摘要：在復雜作戰場景下，集群化和編隊化的無人機群，如何精準確定執行特定任務的單機位置，是高效作戰的重要指標。文章在分析了現有定位技術基礎上，綜合考慮信號多徑效應、集群數量等因素，提出了基于TOA的指紋庫定位方案，并對無人機集群單機定位的發展趨勢進行了展望。

　　關鍵詞：無人機;定位;指紋庫

　　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

　　隨著世界工業體系標準化、智能化發展，無人機的使用也越來越普及。無人機系統一般包括飛行平臺、數據鏈測控系統和飛行控制系統三部分組成"。在現代軍事領域，無人機的使用呈現小型化、集群化、使用場景呈現復雜化。而面對日益復雜的使用場景，如何精準確定無人機集群中特定單機的位置信息，協同飛控系統高效完成作戰任務也愈發重要。在室外空曠環境下，GPS

　　(Global Positioning System，全球定位系統)、北斗衛星導航系統等導航手段已經可以為無人機提供精確的位置信息。而傳統的衛星定位技術由于信號遮擋、衰減嚴重等各種原因，并不能滿足全場景、高復雜度環境下，小型無人機集群精確定位的需求。尤其在惡劣的戰場環境中，集群作戰的無人機面臨更為復雜的電磁環境2，在衛星導航無法提供精準位置信息條件下，如何實時高效確定編隊中執行特殊任務的單機位置尤為重要。

　　在集群作戰特定條件下，利用無線信道特征結合特定算法，實現無人機間協同定位。精準確定集群中特定無人機位置，關鍵在于定位算法與模型的建立。

　　1定位技術分析

　　目前，常用定位技術主要有TOA(Time of Arival)利用信號的到達時間定位、AOA(Angle of Arival)利用信號到達角度定位、利用信號強度衰減定位和指紋庫定位等。(1)利用信號到達時間(TOA)定位，基本原理為使用三個及以上信號基站，利用目標到信號基站的距離為半徑，信號基站位置處為圓心，多個圓交界處即為目標位置。TOA定位原理示意圖如圖1所示。

　　在圖1中，A B.C三個信號基站的位置都是已知的，假設A、B、C三個信號基站的坐標位置分別為A(xay)Bl(x，y)、(tr，y)，我們所求的目標D坐標為(w，y)，根據幾何知識，不難得出方程組：

　　因此，如果能夠精確的得出AD、BD和CD三段距離，便能唯一計算出目標點D的位置。而AD.BD、CD距離的計算可以根據信號傳播時間來確定。而復雜環境下，如何能夠在被多徑干擾的信號中準確檢測出視線距離的信號，也成為確定信號傳播時間的難點。

　　(2)利用信號到達角度(A0A定位，基本原理為利用信號基站對目標點信號到達角度進行測量，并根據多個基站的測量結果，建立方程組來確定目標點坐標。利用信號到達角度定位原理示意圖如圖2所示。

　　在圖2中，4，B兩個信號基站位置是已知的，假設A點坐標為(x.y)，B點坐標為(zxy)，我們所求的目標點坐標為(aya。o利用信號基站測得的目標點到達基站A的角度為a1，目標點到基站B的角度為ato根據幾何知識，可得方程組：

　　從上述方程式可以得出目標點的坐標，但是，基于信號到達角度的定位算法中，對基站信號到達角的測量精度要求較高，一般需要特定的測角設備，而且極小的角度偏差便會引起目標點坐標計算的極大誤差。

　　(3)利用信號強度定位，我們知道信號在傳播過程中是有損耗的"，目的端接收到信號的強度與信號發射端能量和信號路徑損耗相關。在理想環境下，信號強度與傳播距離間關系可以用經驗公式(4)表示。

　　PL(d=PLd)+10nlg(d/db)+X PL(dj--信號傳播距離d后的路徑損耗;PL(d--信號傳播單位距離的路徑損耗;d--單位距離(1m);x-均值為0的高斯分布隨機數，其標準范圍為4-10;n--信號傳播衰減因子，范圍一般是2-4.

　　理論情況下，相比于TOA利用信號到達時間定位、AOA利用信號到達角度定位，利用信號強度進行定位方案不會因為測量上極小誤差引起定位結果的極大誤差，也無需專用的設備進行輔助定位。但是，在實際環境中進行傳播的無線信號，還會受到多徑效應、快衰落等諸多其他因素的影響。

　　(4)利用指紋庫進行定位，根據無線信號傳播理論，無線信號在不同的傳播位置所表現的信號特性是不同的，反過來，也可以根據無線信號的不同特性來判斷目標的位置。指紋庫定位的基本原理就是利用前期訓練得到的特征信息，實時定位階段將信號特征與指紋庫中的信息進行匹配計算，從而得到待定位目標的位置。但是，指紋庫定位的前提是在前期訓練過程中，需要獲取目標的真實位置，也就是說指紋庫定位方案需要以其他定位方案作為輔助，才可真正運用于實際戰場環境中。此外結合實際作戰需求，要真正實現無人機集群特定單機精準定位，必須要解決以下問題：a)減少復雜環境下，信號多徑效應對視距信號傳播影響。b)在不增加特定設備前提下，獲取精準的測量值。c)在無人機集群數量急劇減少的戰場環境下，確保定位誤差達到作戰需求。

