无人直升机卫星信号干扰源自动识别、报警和规避系统的制作方法

1.本发明涉及无人机领域，尤其涉及无人直升机卫星信号干扰源自动识别、报警和规避系统。


背景技术：

2.传统无人机通常是固定翼或直升机加装抗干扰卫导设备实现一定抗干扰功能和提示最简单有无干扰信息。主要缺点包括干扰源信息提示简单，不具备全面自动识别及自动诊断和不具备轨迹自动规避干扰来向功能，并且地面操作人员获得干扰信息单一，无法全面指挥处于被干扰攻击情况下的无人机调整方位或飞行轨迹，使得无人机被动返航，很难有效提高无人机实战能力。
3.因此有必要开发一种能够针对卫星干扰源信息自动识别、诊断和规避干扰来向功能的无人机系统。一方面无人机能够根据抗干扰设备提供的实时干扰源信息自动规避调整飞行路线或干扰区域，环境适应性强；另一方面地面遥测界面能够对回传的卫星干扰源信息融合地图综合显示，为地面指挥操作人员提供无人机周围被干扰攻击的数量、方位等信息，以此来提高无人机操作指挥的准确性和信息化。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供无人直升机卫星信号干扰源自动识别、报警和规避系统，可实现对卫星干扰源信息自动识别、诊断和规避干扰来向功能，并可回传遥测界面显示干扰攻击的数量、方位等信息完成自动报警，提高了无人机智能化水平和实用性。
5.本发明系统包括地面和机载，所述地面与机载之间通过测控链路无线通信收发指令完成测控和任务数据传输；
6.所述地面用于实现控制和航迹信息上传、遥测和干扰源监测信息接收及显示，为无人直升机飞行地面操纵人员实现空域卫星信号干扰信息报警提示；
7.所述机载用于实现抗干扰卫星定位导航、卫星信号干扰源信息自动识别和回传，完成无人直升机卫星信号干扰空域飞行轨迹自动规避功能。
8.所述地面包括遥测模块、工控机电脑和地面测控链路。
9.所述机载包括机载测控链路、飞控计算机和抗干扰卫导设备。
10.所述遥测模块运行在工控机电脑上；所述工控机电脑与地面测控链路连接；所述地面测控链路与机载测控链路通过无线电通信；所述机载测控链路与飞控计算机连接；所述飞控计算机与抗干扰卫导设备连接。
11.所述遥测模块用于显示遥测界面和干扰源信息告警，提示地面飞行操作人员无人机平台飞行区域干扰源环境；遥测界面无卫星信号干扰提示报警时无需人为干预调整航线；遥测界面有卫星信号干扰提示报警时，可以人为根据干扰方向调整飞行航线方向角，并远离干扰区域；
12.所述工控机电脑用于运行遥测模块提供硬件支撑平台，并通过电脑串口rs422或网口与测控链路等外部设备接口对接传输数据；
13.所述地面测控链路用于实现与机载测控链路无线通信功能，完成遥控、遥测和任务数据双向传输。
14.所述机载测控链路用于实现与地面测控链路无线通信功能，完成遥控、遥测和任务数据双向传输；机载测控链路接收到的地面无人机遥控指令或航向角调整指令等通过rs422传输给飞控计算机；无人直升机的机载遥测数据和卫星干扰信息参数通过rs422传输给机载测控链路。
15.所述抗干扰卫导设备用于干扰环境卫星干扰源自动识别和判断，并输出干扰有无、干扰数量和干扰方位角等卫星信号干扰源信息给飞控计算机，为飞控计算机提供飞行航线干扰规避感知信息；抗干扰卫导设备通过4个及以上多阵列天线单元硬件和利用信号子空间和信号分量正交的噪声子空间两个子空间的正交性来估计干扰信号来向及数量算法实现干扰环境卫星干扰源自动识别和判断功能。
16.所述抗干扰卫导设备的多阵元天线同时接收北斗等真实卫星发射通信信号和外部空域卫星频点压制干扰信号，对多阵列输出数据的协方差矩阵进行特征分解，得到与信号分量相对应的信号子空间和信号分量正交的噪声子空间，然后利用两个子空间的正交性来估计信号来向，具体处理过程包括：
17.步骤a1：由阵列接收数据估计数据的协方差矩阵设定有p个非相干窄带或宽带远场信号入射到一个m元测向阵列上，则测向阵列接收数据的自相关矩阵r
xx
为：
[0018][0019]
