基于RID协议特征驱动的无人机射频前端动态控制系统及方法与流程

本发明属于无人机侦测，具体涉及基于rid协议特征驱动的无人机射频前端动态控制系统及方法。

背景技术：

1、为有效监管无人机飞行，各国航空监管机构相继推行无人机远程识别（remoteid，简称rid）制度，要求无人机在飞行期间通过2.4ghz或5.8ghz频段周期性广播包含身份标识、实时位置、高度、速度及控制站位置等关键信息的无线信号。该制度的实施使得基于rid信号侦测的无人机监管方案成为主流技术路径，地面侦测设备通过接收并解析无人机主动广播的rid信标，即可实现对合作无人机的实时识别与监控。

2、然而，rid信号采用蓝牙或wi-fi等开放协议在ism频段进行广播，其工作频段与地面wi-fi接入点、蓝牙设备、移动终端热点及无人机图传链路等大量无线设备高度重叠，接收端在捕获微弱rid广播信标的同时不可避免地接收到强同频干扰信号，导致低噪声放大器进入饱和区、自动增益控制电路失调，弱信标被淹没而无法稳定识别。同时，不同rid发射设备在广播周期稳定性、跳频规律性及信号强度连续性等方面存在较大差异，部分设备甚至存在数据字段缺失或发送功率不稳定等问题，进一步增加了侦测难度。

3、现有rid侦测设备主要依赖接收信号强度（rssi）阈值判断是否接收到广播信标，该方法在复杂电磁环境中虚警率高、弱信标漏检严重，难以满足低空安全管理对远距离、高可靠侦测的实际需求。

技术实现思路

1、本发明的目的就在于提供基于rid协议特征驱动的无人机射频前端动态控制系统及方法，以解决背景现有rid侦测设备仅依赖信号强度阈值判断广播信标，在复杂电磁环境中无法区分同频干扰与目标信号，导致弱rid广播信标漏检率高、虚警率高的问题。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、第一方面、本发明提出了基于rid协议特征驱动的无人机射频前端动态控制系统，应用于低空飞行器监管场景，系统与低空安全管理平台通信连接，所述系统包括：

4、射频前端链路，用于对接收的射频信号进行限幅保护、低噪声放大、频段滤波及调理放大处理，形成待解析信号；所述射频信号包括无人机广播的rid广播信标和/或同频段非rid广播信标；

5、射频采样与解析单元，用于对待解析信号进行采样与解析，提取各广播信标的信号特征和协议特征作为基础特征信息；

6、fpga处理单元，用于根据所述基础特征信息进行概率判定，生成射频前端控制指令集，并下发至所述射频前端链路，所述控制指令集包括增益调节指令、门限调节指令、频段切换指令及抗阻塞指令；

7、mcu主控单元，用于解析获得无人机身份、位置及速度信息，并融合本机位置信息生成侦测识别结果；

8、数据通信单元，用于将所述侦测识别结果上传至低空安全管理平台；

9、所述射频前端链路根据所述控制指令集调节放大倍数及自动增益控制门限以适配不同强度的rid射频信号、切换接收频段以跟踪跳频广播、以及执行抗阻塞操作以抑制同频段非rid广播信标干扰。

10、进一步的，所述系统还包括rid接收天线，用于捕获空中无人机广播的remote id射频信号，所述射频信号包括2.4ghz频段的wi-fi广播信标、2.4ghz频段的ble广播信标、5.8ghz频段的wi-fi广播信标或wi-fi nan广播信标中的一种或多种。

11、进一步的，所述射频前端链路包括：

12、限幅保护单元，用于将所述remote id射频信号限制在预设安全功率范围内，并抑制静电和浪涌冲击；

13、低噪声放大单元，用于对限幅后的信号进行低噪声放大；

14、开关滤波单元，用于对放大后的信号进行接收频段选择，在2.4ghz频段与5.8ghz频段之间切换接收路径，并通过滤除非目标频段干扰信号；

15、调理放大单元，用于对滤波后的信号调整链路增益及阻抗匹配，使信号幅度适配射频采样与解析单元的输入要求，形成调理后的待解析信号；

16、所述低噪声放大单元接收所述增益调节指令、所述门限调节指令及所述抗阻塞指令，所述开关滤波单元接收所述频段切换指令及抗阻塞指令；当所述fpga处理单元在检测到信号强度超过强干扰阈值或自动增益控制进入饱和区时生成所述抗阻塞指令；低噪声放大单元根据接收到的所述增益调节指令及门限调节指令分别调节放大倍数及自动增益控制门限，并根据所述抗阻塞指令旁路其中一级低噪声放大器；所述开关滤波单元根据所述频段切换指令切换接收频段，根据所述抗阻塞指令启用窄带滤波器。

17、进一步的，所述fpga处理单元包括：

18、特征提取子单元，用于基于所述基础特征信息提取厂商标识匹配度、广播周期稳定度、信号强度波动度、跳频规律度及连续接收完整度的维度特征，以构建五维特征向量并进行归一化处理；

