本發明涉及無人機預警管控技術領域，具體是一種基于無人機所發射信號的無人機預警管控方法及系統。

背景技術：

近年來，隨著中小型無人機的研發與生產門檻的大幅降低，輕小型民用無人機大量進入市場，成為愛好者手中的“高端玩具”，其商用價值也不斷拓展，被廣泛應用于航拍測繪、管路巡線、森林防火、農林作業、物流餐飲等諸多領域。然而，由于我國民用無人機管理的相關法律法規和行業標準尚不完善，導致無人機市場發展自由度較大，產品質量參差不齊，各地因無人機“黑飛”導致的安全事件屢見報端，有的甚至引發空中險情，危及軍民航飛行安全和公共安全，引發公眾及相關國家部門的擔憂。目前缺乏有效手段對無人機進行預警管控，隨著輕小型無人機的普及，無人機所帶來的安全隱患會越來越大，越來越迫切地需要有效的無人機預警管控技術。

隨著技術的進步，商業無人機續航里程不斷增加，飛行速度可達到20m/s，飛行高度最高可到2000m，對無人機進行預警管控的首要任務是發現并識別目標。商業無人機由于其體積小，機身材質金屬成分很少，其雷達反射截面積(RCS)非常小，且飛行高度很低，因此采用常規雷探測手段很難發現并識別無人機目標。通過對商業無人機工作模式的研究發現，無人機升空后會不斷的向外發射信號，本發明通過對無人機自身發射信號的接收處理，可實現對無人機的識別、定位跟蹤與預警，而預警系統只接收信號，不需要發射大功率信號，不會對周圍電磁信號形成干擾，且具備作用距離遠、抗干擾能力強等優勢。

基于無人機自身發射信號的特征，本發明通過對無人機發射信號的接收、處理、識別及定位跟蹤，完成對無人機的發現識別、定位跟蹤與預警，全程監視無人機在空中的活動情況，一旦發現非法無人機闖入“禁區”，即采取措施對目標進行射擊，將目標驅離或擊落，從而實現對無人機的有效預警與管控，保障空域安全、飛行安全、公共安全及重點區域安全。一套預警管控系統的有效監視范圍可達到數公里，通過多套系統的組網，可以實現數十公里甚至上百公里范圍內目標的預警與管控。

技術實現要素：

針對目前商業無人機預警管控存在的技術空白問題，本發明公開了一種無人機預警管控方法及系統，包括信號接收單元、通信傳輸單元、采集處理單元、定位跟蹤單元、預警監視單元。所述信號接收單元用于接收無人機目標所發射的信號，通信傳輸單元采用有線或無線通信方式將所接收的信號傳輸至采集處理單元，采集處理單元完成信號的采集處理，自動識別無人機目標并提取目標特征信息，估計相關定位參數，基于采集處理單元輸出的結果，定位跟蹤單元完成對目標的定位與跟蹤，提取目標位置和速度信息并發送給預警監視單元，預警監視單元在電子地圖上顯示目標位置、速度及軌跡信息，基于目標特征信息，自動識別是否為非法目標，同時預測目標下一時刻的位置，通過在電子地圖上劃定區域，預警監視單元自動提取區域的邊界形成電子防區，結合目標位置和速度信息，自動判斷非法目標是否會闖入電子防區，對即將闖入飛行“禁區”的非法目標提前觸發告警，非法目標闖入飛行“禁區”后，將包含目標位置和速度的射擊引導信息發送給驅離射擊單元，由驅離射擊單元對非法闖入的目標進行射擊，預警監視單元同步監視射擊效果，直到將目標驅離或擊落為止，實現對無人機的全自動、全天候、全程監視，提前預警，并對非法闖入目標進行驅離射擊，最終完成對無人機的有效預警與管控。

本發明的技術方案如下：

一種無人機預警管控方法包括：

步驟1：利用多個信號接收單元同時接收無人機發射的信號，并將所接收到的信號通過通信傳輸單元傳輸至采集處理單元；

步驟2：采集處理單元同步完成對所接收信號的采集處理、特征提取與參數估計，自動識別無人機目標，并將無人機目標特征數據及定位參數發送到定位跟蹤單元；

步驟3：基于采集處理單元輸出的目標特征數據和定位參數，定位跟蹤單元完成對多個目標的定位與跟蹤，輸出目標位置、速度到預警監視單元；

步驟4：預警監視單元首先在電子地圖上完成目標位置、速度及運動軌跡的顯示，基于目標特征信息，自動識別是否為非法目標，同時基于目標當前位置和速度，對目標下一時刻的位置進行預測，通過在電子地圖上劃定區域，預警監視單元自動提取區域的邊界形成電子防區，結合目標位置和速度信息，自動判斷非法目標是否會闖入電子防區，并預估非法目標進入電子防區的時間。

進一步的，一種無人機預警管控方法還包括步驟5：非法目標闖入電子防區后，預警監視單元自動觸發報警，并將包含目標位置和速度的射擊引導信息發送給驅離射擊單元；基于預警監視單元提供的射擊引導信息，驅離射擊單元實施對非法闖入目標的射擊，預警監視單元同步監視射擊效果，直到將目標驅離或擊落為止，實現對無人機的預警與管控。

