低空通导智联网链路拒止环境下的抗干扰安全通信与协同辅助定位方法及系统与流程

本发明属于低空飞行通信与导航，涉及低空通导智联网链路拒止环境下的抗干扰安全通信与协同辅助定位方法及系统。

背景技术：

1、低空经济涉及通用航空、无人机物流、低空巡检、城市空中交通等多种应用场景。随着低空飞行器数量及低空飞行任务复杂程度不断增加，低空飞行器对通信、导航、监视及数据服务的连续性、可靠性和安全性提出了更高要求。

2、现有低空通导智联网通常包括第四代移动通信网络、第五代移动通信网络、第五代移动通信增强网络、第六代移动通信网络、高轨卫星通信系统、低轨卫星通信系统、飞行控制链路、业务数据链路、全球卫星导航系统、实时动态差分定位系统以及广播式自动相关监视系统等。上述通信与导航系统能够在正常工作条件下为低空飞行器提供飞行控制、数据传输、导航定位和运行监视等服务。

3、然而，低空飞行环境中存在建筑物及障碍物密集、气象条件多变、电磁环境复杂以及干扰源分布不确定等问题。低空飞行器使用的通信与导航链路可能受到恶意侦测、压制干扰、欺骗干扰、阻塞干扰或设备故障的影响。当通信链路受到干扰或处于拒止状态时，可能导致飞行控制数据、业务数据和状态数据无法正常传输，严重时造成低空飞行器失去控制；当卫星导航链路受到干扰、欺骗或处于拒止状态时，可能导致低空飞行器无法获得准确的位置和时间信息，增加碰撞、偏航、误入禁飞区域或者无法安全起降的风险。

4、现有低空飞行器通常分别设置通信设备和导航设备，通信设备与导航设备相互独立运行，不仅占用不同的频率、天线、射频通道和处理资源，而且容易造成机载设备数量多、质量大、功耗高和硬件冗余。在低空飞行器的载荷重量、安装空间和供电能力受到严格限制的情况下，传统通信与导航分离的系统架构难以同时满足小型化、高集成度及抗干扰的应用需求。

5、此外，现有低空飞行保障系统通常依赖广域移动通信网络或者卫星导航系统。当上述传统低空通导智联网链路整体受到干扰或处于拒止状态时，缺少能够快速部署并在指定区域内独立提供安全通信与辅助定位服务的兜底系统。

6、因此，有必要提供一种用于低空通导智联网链路拒止条件下的安全通信与辅助定位方法，以在不依赖传统低空通导智联网链路的情况下，为低空飞行器提供连续、可靠的机地通信和区域辅助定位服务。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于低空通导智联网链路拒止条件下的安全通信与辅助定位方法，以解决现有低空飞行器在传统通信链路和卫星导航链路受到干扰或处于拒止状态时，通信数据传输中断、无法获得有效定位信息以及通信设备与导航设备相互独立导致设备冗余的问题。

2、本发明通过布设至少三个地面节点构建区域坐标系统，在低空飞行器上设置机载节点，并利用通信与导航一体化共生波形，在机载节点与地面节点之间同时进行数据通信和测距交互，从而在传统低空通导智联网链路受干扰或拒止条件下，实现低空飞行器的安全通信与辅助定位。

3、为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

4、一种用于低空通导智联网链路拒止条件下的安全通信与辅助定位方法，应用于包括机载节点、至少三个地面节点、数据处理服务器和界面显示终端的安全通信与辅助定位系统，所述方法包括以下步骤：

5、s1，对各地面节点进行位置标定、指北寻定、气压标校和参数装订，使各地面节点通过自组网视距传输建立地面节点间通信链路，并基于所述地面节点间通信链路实现各地面节点之间的时间同步和频率同步，以根据各地面节点的标定参数构建区域坐标系统。

6、其中，位置标定用于确定各地面节点在统一坐标基准下的位置；指北寻定用于确定区域坐标系统的方向基准；气压标校用于获得地面节点所在区域的气压基准数据；参数装订用于将地面节点的标定位置、方向基准、通信参数、测距参数及节点标识等配置参数写入对应设备。

7、各地面节点之间通过自组网视距传输交换同步信息和节点状态信息，使各地面节点具有统一的时间基准和频率基准，为后续机地通信、测距时序控制和多地面节点联合定位提供基础条件。

8、s2，在低空飞行器使用的传统低空通导智联网链路受干扰或处于拒止状态时，通过安装于低空飞行器上的机载节点确定参与通信与测距的至少三个地面节点，并在机载节点与确定的各地面节点之间建立机地双向无线传输链路。

9、在飞行航路场景中，机载节点通过自适应决策方式，从沿飞行航路布设的多个地面节点中选取与低空飞行器距离较近的三个或三个以上地面节点。随着低空飞行器位置变化，机载节点能够对参与通信与测距的地面节点进行自主选择，以使低空飞行器处于相应地面节点的有效覆盖范围内。

10、在机场或起降站点场景中，机载节点与部署于机场跑道附近的三个地面节点建立机地双向无线传输链路，为低空飞行器进场、着陆、离场或起飞过程提供通信和辅助定位服务。

11、s3，通过机地双向无线传输链路收发通信与导航一体化共生波形，利用所述通信与导航一体化共生波形传输飞行控制数据、配置数据和业务数据，并在通信过程中完成机载节点与各地面节点之间的测距交互，获得低空飞行器与各地面节点之间的距离测量数据。