式中，e为求数学期望，x[k]为接收数据输入信号，s[k]为期望信号，p为期望信号协方差矩阵，a为测向阵列的阵列流型矩阵，σ2为高斯噪声功率，i为单位矩阵，上标h为转置，k＝1,2,...p；对r
xx
进行特征分解为：
[0020]rxx
＝u
×
σ
×
uhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0021]
式中，σ表示连续求和，diag表示对角矩阵函数；为r
xx
的m个特征值，u为r
xx
特征向量组成的特征矩阵；因为a为列满秩矩阵，所以rank(apah)＝rank(p)＝p，rank为求矩阵的秩，设定p《m，则有：
[0022][0023]
式中，为无加性高斯白噪声时观测信号ax[k]的自相关矩阵apah的p个特征值；对式(2)等号两边同时左乘uh和右乘u得：
[0024][0025]
步骤a2：对进行特征分解，并利用特征值大小判断干扰源信号个数：由式(4)得到r
xx
的m个特征值为：
[0026][0027]
步骤a3：根据确定信号子空间s和噪声子空间g：设r
xx
前p个大特征值s1,s2,...,s
p
和后m-p个小特征值g1,g2,...,g
m-p
对应的特征信号向量分别为：s＝[s1,s2,...,s
p
]和g＝[g1,g2,...,g
m-p
]，则分别称range(s)和range(g)为张成的信号子空间和噪声子空间，span为张成空间，如下：
[0028][0029]
步骤a4：根据信号参数范围进行信号谱峰搜索：称ps＝ssh为信号子空间上的投影矩阵，称ggh＝i-ssh＝i-ps为信号子空间的正交投影矩阵；对r
xx
右乘g得：
[0030][0031]
从式(7)得到apahg＝o，o为零矩阵，所以有：
[0032]
gapahg＝o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0033]
式(8)成立的充要条件是：
[0034]ah
g＝o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0035]
所以有：
[0036]ah
(φ)g＝0
t
,φ＝φ1,φ2,...,φ
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0037]
其中ah(φ)表示导向矢量的转置，φ
p
表示第p个相位；
[0038]
定义空间谱p
music
(φ)，φ为相位，如下：
[0039][0040]
步骤a5：找出式(11)中p个极大值的导向矢量求得干扰信号的入射方向θ
p
，实现p个干扰源来向的检测。
[0041]
所述飞控计算机根据接收的卫星信号干扰源信息，融合飞行控制参数实时计算并规避干扰源方位区域，处理过程包括：
[0042]
步骤b1：实时接收抗干扰卫导设备识别的卫星信号干扰源信息；
[0043]
步骤b2：根据干扰源信息提取的有无干扰进行判断；
[0044]
步骤b3：无干扰条件时：不改变设定的飞行航线；
[0045]
步骤b4：存在干扰条件时：提取卫星干扰信号的干扰来向；
[0046]
步骤b5：将干扰方位角与当前设定的飞行航线方位角实时对比做差，在设定的差值阈值范围外，不改变设定的飞行航线；
[0047]
步骤b6：在设定的差值阈值范围内，调整设定的飞行航线，远离卫星信号干扰区域。
[0048]
有益效果：本发明在无人机平台基础上将抗干扰卫导设备、干扰源信息自动识别诊断和干扰来向区域规避有效融合，提高无人机干扰环境条件下的执行飞行任务智能化和
成功率，同时解决无人机空中遇到干扰源信息后只能盲飞的问题，实现系统感知干扰环境的可视化效果，为地面操作和指挥人员提供可靠有效的信息，便于全面指挥无人机完成飞行任务。本发明系统能实现自主飞行、抗压制式卫星干扰、卫导干扰源自动识别、诊断和规避干扰来向、地面干扰源显示及告警提示等功能，具有抗干扰、智能化、实用化和干扰信息可视化等优点。
