无人机频谱远距离探测和高精度测向技术探索

赵紫稷

(中船重工第八研究院，江苏 南京 211106)

0 引言

在科技水平不断提升的背景下，我国各领域的发展也越来越快。频谱探测技术是我国高新技术中的重要技术类型，尤其在无人机行业发展过程中，频谱探测技术的应用范围不断扩大。各种新进科学技术的发展可以推动无线电技术的发展，不同电子设施的应用范围也不断扩大，由此可以形成紧密的电磁网，为我国无人机频谱探测技术的发展提供了坚实基础。在实际研究中，相关人员只有全面掌握无人机频谱远距离探测和高精度测向技术的应用原理，拓展无人机频谱远距离探测技术与高精度测向技术的应用范围，明确在无人机探测技术应用过程中存在的问题，才能对技术进行深入研究，促进技术创新与发展。

1 无人机频谱远距离探测技术存在的问题

目前，电子频谱探测技术的应用受到世界各国的广泛关注，例如美国在研究过程中的典型系统包括民用航空无线电干扰监测系统IMDS，主要是对民航通信导航等占用频谱进行有效监测；狼群网络系统的主要功能是战场捕获敌方雷达和通信；GPS导航干扰监测系统也属于无人频谱探测技术的典型应用[1]。此外，德国短波信号监测、韩国非法电磁信号监测网络、我国的频谱专项感知研究与验证等项目都是对频谱探测技术的研究与应用项目。近年来，我国低空空域被逐步开放，无人机技术产业以及应用发展速度越来越快，但是随之而来的低空安全隐患越来越突出。无人机探测以及反制技术成为当前的研究热点。

近些年，我国低空空域被逐步开放，无人机技术产业以及应用发展速度越来越快，但是随之而来的低空安全隐患越来越突出。无人机探测以及反制技术成为当前的研究热点。因为无人机具有低慢小的特点，目标机动也比较复杂，速度比较慢，雷达反射截面积比较小，所以现有的雷达无法有效探测无人机远距离目标。频谱探测技术在使用过程中需要获取无人机的遥控和回传信息，从而对无人机进行监测、识别、定位、跟踪、干扰打击。作为性价比较高的手段，无人机的发展越来越受到关注。在无人机应用中可以对无人机信号进行远距离探测，但是因为接收灵敏度在同一中频宽带下的差别比较小，获取的信号准确度不高。因此，需要对弱信号检测技术进行优化，加强无人机频谱测探效果研究十分重要。

频谱资源作为国家发展过程中的重要战略资源，在无线电技术快速发展、电子设备不断增加的情况下，其作用越来越突出。随着电子信号不断交织，相关人员对频谱资源进行应用时，可以共用无线通信信道，但是受自然电磁环境的影响，会形成复杂快变的电磁空间，导致探测效果不佳。此外，因为无人机目标机动也比较复杂，速度比较慢，雷达反射截面积比较小，现有的雷达无法有效探测无人机远距离目标。在获取无人机远距离目标信号时，在同一中频宽带下的信号差别比较小，直接影响了信号获取的准确度。

因此，为了提升无人机频谱测探效果，尤其是提升远距离探测结果的准确性，相关人员需要研究频谱设备的天线增益，利用定向喇叭天线完成空域探索任务。此外，相关人员还需要利用全空域监测阵列，采用幅度关系完成目标信号方位计算工作，提高测向精度。

2 对无人机频谱远距离探测技术与高精度测向技术的应用

2.1 改进频谱设备，提升远距离探测的可靠性

2.1.1 全向天线增益设计

当前，大多数频谱设备主要利用全向天线完成信号探测，但是全向天线的增益存在一定限制，无法有效优化增益，大多保持在2 dBi左右，探测距离为2 km左右。为了解决天线增益限制问题，在无人机研发过程中，一些企业对无人机频谱侦测设备进行设计增益，使其增益达到12 dBi，定向喇叭天线也可以完成空域探索任务。在信号幅度相同的情况下，探测距离与全向探测能够提高3倍左右。对全向双锥无源天线的增益情况进行研究，可以确定其在6 GHz以下，频段天线增益维持在2 dBi左右。在定向监测的增益测试中，2～6 GHz频段增益保持在11～12 dBi。由此可以确定，喇叭天线增益比全向监测天线增益高9.5 dBi左右[2]。