進一步的，所述通過設置多個接收站，利用接收單元對無人機所發射信號進行接收，并將接收到的信號發送至通信傳輸單元。

進一步的，利用通信傳輸單元將各信號接收單元所接收的信號傳送至采集處理單元。

進一步的，對多個接收站的信號進行同步采集處理，估計接收信號參數，包括信號到達方位角、信號到達時差或距離差、信號到達頻差。

進一步的，利用方位角、信號到達時差或距離差、信號到達頻差完成對目標的定位與跟蹤，獲取目標位置及運動速度信息，并將目標位置、速度及特征發送至預警監視單元。

一種基于無人機自身發射信號的無人機預警管控系統包括信號接收單元，通信傳輸單元、采集處理單元、定位跟蹤單元、預警監視單元和驅離射擊單元，所述信號接收單元由接收天線和接收通道組成，用于接收無人機目標所發射的信號，通信傳輸單元采用有線或無線通信方式將所接收的信號傳輸至采集處理單元，采集處理單元由采集模塊和信號處理模塊組成，采集模塊完成信號的采集，信號處理模塊通過對信號的處理，自動識別無人機目標，并提取目標特征信息，估計相關定位參數，基于采集處理單元輸出的結果，定位跟蹤單元完成對目標的定位與跟蹤，提取目標位置和速度信息并發送給預警監視單元，預警監視單元在電子地圖上顯示目標位置、速度及軌跡信息，基于目標特征信息，自動識別是否為非法目標，同時預測目標下一時刻的位置，通過在電子地圖上劃定區域，預警監視單元自動提取區域的邊界形成電子防區，結合目標位置和速度信息，自動判斷非法目標是否會闖入電子防區，并預估非法目標進入電子防區的時間。目標特征信息包括目標身份和信號參數。

進一步的，對即將闖入飛行“禁區”的非法目標提前觸發告警，并將包含目標位置和速度的射擊引導信息發送給驅離射擊單元；基于預警監視單元提供的射擊引導信息，驅離射擊單元實施對非法闖入目標的射擊，預警監視單元同步監視射擊效果，直到將目標驅離或擊落為止，實現對無人機的預警與管控。

通過采用以上的技術方案，本發明的有益效果為：基于對無人機自身發射信號的接收、處理、特征提取，實現對無人機的發現識別、定位跟蹤與預警，能夠實現全程監視、全天候、全自動預警，并能夠對非法目標進行驅離射擊，自動預測目標位置并提前預警是否將闖入防區，自動引導驅離射擊單元對闖入防區的非法目標進行射擊，將目標驅離或擊落，從而實現對無人機的有效預警與管控，保障空域安全、飛行安全、公共安全及重點區域安全。預警管控系統只接收信號，不需要發射大功率信號，不會對周圍電磁信號形成干擾，且能夠自動識別無人機目標，自動識別非法目標，具備作用距離遠、抗干擾能力強等優勢，利用多套系統的組網，可實現上百公里范圍內的無人機目標預警監視與管控。

附圖說明

本發明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1為無人機預警管控系統原理圖。

圖2為定位原理示意圖。

圖3為方位角測量原理圖。

圖4為到達頻差測量原理圖。

圖5為預警管控系統處理流程圖。

具體實施方式

下面結合說明書附圖，詳細說明本發明的具體實施方式。

本發明公開了一種無人機預警管控方法，該方法基于無人機自身發射信號，通過設置多個信號接收站對信號接收處理，提取目標特征信息并識別無人機目標，估計各接收站的信號參數，基于信號參數與目標位置間的關系構建定位方程，通過求解定位方程獲得目標位置，采用跟蹤濾波技術進一步抑制定位誤差，得到更準確的目標位置與速度，在電子地圖上實時顯示目標位置及運動軌跡等信息，基于目標特征信息自動識別非法目標，基于目標位置和速度信息預測目標進入防區的時間，實現全程監視、提前預警，非法目標闖入防區后，自動引導驅離射擊單元進行射擊。

所述無人機預警管控方法及系統組成原理圖如圖1所示，主要包括信號接收單元、通信傳輸單元、采集處理單元、定位跟蹤單元、預警監視單元及驅離射擊單元。無人機預警管控具體實施步驟如下：

1.信號接收單元同步接收無人機所發射信號，并將所接收到的信號發送至通信傳輸單元；

2.通信傳輸單元將各信號接收單元所接收的信號傳輸至采集處理單元，由采集處理單元完成對所接收信號的同步采集，自動識別無人機目標并提取目標特征，估計信號參數，包括到達方位角、到達時差、到達頻差等定位參數；

3.如圖2所示定位原理圖，基于采集處理單元所獲取的定位參數，信號到各接收站的傳播距離不同，信號到達各接收站后存在到達時差或距離差，目標相對各接收站的相對速度不同，信號到達各接收站后存在到達頻差。其中目標T(x,y,z)到接收站S_i(x_i,y_i,z_i)之間的距離為r_i：