12、通信与导航一体化共生波形由机载节点和地面节点共用无线收发链路进行发送和接收，使通信信息与测距定位信息能够在空域、时域、频域和码域进行复用。由此，在同一套机载硬件和地面硬件中同时完成数据通信和测距定位，降低通信与导航设备分离设置造成的硬件冗余、质量增加和功耗增加。

13、所述飞行控制数据包括低空飞行器的飞行状态、飞行速度、飞行高度、航向、姿态及飞行控制指令中的一种或多种；所述配置数据包括节点标识、工作频点、传输参数、测距参数和任务配置参数中的一种或多种；所述业务数据包括语音数据、图像数据和视频数据中的一种或多种。

14、机载节点与地面节点在进行数据帧发送和接收的过程中完成测距信息交互，根据通信信号的发送和接收过程获得机载节点与对应地面节点之间的距离测量数据，使通信过程和测距过程协同进行。

15、s4，将距离测量数据、飞行控制数据、各地面节点的标定参数以及气压标校与反演数据传输至数据处理服务器，由数据处理服务器对接收的数据进行解析和融合处理，确定低空飞行器在区域坐标系统中的位置数据、姿态数据和高度数据。

16、数据处理服务器根据至少三个地面节点的标定位置以及低空飞行器与各地面节点之间的距离测量数据，采用多地面节点距离约束方式确定低空飞行器在区域坐标系统中的位置。

17、低空飞行器的姿态数据由机载节点采集的飞行控制数据提供，并由数据处理服务器将姿态数据与区域坐标系统中的位置数据进行统一处理。数据处理服务器还根据气压标校数据和机载端采集的气压数据进行气压反演，获得低空飞行器的高度数据。通过将距离测量数据、气压高度数据和飞行控制数据进行融合，获得低空飞行器在区域坐标系统中的位置、姿态和高度信息。

18、s5，通过数据处理服务器对飞行控制数据、配置数据、业务数据以及位置数据、姿态数据和高度数据进行存储和分发，并通过界面显示终端基于地图软件显示低空飞行器的通信数据和辅助定位数据。

19、界面显示终端能够在地图界面中显示低空飞行器的位置、飞行轨迹、飞行高度、航向和姿态，并能够显示飞行控制信息、配置信息、语音信息、图像信息和视频信息，以便地面操作人员掌握低空飞行器的运行状态。

20、为提高机地双向无线传输链路的抗干扰能力和信息安全性，本发明在建立和维持机地双向无线传输链路时，采用物理层跳频、定向天线传输、空域滤波、时域和频域干扰抑制以及多频点备份中的一种或多种方式，从规避干扰、适应干扰和抑制干扰等方面提高机地双向无线传输链路的抗干扰性能。

21、物理层跳频用于使机载节点和地面节点按照配置的跳频参数在多个工作频点之间进行切换，以降低单一频点受到持续干扰时对通信与测距的影响。

22、定向天线传输用于提高目标方向的信号增益，并降低非目标方向干扰信号对接收端的影响。

23、空域滤波用于根据目标信号与干扰信号的空间方向差异，对接收信号进行空间选择处理。

24、时域和频域干扰抑制用于根据干扰信号在时间维度和频率维度上的分布特征，对受到干扰的信号部分进行识别和抑制。

25、多频点备份用于在当前工作频点受到干扰或者无法满足通信质量要求时，切换至备用工作频点继续进行数据通信和测距交互。

26、此外，对机地双向无线传输链路中传输的信息流进行加密和身份认证，以防止未授权节点接入系统，并降低飞行控制数据、配置数据和业务数据被窃取、篡改或伪造的风险。

27、本发明的有益效果在于：

28、（1）通过至少三个地面节点构建区域坐标系统，在传统移动通信链路、卫星通信链路、飞行控制链路、业务链路或者卫星导航链路受到干扰或处于拒止状态时，仍能够为低空飞行器提供机地通信和辅助定位服务，提高低空飞行安全保障能力。

29、（2）通过通信与导航一体化共生波形，使通信数据和测距定位信息共用无线收发链路，并在空域、时域、频域和码域进行复用，降低通信设备和导航设备分别设置导致的硬件冗余，提高频谱利用率及机载设备集成度。

30、（3）利用通信过程完成机载节点与多个地面节点之间的距离测量，并结合地面节点标定参数和气压标校与反演数据确定低空飞行器的位置、姿态和高度，不依赖卫星导航系统即可在指定区域内提供辅助定位服务。

31、（4）采用物理层跳频、定向天线传输、空域滤波、时域和频域干扰抑制、多频点备份、信息流加密及身份认证等技术，提高机地通信与测距链路的抗干扰能力、保密性和可靠性。

32、（5）本发明的地面节点能够通过自组网视距传输实现节点间的时间同步和频率同步，并能够利用现有铁塔的供电和专线资源进行部署，减少新增基础设施建设成本，适于沿重要飞行航路形成连续覆盖。

33、（6）本发明能够在机场或起降站点采用三个地面节点形成品字形布局，为低空飞行器提供相对于着陆点的距离、方位和高度信息，提高低空飞行器在进场、着陆、起飞和离场过程中的安全性。采用机载节点、地面节点、数据处理服务器和界面显示终端构成，经过位置标定、指北寻定、气压标校和参数装订后即可投入使用，具有部署灵活、配置方便、集成度高和适用场景广的特点。

34、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。