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基于四旋翼无人机的电磁环境监测分析系统

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第37卷第5期 2016年9月 遥测 遥控 Vo1.37,No.5 September 2016 Journal of Telemetry,Tracking and Command 基于四旋翼无人机的电磁环境监测分析系统木 贾语扬,张 凯,卢小祝,尚晓凡,苏东林 (北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191) 摘要:提出一套基于四旋翼无人机平台的电磁环境监测分析系统,通过将电磁环境监测硬件集成到四旋翼无人 机平台上,使用自行开发的测量管理软件和电磁干扰源定位算法,可以实现对空间电磁环境的自动测量及测量数据实 时分析处理。详细介绍测量管理软件的组成和基于电磁干扰源定位算法开发的电磁环境可视化软件。实验结果表明, 基于四旋翼无人机平台的电磁环境监测分析系统自动化程度高,测量精度高,且显示直观。 关键词:电磁环境监测分析;四旋翼无人机;自动测量;电磁环境可视化 中图分类号:TM15;TM937 文献标志码:A 文章编号:CN11-1780(2016)05.0006.06 Electromagnetic Environment Monitor and Analysis System Based on uad.rotor U Platform Jia Yuyang,Zhang Kai,Lu Xiaozhu,Shang Xiaofan,Su Donglin (School of Electronic and Information Engineering,Beihang University,Beijing 1 00 1 9 1,China) Abstract:An electromagnetic environment(EME)monitor and analysis system based on quad—rotor UAV platform is proposed.By integrating the EME monitoring hardware into quad—rotor UAV platform and utilizing self-developed measurement management software and electromagnetic interference source localization algorithm,the automatic meas ̄ement of space electromagnetic environment and real—time analysis of measurement data can be realized.The composition of measurement management software and the EME visualization software developed on the basis of electromagnetic interference source localization algorithm are introduced in detail.The experiment results show that this electromagnetic environment monitor and analysis system based on quad—rotor UAV platform has high degree of automation, high accuracy of measurement and visual display. Key words:Electromagnetic environment monitor and analysis;Quad—rotor UAV;Automatic measurement;EME visualization 引 言 在现代电磁环境监测中,主要使用场强仪、频谱仪以及其他电磁环境测量仪器搭配计算机进行数 据分析。随着测量设备的小型化和计算设备的便携化,室外、野外测量点的选择变得更加多样,但是 对于信号塔、山区、楼群等电磁环境复杂或者地理环境复杂的地点,测量点的散布并不容易,测量数 据也会不完整,给分析带来很大难度。而且传统方式的电磁环境监测多为固定式或车载式【l,2],这两种 传统方法实现较为简单,但是适用范围受限。固定式的电磁环境监测难以应对突发情况,车载式的电 磁环境监测在城市环境及山地中易受到高楼、山地遮挡,效果较差。除此之外,两种监测方法对特殊 区域的到达性较差。 近年来,无人机技术不断发展,通过搭载传感器,无人机可应用于多种领域的测量任务中[3 】,具 有快速、高效、直观、全面等优势。例如,以无人机为载体,可以对空气质量、水质量、农田作物质 量等进行监测。