基于無(wú)人機(jī)的頻譜監(jiān)測(cè)及定位解決方案

背景

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃領(lǐng)域，目前存在以下問(wèn)題：

• 傳統(tǒng)的傳播模型在立體復(fù)雜場(chǎng)景下的預(yù)測(cè)無(wú)法與實(shí)測(cè)相匹配。

• 小站部署環(huán)境復(fù)雜，依賴傳統(tǒng)的傳播模型難于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

• 傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)傳播模型預(yù)測(cè)平均標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)11dB，業(yè)內(nèi)3D 射線追蹤傳模的工程實(shí)際應(yīng)用預(yù)測(cè)誤差大于9dB，基于現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)一步提升仿真精度非常困難。

立體空間缺少有效的無(wú)線信號(hào)測(cè)量技術(shù)支撐高精度傳模構(gòu)建。而80%的話務(wù)發(fā)生在室內(nèi)，80% 的室內(nèi)話務(wù)由室外站吸收，網(wǎng)規(guī)網(wǎng)優(yōu)已經(jīng)不滿足于平面的室外覆蓋預(yù)測(cè)，迫切需要高精度3D 傳播建模技術(shù)。

在無(wú)線電事業(yè)領(lǐng)域，目前存在以下問(wèn)題：

• 隨著無(wú)線電事業(yè)迅速發(fā)展，需要管理和維護(hù)空中電波秩序，保障復(fù)雜電磁環(huán)境下的無(wú)線電波安全，以促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展。

• 隨著世界格局的變化，信息戰(zhàn)及電磁戰(zhàn)也已經(jīng)上升到關(guān)系國(guó)家安全的層面，為了打贏未來(lái)高科技的信息化戰(zhàn)爭(zhēng)，滿足特殊部門(mén)執(zhí)行任務(wù)的需要，及時(shí)排除干擾，打擊敵方目標(biāo)，迫切需求能快速布署的無(wú)線電監(jiān)測(cè)、測(cè)向、定位技術(shù)。

建立應(yīng)急監(jiān)測(cè)、定向、干擾查處機(jī)制，空中無(wú)線電監(jiān)測(cè)測(cè)向系統(tǒng)作用將尤為重要。

本方案創(chuàng)新性地以無(wú)人機(jī)平臺(tái)搭載高端測(cè)試設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了3D 建模技術(shù)以及頻譜監(jiān)測(cè)、定向、干擾定位等功能，一舉打破多個(gè)領(lǐng)域存在的技術(shù)屏障。

系統(tǒng)架構(gòu)

基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的頻譜監(jiān)測(cè)及定位系統(tǒng)包含以下5 個(gè)子系統(tǒng)：

• 機(jī)載無(wú)線信號(hào)掃描子系統(tǒng)

• 高精度慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)

• 信息回傳子系統(tǒng)

• 干擾定位子系統(tǒng)

• 天線測(cè)量子系統(tǒng)

無(wú)人機(jī)平臺(tái)在借助于高精度慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)確保自身定位可靠性的同時(shí)，通過(guò)機(jī)載無(wú)線信號(hào)掃描子系統(tǒng)收集三維空間的頻譜信息并通過(guò)信息回傳子系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛婵刂平K端，并在終端上使用干擾定位子系統(tǒng)和天線測(cè)量子系統(tǒng)對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析并得出相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果。

1)機(jī)載無(wú)線信號(hào)掃描子系統(tǒng)

可對(duì)2MHz-3GHz 無(wú)線信號(hào)進(jìn)行高速掃描，獲取經(jīng)緯度及高度3 個(gè)變量組成三維信息，每個(gè)經(jīng)緯度及高度信息對(duì)應(yīng)一張測(cè)量頻譜圖，測(cè)試數(shù)據(jù)如下圖所示：

測(cè)試分析：在同一經(jīng)緯度下，2m 與50m 不同高度的頻譜信號(hào)強(qiáng)度存在明顯差異，在480MHz~560MHz 及700MHz~720MHz 頻率處，50m 高度信號(hào)接收強(qiáng)度明顯高于2m，同時(shí)產(chǎn)生了許多2m 高度未測(cè)試到的信號(hào)。

測(cè)試結(jié)果：通過(guò)機(jī)載子信號(hào)掃描，能夠測(cè)量到不同高度下的無(wú)線信號(hào)分布情況，通過(guò)3D 建模的方式將測(cè)試信息展現(xiàn)出來(lái)并用做頻譜監(jiān)測(cè)或干擾定向、定位分析。

3D 傳播模型建模

2)高精度慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)

