SOVA: 잡음 아래에 숨은 드론 조종자의 조종기 신호를 찾아내는 스캐너

1. SOVA란

SOVA는 SDR 보드 한 장으로 동작하는 자율 수신 시스템입니다. 100–1500 MHz 대역을 탐색하여 ExpressLRS(ELRS) 프로토콜을 사용하는 드론 조종자의 조종기 신호를 잡음 수준 아래에서 찾아내고, 운용자의 개입 없이 추적에 들어갑니다. 세계 최초로, 수신 채널이 하나뿐인 소형 보드 한 장에서 잡음 아래의 의사 랜덤 주파수 호핑 신호를 찾는 문제를 해결했습니다. 안테나에서 “표적 있음” 판정까지 2.56초가 걸립니다.

2. 주요 성과

SOVA는 38.4 MHz 대역에서 잡음보다 28.3 dB 및 30.0 dB 낮은 ELRS 조종기 신호를 20회 중 20회, 34.3 dB 낮은 신호를 20회 중 16회 찾아냅니다. 스캐너가 COARSE 모드에서 찾은 가장 약한 신호는 잡음보다 34.2…38.6 dB 낮으며(SF6 −34.2, SF7 −38.6, SF8 −37.8, SF9 −37.3 dB), 감도 한계에는 아직 도달하지 않았습니다. 스캐너는 “표적 있음” 판정을 2.56초 만에 내리고, 100–1500 MHz 전 대역 탐색에는 21초가 걸리며, 주파수 호핑을 하는 실제 드론 조종자의 조종기를 매 탐색 주기마다 실제 전파 환경에서 포착합니다.

3. 탐지 거리

ELRS 900 MHz 조종기, 출력 1 W, M5 모드(50 Hz, SF6, 903.5–926.9 MHz의 40개 채널에서 10 ms마다 주파수 호핑):

조건	보수적 임계값 −28.3 dB	최상 −34.2 dB
개활지, 안테나 높이 2 m	수평선까지, 11 km	수평선까지, 11 km
밀집 시가지, 안테나 높이 2 m	3.6…4.4 km	5.0…6.3 km

4. 조종자와 드론의 방향

SDR 2RX/2TX 구성에서 SOVA는 AD9361 트랜시버에 연결된 두 안테나 사이의 위상차로 조종자의 조종기 방향을 구합니다. 실제 전파 환경에서 ELRS 대역의 방위는 0.3°의 분산으로 재현됩니다. 이동 중인 드론에 대해서는 시간에 따른 방위 변화로 거리와 속도를 계산하며, 보정 후 목표 정확도는 2.5 km 거리에서 ±25 m(1 %), 최대 50 m/s 속도에서 ±3 m/s입니다. 단일 국은 신호 레벨로 조종기까지의 거리를 1.5배 이내의 정확도로 추정합니다. SOVA 두 국은 방위 교차로 조종자의 위치를 구하며, 2.5 km 거리에서 목표 정확도는 ±20…60 m입니다.

5. 왜 어려운 문제인가

ELRS 조종기에는 고정 주파수가 없습니다. 그 에너지는 주파수상으로 40개 채널에, 시간상으로도 흩어져 있습니다. 패킷은 호핑 간격보다 짧고, 나머지 시간에는 채널이 조용합니다. 관측 시점에는 채널, 호핑 위상, 모드, 확산 계수 SF6…SF9를 알 수 없습니다. 증폭은 도움이 되지 않습니다. 신호와 함께 잡음도 커지기 때문입니다. 우리는 신호의 구조와 증거 누적으로 이 문제를 해결했습니다. 채널 격자는 수신기의 셀 격자와 일치하고, 호핑은 일정한 주기를 가지며, LoRa 처프는 디처프로 압축되고, 증거는 노출마다 누적되어 확신 있는 판정에 이릅니다.

6. 전문가를 위한 ELRS

FCC915 격자는 903.5 MHz부터 600 kHz 간격으로 놓인 40개 채널로 이루어지며, 전체 폭은 23.4 MHz입니다. 변조 방식은 LoRa로, 처프 폭은 500 kHz, 확산 계수는 SF6…SF9입니다. 여섯 가지 모드 M0…M5는 호핑 간격(10 ms에서 80 ms까지)과 확산 계수가 서로 다르며, 패킷은 항상 간격보다 짧습니다.

주파수 호핑은 결정론적입니다. 시드로 초기화된 LCG 생성기가 256개 위치의 시퀀스를 만들고, 그중 240개를 40개 채널씩 여섯 블록으로 사용하며, 동기 채널 20은 고정된 위치에 놓입니다. 시드 공간은 $2^{31}$입니다. 외부 관찰자에게는 서로 다른 주파수에서 나타나는 무작위의 짧은 버스트처럼 보입니다. SOVA 스캐너가 이용하는 것이 바로 이 구조입니다. 셀당 600 kHz, 호핑 주기, 처프 형태, 그리고 시간에 따른 증거의 지속성입니다.

7. 구현 방법

하드웨어. 스캐너 펌웨어 이미지의 내부 인덱스는 A00입니다. 보드는 PlutoSky R1입니다. ARM Cortex-A9 프로세서와 Artix-7 FPGA를 갖춘 Zynq XC7Z020-2 SoC, AD936x 트랜시버, 1 GB 메모리, Linux로 구성됩니다. 샘플링 30.72 MHz, 2048포인트 FFT, 빈 15 kHz, 폭 28.8 MHz 구간마다 600 kHz 셀 48개, 100–1500 MHz에 걸쳐 49개 구간. 탐색 노출 5 ms, 증거 노출 40 ms. FPGA가 샘플링 속도로 스펙트럼을 계산하고 셀 에너지를 누적하며, 프로세서가 판정을 내립니다.

Attention 방법. 각 셀은 직전 256개 기록의 중앙값인 자체 기준 $B$와 비교되며, 공통 계수 $g$가 수신기 게인 변화를 제거합니다.

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

임계값은 설계 분리도 $d\prime =6$을 기준으로 시그마 단위로 정합니다: $\theta =1.2d\prime \sigma$, 기록 하나에 대해 7.22σ. 판정은 세 가지 독립 증거에 근거합니다. 1, 8, 64개 기록 윈도의 국소 대비, 그리고 노출에 걸친 합계와 최댓값입니다. 구간은 QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK 상태를 각각 0.8초, 5초, 2초, 60초의 유지 시간으로 거칩니다. 스캐너는 100 ms 이내에 인접하지 않은 셀 세 개 이상에서 동시에 나타나는 버스트를 간섭으로, 핫 기록 비율이 25 %를 넘는 셀을 지속 라인으로 분류하여 판정에서 제외합니다. DEEP 모드는 SF 가설에 따른 디처프를 추가하고, COARSE 모드는 탐색에서 가장 큰 감도 여유를 제공합니다.

8. 고객이 얻는 것

오늘의 SOVA는 38.4 MHz 대역에서 잡음보다 28…38 dB 낮은 드론 조종자의 조종기 신호를 찾아내고, 2.56초 만에 판정하며, 사람의 개입 없이 하루 종일 실제 전파 환경에서 동작하는 자율 스캐너입니다. 세계 최초로 이러한 결과를 SDR 보드 한 장에서 달성했으며, 이 문서의 모든 수치는 측정으로 얻은 것입니다.