鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法，包括以下幾個步驟：第一步，飛行前航段信息規(guī)劃；第二步，航點坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)采集并進行表T1信息匹配。第三步，提取飛行中地物角點特征及位置高程信息，進行任務(wù)載荷規(guī)劃信息及地貌信息匹配；第四步，根據(jù)工況信息表T4數(shù)據(jù)計算加權(quán)系數(shù)和匹配閾值；第五步，加權(quán)計算，判斷是否存在欺騙。本發(fā)明綜合機載多傳感器信息，提高機載資源利用率；本發(fā)明建立復(fù)合信息模型，提高無人機安全性。
【專利說明】鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于無人機自主控制和圖像處理【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種鏈路失效時無人機虛假定位信息的自主判斷方法，可用于無人機防位置信息欺騙以彌補“無人”方面的不足。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，無人機系統(tǒng)與信息化等相關(guān)技術(shù)處于不斷發(fā)展之中，無人機在軍事和民用方面都具有廣泛的使用價值，同時應(yīng)用場景也愈加復(fù)雜多變。為實現(xiàn)無人機自主飛行，需要導(dǎo)航設(shè)備提高真實可靠的空間位置信息。其中，如果數(shù)據(jù)鏈路通信正常，雖然機上“無人”，但整個無人機系統(tǒng)環(huán)路“有人”，無人機操作人員可在地面通過下行遙測數(shù)據(jù)判斷飛行軌跡是否和預(yù)期吻合，如果偏離較大可采取人工遙控糾正措施。
[0003]如上段所述,一方面從技術(shù)角度而言，由于GPS信號可以被截獲破解,鏈路失效時系統(tǒng)環(huán)路“無人”會存在無人機被虛假導(dǎo)航信息干擾的可能性。另一方面，據(jù)有關(guān)事件和相關(guān)信息也進一步說明了“無人”極有可能被欺騙，如伊朗宣稱破解了美軍GPS導(dǎo)航信號，干擾通信設(shè)備使得鏈路失效，通過虛假位置信息成功誘騙、捕獲了美軍的一架在伊朗境內(nèi)執(zhí)行任務(wù)的RQ-170 “哨兵”無人偵察機；另外，美國奧斯汀德州大學(xué)的工程研究生在美國安全部委托進行的一項實驗中，利用自制的“電子欺騙”設(shè)備成功劫持一架民用無人機，原理與伊朗捕獲美軍無人機類似，均是通過讓無人機鏈路失效使其失去地面站操作人員的聯(lián)系，破解導(dǎo)航信息格式后給予其虛假位置信息來控制無人機。
[0004]因此，提高無人機防欺騙能力是不容忽視的新問題。其中可從兩個層面入手，一是提高針對無人機導(dǎo)航和數(shù)據(jù)鏈設(shè)備的抗干擾、抗截獲能力，從信號、信息等層面防止無人機被外部介入控制。第二，提高無人機對虛假信息的識別能力更為重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為了解決上述系統(tǒng)“無人”問題，從人類感知事物與作出決策的方式入手，基于無人機飛行中可實時獲取的數(shù)據(jù)和先驗信息，提出了鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法，包括飛行前對航線、航點對應(yīng)信息的提取與存儲，飛行到某航點時實時獲取數(shù)據(jù)并實時提取相關(guān)信息后，對多個航點之間的多源信息進行組合處理后，考慮到地理、氣象和人文等復(fù)雜工況信息的影響進行加權(quán)處理自主判斷無人機是否被虛假位置信息欺騙，提高無人機安全自主性。
[0006]本發(fā)明的鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法，包括以下幾個步驟:
[0007]第一步，飛行前航段信息規(guī)劃；
[0008]設(shè)航段的起始點為從點，到達點為到點，根據(jù)航路規(guī)劃要求，在空中航段上設(shè)置N個航點，N大于等于2;
[0009]構(gòu)建航段規(guī)劃表Tl:包括每個航點的航點號、經(jīng)度、緯度、高度；
[0010]構(gòu)建任務(wù)載荷規(guī)劃表T2:包括在無人機拍攝圖片時，無人機的平臺方位角、平臺俯仰角、相機焦距值；
[0011]構(gòu)建地面成像區(qū)域地貌表T3:包括航點與航點之間航段地面成像區(qū)域的地物經(jīng)度、地物緯度、地物高程、SUSAN角點特征；
[0012]構(gòu)建工況信息表T4:包括地理G、氣象V、人文H、成像分辨率R ；
[0013]將航段規(guī)劃表Tl、任務(wù)載荷規(guī)劃表T2、地面成像區(qū)域地貌表T3、工況信息表T4輸入至機載飛控計算機中；
[0014]第二步，航點坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)采集并進行表Tl信息匹配。
[0015]當(dāng)需要進行無人機防欺騙操作時，對飛行的航點進行檢測與識別，具體包括以下幾個步驟:
[0016](I)航點檢測
[0017]采用SUSAN角點檢測方法，對該航點對應(yīng)的地面成像區(qū)域進行檢測，得到α個角點特征；
[0018]獲取航點的坐標(biāo)信息和高程信息，坐標(biāo)信息包括航點的經(jīng)度、緯度，表示為Pway-point (longitude, latitude),聞程彳目息包括航點的聞度，表不為






^-Altitude ?
