无人机集群单机定位技术研究

　　摘要：在复杂作战场景下，集群化和编队化的无人机群，如何精准确定执行特定任务的单机位置，是高效作战的重要指标。文章在分析了现有定位技术基础上，综合考虑信号多径效应、集群数量等因素，提出了基于TOA的指纹库定位方案，并对无人机集群单机定位的发展趋势进行了展望。

　　关键词：无人机;定位;指纹库

　　Abstract: In complex combat scenarios, how to accurately locate a single aircraft, which is performing a specific taskis an important indicator of effective combat for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) cluster. In this paper weanalyzed the existing positioning technology, put forward positioning scheme of fingerprint database based on TOA, integrally considering signal multipath effect and aircraft number. and lastly forecast the development prospect of single aircraft positioning in UAV cluster

　　Key words: Unmanned Aerial Vehicle: Positioning: Fingerprint database

　　0引言

　　随着世界工业体系标准化、智能化发展，无人机的使用也越来越普及。无人机系统一般包括飞行平台、数据链测控系统和飞行控制系统三部分组成"。在现代军事领域，无人机的使用呈现小型化、集群化、使用场景呈现复杂化。而面对日益复杂的使用场景，如何精准确定无人机集群中特定单机的位置信息，协同飞控系统高效完成作战任务也愈发重要。在室外空旷环境下，GPS

　　(Global Positioning System，全球定位系统)、北斗卫星导航系统等导航手段已经可以为无人机提供精确的位置信息。而传统的卫星定位技术由于信号遮挡、衰减严重等各种原因，并不能满足全场景、高复杂度环境下，小型无人机集群精确定位的需求。尤其在恶劣的战场环境中，集群作战的无人机面临更为复杂的电磁环境2，在卫星导航无法提供精准位置信息条件下，如何实时高效确定编队中执行特殊任务的单机位置尤为重要。

　　在集群作战特定条件下，利用无线信道特征结合特定算法，实现无人机间协同定位。精准确定集群中特定无人机位置，关键在于定位算法与模型的建立。

　　1定位技术分析

　　目前，常用定位技术主要有TOA(Time of Arival)利用信号的到达时间定位、AOA(Angle of Arival)利用信号到达角度定位、利用信号强度衰减定位和指纹库定位等。(1)利用信号到达时间(TOA)定位，基本原理为使用三个及以上信号基站，利用目标到信号基站的距离为半径，信号基站位置处为圆心，多个圆交界处即为目标位置。TOA定位原理示意图如图1所示。

　　在图1中，A B.C三个信号基站的位置都是已知的，假设A、B、C三个信号基站的坐标位置分别为A(xay)Bl(x，y)、(tr，y)，我们所求的目标D坐标为(w，y)，根据几何知识，不难得出方程组：

　　因此，如果能够精确的得出AD、BD和CD三段距离，便能唯一计算出目标点D的位置。而AD.BD、CD距离的计算可以根据信号传播时间来确定。而复杂环境下，如何能够在被多径干扰的信号中准确检测出视线距离的信号，也成为确定信号传播时间的难点。

　　(2)利用信号到达角度(A0A定位，基本原理为利用信号基站对目标点信号到达角度进行测量，并根据多个基站的测量结果，建立方程组来确定目标点坐标。利用信号到达角度定位原理示意图如图2所示。

　　在图2中，4，B两个信号基站位置是已知的，假设A点坐标为(x.y)，B点坐标为(zxy)，我们所求的目标点坐标为(aya。o利用信号基站测得的目标点到达基站A的角度为a1，目标点到基站B的角度为ato根据几何知识，可得方程组：

　　从上述方程式可以得出目标点的坐标，但是，基于信号到达角度的定位算法中，对基站信号到达角的测量精度要求较高，一般需要特定的测角设备，而且极小的角度偏差便会引起目标点坐标计算的极大误差。

　　(3)利用信号强度定位，我们知道信号在传播过程中是有损耗的"，目的端接收到信号的强度与信号发射端能量和信号路径损耗相关。在理想环境下，信号强度与传播距离间关系可以用经验公式(4)表示。

　　PL(d=PLd)+10nlg(d/db)+X PL(dj--信号传播距离d后的路径损耗;PL(d--信号传播单位距离的路径损耗;d--单位距离(1m);x-均值为0的高斯分布随机数，其标准范围为4-10;n--信号传播衰减因子，范围一般是2-4.

