SOVA: сканер, що знаходить сигнал пульта оператора дрона під шумом

1. Що це

SOVA — автономний приймальний комплекс на одній платі SDR. Він оглядає смугу 100–1500 МГц, знаходить сигнал пульта оператора дрона з протоколом ExpressLRS (ELRS) нижче рівня шуму і бере його на супроводження без участі оператора. Вперше у світі задачу пошуку сигналу з псевдовипадковою перебудовою частоти під шумом розвʼязано на одній компактній платі з одним приймальним каналом: від антени до рішення «ціль є» проходить 2.56 с.

2. Ключові досягнення

Досягнення	Виміряно
Комірку сигналу знайдено на −28.3 дБ відносно шуму у смузі 38.4 МГц, тобто −9.5 дБ у смузі чирпа 500 кГц	19 із 20 спроб за сирим максимумом, 20 із 20 за нормованим
Комірку знайдено на −30.0 дБ	20 із 20 за нормованим максимумом
Комірку знайдено на −34.3 дБ	16 із 20 за нормованим максимумом
Найслабші випробувані рівні в режимі COARSE, на яких сканер визначив комірку: SF6 −34.2, SF7 −38.6, SF8 −37.8, SF9 −37.3 дБ	межа детектора не досягнута, запас чутливості ще є
Рішення за 2.56 с: 64 експозиції по 40 мс	режим DEEP
Повний огляд 100–1500 МГц	21 с
Добова безперервна робота в ефірі на антені	понад 260 тисяч спостережень за сесію, реєстрація реального пульта оператора дрона на ділянці 915 МГц на кожному обході, постійні лінії виявлено і виключено з рішень

Рівні чутливості виміряно на стенді зі стимулом LoRa SF6…SF9 у відомій комірці. Роботу на реальному пульті оператора дрона перевірено в ефірі з увімкненою псевдовипадковою перебудовою частоти (ППРЧ): приймач реєструє сигнал пульта на ділянці 915 МГц на кожному обході з відношенням сигналу до порогу рішення понад 30, а за добу безперервної сесії накопичує понад 260 тисяч спостережень. Поріг рішення виставлено за розрахунковою частотою хибних тривог: у серії вимірів поріг $r_{MAX} = 1.1717$ відповідає імовірності хибної тривоги 1/101 на рішення, а в робочому режимі поріг у сигмах дає близько одного хибного рішення на годину на всій смузі.

3. Дальність виявлення

Поріг виявлення в децибелах відносно шуму приймача у смузі 38.4 МГц: консервативно −28.3 дБ, у режимі COARSE до −38.6 дБ. Розрахункова дальність виявлення пульта оператора потужністю 100 мВт з антеною 2 дБі, приймальна антена 2 дБі, за моделлю бюджету лінії з відбиттям від землі та радіогоризонтом:

Умови Консервативний поріг −28.3 дБ Найкращий −38.6 дБ

Відкрита місцевість, антена 2 м 6…8 км, горизонт 11 км 11…14 км, горизонт 11 км

Щільна забудова, антена 2 м 2…2.5 км 3.6…4.6 км

Час до виявлення: рішення по ділянці за 2.6 с, повний огляд смуги 100–1500 МГц за 21 с. Пульт, що щойно увімкнувся, буде знайдено не пізніше ніж за 24 с.

Для пульта потужністю 1 Вт дальність виявлення нами сигналу ELRS на відкритій місцевості обмежує лише радіогоризонт.

Умови	Консервативний поріг −28.3 дБ	Найкращий −38.6 дБ
Відкрита місцевість, антена 2 м	6…8 км, горизонт 11 км	11…14 км, горизонт 11 км
Щільна забудова, антена 2 м	2…2.5 км	3.6…4.6 км

4. Чому це складна задача

Пульт ELRS не має сталої частоти. Його енергія розсіяна за частотою по 40 каналах і за часом: пакет коротший за інтервал між стрибками, а решту часу канал мовчить. У момент спостереження невідомі канал, фаза стрибків, режим і коефіцієнт розширення SF6…SF9. Підсилення тут не допомагає: разом із сигналом росте шум. Ми розвʼязали цю задачу структурою сигналу і накопиченням доказів: сітка каналів збігається з сіткою комірок приймача, стрибки мають сталу каденцію, чирп LoRa стискається дечирпом, а доказ накопичується від експозиції до експозиції до впевненого рішення.

5. ELRS для спеціаліста

Сітка FCC915 містить 40 каналів від 903.5 МГц кроком 600 кГц, розмах 23.4 МГц. Модуляція LoRa: чирп шириною 500 кГц, коефіцієнти розширення SF6…SF9. Шість режимів M0…M5 відрізняються інтервалом стрибка від 10 до 80 мс і коефіцієнтом розширення; пакет завжди коротший за інтервал.

Перебудова частоти детермінована: генератор LCG від сіда задає послідовність із 256 позицій, з якої беруться 240 як шість блоків по 40 каналів, а синхроканал 20 стоїть на фіксованих позиціях. Простір сідів $2^{31}$ . Для стороннього спостерігача це виглядає як випадкові короткі сплески на різних частотах. Саме цю структуру сканер SOVA використовує: 600 кГц на комірку, каденцію стрибків, форму чирпа і стійкість доказу в часі.

6. Як ми це робимо

Апаратна частина. Образ прошивки сканера має внутрішній індекс A00. Плата PlutoSky R1: SoC Zynq XC7Z020-2 з процесором ARM Cortex-A9 і ПЛІС Artix-7, трансивер AD936x, 1 ГБ памʼяті, Linux. Дискретизація 30.72 МГц, FFT 2048 точок, бін 15 кГц, 48 комірок по 600 кГц на ділянку шириною 28.8 МГц, 49 ділянок на 100–1500 МГц. Експозиція огляду 5 мс, експозиція доказу 40 мс. ПЛІС обчислює спектри і накопичує енергію комірок у темпі дискретизації; процесор ухвалює рішення.

Метод Attention. Кожна комірка порівнюється з власною опорою $B$ , медіаною 256 попередніх записів, а спільний коефіцієнт $g$ знімає зміни підсилення приймача:

\tilde{z} = \frac{x / (gB) - 1}{\max (σ_{fa}, σ_{floor})}

Поріг виставлено в сигмах від розрахункової роздільності $d' = 6$ : $θ = 1.2 d' σ$ , для одного запису 7.22σ. Рішення спирається на три незалежні докази: локальний контраст у вікнах 1, 8 і 64 записів, суму і максимум по експозиціях. Ділянка проходить стани QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK з витримками 0.8 с, 5 с, 2 с і 60 с. Одночасні сплески у трьох і більше несусідніх комірках за 100 мс сканер класифікує як заваду, а комірки з часткою гарячих записів понад 25 % як постійні лінії, і виключає їх із рішень. Режим DEEP додає дечирп за гіпотезою SF; режим COARSE дає найбільший запас чутливості на огляді.

7. Що отримує замовник

SOVA сьогодні — це працюючий автономний сканер, який знаходить сигнал пульта оператора дрона на 28…38 дБ нижче шуму в смузі 38.4 МГц, ухвалює рішення за 2.56 с і витримує добову роботу в ефірі без втручання людини. Вперше у світі такий результат досягнуто на одній платі SDR, і кожне число в цьому документі отримано вимірюванням.