无线信号空间衰减模型：Ls(dB)=32．4+20Lgf(MHz)+20LgD(km)。以此为基础进行计算，假设作用的距离增加n倍时，9.5=20 lgn，反对数n=3，代表增益高9.5 dBi的喇叭侦测天线作用距离比全向双追侦测天线作用距离高3倍。设备预计侦测距离为10 km，在实际研究中需要通过图传信号进行分析，利用全向天线进行发射并经过空间传播到接收天线，接收天线后即为侧向开关矩阵，可以对信号进行放大和选择输出，最后通过射频电缆发送到车上接收机。

2.1.2 侦测设备灵敏度优化

在测试LK-WDF001侦测设备灵敏度的过程中，相关人员发现，6 GHz频段的灵敏度可以达到-100 dbm，这代表信号满足最低灵敏度要求，意味着探测系统在估计自动探测和识别方面存在一定难度，探测精度受到影响。因此，需要将天线接收信号与低噪放电路连接，低噪放设计增益为11 dB，开关矩阵噪声系数为5，系统灵敏度能够提高6 dB，有利于开展信号自动探索以及信号识别工作，提升无人机频谱远距离探测结果的可靠性。

2.2 高精度测向技术优化设计

2.2.1 计算目标信号方位

无人机探测设备主要应用于5 GHz以上频段，在这一频段使用相位法测量无法获取理想的测向效果。在这种情况下，LK—WDF001设备需要利用全空域监测阵列，采用幅度关系完成目标信号方位计算工作。

其中，1号对周与1号喇叭可以通过2选1开关进行选通，然后通过低噪放电路进行输出，其他7组天线以同样的方法输出。输出的8组信号完成两个5选1开关输出两路信号后，可以将其输入测向接收机。两层天线列阵在空间上需要错开布置，以上下方式安装，喇叭测向阵列为下层，对周测向阵列在下层。天线内部安装结构以8个喇叭天线合成的阵列天线为主。

2.2.2 分析数据对应方向

分析合成方向，如果目标信号从某一个方向进入天线阵列，每一个喇叭接收的幅度值会存在明显差异，并且信号入射的方位与幅度分布具有唯一映射关系。通过唯一映射关系研究可以掌握信号幅度的分布关系，获取信号入射范围。一般情况下，幅度相关工程实现方法主要是通过电子开关选通1号到8号天线，对目标频点信号带内平均功率进行有效采集，获取天线接收的平均功率值。将获取的数据和样板库内相同频点数据进行对比，获取相关系数。数据相关系数最大时，说明数据对应方向值为来波方向值。

2.2.3 计算天线幅度系数

在工程应用中发现，高增益定向天线构建的测向阵列受天线源强烈的方向特性影响，在远距离目标信号采集过程中，很多天线源无法有效接收信号。受这种情况影响，需要引入8个天线幅度完成相关系数计算，导致测向结果的准确度受到影响。因此，相关人员需要开发相邻幅度法测向算法，可以将数据筛选和数据统计方法有效结合，提高无人机图传信号的精准性。同时，相关人员可以使用累计幅度统计方法，以低成本的硬件架构为基础，对遥控器的高速跳频信号进行测向。根据这一方法研发的无人机侦测设备外场实测探测距离能够达到8 km以上，测向精度也可以达到3°左右[3]。

3 无人机频谱远距离探测与高精度测向技术的应用

3.1 在重要区域防护中的应用

无人机频谱远距离探测和测向技术的应用有助于完成重要区域防护工作，特别是对监狱、机场等重要区域进行防护时，利用集中式协作频谱探测技术构建TDOA无人机定位系统，可以对整个区域内400 MHz至6 GHz的无线电信号进行全面扫描、采集，并将信号存储在对应的系统内，根据数据使用需求完成测量分析，实时发现位置信号，之后通过频谱特征库匹配对无人机目标进行识别、定位和跟踪[4]。在重要区域防护过程中，需要加强传感器部署工作，要确保传感器位置和数量与地形条件相适应。传感器站点越多，定位精度越高，一般在重点防护区域需要部署4个传感器节点。在传感器节点布设过程中，最好按照正方形分布，每个传感器相距1～2 km，位置标定为1 m。