　　理论情况下，相比于TOA利用信号到达时间定位、AOA利用信号到达角度定位，利用信号强度进行定位方案不会因为测量上极小误差引起定位结果的极大误差，也无需专用的设备进行辅助定位。但是，在实际环境中进行传播的无线信号，还会受到多径效应、快衰落等诸多其他因素的影响。

　　(4)利用指纹库进行定位，根据无线信号传播理论，无线信号在不同的传播位置所表现的信号特性是不同的，反过来，也可以根据无线信号的不同特性来判断目标的位置。指纹库定位的基本原理就是利用前期训练得到的特征信息，实时定位阶段将信号特征与指纹库中的信息进行匹配计算，从而得到待定位目标的位置。但是，指纹库定位的前提是在前期训练过程中，需要获取目标的真实位置，也就是说指纹库定位方案需要以其他定位方案作为辅助，才可真正运用于实际战场环境中。此外结合实际作战需求，要真正实现无人机集群特定单机精准定位，必须要解决以下问题：a)减少复杂环境下，信号多径效应对视距信号传播影响。b)在不增加特定设备前提下，获取精准的测量值。c)在无人机集群数量急剧减少的战场环境下，确保定位误差达到作战需求。

　　然而，上述讨论的TOA利用信号到达时间定位，除了待定位目标无人机外，无人机集群中至少还需要额外有三个无人机对其进行辅助定位，不能满足战场无人机数量骤减条件下的定位需求。AOA利用信号到达角度定位，需要增加特定的定位设备，对信号到达角度进行精准测量，方案实施代价较高。利用信号强度定位算法中，没有考虑信号快衰落以及多径效应对信号传播的影响。指纹库定位需要其他定位方案作为辅助手段。任何现有的单一定位算法都不能满足复杂战场环境下，无人机集群中特定单机精准定位的需求。因此，进行系统性设计将上述算法进行融合，利用无人机间协同，提供特定位置信息是当前条件下，无人机集群特定单机定位的最佳方案。基于上述认识，本文提出利用基于信号传播距离的指纹库定位方案。

　　2定位系统设计

　　复杂电磁环境下，无线电信号的衰落以及多径效应更为严重。无线信道的多径效应一般使用信道冲击响应来进行描述。在线性时不变条件下，信号冲击响应可表示为式(5)。

　　利用上述公式模型，可以得出无线信号传输过程中，各个路径在时域上的变化，按照信号传播理论，最先到达的信号能量最强，因此只需要截取最先到达的信号路径，作为信号视距路径来计算信号传输距离便能得到待定位无人机的距离信息，在过程中还是需要对由于相位漂移等因素先于视距路径到达的干扰信号进行过滤。但在时域条件下，信号是比较难区分出多条路径的，利用傅里叶变换，在带宽无限条件下，将信号从时域转换到频域，可以得到信号的频率响应为式(6)。

　　从信号频率响应公式中不仅可以得到信号的幅度还可以号，些息利用TOA基于信号到达时间定位方法，可以实时定位出特定无人机的位置信息，完成特殊环境下的作战任务，如图3所示。

　　以上方案解决了无人机定位的多径干扰问题，但是还需要解决集群数量较少条件下特定单机的定位问题。在此基础上，我们提出基于TOA指纹库定位方案。

　　定位原理为，在无人机集群正常作战条件下收集特定单机D在距离A，B、C无人机不同位置处所表现出的不同特征(包括幅度以及相位特性)，对这些特征进行提取并加以训练构成无人机集群定位指纹库。当A机与C机脱离无人机集群时，仅利用单机D与B机间的信号特征信息，根据指纹库匹配结果来对无人机D进行定位。无人机集群单机定位示意图如图4所示。

　　系统处理流程图如图5所示。

　　系统处理流程主要分为两个阶段，在第一个阶段为数据采集训练阶段，当无人机集群正常执行任务过程中，不断实时采集特定单机与集群中其他无人机间的信号特征，提取其中的幅度、相位等信息，经过滤波处理利用TOA定位方案计算单机位置坐标，并不断迭代训练，将训练结果与训练权值存储进指纹库。

　　在第二个阶段为实时定位阶段，当无人机集群中飞机数量骤减，无法满足TOA定位的要求时，采集特定无人机D与无人机B间的信号特征，并与训练阶段指纹库中的结果参数进行匹配，计算得到特定无人机D的位置信息。

　　采用上述无人机集群单机定位方案，不仅可以避免复杂环境下信号干扰，还可以解决在集群数量骤降条件下，无人机集群特定单机的定位问题。

　　3结论与展望

　　本文提出了一种基于TOA(利用信号到达时间定位)的指纹库定位方案，综合考虑了复杂战场环境下信号多径效应的影响"，无人机集群数量变化的影响，为无人机集群中特定单机定位提供了准确高效的定位模型。面向未来更为复杂、更加智能的战场环境，无人机编队作战、集群作战的需求将会越来越迫切，这也对无人机集群中单机定位技术提出了更高的要求，如何快速、高效、抗干

　　扰地为无人机集群中特定单机提供准确位置信息，必将成为定位技术的一个重要研究方向。

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文章名称： 无人机集群单机定位技术研究

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