主要應(yīng)用于對(duì)GPS 等傳統(tǒng)衛(wèi)星定位系統(tǒng)精度進(jìn)行修正，在低空?qǐng)鼍跋芦@得精度達(dá)厘米級(jí)的定位輸出，與掃描子系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)接。有利于建立精準(zhǔn)的經(jīng)緯度及高度三維信息，同時(shí)使無(wú)人機(jī)飛行更為穩(wěn)定及安全。未修正前無(wú)GPS 高度信息，且可能由于GPS 信號(hào)受到屏蔽或者阻擋，使飛行控制出現(xiàn)大幅度抖動(dòng)，極易出現(xiàn)安全問(wèn)題，GPS 信息不夠精確。通過(guò)在地面搭建GPS 基準(zhǔn)平臺(tái)，利用基準(zhǔn)平臺(tái)為無(wú)人機(jī)內(nèi)部慣性導(dǎo)航子系統(tǒng)提供精度修正。形成以經(jīng)度、緯度及高度信息組成的三維信息，建立三維模型。同時(shí)，在一些GPS信號(hào)較弱位置，無(wú)人機(jī)飛行更加穩(wěn)定，抖動(dòng)范圍小于10 厘米。

3)信息回傳子系統(tǒng)

對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)和周圍場(chǎng)景信息在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行本地存儲(chǔ)，在無(wú)線通信鏈路符合要求的情況下實(shí)時(shí)回傳供數(shù)據(jù)后續(xù)處理之用。通過(guò)預(yù)內(nèi)置的USIM 卡，連接到3/4G 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息回傳，回傳信息內(nèi)容包括：經(jīng)緯度信息、高度信息、測(cè)量接收信號(hào)強(qiáng)度、圖片等內(nèi)容。

測(cè)試分析：數(shù)據(jù)以2M 為單位回傳至指定服務(wù)器，未完成上傳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在無(wú)人機(jī)平臺(tái)內(nèi)部存儲(chǔ)。

測(cè)試結(jié)果：信息回傳子系統(tǒng)極大便利了數(shù)據(jù)采集，使數(shù)據(jù)完整性及實(shí)時(shí)性得到了保障。

4)干擾定位子系統(tǒng)

基于測(cè)向天線，對(duì)掃描無(wú)線信號(hào)賦予角度信息，通過(guò)AOA/TDOA/POA 等算法技術(shù)對(duì)信號(hào)信息進(jìn)行處理，篩選符合條件的干擾信號(hào)進(jìn)行大致定位，后續(xù)進(jìn)一步測(cè)試和識(shí)別。

測(cè)試分析：測(cè)試中發(fā)現(xiàn)1000MHz 附近存在一個(gè)大約10K 帶寬的信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度為-61.3dB，通過(guò)在信號(hào)周邊進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，并展現(xiàn)其時(shí)域信號(hào)及三維頻譜圖，發(fā)現(xiàn)此信號(hào)恒定。通過(guò)角度信息，可以進(jìn)行信號(hào)定位。

測(cè)試結(jié)果：如下圖所示，通過(guò)周邊測(cè)試，再利用AOA/TDOA/POA 等算法計(jì)算可以初步定位該信號(hào)源處于白圈中心位置處。

5)天線測(cè)量子系統(tǒng)

可對(duì)現(xiàn)有天線垂直賦形、水平賦形、波瓣下傾、零值補(bǔ)償?shù)葏?shù)進(jìn)行校準(zhǔn)。

測(cè)試分析：測(cè)試中發(fā)現(xiàn)1000MHz 附近存在一個(gè)大約10K 帶寬的信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度為-61.3dB，通過(guò)在信號(hào)周邊進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，并展現(xiàn)其時(shí)域信號(hào)及三維頻譜圖，發(fā)現(xiàn)此信號(hào)恒定。通過(guò)角度信息，可以進(jìn)行信號(hào)定位。

天線發(fā)射參數(shù)校對(duì)

測(cè)試分析：利用無(wú)人機(jī)測(cè)試平臺(tái)針對(duì)某小區(qū)圍繞天線360 度方向進(jìn)行測(cè)試，可以獲取該天線實(shí)際天線賦形圖如上圖紅線所示，上圖綠線代表出廠時(shí)天線賦形原始圖。通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，此小區(qū)天線300~180度天線賦形基本與出廠一致，180~300 度方向賦形稍有變形。

測(cè)試結(jié)果：需要對(duì)該天線180~300 度方向天線陣列進(jìn)行校準(zhǔn)。

系統(tǒng)功能

• 滿足無(wú)人機(jī)低空飛行復(fù)雜測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度、顛簸、防塵、防雨等各種苛刻要求

• 與無(wú)人機(jī)、機(jī)載慣導(dǎo)系統(tǒng)深度集成，由無(wú)人機(jī)對(duì)掃頻模塊進(jìn)行供電，由慣導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)其提供厘米級(jí)高精度定位信息，滿足特殊場(chǎng)景需求

• 支持2MHz-3000MHz 全頻段監(jiān)測(cè)

• 支持全頻段頻譜監(jiān)測(cè)，檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)峰值，輔助分析調(diào)制信號(hào)中的干擾狀況，展現(xiàn)三維頻譜

• 支持多制式多頻段同時(shí)監(jiān)測(cè)(制式和頻段可定制組合)

• 支持高速連續(xù)波測(cè)量(非解調(diào))和寬帶信號(hào)掃頻測(cè)量(解調(diào))

• 掃頻速度用戶可調(diào)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景

• 支持高速層三解碼，提高信號(hào)歸屬判斷準(zhǔn)確率，并基于路測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)基站數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行反向校對(duì)