一种伪卫星信号的无人机禁飞区驱离方法及系统与流程

本发明公开一种伪卫星信号的无人机禁飞区驱离方法及系统，属于导航定位领域。

背景技术：

1、本发明公开一种伪卫星信号的无人机禁飞区驱离方法，属于导航定位领域。针对无人机因误判进入禁飞区的场景，传统处置手段多依赖通信协议破解或主动干扰，存在协议适配困难、航迹不可控、易造成无人机失控坠落等局限性。为此，提出一种基于伪卫星信号生成与播发的精细驱离方法，由地面雷达系统对目标无人机进行连续跟踪，实时规划一条满足无人机动力学约束的平滑驱离路径。地面监控系统通过全系统、全频段gnss信号监测接收机，实时监测目标空域内星历、电离层延迟、可视卫星数量等参数，生成与真实卫星码相位、载波频率高度一致的伪卫星信号，由伪卫星播发系统向每颗伪卫星独立对应的伪距和载波相位，重复状态监测、伪卫星信号生成与播发的过程，直至无人机位置处于禁飞区边界之外且其速度方向远离禁飞区。本发明无需破解无人机通信协议，不依赖无人机自身配合，具有隐蔽性强、航迹可控、驱离成功率高以及附带影响低等优点，为反无人机领域提供一种精细化解算手段。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种伪卫星信号的无人机禁飞区驱离方法及系统，以解决传统处置手段多依赖通信协议破解或主动干扰，存在协议适配困难、航迹不可控、易造成无人机失控坠落等问题。

2、本技术第一方面提供一种伪卫星信号的无人机禁飞区驱离方法，所述方法包括：

3、步骤1：依托地面雷达对无人机进行持续探测与定位，在实时解算出目标的空间位置、速度及加速度后，生成一条遵循无人机的机动性能与动力学限制的驱离路径；

4、步骤2：地面监控系统利用全系统、全频段接收机持续监测空域内的星历、电离层延迟及卫星可见性，并据此自动决策伪卫星数量，同时实时调控保持伪卫星信号强度与真实卫星信号强度的一致性。

5、步骤3：地面监控系统生成与真实卫星高度仿真的伪卫星信号，并为各伪卫星分别提供独立的伪距和载波相位，播发所述伪卫星信号，以使无人机接收机解算的定位结果沿驱离路径实现平滑过渡；

6、步骤4：循环执行对无人机的状态探测与定位、伪卫星信号生成与播发的控制闭环，直至无人机当前位置已超出禁飞区边界，且其速度矢量方向背离禁飞区为止。

7、步骤1包括：

8、步骤1.1：地面雷达发射电磁波并接收目标回波，解算出无人机在雷达坐标系下第历元的三维空间位置为：

9、

10、式中，为目标斜距，方位角为目标在水平面内相对于雷达正北方向的夹角，俯仰角为目标与雷达连线相对于水平面的夹角；

11、步骤1.2：构建包含三维位置、速度和加速度的无人机运动状态向量，基于连续的雷达观测数据，利用滤波估计算法执行状态预测与测量更新，实时估计出无人机的三维空间速度与加速度；

12、将无人机在三维空间中的运动状态定义为9维向量：

13、

14、式中，为三维空间速度，为三维空间加速度；

15、基于当前状态进行时间预测运动状态得到：

16、式中，为状态转移矩阵；

17、利用当前观测进行测量更新得到：

18、

19、式中，卡尔曼增益为预测与实测的融合权重矩阵，为雷达观测向量，观测函数为投影变换函数。对连续观测数据进行滤波与预测，实时估计目标的速度与加速度；

20、步骤1.3：设定路径规划的起始状态与期望的终止状态，构建以运动平滑度及终端状态偏差最小化为原则的路径规划目标函数，并将无人机的最大速度与最大加速度作为动力学限制条件引入规划约束中，以建立用于生成满足动力学约束的驱离路径的目标优化模型；