19、概率评分子单元，用于对归一化后的各维度特征进行加权融合得到rid广播信标概率评分，并经概率映射函数转换为当前广播信标归属rid的后验概率；

20、指令生成子单元，用于根据所述后验概率所处的预设区间生成相应的控制指令：当所述后验概率达到第一阈值时，确认为有效rid广播信标，生成所述增益调节指令及所述门限调节指令；当所述后验概率处于第二阈值与所述第一阈值之间时，生成延长当前信道扫描驻留时间的控制指令；当所述后验概率低于所述第二阈值时，确认为非rid广播信标；

21、抗阻塞判定子单元，用于对所述基础特征信息中的接收信号强度进行监测，当所述接收信号强度超过强干扰阈值或自动增益控制进入饱和区时，生成所述抗阻塞指令。

22、进一步的，所述概率评分子单元中，对各维度特征按下式进行加权融合得到rid广播信标概率评分rbps：

23、；

24、其中α+β+γ+δ+ε=1，为厂商标识匹配度的权重、为广播周期稳定度的权重、为信号强度波动度的权重、为跳频规律度的权重、为连续接收完整度的权重；

25、将rid广播信标概率评分rbps按下式映射为当前广播信标归属rid的后验概率p(rid)：

26、；

27、其中，k为sigmoid函数的陡度系数，为偏置阈值。

28、进一步的，所述fpga处理单元根据所述基础特征信息中的协议特征解算平均广播周期，依据所述平均广播周期预测下一广播信标的到达时刻，在所述到达时刻前的预设时间窗口内生成预增益指令并下发至所述射频前端链路，以提前提升接收增益并锁定目标信道。

29、进一步的，所述fpga处理单元还用于：

30、根据所述信号特征的信道号构建跳频迁移矩阵，所述跳频迁移矩阵的元素表示当前信道切换至下一信道的统计概率；

31、基于当前信道在所述跳频迁移矩阵中选取转移概率最高的信道作为下一跳预测信道，并据此生成所述频段切换指令，以控制所述开关滤波单元在2.4ghz频段与5.8ghz频段之间切换接收路径。

32、进一步的，所述mcu主控单元基于opendroneid协议规范解析获得无人机的序列号、位置、高度、速度及航向信息，并与所述本机位置信息融合生成包含无人机方位角及目标轨迹的侦测识别结果。

33、进一步的，所述系统还包括gnss定位授时单元，用于输出所述本机位置信息至所述mcu主控单元。

34、第二方面、本发明提出了基于rid协议特征驱动的无人机射频前端动态控制方法，所述方法基于上述的系统实现，包括以下步骤：

35、步骤一、由射频前端链路对接收的无人机rid射频信号进行限幅保护、低噪声放大、频段滤波及调理放大处理，形成待解析信号；

36、步骤二、由射频采样与解析单元对所述待解析信号进行采样与解析，提取各广播信标中的接收信号强度、信噪比、信道号、时间戳及广播周期，作为基础特征信息；

37、步骤三、由fpga处理单元根据所述基础特征信息提取rid协议特征并进行概率判定，生成射频前端控制指令集并下发至所述射频前端链路，所述控制指令集包括增益调节指令、门限调节指令、频段切换指令及抗阻塞指令；

38、步骤四、由射频前端链路根据所述控制指令集调节放大倍数及自动增益控制门限以适配不同强度的rid射频信号接收、切换接收频段以跟踪跳频广播、以及执行抗阻塞操作以抑制同频段强干扰；

39、步骤五、由mcu主控单元解析获得无人机身份、位置及速度信息，并融合本机位置信息生成侦测识别结果；

40、步骤六、由数据通信单元将所述侦测识别结果上报至低空安全管理平台。

41、本发明的有益效果在于：

42、1.本发明通过fpga处理单元提取rid广播信标中的厂商标识匹配度、广播周期稳定度、信号强度波动度、跳频规律度及连续接收完整度五个维度的协议特征，构建五维特征向量并进行加权融合与概率映射，将广播信标归属rid的后验概率定量输出。基于该后验概率的区间判定结果，系统得以区分同频段内的rid广播信标与普通wi-fi广播信标、图传信号等非目标信号，有效解决了传统rssi阈值法无法区分信号来源的问题，在2.4ghz和5.8ghz同频干扰密集的城市场景中保持较低的虚警率。

43、2.本发明进一步将协议特征驱动的概率判定结果与射频前端链路的状态调节相结合，当后验概率达到有效阈值时通过总线调节低噪声放大器的增益和自动增益控制门限，使射频前端链路主动适配不同强度的目标信号；同时根据广播信标的时间戳预测后续广播信标到达时刻并在到达前提前提升接收增益并锁定目标信道，以及根据跳频迁移矩阵预测下一跳信道并提前切换接收频段，使系统在广播信标到达时已处于最优接收状态，解决了因广播周期抖动、跳频变化及突发强干扰导致的信标同步丢失问题，从而在复杂电磁环境下实现了对弱rid广播信标的稳定捕获与识别。