鄔赟，譚文群，吳慧東，李金玲

摘要：隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，以無人機(jī)為代表的低慢小飛行器得到了蓬勃的發(fā)展，而此類飛行器具有成本低，容易獲取的特點(diǎn)，因此常被不法分子利用，其對國家安全和人民生活帶來了很大的威脅。本文主要對此類目標(biāo)的定位算法進(jìn)行研究，其中主要研究基于方位角信息的目標(biāo)定位算法，利用實(shí)際仿真環(huán)境對僅有兩個接收站接收到目標(biāo)信號情況下的定位性能進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞： 低慢小目標(biāo);方位角;目標(biāo)定位

中圖分類號：TN953? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）19-0139-02

1 引言

低慢小目標(biāo)主要是指目標(biāo)飛行高度低，速度慢，體積小的飛行器，其主要包括無人機(jī)、動力傘和熱氣球等[1-3]。隨著科技的發(fā)展此類飛行器的性能越來越強(qiáng)大，例如低慢小目標(biāo)的典型代表無人機(jī)，其不但可以攜帶高清攝像頭，利用5G通信技術(shù)實(shí)時傳送高清畫面，其同樣可以被不法分子改裝后攜帶小型武器對國家安全帶來威脅。而在我國以大疆公司為代表的廠商在無人機(jī)的性能和性價比上均屬于全球領(lǐng)先水平并且每年銷量龐大，此類低慢小飛行器非常容易獲得，因此近些年來我們經(jīng)常可以看到媒體報(bào)道無人機(jī)被不法分子利用威脅國家安全和侵犯人們生活隱私等[4-7]。近幾年，有關(guān)部門出臺了一些相關(guān)的管控措施對無人機(jī)等飛行器進(jìn)行控制。而對此類低慢小目標(biāo)管控的關(guān)鍵是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并對目標(biāo)進(jìn)行定位跟蹤，以便相關(guān)部門對其進(jìn)行進(jìn)一步的處理。因此有必要對此類目標(biāo)定位算法進(jìn)行系統(tǒng)性的研究。

目標(biāo)定位算法的原理是利用接收機(jī)通過有源或者無源的方式獲得觀測參數(shù)，然后利用觀測到的不同參數(shù)對目標(biāo)進(jìn)行定位解算。其根據(jù)目標(biāo)和定位系統(tǒng)的不同，接收機(jī)接收到的參數(shù)主要包括方位角、時間差和多普勒頻率等。因此常用的目標(biāo)定位算法主要包括時間差定位、方位角定位、多普勒定位以及各種組合定位算法。由于低慢小目標(biāo)存在飛行速度慢的特點(diǎn)，其多普勒信息不明顯，因此針對低慢小目標(biāo)主要采用時間差和方位角信息對其進(jìn)行定位。前期本團(tuán)隊(duì)已針對時間差的低慢小目標(biāo)定位進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究[8]，但采用時間差定位需要最少三個以上的接收站接收到目標(biāo)，而當(dāng)接收站只有兩個站接收到目標(biāo)時，需要采用方位角的信息對其進(jìn)行定位。下面本文主要在上篇論文的基礎(chǔ)上對基于方位角的兩站無人機(jī)定位性能進(jìn)行研究。

2 基于方位角的“低慢小”目標(biāo)定位

低慢小目標(biāo)定位過程中主要獲得的信息為方位角和時間差，其相應(yīng)的定位模型下圖所示。

基于時間差的低慢小目標(biāo)定位模型，其原理為利用發(fā)射站發(fā)射無線電波探測目標(biāo)，當(dāng)探測到目標(biāo)時，無線電波的直達(dá)波和反射波構(gòu)成一組時差參數(shù)。當(dāng)在低慢小目標(biāo)定位系統(tǒng)中，同時有3個接收站獲得時差信號參數(shù)時即可對目標(biāo)位置進(jìn)行定位解算。而在實(shí)際定位過程中，由于無人機(jī)低空飛行的特點(diǎn)，無線電信號容易被建筑物遮擋，因此可能在同一時間只有兩個接收站檢測到目標(biāo)。圖1給出了在只有兩個接收站接收到目標(biāo)反射信號的低慢小目標(biāo)定位系統(tǒng)，其定位原理是一個接收站除了可以接收到時間差信息外，還可以獲得目標(biāo)的方位角和俯仰角信息，由于實(shí)際定位系統(tǒng)中接收機(jī)獲得的俯仰角信息誤差比較大，因此一般采用方位角結(jié)合時差信息對目標(biāo)進(jìn)行定位。下面給出圖1基于方位角的低慢小目標(biāo)定位系統(tǒng)的參數(shù)方程。

1）方位角參數(shù)方程：

[θ1=arctan（y-y1）（x-x1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

2）時間差參數(shù)方程：

[TDOA1=（τT，0+τT，1-τ1）]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中：

[τT，0=（x-x0）2+（y-y0）2+（z-z0）212]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

[τt，1=（x-x1）2+（y-y1）2+（z-z1）212]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

[τi=（x0-x1）2+（y0-y1）2+（z0-z1）212]? ? ? ? ? ? ? ? （5）

當(dāng)?shù)吐∧繕?biāo)定位系統(tǒng)中僅有兩個接收站接收到目標(biāo)反射信號時，可以利用每個接收站接收到的方位角和時間差信息構(gòu)建4個方程對目標(biāo)的位置進(jìn)行定位解算，最終獲得目標(biāo)坐標(biāo)[（x，y，z）]。此定位方法可以解決低慢小實(shí)際定位過程中信號容易被建筑物遮擋而導(dǎo)致的同一時間只有兩個接收機(jī)接收到信號的問題。下面將利用實(shí)際應(yīng)用場景對該定位算法進(jìn)行仿真分析。

3 “低慢小”目標(biāo)定位仿真性能分析

本文在文獻(xiàn)[8]的基礎(chǔ)上對基于方位角的低慢小目標(biāo)定位算法進(jìn)行進(jìn)一步仿真，仿真過程中采用定位精度的幾何稀釋（GDOP）等高線圖來比較定位方法的精度[9]。以南昌工程學(xué)院瑤湖校區(qū)作為低慢小目標(biāo)定位實(shí)際應(yīng)用場景，假設(shè)監(jiān)測的目標(biāo)為非法闖入校園進(jìn)行偷拍活動的無人機(jī)，在學(xué)校的不同建筑物架設(shè)了多個接收機(jī)，發(fā)射機(jī)架設(shè)在學(xué)校中心的一食堂，其他接收機(jī)架設(shè)分別架設(shè)在圖書館、教師公寓和三食堂附近。下面分兩種情況進(jìn)行仿真比較。

1）假設(shè)時差誤差為20ns、方位角誤差為1o，比較不同高度層基于方位角定位性能。仿真GDOP結(jié)果如圖2。