附图说明
[0049]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
[0050]
图1为本发明的系统示意图。
[0051]
图2为本发明的无人机飞行航线自动判断和优化流程图。
[0052]
图3为本发明的干扰源信息告警提示显示界面。
具体实施方式
[0053]
图1中，1表示遥测模块，2表示工控机电脑，3表示地面测控链路，4表示机载测控链路，5表示飞控计算机，6表示多阵元抗干扰卫导设备，7表示卫星信号压制干扰源。图2是将图1中的标识5和6展开说明流程图。图3是将图1中的标识1软件地图融合干扰源信息综合显示。
[0054]
如图1所示，本发明系统包括遥测模块、工控机电脑、地面测控链路、机载测控链路、飞控计算机和抗干扰卫导设备。遥测模块1安装运行在工控机电脑2上；工控机电脑2与地面测控链路3之间通过有线rs422连接；地面测控链路3与机载测控链路4之间通过无线电通信；机载测控链路4与飞控计算机5之间通过有线rs422连接；飞控计算机5与抗干扰卫导设备6之间通过有线rs422连接；由遥测模块完成机载抗干扰卫导设备检测的干扰源信息显示，由工控机电脑完成遥测模块运行提供硬件环境，由地面及机载测控链路完成无线指令信号接收和发送，由飞控计算机完成无人机自主规避干扰源方位区域，由抗干扰卫导完成干扰源数量、方位和强度等信息检测，能够自动识别和判断干扰源。
[0055]
所述抗干扰卫导设备的多阵元天线同时接收北斗等真实卫星发射通信信号和外部空域卫星频点压制干扰信号，对多阵列输出数据的协方差矩阵进行特征分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和信号分量正交的噪声子空间，然后利用此两个子空间的正交性来估计信号来向，具体处理过程和步骤如下：
[0056]
步骤a1：由阵列接收数据估计数据的协方差矩阵设定有p个非相干窄带或宽带远场信号入射到一个m元测向阵列上，不考虑每个阵元的幅相特性差异，则测向阵列接收数据的自相关矩阵r
xx
为：
[0057][0058]
式中，e为求数学期望，x[k]为接收数据输入信号，s[k]为期望信号，p为期望信号协方差矩阵，a为测向阵列的阵列流型矩阵，σ2为高斯噪声功率，i为单位矩阵，上标h为转
置，k＝1,2,...p；从r
xx
计算过程可知，r
xx
为一对称矩阵，对r
xx
进行特征分解为：
[0059]rxx
＝u
×
σ
×
uhꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0060]
式中，σ表示连续求和，diag表示对角矩阵函数；为r
xx
的m个特征值，u为r
xx
特征向量组成的特征矩阵；因为a为列满秩矩阵，所以rank(apah)＝rank(p)＝p，rank为求矩阵的秩，设定p《m，则有：
[0061][0062]
式中，为无加性高斯白噪声时观测信号ax[k]的自相关矩阵apah的p个特征值。对式(2)等号两边同时左乘uh和右乘u得：
[0063][0064]
步骤a2：对进行特征分解，并利用特征值大小判断干扰源信号个数；由式(4)得到r
xx
的m个特征值为：
[0065][0066]
由式(5)可看出，r
xx
的特征值由两部分组成，前p个特征值由信号分量和噪声分量一同构成，等于与噪声方差σ2之和，比较大。后m-p个特征值仅由噪声分量构成，等于噪声方差σ2，比较小。所以可以通过观察r
xx
的特征值大小来估计到达阵列天线的干扰信号个数。
[0067]
步骤a3：根据确定信号子空间s和噪声子空间g；设r
xx
前p个大特征值s1,s2,...,s
p
和后m-p个小特征值g1,g2,...,g
m-p
对应的特征信号向量分别为：s＝[s1,s2,...,s
p
]和g＝[g1,g2,...,g
m-p
