一种无人机机载GSM-R信号覆盖及干扰检测定位平台及方法

技术领域

本发明属于铁路通信技术领域，尤其涉及一种无人机机载GSM-R信号覆盖及干扰检测定位平台及方法。

背景技术

我国在铁路通信中主要使用铁路综合数字移动通信系统(GSM-R)，GSM-R通信基站多位于铁路沿线，一般采用定向天线对铁道上列车的行进方向进行无线电覆盖。但随着城市的发展，城区的地形及建筑环境变得愈加复杂，对无线电信号的有效覆盖和相关业务的正常使用带来了不小挑战。GSM-R所使用的频率范围为:885–889MHz(上行)，930–934MHz(下行)，与之相邻的频段用作移动通信，但由于与GSM-R频段较为接近，容易对铁道业务的正常运行造成影响。

传统的GSM-R信号覆盖测试手段以路测和列车测试为主，以汽车或列车为载体，在铁道周边或利用在列车上的信号采集设备进行数据采集。但该采集手段存在明显不足：第一，对沿线周边的无线电信号采集时易受到建筑和地形的影响，当铁路穿行通过市区时，无法有效的对沿线各个位置进行无线电信号采集，存在盲区；第二，由于上述采集方法的采集时间长、采集成本高，在铁路正常运行后很难进行实时的测试和信号采集；第三，运营商基站可能会存在由于设备老化或天线布置不合理造成干扰信号，对干扰源定位时，这些干扰信号属于未知信号，且该信号在复杂环境中可能由于多径效应等因素，地面使用测向等方法进行干扰源排查时会难以确定该信号的来波方向，从而耗费大量的人力和时间，对铁路相关业务的正常运行造成较大的影响。此外，目前已有的无线电信号的空中采集平台多为无人机测试平台，但无人机由于载重能力和体积有限，无法承载高灵敏度的无线电接收机以及专用的GSM-R天线或定向天线，造成无线电信号空中采集平台搭建困难。

发明内容

针对上述背景技术中指出的不足，本发明提供了一种无人机机载GSM-R信号覆盖及干扰检测定位平台及方法，旨在解决上述背景技术中现有技术存在的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种无人机机载GSM-R信号覆盖及干扰检测定位平台，包括设置于无人机上的树莓派、高灵敏度接收机、接收天线和电源模块，所述电源模块分别与树莓派和高灵敏度接收机连接，所述树莓派通过USB接口与高灵敏度接收机连接，所述高灵敏度接收机与接收天线连接，所述接收天线包括全向天线和定向天线。

优选地，所述全向天线的工作范围包含900MHz的GSM-R频段，且天线增益不小于3dBi。

优选地，所述定向天线的工作范围包含900MHz的GSM-R频段，且天线最大增益不小于15dBi。

优选地，所述树莓派通过板载hdmi接口连接有触摸屏，树莓派通过板载USB接口与触摸屏连接提供触摸屏的电源。

优选地，所述树莓派设有蓝牙和/或WLAN接口和/或USB接口。

优选地，所述树莓派、高灵敏度接收机和电源模块设置于无人机的机身上，接收天线分别布设于无人机的机身顶侧、机身两侧、机腹、机首和机尾位置处。

优选地，所述高灵敏度接收机最大分析带宽为20MHz，高灵敏度接收机的内部前置放大器关闭时平均噪声电平≤-135dBm，高灵敏度接收机的内部前置放大器打开时平均噪声电平≤-158dBm。

本发明进一步提供了一种无人机机载GSM-R信号覆盖及干扰检测定位方法，无人机上机载树莓派、高灵敏度接收机、全向天线、定位天线和电源模块，通过全向天线进行铁路业务覆盖的验证测试，通过定向天线对干扰信号进行定位；所述全向天线和定位天线采集的信号经高灵敏度接收机输入树莓派进行分析和存储，树莓派的参数通过触摸屏或者WLAN远程控制输入。