为了解决电磁环境监测中的现存问题,可以考虑将测量系统搭载至无人机平台,这样 测量点的选择就不必拘泥于地表,从而解决了测量点到达性差的问题。目前,已有文献对基于无人机 +基金项目:自然科学基金;国家重大科研仪器研制项目,电磁兼容传导敏感性时域测试系统(61427803) 收稿日期:2016—08—19收修改稿日期:2016.09—01 遥测 遥控 ・一7・ 、 的几线l 蝴i洲 洲逃 了探索【(11.ft 探索还停 始阶段,尚仃很多M题 -厦待解决 rt r突}}j f191;-J题仃测 控制的力‘法、电磁环境快速实时rIr 化等 为此,小义丹发r 于四旋翼尤人机半台的电 徽环境躲测分析系统,分驯从测城控制和电磁环境快速可视化力‘irf符r,实 聪的}tz磁环境临测功能 1 测量控制软件 rlJu施 九人机的lU磁环境 测分析系统IIJ,洲 系统l'lgJ力能足门动测 磁环境并 求测量 数 .…也磁环境测tII ̄t I 』 贸现然rffi,rfi于测 硬件邯在 中, 始测 便难以埘其进f 控制 采取。: 地 时传输命令的控制 ‘式,DJitl于洲 ・f, ,使尤人饥 的信 延迟,地 Abl发m控制指令lJ1J 问卜j实 际洲u{t『1ff lJ r・定 隔, 敛测 化 偏移,从 产 Ii 测 l 后小文越i过颅 1U磁环境测 {J:ff、¨f助执f J:测 f 务, 通过数 _}=f 输模块将测 数 f 送争J-EI( ̄ffi9数据处 系统 …r测 数 巾包禽 际洲 ¨Ih JfI lJjI-I点地 f 价息,『人1此数卅J/I 1 | ̄输过 11l'lgll,]‘I'uJ 会给测 14 .t.: Itrl-来 电磁环境洲 序的流 如 lJ ,J:洲 系统 …IU l'触发控制, {接收划米白外界的触发价 ‘ 小系统IIJ. 据/f 的测试 II,f. 始f,l动测 l 求, 测 I I. 没 符项参数,逝过测 测试频段内符 频 的l0『Iifi 进i IIz徽环境 洲 饵亢成一次测 ,- 、 的 洲 ,将i发洲・Il fi',JiO]0 频点干"×lf心幅似n动以文 图1 电磁环境测量程序流程 Fig.I Program flow chart of electromagnetic cnvir0nlnent measurement f l:J 』 求F米。肝以洲 I:ll ‘问命 ;IIi】=Ll 接收到 洲: 触发 ,系统} 取 ̄]-I:MN 的地 化 ^l^ 怀,添JJI】 测 义件 根 IU磁环境洲越 ̄Pii!J ,系统 行时符能『1动输 IzI J t{fk ji 小义 测}…i ̄-7, : 软什 至洲 II1『 达yiJ触发闽 I,则能 成I乜儆环境fI动临洲及测量数 的仃储,尤需测 人员传输控制命令 述电磁环境洲 l;= 川力 法,他川LabVIEW编 , 洲}t管 软件,』{J十 成测h 仟务 2所爪I,,lit、f'利川LabVIEW也.1 _『以吱脱埘洲 艇件I,I勺符理_7J1 l_测 I I ,依 /f f19f ̄! I iI 求,IlJ‘以 测 'it僻 软件-{ 埘符项参数(如测 的『t1心频牢、¨频范阳、分辨率带宽 (RBW),洲f 史什仃储路 等)进行 V'I ̄A崩毒名球 inf∞:圳 STR 逊 鬣散琳 -馨琏辩 盯.7'975921E ‘7.5703;B20 瞪嚣l己黛却盘蝴 0 ¨32O4 Ii S詹 W ■_ l 甜 . -j奠 圈譬辩 O l0 0—2O 毒一30 -40 5O 7O 90 量一6O —磊一80 l0O FLOWIO0 ‘杠 _帮(M№)《I。} : 蜘 鞭聱稚掏(MHz} 。) 1000 器帑咆 fd5m 0 盘伴 嘘姆; 毁 T 嗥0 图2测量管理软件界面 Fig.2 Interface of measurement management software ・8・ 贾语扬等,基于四旋翼无人机的电磁环境监测分析系统 第37卷第5期 2 电磁干扰源定位算法及其实现 在生成测量文件后,通过对其中的测量数据进行分析处理,可以绘制出测量区域内的电磁环境态 势图,实现对电磁辐射源的粗略定位。由于测量时选取的采样点有限,文献[8]提出使用曲面样条插值 算法进行电磁环境态势图的拟合。 对于测量区域内的任意一点i,设定距i点半径为R以外的区域对其电磁环境的影响可忽略不计, 距i点距离为 ,(,;f<R)处的J点电磁强度对i点的电磁环境影响为 ~2 2 2 旷Aj(tO "In “一务) 式中 为待定系数。 (1) 当测量区域内的测量点个数为Ⅳ时,各测量点对i点的影响可叠加,结果为 N 2 2 2 ( “一 (2) 设i点的实测电磁强度为历,则 N 2 -2 2 ; 巨  ̄…A.( r/jzIn ¨一 ) 2 Ⅳ (3) il_对于Ⅳ个测试点,由式(3)可以解出Ⅳ个待定系数 ,,从而得到各点的 值即电磁强度。按照各 点的E值大小绘制出测量区域内的电磁环境态势图,可实现对电磁干扰源的粗略定位。 由式(2)可知,数据分析处理结果的准确性与 值的选取及测量点个数Ⅳ有关。一般来说,测 量点个数Ⅳ越大,测量准确性越高;R值的选取可以根据测量区域的具体情况而定。 