基于無人機的無線電監測定位效率提升研究

周 超，王 耀，熊仁和，肖 俊

(1. 中國民用航空飛行學院飛行技術與飛行安全重點實驗室，四川 廣漢 618307；2. 中國民用航空飛行學院空中交通管理學院，四川 廣漢 618307)

1 引言

隨著國家全面開啟社會主義現代化強國建設，民用航空的發展一直發揮著基礎性、先導性的作用。2021年3月12日民航局學習貫徹2021年兩會精神時明確提出：要著力構建一流的民航安全體系，樹立民航總體安全觀。但隨著不合法無線電頻率的亂用，造成民航專用頻率受無線電干擾事件頻發，且在全國具有普遍性。僅華東空管局在2015年至2019年收到的干擾報告次數均在300起以上，其中空中干擾比例占半數以上，這是因為地面干擾源直射波更易影響空中的飛機[1]。民航無線電通信、導航和監視設備是飛行安全的保障，一旦這些設備的專用頻率受到干擾，可能會造成飛機與地面通話中斷、雷達失效、導航信號失真、嚴重時將造成通信設備主備機同時失效，將會直接影響民航安全體系的構建[2-3]。

目前國家傳統的無線電監測及干擾定位方法一般采用地面布設監測站，由多個監測站通過對干擾信號進行測向，交叉定位地面干擾源的大致位置，然后派出移動監測車在可疑區域通過測向，逐漸逼近干擾源。但這種方式排查周期長，不能及時排查并拆除干擾源[4]。利用小型載人飛機、直升機平臺監測無線電干擾，可以快速準確的定位干擾源，但是又存在審批流程復雜、空域受限、成飛成本高等問題，而利用無人機作為空中無線電監測平臺，不僅便于接收干擾源的直射波，并且具有成本低、控制簡單、高機動性和高擴展性等諸多優勢。

現有的大多數無人機監測系統中，無線電監測與無人機控制功能分散，機載端與地面端使用多條鏈路傳輸顯示，成熟產品的交互性弱使得定位效率不高[5]。本文基于大疆六旋翼無人機的穩定性和擴展性，利用機載端SDK(Software Development Kit)實現飛行控制與測向系統數據處理，用地面端SDK實現航線規劃、測向數據可視化等功能[6-9]。同時為了提升定位精度，仿真分析觀測點的選定對于實際航線規劃中提高定位精度的理論意義，實際測試對比兩種基線數據處理方法，驗證系統在便捷性、定位效率方面的優越性。

2 系統框架設計

為降低無人機負載、解決空中監測系統新增數據傳輸鏈路影響本身鏈路的電磁抗干擾能力、解決無線電干擾監測數據不能自動解碼在電子地圖顯示等問題，以保證飛行平臺足夠可靠、數據采集簡單高效、監測定位過程自動化為原則對整體系統進行模塊化設計，結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體方案圖

考慮監測任務的穩定性和負載續航，選擇大疆M600pro旋翼無人機作為飛行監測平臺。同時考慮頻段、增益、尺寸和重量、精度等空中監測系統所需的性能指標，定制機載測向系統進行以滿足對便攜性、可用性 、低成本高精度、模塊化設計的要求。監測數據滿足鏈路傳輸協議及通信帶寬要求，地面移動控制站實現飛行任務與干擾數據的同步監視控制。

3 航線規劃策略

無人機平臺在空中靈活性高、接收到的信號路徑損耗低，能在不同方向、高度通過監測信號功率值與無人機航向獲取不同位置的來波信號方位，經過地面站軟件將觀測點對應方向線交匯，便得到估計的目標位置區域。將無人機看作移動站點，定位過程抽象成二維平面下的交叉定位模型，由于設備系統誤差和噪聲干擾，由多點交叉定位原理得出的目標位置總是落在一個區域[10]。該區域越小則證明定位的精度越高，示意圖如圖2所示。

圖2 定位模糊區定義

設該區域面積為S，系統在不同觀測點A、B硬件狀態相同，則它們的測量誤差是相等的，默認設備誤差值△Φ一致，定位模糊區S的表達式[11]

(1)

其中H為目標位置與觀測基線距離，△Φ為測量誤差，θ1、θ2為示向角。為使建模方便，將定位模糊區表達式簡化為

(2)