]，则分别称range(s)和range(g)为张成的信号子空间和噪声子空间，span为张成空间，如下：
[0068][0069]
步骤a4：根据信号参数范围进行信号谱峰搜索；称ps＝ssh为信号子空间上的投影矩阵，称ggh＝i-ssh＝i-ps为信号子空间的正交投影矩阵；对r
xx
右乘g得：
[0070][0071]
从式(7)得到apahg＝o，o为零矩阵，所以有：
[0072]
gapahg＝o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0073]
式(8)成立的充要条件是：
[0074]ah
g＝o
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(9)
[0075]
所以有：
[0076]ah
(φ)g＝0
t
,φ＝φ1,φ2,...,φ
p
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0077]
其中ah(φ)表示导向矢量的转置，φ
p
表示第p个相位；
[0078]
因此，定义空间谱p
music
(φ)，φ为相位，如下：
[0079][0080]
步骤a5：找出式(11)中p个极大值(对应p个空间谱峰)的导向矢量求得干扰信号的入射方向θ
p
，实现p个干扰源来向的检测；当φ＝φ1,φ2,...,φ
p
时，p
music
(φ)值很大，当φ≠φ1,φ2,...,φ
p
时，p
music
(φ)值很小。
[0081]
所以，将导向矢量a(φ)代入式(11)，并遍历所有的a(φ)，找出使p
music
(φ)取得极大值的p个导向矢量a1(φ),a2(φ),...,a
p
(φ)，通过a1(φ),a2(φ),...,a
p
(φ)求得的角度θ
p
即为p个干扰信号的空间来向。
[0082]
采用多阵列输出数据的协方差矩阵进行特征分解，从而得到与信号分量相对应的信号子空间和信号分量正交的噪声子空间，利用两个子空间的正交性来估计信号来向实现了更加有效的干扰源信号提取，更加准确的识别不同空间方向干扰数量等信息。飞控计算机准备接收到抗干扰卫导设备输出的干扰检测信息融合提前设定的飞行航线及航向角完成实际飞行航线调整功能，具体包括：
[0083]
步骤b1：飞控计算机实时接收抗干扰卫导设备识别的卫星信号干扰源检测信息，10hz数据刷新率满足实时运算和航线响应速度；
[0084]
步骤b2：飞控计算机根据干扰源信息提取的有无干扰标志位进行外环路判断，在使用标志位前进行连续3拍均值滤波处理，使干扰标志位在0和1范围内稳定变化，减少短时瞬态突跳毛刺，根据判断结果转到步骤b3或步骤b4；
[0085]
步骤b3：无干扰条件时，飞控不改变原定的飞行航线继续飞行；重复步骤1和2；
[0086]
步骤b4：存在干扰条件时，提取卫星干扰信号的干扰来向等信息，并对来向数据进行连续10拍均值滤波处理，使干扰方位角在0-360
°
范围内稳定变化，减少短时瞬态突跳毛刺，将滤波后干扰方位角与当前设定的飞行航线方位角实时对比做差，根据判断结果转到步骤b5或步骤b6；
[0087]
步骤b5：在设定的差值阈值30
°
范围外，不改变原来设定的飞行航线继续飞行；
[0088]
步骤b6：在设定的差值阈值30
°
范围内，以3
°
为步进调整设定的飞行航线，远离卫星信号干扰区域。
[0089]
如图3所示，为无人机飞行遥测界面针对卫星信号干扰源信息告警提示实际效果图，为地图融合干扰源信息综合显示可视化界面，在机载抗干扰卫导设备未检测识别到干扰源信息时地图界面干扰方位箭头指示消失，反之根据干扰方位变化显示与飞行航线方位重合等级，为地面测控指挥车操纵人员提示飞行空域对飞行航线有无卫星定位导航影响。
[0090]
本发明提供了无人直升机卫星信号干扰源自动识别、报警和规避系统，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。