根据曲面样条插值算法,实现电磁环境态势图的绘制需要求解Ⅳ个方程。在方程求解时,可以考 虑矩阵运算。 ~2 P 2 2将式(3)写成矩阵形式 = ,令 r j/ n + 一‘ ,有 A=【4 A2… 1 ・l M N -(4) (5) M12 X= : ● M2N : - ● M N . 1 B=[局 … ] (6) 本文基于上述算法,利用Mal1ab实现矩阵运算,并通过Matlab GUI编写对电磁环境监测数据分 析处理的电磁环境可视化软件,通过它可以绘制出测量区域在可疑干扰源频率下的电磁环境态势图。 本文开发的电磁环境可视化软件分为三个区域,分别是参数设置区、频谱监控区、可视化显示区。参 数设置区设定基本的运行参数,并监控软件运行情况。频谱监控区负责显示所有测试数据在整个测量 频段的幅频特性:每次接收到某个位置的测量数据后,绘制出该测量位置的频谱图,并自动对其中幅 度较大的频点进行标注,由此确定环境中可能存在的电磁干扰源的辐射频率。可视化显示区实时显示 对当前接收到的所有测量数据分析处理的结果,使用曲面样条插值方法绘制电磁环境态势图,在图中 定位可疑干扰源;随着飞行测量的进行,测量点个数增加,根据曲面样条插值获得的电磁环境态势图 不断变化且准确性逐渐提高。 3系统硬件组成 本文开发的系统由四旋翼无人机、机载电脑主板、可更换天线模块、数据采集卡、可编程频谱模 遥 测 遥 控 ・9・ 块、GPS模块、数据传输模块、地而站中心服务汁算机组成,如 4所永 、I几I旋翼无人机迎过电缆与 机载IU腑丰板卡H连,通过导线与数据采集卡桐连;可更换天线模块通过I乜缆连接至频膳模块;GPS模 块、数擗采集卡、频潜模块均通过USB接 与机载电腑主板连接;数传模块通过USB接厂1分别卜j机 载电脑 板和地面站汁算机连接。 参数没管区 丞 f 图3 电磁环境可视化软件界面 Fig.3 Interface of electromagnetic environment visualization software 图4硬件系统组成 Fig.4 Hardware system configuration lJ Ll旋篦尤人机在飞 r11埘机载电腑丰板供电,能够在到达没置的测 点时输 电压触发信号至数 据采集 ;呵更换天线模块将接收到的无线电波信号转化为电压信号传送给频谱模块,进 信号的测 量处卿一测量系统主 包括数据采集卡、【1『编程频谱模块和GPS模块,通过机载电脑主板中的测 管 理软件对它们进行设 l及管理 数据处婵系统包括数传模块及地面站计算机,通过数传模块实现测量 数据的传输,然后在地 f站iI‘算机的电磁环境可视化软件中完成数据处婵。 实际测量前,通过飞控软件和测量管理软件完成 i 路线、测量参数的没定,并根据 求设置 测撼 设 完成后,系统按照预先没定的路线进行自动 行测量。到达测量点后,四旋辩尤人机向 测量系统输}{J触发信号,进行电磁环境监洲,测量数据仔储在机载电脑丰板中,通过数传模块传送至 地而站汁算机,经过『乜磁环境可视化软f't:ilt ̄处理,可以 地而站实时显,,J ¨{电磁环境态势 ,粗略定 位电磁辅射源 ・10・ 贾语扬等,基于四旋翼无人机的电磁环境监测分析系统 37替 5 4 实验验证 际的堆于 旋 尢人饥的电磁环境监洲系统中,选用r Tektronix RSA306频}{孚分析卡I!块,它的 频 钙洲越范 为9kHz ̄6.5G!Iz,洲 灵敏度达到一120dBm,机载 换人线模块选择GSM人线 了验证搭建的 地洲 U瞰环境监测分析系统的有效性,我们 北 ,li密云区北航科技 进行_r实 我们 测 i J 或1人J 设了数宁通信IU俞许设定电 的发射频率 800MHz没定 洲系统的 频 洲试范阳为700MHz~1 3GHz,¨频问隔为0.75MHz。甬’先愉验系统存飞ji-iJ{{,l'i ̄tl¨I功采 ) 仃 数j1t ,HI zH ̄kbs J,接卜术迎过地面站的电磁环境I】J }见化软件进行数 分忻,粗略绘制 II洲 x:域『人J的lU 儆 1 境态势 ,榆验系统测试的准确性 、 5址』 i)l l,J窄 ji 离IU 化‘l 较近的测鲢位 的频谱数据。住测 段1人】,电磁价I I -i 800MHz处仃 i 测 【I、f I l动采 I I,Ij电 的 射频牢牛『{吻合,说}』I】设计的电磁环境 测系统具有 数 的能力 lYequency【Mllz) 图5 700MHz~1.3GHz频谱图 Fig.5 700MHz ̄I.3GHz spectrogram …fl』, 飞ii-Tij!ll㈦l1f’我们通过地而站的IU磁环境口f视化软什埘洲 数 进i 处 ,绘制¨ 电趱 境念势 ,5HJ 6所爪、从 中可以看…t,4=kf t:对电磁于扰源的定化'-Z [-果rj实际十扰源f II1I|I=l尺致十¨ M llJ‘ ,系统 仃绘;tiiJib! 连区域内电磁环境念势 的功能,M时 ,JI以辅助对十扰发射源的定f 图6 电磁环境态势图 Fig.6 E1ectrOn1agnetic environment situation map 2016年9月 遥测 遥控 ・11・ 5 结束语 本文提出一种基于四旋翼无人机的电磁环境监测分析系统,经过实验验证,它可以实现对电磁环 境的自动定点测量,并实时绘制出测量区域内某一频点的电磁环境态势图,粗略定位可疑干扰源。