基于无人机的频谱监测及定位解决方案

背景

在传统的网络规划领域，目前存在以下问题：

• 传统的传播模型在立体复杂场景下的预测无法与实测相匹配。

• 小站部署环境复杂，依赖传统的传播模型难于准确预测。

• 传统经验传播模型预测平均标准差超过11dB，业内3D 射线追踪传模的工程实际应用预测误差大于9dB，基于现有技术进一步提升仿真精度非常困难。

立体空间缺少有效的无线信号测量技术支撑高精度传模构建。而80%的话务发生在室内，80% 的室内话务由室外站吸收，网规网优已经不满足于平面的室外覆盖预测，迫切需要高精度3D 传播建模技术。

在无线电事业领域，目前存在以下问题：

• 随着无线电事业迅速发展，需要管理和维护空中电波秩序，保障复杂电磁环境下的无线电波安全，以促进社会经济健康发展。

• 随着世界格局的变化，信息战及电磁战也已经上升到关系国家安全的层面，为了打赢未来高科技的信息化战争，满足特殊部门执行任务的需要，及时排除干扰，打击敌方目标，迫切需求能快速布署的无线电监测、测向、定位技术。

建立应急监测、定向、干扰查处机制，空中无线电监测测向系统作用将尤为重要。

本方案创新性地以无人机平台搭载高端测试设备，实现了3D 建模技术以及频谱监测、定向、干扰定位等功能，一举打破多个领域存在的技术屏障。

系统架构

基于无人机平台的频谱监测及定位系统包含以下5 个子系统：

• 机载无线信号扫描子系统

• 高精度惯性导航子系统

• 信息回传子系统

• 干扰定位子系统

• 天线测量子系统

无人机平台在借助于高精度惯性导航子系统确保自身定位可靠性的同时，通过机载无线信号扫描子系统收集三维空间的频谱信息并通过信息回传子系统将采集到的数据传输到地面控制终端，并在终端上使用干扰定位子系统和天线测量子系统对采集到的信息进行分析并得出相应的测试结果。

1)机载无线信号扫描子系统

可对2MHz-3GHz 无线信号进行高速扫描，获取经纬度及高度3 个变量组成三维信息，每个经纬度及高度信息对应一张测量频谱图，测试数据如下图所示：

测试分析：在同一经纬度下，2m 与50m 不同高度的频谱信号强度存在明显差异，在480MHz~560MHz 及700MHz~720MHz 频率处，50m 高度信号接收强度明显高于2m，同时产生了许多2m 高度未测试到的信号。

测试结果：通过机载子信号扫描，能够测量到不同高度下的无线信号分布情况，通过3D 建模的方式将测试信息展现出来并用做频谱监测或干扰定向、定位分析。

3D 传播模型建模

2)高精度惯性导航子系统

主要应用于对GPS 等传统卫星定位系统精度进行修正，在低空场景下获得精度达厘米级的定位输出，与扫描子系统进行对接。有利于建立精准的经纬度及高度三维信息，同时使无人机飞行更为稳定及安全。未修正前无GPS 高度信息，且可能由于GPS 信号受到屏蔽或者阻挡，使飞行控制出现大幅度抖动，极易出现安全问题，GPS 信息不够精确。通过在地面搭建GPS 基准平台，利用基准平台为无人机内部惯性导航子系统提供精度修正。形成以经度、纬度及高度信息组成的三维信息，建立三维模型。同时，在一些GPS信号较弱位置，无人机飞行更加稳定，抖动范围小于10 厘米。

3)信息回传子系统

对测试数据和周围场景信息在无人机平台上进行本地存储，在无线通信链路符合要求的情况下实时回传供数据后续处理之用。通过预内置的USIM 卡，连接到3/4G 网络进行信息回传，回传信息内容包括：经纬度信息、高度信息、测量接收信号强度、图片等内容。

测试分析：数据以2M 为单位回传至指定服务器，未完成上传的数据存储在无人机平台内部存储。

测试结果：信息回传子系统极大便利了数据采集，使数据完整性及实时性得到了保障。

4)干扰定位子系统

基于测向天线，对扫描无线信号赋予角度信息，通过AOA/TDOA/POA 等算法技术对信号信息进行处理，筛选符合条件的干扰信号进行大致定位，后续进一步测试和识别。

测试分析：测试中发现1000MHz 附近存在一个大约10K 带宽的信号，信号强度为-61.3dB，通过在信号周边进行长时间测试，并展现其时域信号及三维频谱图，发现此信号恒定。通过角度信息，可以进行信号定位。

测试结果：如下图所示，通过周边测试，再利用AOA/TDOA/POA 等算法计算可以初步定位该信号源处于白圈中心位置处。

5)天线测量子系统

可对现有天线垂直赋形、水平赋形、波瓣下倾、零值补偿等参数进行校准。

测试分析：测试中发现1000MHz 附近存在一个大约10K 带宽的信号，信号强度为-61.3dB，通过在信号周边进行长时间测试，并展现其时域信号及三维频谱图，发现此信号恒定。通过角度信息，可以进行信号定位。

天线发射参数校对

测试分析：利用无人机测试平台针对某小区围绕天线360 度方向进行测试，可以获取该天线实际天线赋形图如上图红线所示，上图绿线代表出厂时天线赋形原始图。通过对比可以发现，此小区天线300~180度天线赋形基本与出厂一致，180~300 度方向赋形稍有变形。

测试结果：需要对该天线180~300 度方向天线阵列进行校准。

系统功能

• 满足无人机低空飞行复杂测量环境的温度、湿度、颠簸、防尘、防雨等各种苛刻要求

• 与无人机、机载惯导系统深度集成，由无人机对扫频模块进行供电，由惯导系统对其提供厘米级高精度定位信息，满足特殊场景需求

• 支持2MHz-3000MHz 全频段监测

• 支持全频段频谱监测，检测网络信号峰值，辅助分析调制信号中的干扰状况，展现三维频谱

• 支持多制式多频段同时监测(制式和频段可定制组合)

• 支持高速连续波测量(非解调)和宽带信号扫频测量(解调)

• 扫频速度用户可调，适用于不同的应用场景

• 支持高速层三解码，提高信号归属判断准确率，并基于路测数据对基站数据库进行反向校对