[0019](2)航點匹配
`[0020]訪問地面成像區(qū)域地貌表T3，獲取對應(yīng)航點的β個角點特征，將步驟(1)獲取的α個角點特征，與β個角點特征進行匹配，若->?_76，則匹配成功，Mtl= 1，否則，匹配失敗，M0 = O ;
[0021]同時，訪問航段規(guī)劃表Tl，獲取對應(yīng)航點的坐標(biāo)信息和高程信息，坐標(biāo)信息包括航點的經(jīng)度、緯度，表示為P ' way-pointdongitude, latitude)，高程信息包括航點的高度，表示為 A ' Aititude ;將步驟(1)得到的 PWay-p()int (longitude, latitude)、AAltitude 與p/ way-pomt(longitude, latitude)、A' Mtitude 進行匹配,計算二者的差值,得到結(jié)果札、M2:
[0022]Mp = Pffay-p0int (longitude, latitude) -P' Way_point (longitude, latitude) |
[0023]Ma — I AAltitude~A Altitude
[0024]Mp表不航點坐標(biāo)值之差，Ma表不航點聞度值之差,若經(jīng)纟韋度的差值均在0.1范圍內(nèi)，則M1 = 1，否則M1 = 0，同時若高度差值在10米范圍內(nèi)，則M2 = 1，否則M2 = O ；
[0025]第三步，提取飛行中地物角點特征及位置高程信息，進行任務(wù)載荷規(guī)劃信息及地貌信息匹配；
[0026]已到達指定航點，結(jié)合先驗圖像信息或地理信息系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)載荷規(guī)劃表T2中航點對應(yīng)無人機的參數(shù)，調(diào)整無人機攝像機角度，采集多源數(shù)據(jù)；
[0027]多源數(shù)據(jù)包括:
[0028]A:圖像信息:根據(jù)任務(wù)載荷規(guī)劃表T2，調(diào)整CXD攝像機姿態(tài)，獲得航點對應(yīng)地貌的高清航拍圖像；
[0029]B:導(dǎo)航信息:利用組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，獲取實時的地貌位置數(shù)據(jù)；
[0030]C:高程信息:采用激光測距，獲得多點高度信息；
[0031]然后進行多源數(shù)據(jù)匹配，包括:
[0032](I)地貌信息匹配
[0033]首先對航拍圖像進行預(yù)處理；其次，計算航拍圖像N個角點特征；最后，訪問機載地貌數(shù)據(jù)庫，提取當(dāng)前位置的多個角點特征，與N個角特征點匹配，計算得到地貌圖像數(shù)據(jù)
和航拍圖像數(shù)據(jù)的匹配特征點數(shù)M，若M/N>0.76 ,則認為匹配成功，M3 = 1，否則為M3 = O。
[0034](2)位置與高程數(shù)據(jù)匹配
[0035]首先，對采集獲得的地貌圖像坐標(biāo)信息及多點高度信息，地貌坐標(biāo)信息包括地貌的經(jīng)度、纟韋度，表示為P' Object (longitude, latitude),獲取機載當(dāng)前地貌坐標(biāo)信息,表示為Pobject (longitude, latitude),差值若 Mq 在 A 范圍內(nèi)，返回 M5=I,否則為 O ;
[0036]M0 = Pobject (longitude, latitude) -Ρ; obJect (longitude, latitude)
[0037]對于高度信息匹配，計算其均值和方差，分別為a1、P1，然后訪問機載高程數(shù)據(jù)庫，提取當(dāng)前位置對應(yīng)點的高程數(shù)據(jù)，并計算其均值方差，記為α2、β2 ;
[0038]M4 = I α「α 21 + I β「β 21
[0039]第四步，根據(jù)工況信息表Τ4數(shù)據(jù)計算加權(quán)系數(shù)和匹配閾值；
[0040]根據(jù)工況信息表Τ4，給予不同特征匹配加權(quán)系數(shù)λ和匹配閾值V:
[0041]λ = 2* (G+V+H+R)
[0042]
【權(quán)利要求】
