SOVA: ماسح يعثر على إشارة جهاز تحكم مشغل الطائرة المسيّرة تحت مستوى الضوضاء

1. ما هو SOVA

SOVA منظومة استقبال ذاتية التشغيل على لوحة SDR واحدة. تمسح النطاق 100–1500 ميغاهرتز، وتعثر تحت مستوى الضوضاء على إشارة جهاز التحكم عن بُعد لمشغل الطائرة المسيّرة الذي يعمل ببروتوكول ExpressLRS ‏(ELRS)، وتتولى تتبّعها دون أي تدخل من المشغل. لأول مرة في العالم، حُلّت مسألة البحث عن إشارة ذات قفز ترددي شبه عشوائي تحت الضوضاء على لوحة مدمجة واحدة بقناة استقبال واحدة: من الهوائي إلى قرار «الهدف موجود» تمر 2.56 ثانية.

2. أبرز الإنجازات

تعثر SOVA على إشارة جهاز تحكم ELRS عند 28.3 و30.0 ديسيبل تحت الضوضاء في نطاق 38.4 ميغاهرتز في 20 من 20 محاولة، وعند 34.3 ديسيبل تحت الضوضاء في 16 من 20 محاولة. أضعف الإشارات التي عثر عليها الماسح في وضع COARSE تقع عند 34.2…38.6 ديسيبل تحت الضوضاء (SF6 ⁦−34.2⁩، SF7 ⁦−38.6⁩، SF8 ⁦−37.8⁩، SF9 ⁦−37.3⁩ ديسيبل)، ولم يُبلغ حد الحساسية بعد. يتخذ الماسح قرار «الهدف موجود» خلال 2.56 ثانية، ويستغرق المسح الكامل للنطاق 100–1500 ميغاهرتز مدة 21 ثانية، ويرصد الماسح على الهواء في كل دورة مسح جهاز تحكم حقيقيًا لمشغل طائرة مسيّرة يعمل بالقفز الترددي.

3. مدى الكشف

جهاز تحكم ELRS بتردد 900 ميغاهرتز وقدرة 1 واط في الوضع M5 ‏(50 هرتز، SF6، قفز ترددي عبر 40 قناة في المدى 903.5–926.9 ميغاهرتز كل 10 مللي ثانية):

الظروف	العتبة المتحفظة ⁦−28.3⁩ ديسيبل	الأفضل ⁦−34.2⁩ ديسيبل
أرض مفتوحة، هوائي على ارتفاع 2 م	حتى الأفق، 11 كم	حتى الأفق، 11 كم
عمران كثيف، هوائي على ارتفاع 2 م	3.6…4.4 كم	5.0…6.3 كم

4. الاتجاه نحو المشغل والطائرة المسيّرة

في تكوين SDR 2RX/2TX بهوائيين على المرسل-المستقبل AD9361، تحدد SOVA الاتجاه نحو جهاز تحكم المشغل من فرق الطور بين الهوائيين؛ وعلى الهواء يتكرر السمت في نطاق ELRS بتشتت 0.3°. وللطائرة المسيّرة المتحركة تحسب SOVA المسافة والسرعة من تغيّر السمت مع الزمن؛ والدقة المستهدفة بعد المعايرة ⁦±25⁩ م على مسافة 2.5 كم (1 %) و⁦±3⁩ م/ث عند سرعات حتى 50 م/ث. تقدّر المحطة الواحدة المسافة إلى جهاز التحكم من مستوى الإشارة بدقة في حدود 1.5 مرة؛ وتحدد محطتا SOVA موقع المشغل بتقاطع السمتين بدقة مستهدفة ⁦±20…60⁩ م على مسافة 2.5 كم.

5. لماذا هذه مسألة صعبة

لا يملك جهاز تحكم ELRS ترددًا ثابتًا. طاقته موزعة في التردد على 40 قناة وفي الزمن أيضًا: الحزمة أقصر من الفاصل بين القفزات، وتبقى القناة صامتة بقية الوقت. لحظة الرصد تكون القناة وطور القفزات والوضع ومعامل الانتشار SF6…SF9 مجهولة. التضخيم لا يفيد هنا: فالضوضاء تنمو مع الإشارة. حللنا هذه المسألة ببنية الإشارة وتراكم الأدلة: شبكة القنوات تطابق شبكة خلايا المستقبِل، وللقفزات إيقاع ثابت، وتُضغط زقزقة LoRa بإزالة الزقزقة، ويتراكم الدليل من تعريض إلى تعريض حتى قرار واثق.