21、假设规划路径的起始状态和终止状态为：

22、

23、式中，起始位置为，起始速度为，起始加速度为，终止位置为，终止速度为，终止加速度为，n为终止时的观测历元；

24、构建规划路径目标函数可表示为

25、

26、式中，为终端速度系数，为终端加速度系数，为驶离期望方向速度，δt为相邻观历元的时间间隔；

27、增加无人机机动性能与动力学限制条件如下：

28、

29、式中，为无人机最大速度，为无人机最大加速度；

30、步骤1.4：将驶离轨迹及其对应的速度与加速度表征为高次多项式函数，结合所述起止状态及约束条件对所述目标优化模型进行参数化处理与矩阵求解，以获得多项式系数估值，并将所述多项式系数估值回代至所述高次多项式函数中，得到遵循无人机机动性能与动力学限制的平滑驱离路径；

31、将平滑驶离轨迹定义为5次多项式为：

32、

33、对应的速度和加速度多项式为：

34、

35、

36、式中，起始系数由初始状态确定，分别为，，，t为时间。起始系数则可表示为：

37、

38、定义待估参数向量，将目标函数展开为：

39、

40、式中，、、分别表示为：

41、

42、

43、

44、进一步得到线性方程组：

45、

46、则可得待估参数向量估值为：

47、

48、将多项式系数回代即可得到平滑驶离轨迹。

49、步骤2包括：

50、步骤2.1：地面监控系统利用地面监测接收机持续监测目标空域内真实卫星的运行状态参数、空间环境延迟参数及位置精度因子，以获取用于评估目标空域定位几何构型与信号环境的基础导航数据；

51、地面监控系统利用全系统、全频段接收机持续监测空域内的真实卫星数、实时轨道位置、卫星钟差、电离层延迟、位置精度因子；

52、步骤2.2：基于所述基础导航数据，以目标区域内包含伪卫星在内的组合定位精度因子满足预设阈值为约束条件，解算出所需伪卫星的最小数量，并结合真实卫星的运行状态参数通过空间内插算法，决策出对应于各伪卫星的虚拟轨道位置与虚拟星历参数；

53、基于真实卫星数与伪卫星数满足区域最优定位精度的要求，设定目标函数为目标区域内的最大值低于阈值，则的最小值可表示为：

54、

55、利用真实卫星的实时轨道位置、卫星钟差、电离层延迟，空间内插得到颗伪卫星的实时轨道位置、卫星钟差、电离层延迟，其中，n为伪卫星计数，nj为满足pdop条件的最小n值；

56、步骤2.3：根据各伪卫星的虚拟轨道位置，结合无线电链路传输损耗模型计算出伪卫星的目标发射功率，并通过地面监测接收机实时反馈的伪卫星信号接收功率构建动态误差归零的闭环调控机制，动态调整伪卫星的发射能量，以实现自动决策伪卫星数量、并实时调控保持伪卫星信号强度与真实卫星信号强度一致性的功率平衡状态；

57、地面监控系统计算当前真实卫星信号参考功率，伪卫星发射功率需满足：

58、

59、式中，为传播距离，为频率，为收发天线增益，为接收功率，为大气衰减；

60、利用地面监测接收机实时回传伪卫星信号的接收功率，采用比例积分动态调整数控衰减使误差归零：

61、

62、式中，为比例增益系数，为积分增益系数，k为观测历元；

63、步骤3包括：

64、步骤3.1：基于基带信号调制原理，构建包含测距码、导航电文、码相位延迟、载波频率及载波初始相位的伪卫星射频发射信号数学模型，以建立用于生成高仿真伪卫星基础信号的控制参量框架；

65、伪卫星发射的信号表示为：

66、

67、式中，为第颗伪卫星信号幅度，为伪随机测距码，为导航电文数据码，为码相位延迟，为载波频率，为载波初始相位，s(i)为伪卫星信号函数，t为时间；

68、步骤3.2：确定码相位延迟与诱导伪距之间的映射关系，并根据规划的驱离路径计算目标无人机与各伪卫星之间的相对几何距离，进而对各伪卫星的发射时延实施解耦控制，以面向目标无人机分别提供独立且匹配所述驱离路径的目标伪距观测值；

