR，無人機目標位于點B處，高度為hT。目標和探測雷達之間的距離為Rd，水平距離為G，一般來說，hR和hT相對于G來說可以忽略不計，因此可以使用近似計算，得到探測雷達信號的直達路徑與反射路徑的長度分別為

式（1）的兩式相減，可得直達路徑與多徑路徑的路程差為

3.2 多徑回波信號分析與建模

本文的研究對象是低空小型無人機，符合理想鏡面反射模型的“低空”“近距離”的要求。因此，多徑信號傳播模型可以參考如圖3。圖3 中，點C為信號從點A出發反射到目標無人機B的反射點，從探測器到點C再到點B的距離為Rin。由于高階多徑回波的能量下降明顯，因此僅考慮二階及以下的多徑回波。各階次多徑及其對應的路徑長度如表1 所示［1］。

表1 各階多徑傳播的路徑長度

由表1 可知，存在兩條1 階多徑，這兩條1 階多徑擁有相同的路線，入射和反射的方向相反，因此這兩條1階多徑會產生同樣的時延。

相應地，代入不同階數多徑回波的時延τi以及表1 中的不同階數多徑路徑的長度，結合上一節給出的多徑反射系數的概念，可以分別得到各階多徑回波的信號形式為

直達波：

一階多徑回波：

二階多徑回波：

將式（3）、（4）、（5）相加，即可得到最終接收機接收到的回波信號，即

4 主從多平臺無源定位

4.1 多平臺定位原理

當空域中出現多個無人機目標時，檢測時會產生虛假目標問題。如圖4所示［2］，假設有三個平臺，則三條角度射線的交叉點有四個，其中真實目標無人機3 個，虛假目標為1 個。 除了虛假目標，多平臺的多目標檢測還存在比平臺數量少1 的波門數量，如圖5所示［2］，波門區域重合處可形成更小更精確的波門區域。由現有的理論和實踐可得出，重疊的波門區域會隨著平臺數量的增加而減小。

圖4 多平臺無源交叉定位虛假點示意圖

圖5 多平臺無源交叉定位波門區域示意圖

因此，增加平臺的數量，交叉點形成的虛假目標會減少，波門區域會變小，波門中的交叉點數量也會減少。所以，增加平臺數量可使多目標定位的精度大大提高。但是，平臺數量的增加也會使系統的復雜度呈幾乎式增長，包括解算復雜度，平臺間的數據通信頻次，同步難度等等，還推高了系統成本。因此，實際應用中，平臺數目不能無限增大，應選擇一個高性階比的擇中的平臺數目。

本文采用了多平臺對多目標融合定位方法，通過融合協調平臺數目、平臺布局以及虛假點濾除算法，準備識別出真正的無人機并獲得較高的定位精度。

例如使用三平臺聯合空間三角布局，首先，將兩個平臺放于同一高度，通過方位角的交叉定位［3］可確定目標的水平距離；然后，將第三個平臺在垂直面上與前兩個平臺通過俯仰角的交叉定位［4］確定垂直距離，形成相互約束，用于消除虛假目標；最后，通過解耦的方式進行定性分析，實現對目標無人機精確的三維定位。

多平臺多目標定位系統的實現結構圖如圖6所示［5～8］。

圖6 多目標多平臺無源定位系統的實現結構

4.2 側向與時差定位

4.2.1 側向定位法

測向定位法是利用多個平臺獲得目標無人機的角度信息，根據平臺位置坐標和角度值可以在空間中確定每個經過目標無人機的直線，從而根據直線的交點確定無人機的位置［9］。

假設布置的N個平臺坐標矩陣為是Si=(xi，yi，zi)，i=1，2，…，N，其中，平臺i測得的方位角為θi，俯仰角為φi，目標無人機的坐標為(x，y，z)，根據空間幾何學，方位角和信仰角可由下式求得：

4.2.2 時差定位法

時差定位法是在平臺位置坐標己知的情況下，通過對同一目標無人機發出的信號到達不同平臺的時差進行處理來對目標無人機進行空間定位。同時根據幾何學原理，要實現定位，二維空間中最少需要3個平臺，三維空間最少需要4個平臺［10～13］。

時差定位法可分為兩步：

1）使用時差測量算法，測得目標無人機信號到達多個平臺的時間差，通過時間差可以確定出一組關于目標無人機坐標的非線性方程組。

2）使用時差定位算法，從非線性方程組中解得一個最優解。

假設定位系統平臺數量為N［14］，位置為si=(xi，yi，zi)T，其中i=0，1，2，…，N。設i=0 表示主平臺，i=0，1，2，…，N表示輔平臺。目標輻射源的位置為u=(x，y，z)T；設ri表示目標無人機與第i個平臺的距離，ri0表示目標無人機到第i個平臺與其到主平臺之間的距離差，τi0表示目標到第i個平臺與到達主平臺的到達時間差［9］，則時差法定位法測量目標位置的方程如下：

4.3 主從分布式安裝

在實際應用中，在待保護的工程（XX 電站、XX基地等）的關鍵的地方（中控室，關鍵結構部位等）都安裝上圖2 中所述的探測平臺，通過局域網絡，將探測平臺連接起來，形成一個無人機探測子系統。圖7 為無人機探測子系統分布式安裝示意圖［14～16］。

圖7 無人機攝像頭探測子系統分布式安裝示意圖

然后，紅外探測子系統與其他探測系統（全頻段無線電探測系統，光電探測系統，探測器探測系統）一起，形成無人機探測分系統。最后，無人機探測分系統和無人機反制分系統以及無人機防控指揮分系統通過全局網絡連接在一起，形成待保護的工程所需的無人機防控系統。圖7 為無人機防控系統的結構圖。

5 結語

目前，盡管反無人機技術的研究如火如荼，但無人機的飛行技術也在不斷進步，這就給反無人機技術提出了更高的要求。因此無論是無人機檢測、反制、干擾，都還有很大的上升空間。尤其是在無人機的檢測方面，無人機的各類特征都可以用作檢測的對象。以后，在無人機檢測和定位上還可以進一步研究，以使檢測更快速，定位更精確。