《Drones》：Optimization of Multi-User Secure Communication Rate Under Swarm Warden Detection in ISAC Networks
编辑推荐：
本文提出了一种创新的几何定位方法，通过三架光纤互联的无人机（UAV），利用时间差（TDoA）测量和超几何渐近线交点分析，实现了对远程无线电信号源（如操作员或电子战系统）的无模糊定位。该方法在线性视距（LoS）条件下，为无人机群提供了抗干扰的安全指令传输能力，并支持通过定向天线和轻量级保护机制扩展群组规模，为构建可扩展、安全、弹性的多无人机系统奠定了坚实的数学基础，在电子战、监视和战术行动中具有应用潜力。
引言
无人机（UAV）群组在遥感、农业监测、森林巡查和环境监测等广泛任务中的应用日益增多。在军事应用领域，从单操作员控制的无人机向覆盖大面积、支持小规模军事单位间通信的无人机蜂群（Swarm）转变的趋势愈发明显。随之而来的关键问题包括无人机群控制算法的改进和信息安全，特别是通信攻击的缓解。尽管密码学方法被广泛使用，但其应用面临外部信息干扰技术的不断进步和蜂群架构复杂性带来的额外漏洞等限制。基于光纤数据传输的无人机控制因其极高的防外部干扰可靠性而受到关注，但长距离光纤带来的重量等技术挑战也不容忽视。这促使研究者转向探索不依赖长光纤通信线路的物理手段信息保护方法。
相关研究
本系统基于测量信号从源到一对无人机的传播时间差，这需要无人机机载单元的时间同步（SYNC）。使用无人机间光纤链路可显著简化时间同步，因为光纤传输消除了外部信号的影响，且无人机间距可通过光纤长度事先精确已知。与定位精度相关的其他方法，如使用高指向性天线或基于接收信号强度（RSS）的方法，在目标应用场景下各有局限。光纤通信方法在线性视距（LoS）环境下保护操作员与无人机群间传输的信息方面展现出优势。
方法
本研究主要采用解析方法求解基于三个无人机已知位置和操作员信号到达时间差（TOA）来确定操作员坐标的方程。通过考虑超几何渐近线的交点而非超几何曲线本身的交点，获得了问题的解析解。分析表明，该方法提供的坐标估计精度足以满足在线性视距通信区域内进行信息保护的实用需求。研究结论得到了计算机实验的支持，实验算法基于文中提出的解析推导实现。
结果
方法实施方案显示，至少需要三架无人机（UAV）形成两个配对，测量来自共同源的信号到机载接收器的到达时间差Δt12和Δt23。在二维问题中，测量值Δt12对应一条双曲线，其方程由r1- r2= cΔtij描述。使用两个接收器对相当于使用两个此类方程，源坐标可通过求解这类方程定义的两条双曲线的交点来确定，这与经典的时差定位（TDoA）方法一致。
通过选择坐标系原点与三个无人机位置所在圆的中心重合，简化了问题处理。研究推导了在极坐标下描述双曲线的方程，并引入了无量纲参数。分析表明，当信号源距离远大于参考圆半径时，可以利用双曲线的渐近行为来解决问题。研究证明，对于定位问题，正确的解对应于距离无人机编队中心最远的渐近线交点，而所有伪解则被限制在编队半径附近。这一结论通过数值实验得到了验证，实验结果显示，当信源距离D远大于参考圆半径R（满足D ≥ 6R）时，定位精度可接受。即使存在高达5%的TOA测量误差，该方法仍能保持足够的定位精度。研究还讨论了可能出现的退化情况及其对定位的影响。
讨论
该方法也可用于确定外部无线电信号源（如敌方无人机操作员或电子战系统）的坐标，其原理相同，仅对定位精度的要求可能不同。该方法仅适用于线性视距（LoS）区域。无人机群组可扩展性地结合使用定向天线，通过比较来自不同方向（对应于主群组中不同无人机）的命令，实现“敌我”识别，增强安全性。对于群组中的附加单元，所需天线波束宽度在70至180度范围内，即使是简单类型的定向天线也能实现。
研究还探讨了将所提出的方法与先进无人机配置（如结合螺旋桨和喷气推进的混合动力平台，或使用爆炸装药将弹头推向目标的“神风”无人机设计）相结合的可能性。这些设计旨在提高无人机的生存能力和任务效能。
结论与未来工作
本文提出了一种基于三架光纤互联无人机（UAV）的无模糊远程无线电信号源定位新方法。该方法通过分析超几何渐近线的交点而非完整的双曲线，确保了源位置的唯一确定。理论分析证实，正确的交点位于距离无人机编队中心显著大于伪交点的位置，这为解决定位模糊性提供了严格准则。该方法为在线性视距条件下实现操作员到无人机群的安全、抗干扰指令传输，以及检测外部无线电发射器提供了有效手段。该框架支持通过定向天线和低功耗信号中继扩展无人机群，为构建可扩展、安全、弹性的多无人机系统奠定了坚实基础，在电子战、监视和战术行动中具有应用潜力。未来的工作可能包括将该方法应用于地面机器人、开发更轻量级的加密协议，以及进一步优化混合动力无人机平台的集成。