6. ELRS للمتخصص

تضم شبكة FCC915 ما مجموعه 40 قناة تبدأ من 903.5 ميغاهرتز بخطوة 600 كيلوهرتز، بامتداد 23.4 ميغاهرتز. التضمين LoRa: زقزقة بعرض 500 كيلوهرتز ومعاملات انتشار SF6…SF9. تختلف الأوضاع الستة M0…M5 في فاصل القفزة من 10 إلى 80 مللي ثانية وفي معامل الانتشار؛ والحزمة دائمًا أقصر من الفاصل.

القفز الترددي حتمي: يحدد مولّد LCG انطلاقًا من البذرة تسلسلًا من 256 موضعًا، تؤخذ منه 240 موضعًا على شكل ست كتل من 40 قناة، وتقف قناة المزامنة 20 في مواضع ثابتة. فضاء البذور $2^{31}$. يبدو ذلك للمراقب الخارجي دفقات قصيرة عشوائية على ترددات مختلفة. وهذه البنية بالذات يستخدمها ماسح SOVA: خلية بعرض 600 كيلوهرتز، وإيقاع القفزات، وشكل الزقزقة، وثبات الدليل في الزمن.

7. كيف نفعل ذلك

العتاد. تحمل صورة البرمجيات الثابتة للماسح الفهرس الداخلي A00. اللوحة PlutoSky R1: نظام على شريحة Zynq XC7Z020-2 بمعالج ARM Cortex-A9 ومصفوفة FPGA من نوع Artix-7، ومرسل-مستقبل AD936x، وذاكرة 1 غيغابايت، ونظام Linux. معدل أخذ العينات 30.72 ميغاهرتز، وتحويل FFT بطول 2048 نقطة، وحاوية 15 كيلوهرتز، و48 خلية بعرض 600 كيلوهرتز لكل مقطع عرضه 28.8 ميغاهرتز، و49 مقطعًا تغطي 100–1500 ميغاهرتز. زمن تعريض المسح 5 مللي ثانية، وزمن تعريض الدليل 40 مللي ثانية. تحسب FPGA الأطياف وتراكم طاقة الخلايا بمعدل أخذ العينات؛ ويتخذ المعالج القرارات.

طريقة Attention. تُقارن كل خلية بمرجعها الخاص $B$، وهو وسيط آخر 256 سجلًا، بينما يزيل المعامل المشترك $g$ تغيّرات كسب المستقبِل:

$$\tilde{z}=\frac{x/(\mathit{gB})-1}{\max ({\sigma }_{\mathit{fa}},{\sigma }_{\mathit{floor}})}$$

تُضبط العتبة بوحدات سيغما انطلاقًا من قابلية الفصل التصميمية $d\prime =6$: $\theta =1.2d\prime \sigma$، ولسجل واحد 7.22σ. يستند القرار إلى ثلاثة أدلة مستقلة: التباين المحلي في نوافذ من 1 و8 و64 سجلًا، والمجموع والحد الأقصى عبر أزمنة التعريض. يمر المقطع بالحالات QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK بأزمنة احتفاظ 0.8 ثانية و5 ثوانٍ و2 ثانية و60 ثانية. يصنّف الماسح الدفقات المتزامنة في ثلاث خلايا غير متجاورة أو أكثر خلال 100 مللي ثانية على أنها تداخل، والخلايا التي تتجاوز فيها حصة السجلات الساخنة 25 % على أنها خطوط ثابتة، ويستبعدها من القرارات. يضيف وضع DEEP إزالة الزقزقة وفق فرضية SF؛ ويمنح وضع COARSE أكبر هامش حساسية أثناء المسح.

8. ما يحصل عليه العميل

SOVA اليوم ماسح عامل ذاتي التشغيل يعثر على إشارة جهاز تحكم مشغل الطائرة المسيّرة عند 28…38 ديسيبل تحت الضوضاء في نطاق 38.4 ميغاهرتز، ويتخذ القرار خلال 2.56 ثانية، ويصمد يومًا كاملًا من العمل على الهواء دون تدخل بشري. لأول مرة في العالم تحقّقت مثل هذه النتيجة على لوحة SDR واحدة، وكل رقم في هذا المستند حصلنا عليه بالقياس.