1.鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法，包括以下幾個步驟: 第一步，飛行前航段信息規(guī)劃； 設(shè)航段的起始點為從點，到達點為到點，根據(jù)航路規(guī)劃要求，在空中航段上設(shè)置N個航點，N大于等于2; 構(gòu)建航段規(guī)劃表Tl:包括每個航點的航點號、經(jīng)度、緯度、高度； 構(gòu)建任務(wù)載荷規(guī)劃表T2:包括在無人機拍攝圖片時，無人機的平臺方位角、平臺俯仰角、相機焦距值； 構(gòu)建地面成像區(qū)域地貌表T3:包括航點與航點之間航段地面成像區(qū)域的地物經(jīng)度、地物緯度、地物高程、SUSAN角點特征； 構(gòu)建工況信息表T4:包括地理G、氣象V、人文H、成像分辨率R ； 將航段規(guī)劃表Tl、任務(wù)載荷規(guī)劃表T2、地面成像區(qū)域地貌表T3、工況信息表T4輸入至機載飛控計算機中； 第二步，航點坐標(biāo)信息數(shù)據(jù)采集并進行表Tl信息匹配。 當(dāng)需要進行無人機防欺騙操作時，對飛行的航點進行檢測與識別，具體包括以下幾個步驟: (1)航點檢測 采用SUSAN角點檢測方法，對該航點對應(yīng)的地面成像區(qū)域進行檢測，得到α個角點特征；` 獲取航點的坐標(biāo)信息和高程信息，坐標(biāo)信息包括航點的經(jīng)度、緯度，表示為Pway-point (longitude, latitude),聞程彳目息包括航點的聞度，表不為






^-Altitude ? (2)航點匹配 訪問地面成像區(qū)域地貌表T3，獲取對應(yīng)航點的β個角點特征，將步驟(1)獲取的α個角點特征，與β個角點特征進行匹配，若:，>?.76，則匹配成功為=1，否則，匹配失敗為=O ；同時，訪問航段規(guī)劃表Tl，獲取對應(yīng)航點的坐標(biāo)信息和高程信息，坐標(biāo)信息包括航點的經(jīng)度、緯度，表示為P ' way-pointdongitude, latitude)，高程信息包括航點的高度，表示為 A ' Altitude ;將步驟(1)得到的 Pffay-Pomt (longitude, latitude)、AAltitude 與p/ way-pomt(longitude, latitude)、A' Mtitude 進行匹配,計算二者的差值,得到結(jié)果札、M2:Mp = Pway-POint (longitude, latitude)-P' Way_point (longitude, latitude)
Ma I ^Altitude A Altitude Mp表不航點坐標(biāo)值之差，Ma表不航點聞度值之差,若經(jīng)諱度的差值均在0.1范圍內(nèi)，則M1 = 1，否則M1 = 0，同時若高度差值在10米范圍內(nèi)，則M2 = 1，否則M2 = O ； 第三步，提取飛行中地物角點特征及位置高程信息，進行任務(wù)載荷規(guī)劃信息及地貌信息匹配； 已到達指定航點，結(jié)合先驗圖像信息或地理信息系統(tǒng)，根據(jù)任務(wù)載荷規(guī)劃表T2中航點對應(yīng)無人機的參數(shù)，調(diào)整無人機攝像機角度，采集多源數(shù)據(jù)； 多源數(shù)據(jù)包括: A:圖像信息:根據(jù)任務(wù)載荷規(guī)劃表T2，調(diào)整CCD攝像機姿態(tài)，獲得航點對應(yīng)地貌的高清航拍圖像； B:導(dǎo)航信息:利用組合導(dǎo)航數(shù)據(jù)，獲取實時的地貌位置數(shù)據(jù)； C:高程信息:采用激光測距，獲得多點高度信息； 然后進行多源數(shù)據(jù)匹配，包括: (1)地貌信息匹配 首先對航拍圖像進行預(yù)處理；其次，計算航拍圖像N個角點特征；最后，訪問機載地貌數(shù)據(jù)庫，提取當(dāng)前位置的多個角點特征，與N個角特征點匹配，計算得到地貌圖像數(shù)據(jù)和航拍圖像數(shù)據(jù)的匹配特征點數(shù)M，若
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法，所述的A=0.10
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鏈路失效時無人機定位信息防欺騙自主判斷方法，所述的B=IO0
【文檔編號】G01C21/00GK103852077SQ201410103184
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】向錦武, 丁文銳, 康傳波, 李紅光, 劉碩 申請人:北京航空航天大學(xué)