由上式可知在H不變情況下，當分母K越大，對應S越小。對K求極大值，可通過求偏導建立K與θ1、θ2關系表達式：

(3)

(4)

由上述推導公式建立θ1、θ2與K值的Matlab關系模型，仿真結果如圖3所示。

圖3 使模糊區最小的方位值間關系

從圖中觀察到當θ1取樣本值為60°時，θ2取值120°時對應的K值最大，進而判斷出當目標區域與觀測線距離一定時，兩個觀測點與干擾源剛好圍成等邊三角形布局，計算得到的模糊區面積S最小，定位精度相對最高。

無人機的實際飛行航線，采用弧形軌跡能以較少連續觀測點獲取足夠多的有效監測值，結合仿真結果選擇使示向線為60°交匯點作為有效區域邊界估計位置目標點，多組有效目標點構成的區域將會比粗定位區域小。例如圖4中紅色交匯點T1點和綠色交匯點T2，挑選出三組及以上的相交點可構成縮小后的定位模糊區，將多組有效數據值算術平均后可達到減小與真實位置相對誤差的目的。

圖4 航線規劃示意圖

4 基于SDK二次開發的功能實現

為了完成設計目標，針對空中監測系統的測向數據對地傳輸、地面控制端實時監控、定位無線電干擾源等使用需求，利用大疆SDK二次開發設計解決方案。

4.1 機載SDK開發

考慮到測向數據的處理和通信交互不會耗費太多計算資源，采用嵌入式系統(Onboard Embedded System，OES)STM32開發板作為硬件載體的開發平臺，同時將開發板作為中繼與無人機、傳感器PC連接。

OES與飛控雙向通信，需要遵循固定的通信協議，將指令信息轉換成固定的協議幀，通過串行接口進行傳輸，前者發送包含請求操作的CMD數據包，后者用確認或拒絕CMD的ACK包進行回復。數據傳輸控制使用SDK框架中的API，指令調用API的驅動控制過程如圖5。

圖5 API調用原理

機載SDK(Onboard SDK，OSDK)開發中常用串行通信進行數據傳輸，使能合適的串口，調用相關函數，設置復用器映射等步驟來完成串口數據傳輸。此外為了提高OSDK程序的安全性，采用廣播與訂閱機制。要想使機載計算機控制無人機，飛控還需與外部設備完成硬件同步。

4.2 OSDK控制方案

OSDK控制飛行具備延時極低、閉環控制、狀態自穩等優點，因此可與監視應用的航線規劃結合實現交叉定位，以周期性偏轉角控制的直線方式進行航線規劃并在觀測點完成數據記錄。OES在收到航線規劃的指令后，解析數據包利用航點任務規劃類的接口控制無人機執行指定任務，其觸發器與執行器設計原理為：觸發器選擇航點到位觸發，經循環反饋產生期望速度；執行器的參數設計包括設定周期及信號幅值閾值，以便判定有效干擾數據。周期獲取有效位置信息、姿態角信息、方位角信息并實時存儲，在判定數據量達到設定條件后經過定位解算和均值濾波得到較精確的GCJ-02(火星)坐標系下的目標位置信息。

4.3 SDK通信

本監測系統需要在穩定飛行過程中實時監測無人機狀態參數和無線電測向數據信息，將OSDK獲取的數據實時融入下行遙測鏈路，因此需設計機載端與地面端SDK的通信通道，實現機載端處理后的有效監測數據能在移動設備端顯示，完成對無線電干擾源的定位顯示。

機載端與移動端應用程序間的數據通信基于數據透傳技術實現，指的是程序應用層將數據以緩沖區存儲的形式調用底層硬件驅動去輸送，底層硬件驅動只保證緩沖區的數據發送，而不關心緩沖區內數據類型，不用去解析緩沖區的具體內容。飛行平臺為通信中介，建立機載端和移動端數據傳輸的雙向無線鏈路通道，機載端OSDK設計為服務器端，移動端MSDK設計為客戶端。兩端通信程序的通用啟動流程如圖6所示。

