SOVA: der Scanner, der das Fernsteuersignal eines Drohnenpiloten unter dem Rauschen findet

1. Was es ist

SOVA ist ein autonomes Empfangssystem auf einer einzigen SDR-Platine. Es überwacht das Band 100–1500 MHz, findet das Signal der Fernsteuerung eines Drohnenpiloten mit dem Protokoll ExpressLRS (ELRS) unterhalb des Rauschpegels und nimmt es ohne Mitwirkung eines Bedieners in die Verfolgung. Zum ersten Mal weltweit wurde die Suche nach einem Frequenzsprungsignal unter dem Rauschen auf einer kompakten Platine mit einem einzigen Empfangskanal gelöst: von der Antenne bis zur Entscheidung „Ziel vorhanden" vergehen 2.56 s.

2. Wichtigste Ergebnisse

Die Empfindlichkeitspegel wurden am Prüfstand mit einem LoRa-Stimulus SF6…SF9 in einer bekannten Zelle gemessen. Der Betrieb mit einer echten Fernsteuerung eines Drohnenpiloten wurde in der Luft mit eingeschaltetem Frequenzsprungverfahren (FHSS) geprüft: der Empfänger registriert das Signal der Fernsteuerung auf der Kachel 915 MHz bei jedem Durchlauf mit einem Verhältnis von Signal zu Entscheidungsschwelle über 30 und sammelt in einem Tag Dauersitzung über 260 Tausend Beobachtungen. Die Entscheidungsschwelle wird aus der berechneten Falschalarmrate festgelegt: in der Messreihe entspricht die Schwelle $r_{\mathit{MAX}}=1.1717$ einer Falschalarmwahrscheinlichkeit von 1/101 je Entscheidung, im Betriebsmodus ergibt die Schwelle in Sigma etwa eine Fehlentscheidung pro Stunde über das gesamte Band.

3. Erfassungsreichweite

Erfassungsschwelle in Dezibel relativ zum Empfängerrauschen im Band von 38.4 MHz: konservativ −28.3 dB, im Modus COARSE bis −38.6 dB. Berechnete Erfassungsreichweite für eine Fernsteuerung mit 100 mW und einer Antenne von 2 dBi, Empfangsantenne 2 dBi, nach dem Streckenbudgetmodell mit Bodenreflexion und Funkhorizont:

Bedingungen	Konservative Schwelle −28.3 dB	Beste −38.6 dB
Offenes Gelände, Antenne 2 m	6…8 km, Horizont 11 km	11…14 km, Horizont 11 km
Dichte Bebauung, Antenne 2 m	2…2.5 km	3.6…4.6 km

Zeit bis zur Erfassung: Entscheidung über eine Kachel in 2.6 s, vollständige Überwachung des Bandes 100–1500 MHz in 21 s. Eine gerade eingeschaltete Fernsteuerung wird spätestens nach 24 s gefunden.

Für eine Fernsteuerung mit 1 W wird unsere Erfassungsreichweite des ELRS-Signals im offenen Gelände nur durch den Funkhorizont begrenzt.

4. Warum das eine schwierige Aufgabe ist

Eine ELRS-Fernsteuerung hat keine feste Frequenz. Ihre Energie ist in der Frequenz über 40 Kanäle und in der Zeit verteilt: ein Paket ist kürzer als das Intervall zwischen den Sprüngen, und in der übrigen Zeit schweigt der Kanal. Im Augenblick der Beobachtung sind der Kanal, die Sprungphase, der Modus und der Spreizfaktor SF6…SF9 unbekannt. Verstärkung hilft hier nicht: mit dem Signal wächst auch das Rauschen. Wir haben diese Aufgabe mit der Struktur des Signals und der Anhäufung von Beweisen gelöst: das Kanalraster deckt sich mit dem Zellraster des Empfängers, die Sprünge haben eine feste Kadenz, der LoRa-Chirp wird durch Dechirping komprimiert, und die Beweise sammeln sich von Belichtung zu Belichtung bis zu einer sicheren Entscheidung.

5. ELRS für den Fachmann

Das Raster FCC915 enthält 40 Kanäle ab 903.5 MHz im Abstand von 600 kHz, Spanne 23.4 MHz. LoRa-Modulation: ein 500 kHz breiter Chirp, Spreizfaktoren SF6…SF9. Die sechs Modi M0…M5 unterscheiden sich im Sprungintervall von 10 bis 80 ms und im Spreizfaktor; ein Paket ist immer kürzer als das Intervall.

Der Frequenzsprung ist deterministisch: ein LCG-Generator mit dem Seed legt eine Folge von 256 Positionen fest, aus der 240 als sechs Blöcke zu je 40 Kanälen genommen werden, und der Synchronkanal 20 steht an festen Positionen. Der Seed-Raum ist $2^{31}$. Für einen Außenstehenden sieht das wie zufällige kurze Ausbrüche auf verschiedenen Frequenzen aus. Genau diese Struktur nutzt der Scanner SOVA: 600 kHz je Zelle, die Sprungkadenz, die Chirp-Form und die Beständigkeit der Beweise in der Zeit.

6. Wie wir es machen

Hardware. Das Firmware-Abbild des Scanners trägt den internen Index A00. Platine PlutoSky R1: SoC Zynq XC7Z020-2 mit ARM-Cortex-A9-Prozessor und Artix-7-FPGA, Transceiver AD936x, 1 GB Speicher, Linux. Abtastung mit 30.72 MHz, FFT mit 2048 Punkten, Bin 15 kHz, 48 Zellen zu 600 kHz je Kachel mit 28.8 MHz Breite, 49 Kacheln über 100–1500 MHz. Überwachungsbelichtung 5 ms, Beweisbelichtung 40 ms. Das FPGA berechnet die Spektren und sammelt die Zellenergie im Abtasttakt; der Prozessor trifft die Entscheidungen.

Die Methode Attention. Jede Zelle wird mit ihrer eigenen Referenz $B$ verglichen, dem Median der vorangegangenen 256 Datensätze, und der gemeinsame Faktor $g$ beseitigt Änderungen der Empfängerverstärkung:

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

Die Schwelle wird in Sigma aus der Auslegungstrennschärfe $d\prime =6$ festgelegt: $\theta =1.2d\prime \sigma$, für einen einzelnen Datensatz 7.22σ. Die Entscheidung stützt sich auf drei unabhängige Beweise: lokalen Kontrast in Fenstern von 1, 8 und 64 Datensätzen, die Summe und das Maximum über die Belichtungen. Eine Kachel durchläuft die Zustände QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK mit Haltezeiten von 0.8 s, 5 s, 2 s und 60 s. Gleichzeitige Ausbrüche in drei oder mehr nicht benachbarten Zellen innerhalb von 100 ms stuft der Scanner als Störung ein, Zellen mit einem Anteil heißer Datensätze über 25 % als Dauerlinien, und schließt beide aus den Entscheidungen aus. Der Modus DEEP fügt das Dechirping unter einer SF-Hypothese hinzu; der Modus COARSE bietet die größte Empfindlichkeitsreserve bei der Überwachung.

7. Was der Kunde erhält

SOVA ist heute ein funktionierender autonomer Scanner, der das Fernsteuersignal eines Drohnenpiloten 28…38 dB unter dem Rauschen im Band von 38.4 MHz findet, in 2.56 s eine Entscheidung trifft und einen ganzen Tag Betrieb in der Luft ohne menschliches Eingreifen durchhält. Zum ersten Mal weltweit wurde ein solches Ergebnis auf einer einzigen SDR-Platine erreicht, und jede Zahl in diesem Dokument wurde durch Messung gewonnen.