SOVA: el escáner que encuentra la señal del mando de un operador de dron bajo el ruido

1. Qué es

SOVA es un sistema de recepción autónomo en una sola placa SDR. Vigila la banda de 100–1500 MHz, encuentra la señal del mando de un operador de dron con el protocolo ExpressLRS (ELRS) por debajo del nivel de ruido y la pone en seguimiento sin intervención de ningún operador. Por primera vez en el mundo, la búsqueda de una señal con salto de frecuencia bajo el ruido se ha resuelto en una placa compacta con un solo canal de recepción: desde la antena hasta la decisión «objetivo presente» transcurren 2.56 s.

2. Logros clave

Los niveles de sensibilidad se midieron en banco con un estímulo LoRa SF6…SF9 en una celda conocida. El funcionamiento con un mando real de operador de dron se verificó en el aire con el salto de frecuencia (FHSS) activado: el receptor registra la señal del mando en la tesela de 915 MHz en cada pasada con una relación señal a umbral de decisión superior a 30, y en un día de sesión continua acumula más de 260 mil observaciones. El umbral de decisión se fija a partir de la tasa de falsas alarmas calculada: en la serie de medidas el umbral $r_{\mathit{MAX}}=1.1717$ corresponde a una probabilidad de falsa alarma de 1/101 por decisión, mientras que en modo operativo el umbral en sigmas da aproximadamente una decisión falsa por hora en toda la banda.

3. Alcance de detección

Umbral de detección en decibelios respecto al ruido del receptor en una banda de 38.4 MHz: conservadoramente −28.3 dB, en modo COARSE hasta −38.6 dB. Alcance de detección calculado para un mando de operador de 100 mW con antena de 2 dBi, antena receptora de 2 dBi, según el modelo de balance de enlace con reflexión en el suelo y horizonte radioeléctrico:

Condiciones	Umbral conservador −28.3 dB	Mejor −38.6 dB
Terreno abierto, antena a 2 m	6…8 km, horizonte 11 km	11…14 km, horizonte 11 km
Zona urbana densa, antena a 2 m	2…2.5 km	3.6…4.6 km

Tiempo hasta la detección: decisión sobre una tesela en 2.6 s, barrido completo de la banda de 100–1500 MHz en 21 s. Un mando recién encendido se encontrará como máximo en 24 s.

Para un mando de 1 W, nuestro alcance de detección de la señal ELRS en terreno abierto solo lo limita el horizonte radioeléctrico.

4. Por qué es un problema difícil

Un mando ELRS no tiene frecuencia fija. Su energía está dispersa en frecuencia por 40 canales y en el tiempo: el paquete es más corto que el intervalo entre saltos, y el resto del tiempo el canal calla. En el momento de la observación se desconocen el canal, la fase de los saltos, el modo y el factor de ensanchamiento SF6…SF9. La amplificación no ayuda aquí: el ruido crece junto con la señal. Resolvimos este problema con la estructura de la señal y la acumulación de evidencias: la rejilla de canales coincide con la rejilla de celdas del receptor, los saltos tienen una cadencia constante, el chirp LoRa se comprime mediante dechirp, y la evidencia se acumula de exposición en exposición hasta una decisión segura.

5. ELRS para el especialista

La rejilla FCC915 contiene 40 canales desde 903.5 MHz con paso de 600 kHz, un intervalo de 23.4 MHz. Modulación LoRa: chirp de 500 kHz de ancho, factores de ensanchamiento SF6…SF9. Los seis modos M0…M5 se diferencian por el intervalo de salto, de 10 a 80 ms, y por el factor de ensanchamiento; el paquete siempre es más corto que el intervalo.

El salto de frecuencia es determinista: un generador LCG a partir de la semilla define una secuencia de 256 posiciones, de las que se toman 240 como seis bloques de 40 canales, y el canal de sincronización 20 ocupa posiciones fijas. El espacio de semillas es $2^{31}$. Para un observador externo esto parece ráfagas cortas aleatorias en distintas frecuencias. Precisamente esta estructura es la que utiliza el escáner SOVA: 600 kHz por celda, la cadencia de los saltos, la forma del chirp y la persistencia de la evidencia en el tiempo.

6. Cómo lo hacemos

Hardware. La imagen de firmware del escáner lleva el índice interno A00. Placa PlutoSky R1: SoC Zynq XC7Z020-2 con procesador ARM Cortex-A9 y FPGA Artix-7, transceptor AD936x, 1 GB de memoria, Linux. Muestreo a 30.72 MHz, FFT de 2048 puntos, bin de 15 kHz, 48 celdas de 600 kHz por tesela de 28.8 MHz de ancho, 49 teselas en 100–1500 MHz. Exposición de barrido 5 ms, exposición de evidencia 40 ms. La FPGA calcula los espectros y acumula la energía de las celdas al ritmo del muestreo; el procesador toma las decisiones.

El método Attention. Cada celda se compara con su propia referencia $B$, la mediana de los 256 registros anteriores, y el factor común $g$ elimina los cambios de ganancia del receptor:

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

El umbral se fija en sigmas a partir de la separabilidad de diseño $d\prime =6$: $\theta =1.2d\prime \sigma$, para un solo registro 7.22σ. La decisión se apoya en tres evidencias independientes: el contraste local en ventanas de 1, 8 y 64 registros, la suma y el máximo sobre las exposiciones. Una tesela pasa por los estados QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK con tiempos de retención de 0.8 s, 5 s, 2 s y 60 s. Las ráfagas simultáneas en tres o más celdas no adyacentes en 100 ms el escáner las clasifica como interferencia, y las celdas con una proporción de registros calientes superior al 25 % como líneas permanentes, y excluye ambas de las decisiones. El modo DEEP añade el dechirp bajo una hipótesis de SF; el modo COARSE ofrece el mayor margen de sensibilidad durante el barrido.

7. Qué recibe el cliente

SOVA es hoy un escáner autónomo operativo que encuentra la señal del mando de un operador de dron 28…38 dB por debajo del ruido en una banda de 38.4 MHz, toma una decisión en 2.56 s y soporta un día entero de funcionamiento en el aire sin intervención humana. Por primera vez en el mundo se ha logrado tal resultado en una sola placa SDR, y cada número de este documento se ha obtenido mediante medición.