69、码相位延迟与伪卫星至无人机之间的估算距之间的关系为：

70、

71、对于第颗伪卫星，要使无人机接收机测量的伪距为：

72、

73、式中，为无人机接收机位置，为第颗伪卫星的位置，为光速，为无人机接收机钟差，为伪卫星钟差，为伪距测量噪声；

74、步骤3.3：设定每颗伪卫星发射信号的载波初始相位，并将预期的载波相位观测值分解为整周模糊度与小数相位的组合表征形式进行精确量化，以构建具备空域位置敏感特性的独立载波相位精细调控参量；

75、地面监控系统设定每颗伪卫星发射信号的载波初始相位，接收得到的载波相位为，载波相位观测值可表示为：

76、

77、式中，为整周模糊度，小数相位；

78、步骤3.4：基于波长关系与常数偏移量补偿，建立并维持所述目标伪距观测值与所述载波相位精细调控参量之间的物理一致性约束，并控制伪卫星播发系统对外播发所述伪卫星信号，以生成与真实卫星高度仿真的伪卫星信号，并为各伪卫星分别提供独立的伪距和载波相位，从而使无人机接收机解算的定位结果沿所述驱离路径实现平滑过渡；

79、地面监控系统要保证伪距和载波相位的物理一致性，即

80、

81、式中，为载波波长，为常数偏移量；

82、播发伪卫星信号，以使无人机接收机接收真实卫星信号和伪卫星信号，解算得到定位结果沿驱离路径实现平滑过渡驶离。

83、步骤4包括：

84、步骤4.1：循环执行状态探测与定位、伪卫星信号生成与播发的控制闭环，判断经平滑滤波处理后的无人机定位轨迹已完全脱离禁飞区的几何边界，判断无人机速度矢量在禁飞区边界法线上的投影分量为负值，且该背离角在连续多个历元内保持稳定；

85、步骤4.2：当判断无人机完全脱离禁飞区的几何边界后，将伪卫星的播发数量逐步缩减至最低导航需求，同步调整剩余伪卫星播发的导航星历参数，避免无人机接收机因观测方程秩亏或几何构型剧变而产生定位跳变，直至播发的伪卫星信号数量归零。

86、本技术第二方面提供一种伪卫星信号的无人机禁飞区驱离系统，所述系统包括：

87、驱离路径生成模块，用于依托地面雷达对无人机进行持续探测与定位，在实时解算出目标的空间位置、速度及加速度后，生成一条遵循无人机的机动性能与动力学限制的驱离路径；

88、调控模块，用于地面监控系统利用全系统、全频段接收机持续监测空域内的星历、电离层延迟及卫星可见性，并据此自动决策伪卫星数量，同时实时调控保持伪卫星信号强度与真实卫星信号强度的一致性；

89、伪卫星信号播发模块，用于地面监控系统生成与真实卫星高度仿真的伪卫星信号，并为各伪卫星分别提供独立的伪距和载波相位，播发所述伪卫星信号，以使无人机接收机解算的定位结果沿驱离路径实现平滑过渡；

90、循环执行模块，用于循环执行对无人机的状态探测与定位、伪卫星信号生成与播发的控制闭环，直至无人机当前位置已超出禁飞区边界，且其速度矢量方向背离禁飞区为止。

91、本发明具有以下有益效果：

92、针对无人机因导航偏差或误判进入禁飞区的场景，传统处置手段多依赖通信协议破解或电磁干扰，存在协议不兼容、航迹不可控、易引发坠毁等固有缺陷。本发明提出一种精细化的主动驱离方案，通过地面雷达系统对目标无人机进行连续跟踪并规划驱离路径，生成并播发伪卫星信号，直至无人机实际位置超出禁飞区边界且其速度矢量方向背离禁飞区。本发明无需破解无人机通信协议，亦无需无人机自身配合，兼具隐蔽性强、航迹可控、驱离成功率高、附带影响低等显著优势，为反无人机领域提供了一种高可靠性的精细化解算手段。