接收站S₀(x₀,y₀,z₀)與S_i(x_i,y_i,z_i)之間的距離為L_i：

對距離r_i求微分可得目標相對于S_i的徑向速度

利用方位角、到達時差、到達頻差等參數構建目標定位方程并求解目標位置，具體步驟如下：

a)如圖3所示，基于接收站S_i與目標T(x,y,z)之間的關系，可得方位角α_i的測量方程：

b)如圖2所示，以接收站S₀為參考，接收站S_i與目標位置T之間的關系，可得到達時差t_i0(或距離差)的測量方程：

其中t_i為信號到達接收站S_i的時間，c為電磁波傳播速度。

c)如圖4所示，以接收站S₀為參考，接收站S_i與目標位置T(x,y,z)和速度之間的關系，可得到達頻差f_i0的測量方程：

其中f_i為信號到達接收站S_i的頻率，λ為信號波長，為目標T相對于S_i的徑向速度即目標速度在r_i方向上的投影。

d)由測量方程(4)～(6)可知，方位角、到達時差及到達頻差三個測量值中包含了目標位置和速度信息，利用測量方程(4)～(6)構建關于目標狀態的定位方程：

Z_m＝G(X)+σ_m (7)

其中Z_m＝[α_i,t_i0,f_i0]^T為參數測量向量，σ_m為參數測量誤差向量，G(X)為關于目標狀態的測量方程：

e)定位方程(7)中有六個未知數即目標位置T(x,y,z)和速度通過布置多個接收站，提供不少于六個測量方程，通過求解定位方程(7)就可以獲得目標位置T(x,y,z)和速度信息。

4.基于對目標定位方程求解所獲得的目標位置信息，采用跟蹤濾波技術對目標進行連續跟蹤，進一步抑制定位誤差，得到穩定的目標位置及速度信息并發送到預警顯示單元，完成對目標的預警顯示與管控，具體處理流程如圖5所示；

5.預警顯示單元在電子地圖上顯示目標位置、速度、運動軌跡以及目標特征等信息；

6.基于目標當前位置和運動速度，預測T秒后的目標位置，結合電子防區，預報目標進入防區的時間；基于目標特征信息，自動識別是否為非法目標；

7.預警顯示單元檢測到非法目標闖入電子防區后立即觸發報警，并自動發送包含目標位置及速度的射擊引導信息到驅離射擊單元；

8.驅離射擊單元根據射擊引導信息對非法目標進行射擊，預警顯示單元同步監視對目標的驅離射擊效果，直到將非法目標驅離或擊落為止，實現對無人機目標的預警與管控。

本發明還公開了一種無人機預警管控系統，其具體包括信號接收單元、通信傳輸單元、采集處理單元、定位跟蹤單元、預警監視單元和驅離射擊單元，所述信號接收單元由接收天線和接收通道組成，用于接收無人機目標所發射的信號，通信傳輸單元采用有線或無線通信方式將所接收的信號傳輸至采集處理單元，采集處理單元由采集模塊和信號處理模塊組成，采集模塊完成信號的采集處理，信號處理模塊通過對信號的處理，自動識別無人機目標并提取目標特征信息，估計相關定位參數，基于采集處理單元輸出的結果，定位跟蹤單元完成對目標的定位與跟蹤，提取目標位置和速度信息并發送給預警監視單元，預警監視單元在電子地圖上顯示目標位置、速度及軌跡信息，基于目標特征信息，自動識別是否為非法目標，同時預測目標下一時刻的位置，自動判斷非法目標是否會闖入電子防區，通過在電子地圖上劃定區域，預警監視單元自動提取區域的邊界形成電子防區，結合目標位置和速度信息，并預估非法目標進入電子防區的時間。

上述系統還包括預警顯示單元，用于完成目標位置、速度、運動軌跡及目標特征的顯示，同時基于目標當前位置和速度信息預測T秒后的位置，結合電子防區，預報目標進行防區的時間，實現提前預警；基于目標特征信息自動識別是否是非法目標，檢測到非法目標闖入電子防區后立即觸發報警，并自動發送包含目標位置及速度的射擊引導信息到驅離射擊單元。

上述系統還包括驅離射擊單元，驅離射擊單元采用無線電方式對指定目標進行驅離射擊，基于預警顯示單元提供的射擊引導信息，對非法闖入目標執行驅離射擊，預警顯示單元同步監視對目標的射擊效果，直到將非法目標驅離或擊落為止。

所述發明方法及系統不僅可用于無人機的預警監視與管控，同樣可用于其它空中目標的預警監視與管控。上述的實施例中所給出的系數和參數，是提供給本領域的技術人員來實現或使用發明的，發明并不限定僅取前述公開的數值，在不脫離發明的思想的情況下，本領域的技術人員可以對上述實施例進行種種修改或調整，因而發明的保護范圍并不被上述實施例所限，而應該是符合權利要求書提到的創新性特征的最大范圍。