无线传感器主要由宽带天线、配套线缆和信号接收器组成。在信号采集和预处理完成后，相关人员需要将采集的数据回传到融合中心。例如：无人机以直径300 m、高度50 m进行环绕飞行时，获取的无人机图传和控制信号强度为-80 dbm～-90 dbm，图传信号为宽带信号，控制信号为窄带慢速变频信号。在获取可疑信号时，系统可以直接切换到识别模式，如果识别为无人机信号会转为定位跟踪模式，并给出无人机定位的具体信息。利用周期性持续定位，相关人员可以获取无人机的飞行轨迹，通过频谱特征识别以及对比工作能够准确掌握无人机的型号。在基于3个节点的探测覆盖测试系统应用过程中，传感器需要设置在比较开阔的江面，两岸距离为1 km，高度为15 m，天线增益为2 dBi。在对无人机信号进行检测时，灵敏度为3 dB，无人机的高度固定在20 m，系统对2.4 GHz附近的信号频谱进行监测。可以确定站与站之间的距离为1 km时，距离不同站0.4 km范围内的区域定位精度比较高，探测威力受天线高度、无人机飞行高度和大气衰减等不同因素的影响较大。在监测过程中，相关人员需要根据现场情况合理调整无人机频谱远距离探测与高精度测向方案，确保探测结果的可靠性。

3.2 在探测与反制中的实践

深入研究无人机的目标特性和频谱发射源定位技术有助于将其运用在探测和反制领域。无人机利用TDOA交叉定位方法能够制造出可以在不同环节与地点应用的探测仪。例如：多普勒测量仪、干涉仪测向机等，并使用交叉定位方式发挥测向仪的积极作用，实现完美的结合效果。TDOA本身的定位精度比较高，系统运行比较简单，出现的问题也比较少，将其应用在无人机系统内具有实用性和经济性，可以在大规模探测工作中应用。特别是在重点区域防护过程中，相关人员可以利用集中协作频谱探测技术构建无人机定位系统，掌握区域内的不同信号和消息，提升重点区域综合防护效果。

此外，利用无人机技术进行定位可以分配无人机的位置和数量，最大限度地提高探测精度，保证定位效果。在无人机反制应用方面，系统一般由光电跟踪设备和无线电干扰器组成，锁定相应的目标后，可以及时完成定位，之后需要对无人机系统干扰。为了达到理想的效果，常用的干扰方式主要包括反制式干扰和欺骗式干扰。反制式干扰是对高频率信号进行干扰；欺骗式干扰主要是对无人机进行欺骗，方便对无人机进行捕捉。相关人员需要根据具体的情况合理选择干扰方式，获取更多的情报信息，保护无人机以及定位系统正常稳定运行。

4 无人机频谱探测技术应用前景

无人机频谱远距离探测和高精度测向技术发展过程，受卫星导航定位系统、数字通信系统等科学技术的影响较大。随着科学技术的不断发展，无人机逐渐从军用领域朝着民用领域普及。近年来，消费级无人机越来越多，无人机自主导航和监控技术的发展也越来越快。我国自主制造的北斗导航系统是无人机定位设备安全飞行的重要保障。RTK技术可以提高无人机的定位精准度。网络RTK可以解决单基准站和人工架设参考站存在的距离短和信号弱等问题。相关人员对无人机自主导航技术的深入研究推动了我国无人机技术的广泛应用，也丰富了无人机的功能。目前，国内惯导技术不断成熟，无线通信技术也在不断发展。远距离无人机测控技术也越来越成熟。在今后的研究过程中，相关人员需要根据社会发展对无人机的具体需求，提高无人机远距离探测水平，可以在电力监测、远海监测和桥梁监测中充分应用无人机探测技术，达到节省人力、物力，提高任务执行效率的目的[5]。此外，在森林灭火和高空灭火等援救过程中，无人机有助于提高火灾现场的探测效率，掌握火灾情况，对加快救援进程、缩短救援时间、挽救人们的生命和财产有积极作用。同时，相关人员还要从无人机飞行规范等角度出发，约束无人机的应用，防止非法使用无人机。

5 结语

在无人机技术不断发展的情况下，研究无人机远距离频谱探测技术与高精度测向技术、提高远距离探测技术和高精度测向技术的应用效果是推动无人机行业长远稳定发展的重要前提。在当前的无人机远距离探测技术和高精度测向技术研究过程中，研究人员需要综合分析相关理论，通过结构设计、模型搭建和数据仿真等不同方法深入掌握技术的发展趋势，为后续无人机反制技术的进一步发展奠定基础。