采 用这种监测方式,可以扩展测量范围,提高测量效率。 参考文献 R66sli Martin,Sagar Sanjay,Eet'tens Marloes,Roser Katharina,Schoeni Anna,Foerster Milena,Struchen Be ̄amin. Use of Portable Exposimeters to Monitor Radiofrequency Electromagnetic Field Exposure in the Everyday Environment[C]//Radio Science Conference(URSI AT-RASC),2015 1st URSI Atlantic,2015:1-1. S的车载环境电磁辐射监测系统的设计与应用[J].移动通信,2009, 【2】 周睿东,杨旭富,孑L令丰,廖建华.基于GI(24):19—22. Zhou Ruidong,Yang Xufu,Kong Lingfeng,Liao Jianhua.Design and Application of On-board Environment Electromagnetic Radiation Monitoring System Based on GIS[J]。Mobile Communications,2009,(24):1 9-22. D].成都:成都理工大学,2014. [3] 唐晏.基于无人机采集图像的植被识别方法研究[Tang Yan.Research on the Vegetation Identiifcation Method Based on UAV Image Acquisition[D].Chengdu:Chengdu University of Technology,20 1 4. J].地球信息科学学报,2015,(10):1269—1274. [4] 杨海军,黄耀欢.化工污染气体无人机遥感监测[Yang Haijun,Huang Yaohuan.Remote Sensing of Chemical Pollution Gas Based on UAV[J].Journal of Geo—information Science,2015,(10):1269—1274. J].高技术通讯,2015,(6):607-613. [5] 杨海军,李营,朱海涛,洪运富.无人机遥感技术在环境保护领域的应用[Yang Haijun,Li Ying,Zhn Haitao,Hong Yunfu.Application of UAV Remote Sensing Technology in Environmental Protection[J].Chinese High Technology Letters,2015,(6):607—613. J].中国无线电,2015,(11):35—37. [6] 张金耀,周章旺,吴迪松,朱辉.无人机技术在无线电频谱监测中的应用初探[Zhang Jinyao,Zhou Zhangwang,Wu Disong,Zhu Hui.Application of UAV Technology in Radio Spectrum Monitoring[J].China Radio,2015,(1 1):35—37. u Yan.Data Process and Signal Analysis Based on LabVlEW[C]//The Ninth International Conference on Electronic [7] LiMeasurement&Instruments,Beijing,China,2009:4,23-26. J]_武汉理工大学学报,2012,(5):135—138. [8] 卢涵宇,.基于曲面样条插值算法的无线电电磁态势图生成研究[Lu Hanyu,Chen Jun.Research for Matching Method of the Radio Electromagnetism Situation Based on GIS[J].Journal ofWuhan University ofTechnology,2012,(5):135—138. [作者简介】  贾语扬 1995年生,北京航空航天大学电子信息工程学院本科生,专业方向为电子信息工程。 张凯 1995年生,北京航空航天大学电子信息工程学院本科生,专业方向为电子信息工程。卢小祝 1993年生,北京航空航天大学电子信息工程学院硕士,专业方向为电磁兼容与电磁 环境。 尚晓凡 1988年生,北京航空航天大学电子信息工程学院博士生,专业方向为电磁兼容与电磁 环境。 苏东林 1960年生,北京航空航天大学电子信息工程学院教授,主要研究方向为电磁兼容、电磁 环境等。 

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