SOVA：雑音の下にあるドローン操縦者の送信機信号を見つけ出すスキャナー

1. これは何か

SOVA は 一枚の SDR ボード上で動作する自律型受信システムです。100–1500 MHz の帯域を監視し、ExpressLRS（ELRS）プロトコルを用いるドローン操縦者の送信機信号を雑音レベル以下で発見し、人の操作なしに追尾に移行します。世界で初めて、受信チャネルが一つしかない小型ボード一枚で、雑音の下にある周波数ホッピング信号の探索を解決しました。アンテナから「目標あり」の判定までに要する時間は 2.56 s です。

2. 主要な成果

感度レベルは、既知のセル内に LoRa SF6…SF9 の刺激信号を与えた試験台で測定しました。実際のドローン操縦者送信機での動作は、周波数ホッピング（FHSS）を有効にした実環境で検証しました。受信機は毎回の巡回で 915 MHz タイル上に送信機信号を記録し、信号と判定しきい値の比は 30 を超え、連続セッション一日で 260 千回を超える観測を蓄積します。判定しきい値は計算上の誤警報率から設定しています。測定系列ではしきい値 $r_{\mathit{MAX}}=1.1717$ が判定一回あたり 1/101 の誤警報確率に相当し、運用モードでは σ 単位のしきい値により全帯域でおよそ一時間に一回の誤判定となります。

3. 探知距離

38.4 MHz 帯域の受信機雑音に対する探知しきい値：保守的に −28.3 dB、COARSE モードでは −38.6 dB まで。出力 100 mW、アンテナ 2 dBi の操縦者送信機に対し、受信アンテナ 2 dBi、地面反射と電波見通し距離を含むリンクバジェットモデルで計算した探知距離：

条件	保守的しきい値 −28.3 dB	最良 −38.6 dB
開けた地形、アンテナ高 2 m	6…8 km、見通し 11 km	11…14 km、見通し 11 km
密集市街地、アンテナ高 2 m	2…2.5 km	3.6…4.6 km

探知までの時間：一タイルの判定に 2.6 s、100–1500 MHz 帯域の全監視に 21 s。電源を入れたばかりの送信機は、遅くとも 24 s 以内に発見されます。

出力 1 W の送信機に対しては、開けた地形での当方の ELRS 信号探知距離を制限するのは電波見通し距離のみです。

4. なぜこれが難しい課題なのか

ELRS 送信機には固定周波数がありません。そのエネルギーは周波数方向に 40 チャネルへ、時間方向にも分散しています。パケットはホップ間隔より短く、残りの時間チャネルは沈黙します。観測の瞬間には、チャネル、ホップ位相、モード、拡散率 SF6…SF9 のいずれも未知です。増幅は役に立ちません。信号とともに雑音も増えるからです。私たちはこの課題を、信号の構造と証拠の蓄積によって解決しました。チャネル格子は受信機のセル格子と一致し、ホップには一定のケイデンスがあり、LoRa チャープはデチャープで圧縮され、証拠は露光ごとに蓄積されて確実な判定に至ります。

5. 専門家のための ELRS

FCC915 格子は 903.5 MHz から 600 kHz 刻みの 40 チャネルを含み、幅は 23.4 MHz です。LoRa 変調：幅 500 kHz のチャープ、拡散率 SF6…SF9。六つのモード M0…M5 は 10 から 80 ms のホップ間隔と拡散率が異なり、パケットは常に間隔より短くなります。

周波数ホッピングは決定論的です。シードから駆動される LCG 生成器が 256 位置の系列を定め、そのうち 240 を 40 チャネルずつの六ブロックとして用い、同期チャネル 20 は固定位置に置かれます。シード空間は $2^{31}$ です。外部の観測者には、これはさまざまな周波数上のランダムな短いバーストに見えます。SOVA スキャナーが利用するのはまさにこの構造です。セルあたり 600 kHz、ホップのケイデンス、チャープの形状、そして時間方向の証拠の持続性です。

6. どのように実現しているか

ハードウェア。 スキャナーのファームウェアイメージは内部番号 A00 を持ちます。PlutoSky R1 ボード：ARM Cortex-A9 プロセッサと Artix-7 FPGA を備えた Zynq XC7Z020-2 SoC、AD936x トランシーバー、1 GB メモリ、Linux。サンプリング 30.72 MHz、2048 点 FFT、ビン 15 kHz、幅 28.8 MHz のタイルごとに 600 kHz のセルを 48 個、100–1500 MHz に 49 タイル。監視露光 5 ms、証拠露光 40 ms。FPGA はサンプリング速度でスペクトルを計算しセルのエネルギーを蓄積し、プロセッサが判定を下します。

Attention 法。 各セルは、直前 256 記録の中央値である自身の基準 $B$ と比較され、共通係数 $g$ が受信機の利得変動を取り除きます。

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

しきい値は設計分離度 $d\prime =6$ から σ 単位で設定します。$\theta =1.2d\prime \sigma$、単一記録では 7.22σ です。判定は三つの独立した証拠に基づきます。1、8、64 記録の窓における局所コントラスト、露光にわたる和、そして最大値です。タイルは QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK の状態を、保持時間 0.8 s、5 s、2 s、60 s で遷移します。100 ms 以内に隣接しない三つ以上のセルで同時に生じるバーストをスキャナーは妨害として分類し、ホット記録の割合が 25 % を超えるセルを定常線として分類し、いずれも判定から除外します。DEEP モードは SF 仮説の下でデチャープを追加し、COARSE モードは監視時に最大の感度余裕をもたらします。

7. お客様が得るもの

今日の SOVA は、38.4 MHz 帯域の雑音より 28…38 dB 低いドローン操縦者の送信機信号を発見し、2.56 s で判定を下し、人の介入なしに丸一日の実環境稼働に耐える、実動する自律型スキャナーです。このような成果は世界で初めて一枚の SDR ボード上で達成され、本書のすべての数値は測定によって得られたものです。