　　然而，上述討論的TOA利用信號到達時間定位，除了待定位目標無人機外，無人機集群中至少還需要額外有三個無人機對其進行輔助定位，不能滿足戰場無人機數量驟減條件下的定位需求。AOA利用信號到達角度定位，需要增加特定的定位設備，對信號到達角度進行精準測量，方案實施代價較高。利用信號強度定位算法中，沒有考慮信號快衰落以及多徑效應對信號傳播的影響。指紋庫定位需要其他定位方案作為輔助手段。任何現有的單一定位算法都不能滿足復雜戰場環境下，無人機集群中特定單機精準定位的需求。因此，進行系統性設計將上述算法進行融合，利用無人機間協同，提供特定位置信息是當前條件下，無人機集群特定單機定位的最佳方案。基于上述認識，本文提出利用基于信號傳播距離的指紋庫定位方案。

　　2定位系統設計

　　復雜電磁環境下，無線電信號的衰落以及多徑效應更為嚴重。無線信道的多徑效應一般使用信道沖擊響應來進行描述。在線性時不變條件下，信號沖擊響應可表示為式(5)。

　　利用上述公式模型，可以得出無線信號傳輸過程中，各個路徑在時域上的變化，按照信號傳播理論，最先到達的信號能量最強，因此只需要截取最先到達的信號路徑，作為信號視距路徑來計算信號傳輸距離便能得到待定位無人機的距離信息，在過程中還是需要對由于相位漂移等因素先于視距路徑到達的干擾信號進行過濾。但在時域條件下，信號是比較難區分出多條路徑的，利用傅里葉變換，在帶寬無限條件下，將信號從時域轉換到頻域，可以得到信號的頻率響應為式(6)。

　　從信號頻率響應公式中不僅可以得到信號的幅度還可以號，些息利用TOA基于信號到達時間定位方法，可以實時定位出特定無人機的位置信息，完成特殊環境下的作戰任務，如圖3所示。

　　以上方案解決了無人機定位的多徑干擾問題，但是還需要解決集群數量較少條件下特定單機的定位問題。在此基礎上，我們提出基于TOA指紋庫定位方案。

　　定位原理為，在無人機集群正常作戰條件下收集特定單機D在距離A，B、C無人機不同位置處所表現出的不同特征(包括幅度以及相位特性)，對這些特征進行提取并加以訓練構成無人機集群定位指紋庫。當A機與C機脫離無人機集群時，僅利用單機D與B機間的信號特征信息，根據指紋庫匹配結果來對無人機D進行定位。無人機集群單機定位示意圖如圖4所示。

　　系統處理流程圖如圖5所示。

　　系統處理流程主要分為兩個階段，在第一個階段為數據采集訓練階段，當無人機集群正常執行任務過程中，不斷實時采集特定單機與集群中其他無人機間的信號特征，提取其中的幅度、相位等信息，經過濾波處理利用TOA定位方案計算單機位置坐標，并不斷迭代訓練，將訓練結果與訓練權值存儲進指紋庫。

　　在第二個階段為實時定位階段，當無人機集群中飛機數量驟減，無法滿足TOA定位的要求時，采集特定無人機D與無人機B間的信號特征，并與訓練階段指紋庫中的結果參數進行匹配，計算得到特定無人機D的位置信息。

　　采用上述無人機集群單機定位方案，不僅可以避免復雜環境下信號干擾，還可以解決在集群數量驟降條件下，無人機集群特定單機的定位問題。

　　3結論與展望

　　本文提出了一種基于TOA(利用信號到達時間定位)的指紋庫定位方案，綜合考慮了復雜戰場環境下信號多徑效應的影響"，無人機集群數量變化的影響，為無人機集群中特定單機定位提供了準確高效的定位模型。面向未來更為復雜、更加智能的戰場環境，無人機編隊作戰、集群作戰的需求將會越來越迫切，這也對無人機集群中單機定位技術提出了更高的要求，如何快速、高效、抗干

　　擾地為無人機集群中特定單機提供準確位置信息，必將成為定位技術的一個重要研究方向。

　　參考文獻：

　　[1]王毓龍，周陽升，李從云美軍無人機數據鏈發展研究UJ飛航導彈，2013.(4)：73-76.

　　[2]夏永平，陳自力，林旭斌無人機數據鏈發展現狀及關鍵技術研究J飛航導彈，2016.(11)：50-53.

　　[3]Caffery J J.A new approach to the geometry of TOA location[C].Proceedings of IEEE 52nd Vehicular Techndogy Conference.2000：1943-1949.

　　[4]Wu K.Xiao J.Yi Y.et al.CSI-Based Indoor LocalizationjJ IEEE Transactions on Parallel&Distributed Systems，2013.24(7)：1300-1309

　　[5]畢京學，甄杰，郭英室內定位無線接收信號強度測距模型的研究J導航定位學報，2014.(4)：8-10.

　　[6]劉冠邦張昕，秦望龍，等民用無人機空中飛行監管系統建設構想J]指揮信息系統與技術，2018.9(3)：23-27.

　　[7]張子龍，王興，許道峰，等5G通信技術戰術應用[]指揮信息系統與技術.2018，9(6)：85-90.

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文章名稱： 無人機集群單機定位技術研究

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