SOVA : le scanner qui trouve le signal de la radiocommande d'un opérateur de drone sous le bruit

1. Ce que c'est

SOVA est un système de réception autonome sur une seule carte SDR. Il surveille la bande 100–1500 MHz, trouve le signal de la radiocommande d'un opérateur de drone utilisant le protocole ExpressLRS (ELRS) sous le niveau du bruit et le prend en poursuite sans aucune intervention d'un opérateur. Pour la première fois au monde, la recherche d'un signal à sauts de fréquence sous le bruit a été résolue sur une carte compacte dotée d'une seule voie de réception : de l'antenne à la décision « cible présente », il s'écoule 2.56 s.

2. Résultats clés

Les niveaux de sensibilité ont été mesurés sur banc avec un stimulus LoRa SF6…SF9 dans une cellule connue. Le fonctionnement avec une vraie radiocommande d'opérateur de drone a été vérifié en conditions réelles avec le saut de fréquence (FHSS) activé : le récepteur enregistre le signal de la radiocommande sur la tuile 915 MHz à chaque passage avec un rapport signal sur seuil de décision supérieur à 30, et accumule plus de 260 mille observations au cours d'une journée de session continue. Le seuil de décision est fixé d'après le taux de fausses alarmes calculé : dans la série de mesures, le seuil $r_{\mathit{MAX}}=1.1717$ correspond à une probabilité de fausse alarme de 1/101 par décision, tandis qu'en mode opérationnel le seuil en sigmas donne environ une fausse décision par heure sur toute la bande.

3. Portée de détection

Seuil de détection en décibels par rapport au bruit du récepteur dans une bande de 38.4 MHz : prudemment −28.3 dB, en mode COARSE jusqu'à −38.6 dB. Portée de détection calculée pour une radiocommande d'opérateur de 100 mW avec une antenne de 2 dBi, antenne de réception de 2 dBi, selon le modèle de bilan de liaison avec réflexion au sol et horizon radio :

Conditions	Seuil prudent −28.3 dB	Meilleur −38.6 dB
Terrain dégagé, antenne 2 m	6…8 km, horizon 11 km	11…14 km, horizon 11 km
Zone urbaine dense, antenne 2 m	2…2.5 km	3.6…4.6 km

Temps jusqu'à la détection : décision sur une tuile en 2.6 s, surveillance complète de la bande 100–1500 MHz en 21 s. Une radiocommande qui vient d'être allumée sera trouvée au plus tard en 24 s.

Pour une radiocommande de 1 W, notre portée de détection du signal ELRS en terrain dégagé n'est limitée que par l'horizon radio.

4. Pourquoi c'est un problème difficile

Une radiocommande ELRS n'a pas de fréquence fixe. Son énergie est dispersée en fréquence sur 40 canaux et dans le temps : un paquet est plus court que l'intervalle entre les sauts, et le reste du temps le canal est silencieux. Au moment de l'observation, le canal, la phase des sauts, le mode et le facteur d'étalement SF6…SF9 sont inconnus. L'amplification n'aide pas ici : le bruit croît avec le signal. Nous avons résolu ce problème par la structure du signal et l'accumulation de preuves : la grille des canaux coïncide avec la grille des cellules du récepteur, les sauts ont une cadence constante, le chirp LoRa est comprimé par déchirp, et la preuve s'accumule d'exposition en exposition jusqu'à une décision sûre.

5. ELRS pour le spécialiste

La grille FCC915 contient 40 canaux à partir de 903.5 MHz par pas de 600 kHz, soit une étendue de 23.4 MHz. Modulation LoRa : un chirp de 500 kHz de largeur, facteurs d'étalement SF6…SF9. Les six modes M0…M5 diffèrent par l'intervalle de saut, de 10 à 80 ms, et par le facteur d'étalement ; un paquet est toujours plus court que l'intervalle.

Le saut de fréquence est déterministe : un générateur LCG initialisé par la graine définit une séquence de 256 positions, dont 240 sont prises comme six blocs de 40 canaux, et le canal de synchronisation 20 occupe des positions fixes. L'espace des graines est $2^{31}$. Pour un observateur extérieur, cela ressemble à de courtes salves aléatoires sur différentes fréquences. C'est précisément cette structure que le scanner SOVA exploite : 600 kHz par cellule, la cadence des sauts, la forme du chirp et la persistance de la preuve dans le temps.

6. Comment nous le faisons

Matériel. L'image du micrologiciel du scanner porte l'indice interne A00. Carte PlutoSky R1 : SoC Zynq XC7Z020-2 avec processeur ARM Cortex-A9 et FPGA Artix-7, transceiver AD936x, 1 Go de mémoire, Linux. Échantillonnage à 30.72 MHz, FFT de 2048 points, bin de 15 kHz, 48 cellules de 600 kHz par tuile de 28.8 MHz de largeur, 49 tuiles sur 100–1500 MHz. Exposition de surveillance 5 ms, exposition de preuve 40 ms. Le FPGA calcule les spectres et accumule l'énergie des cellules au rythme de l'échantillonnage ; le processeur prend les décisions.

La méthode Attention. Chaque cellule est comparée à sa propre référence $B$, la médiane des 256 enregistrements précédents, tandis que le facteur commun $g$ élimine les variations du gain du récepteur :

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

Le seuil est fixé en sigmas d'après la séparabilité de conception $d\prime =6$ : $\theta =1.2d\prime \sigma$, soit 7.22σ pour un seul enregistrement. La décision s'appuie sur trois preuves indépendantes : le contraste local dans des fenêtres de 1, 8 et 64 enregistrements, la somme et le maximum sur les expositions. Une tuile passe par les états QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK avec des temps de maintien de 0.8 s, 5 s, 2 s et 60 s. Des salves simultanées dans trois cellules non adjacentes ou plus en 100 ms sont classées par le scanner comme brouillage, et les cellules dont la part d'enregistrements chauds dépasse 25 % comme lignes permanentes ; les unes et les autres sont exclues des décisions. Le mode DEEP ajoute le déchirp sous une hypothèse de SF ; le mode COARSE offre la plus grande marge de sensibilité lors de la surveillance.

7. Ce que le client obtient

SOVA est aujourd'hui un scanner autonome opérationnel qui trouve le signal de la radiocommande d'un opérateur de drone 28…38 dB sous le bruit dans une bande de 38.4 MHz, prend une décision en 2.56 s et tient une journée entière de fonctionnement en conditions réelles sans intervention humaine. Pour la première fois au monde, un tel résultat a été obtenu sur une seule carte SDR, et chaque nombre de ce document a été obtenu par la mesure.