优选地，所述定位天线对干扰信号进行定位时，通过控制无人机的转动改变定向天线的朝向，且使无人机朝着定向天线的最大信号接收方向飞行，直至最终确定干扰源位置。

优选地，所述定位天线对干扰信号进行定位时，先根据全向天线接收的干扰信号的最大接收场强预估干扰信号的基本位置，再通过定向天线的最大信号接收方向进行精确定位。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：

本发明从当前铁路通信存在的问题出发，充分考虑到GSM-R业务的特点，结合常见的干扰类型和无线电信号采集方法，提出了一种机载高灵敏度GSM-R无线电信号采集平台，可实现GSM-R信号的空中采集，验证铁路沿线基站对相关业务的覆盖情况，同时也可以用测向的方式对存在的干扰信号进行监测和定位，为相关业务的正常运行提供保障。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种无人机机载GSM-R信号覆盖及干扰检测定位平台的系统模块组成示意图。

图2是本发明实施例提供的一种无人机机载GSM-R信号覆盖及干扰检测定位平台的系统模块连接示意图。

图3是本发明实施例提供的无人机上各模块及接收天线的布置位置示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明以高灵敏度接收机和Raspberry Pi(树莓派)为基础，搭建了高精度、可定制的无线电接收监测及干扰源检测平台，实现对GSM-R信号的空中采集，为GSM-R信号的覆盖验证以及干扰信号的检测和查处提供了平台。参照图1和2，无人机上设置树莓派、高灵敏度接收机、接收天线和电源模块，电源模块是整个系统的电源供给模块，本发明采用的电源模块能量约为200Wh，支持200W功率输出，实测整个系统可持续工作120分钟，如果需要进一步延长工作时间，可以提高电源模块的能量，但应考虑电源模块能量增加带来整个系统重量提升的问题。

树莓派是平台的数据采集核心，主要负责命令的下达和相关器件的控制以及数据的采集，通过板载的hdmi接口可以连接触摸屏以指示当前的系统工作状态，保证测试现场的操作方便，也可在地面临时外接蓝牙、键盘、鼠标等进行更详细的参数设置。还可通过WLAN接口实现远程控制，灵活的对接收数据进行查看。树莓派供电由电源模块的USB接口连接提供，触摸屏的电源由树莓派板载USB口提供，当用户采用远程控制模式时，可以移出触摸屏以节省功耗和降低整体系统的重量，避免超出无人的机载重能力。

高灵敏度接收机主要负责接收相关无线电信号，与树莓派通过USB接口连接，具体接收参数指令由树莓派USB口进行下发，该高灵敏度接收机具有高灵敏度低噪声的特点，同时其最大分析带宽为20MHz，且当其内部前置放大器关闭时显示平均噪声电平≤-135dBm，当内部前置放大器打开时显示平均噪声电平≤-158dBm，接收天线采集的信号经高灵敏度接收机由网口输入树莓派进行分析和存储(图2)。

接收天线是系统的重要组成部分，本系统采用两种天线，第一种为全向天线，天线工作范围包含900MHz的GSM-R频段，同时天线增益不小于3dBi，该天线主要用于业务覆盖的验证测试；第二种天线为定向天线，天线工作范围包含900MHz的GSM-R频段，同时最大增益不小于15dBi，该天线用于对干扰信号的定位。干扰源的定位方法有两种：一是在定位时通过控制无人机的转动改变天线的朝向，使无人机朝着最大信号接收方向飞行，直至最终确定干扰源位置；二是先根据全向天线干扰信号的最大接收场强预估干扰信号的大概位置，再通过使无人机朝着定向天线的最大信号接收方向飞行进一步确定精确定位。

本发明安装于无人机的位置如图3所示，图3a是无人机俯视图，图3b是无人机前视图，树莓派、高灵敏度接收机和电源模块安装于无人机的机身部分，如图3中阴影所指位置，接收天线分别布设于无人机的机身顶侧、机身两侧、机腹、机首和机尾5个位置处，分别如图3中A、B、C、D、E所指位置。使用这些位置布置天线可以兼容更多类型的天线，也可以根据天线的具体形状特征进行灵活布置和架设。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。