圖6 SDK通信代碼運行流程

4.4 數據監視應用設計

監視應用由Mobile SDK(MSDK)與Android庫提供內核支持，其中利用SDK框架如：SDK管理類、產品類、部件類、航點任務類、航點任務控制類等完成大疆地面站的任務執行模塊；利用Android程序開發，設計應用界面、控制邏輯實現與用戶交互；利用界面資源庫(UX SDK)提供一些通用標簽用于在主界面顯示無人機狀態信息，自定義布局通過將UI組件綁定對應的API類可通過標簽實現起降返航、狀態告警等功能。

使用高德SDK訪問地圖數據，將Android設備獲取的位置信息展示在高德的定位圖層，采用地圖糾偏算法可將地圖上的位置信息轉換為需要的標準經緯信息。智能飛行需要航線規劃，用Waypoint類配置航線中的航點，并統一設置航點動作，包括到達航點后的動作、朝向、速度、懸停時間等，Waypoint類設置的航點參數配置，優先級高于組合航點類設置。

智能飛行的任務模塊開發包括無人機定位、航點添加/清除、航點參數設置、任務上傳、開始/結束任務等幾個主要功能，將這些功能與對應按鈕綁定與地圖一同顯示在主界面上，并為所有功能設置對應的監聽器。執行監測任務時，點擊地圖將會調用航點標記功能，記錄標記對象的經緯信息并傳入標記列表；選擇好航點后，配置相對起飛點高度、速度、到達航點后的動作、朝向、旋轉動作，目的在于使天線可以收集到有效的監測數據。

二次開發后的運行界面如圖7所示。

圖7 SDK二次開發系統監視定位過程截圖

5 系統測試與分析

通過上述設計和開發，將主要的機載設備集成到無人機上，測向系統與接收機固定，測向天線與機頭方向保持一致，三度冗余飛控與導航模塊呈前向三角形排列，地面部分主要是運行MSDK的移動設備與遙控器，遙控器內置天線與解碼器，并有多個USB接口可以連接移動設備，搭建完成的空中無線電監測系統如圖8所示。

圖8 空中無線電監測系統圖

在測試過程中，采用2.4G頻段的信號發生器為模擬干擾源。在安全區域內，將干擾源放置在樓頂，控制無人機與干擾源在同一高度，對無人機進行航線規劃，使其沿弧線監測干擾源，選擇相鄰觀測點示向線交匯點數據與60°角示向線交匯點、理論計算的干擾源位置和實際干擾源位置的數據對比。對于示向線交匯的定位數據如表1所示，因為有定位模糊區，將區頂坐標歸一化求平均得到60°角示向線交匯點的經緯高坐標(104.303031，30.949112，463.096)，相鄰示向線交匯經緯高坐標(104.303097，30.948793，464.05)；理論計算值的定位坐標，是以5次有效方位與位置數據計算均值為一組有效觀測數據，兩組有效數據計算求得計算估計的經緯高坐標(104.303725，30.948684，461.96)；實際放置干擾源的經緯高坐標為(104.302741，30.949314，421.92)，這些經緯高坐標在地圖上的顯示，如圖9所示。

圖9 地圖上的4個目標點差距

表1 部分定位數據

由圖中位置可以看出，以60°示向線交匯得到的歸一化估計值與真實值距離最近，驗證了理論改進航線規劃的可行性；相鄰示向線交匯點的歸一化估計值定位精度一般；僅靠有效觀測值經理論模型解算的估計坐標定位精度較差。此外MSDK監視應用能較快速可視化定位估計位置，且通過合理選擇有效估計值能得到較好的定位精度，基本能實現在可接受的工作時間和誤差范圍內完成測向定位任務，相比于人根據監測數據判斷方向的基線法，基于SDK開發的系統更智能、更準確，具有一定的實用價值。

6 結束語

本文以現有的空中無線電監測定位系統為基礎，通過SDK二次開發集成了機載端系統，并設計便攜應用控制顯示，該移動端系統具備SDK通信控制、狀態顯示、航線規劃、監測數據可視化、目標位置解算等功能。實際測試結果表明基于SDK開發的無線電監測系統利用航線規劃選擇合適的監測位置可以提高定位效率。總之，該系統不僅提高了空中排查干擾源準確性，還使得排查過程更為簡便和自動化，具有一定的實際應用價值。進一步的改進方案可以考慮使用高性能傳輸設備，更換測向體制和定位方式等可能將會更準確的定位干擾源的位置。