SOVA：在噪声之下发现无人机操作员遥控器信号的扫描仪

1. 这是什么

SOVA 是一套安装在单块 SDR 板上的自主接收系统。它巡视 100–1500 MHz 频段，在噪声电平之下发现采用 ExpressLRS（ELRS）协议的无人机操作员遥控器信号，并在无人参与的情况下对其进行跟踪。在世界上首次，于一块仅有单一接收通道的紧凑型板卡上解决了在噪声之下搜索跳频信号的问题：从天线到"目标存在"的判决仅需 2.56 s。

2. 关键成果

成果实测
在 38.4 MHz 带宽内相对噪声 −28.3 dB、即在 500 kHz 啁啾带宽内 −9.5 dB 的条件下找到信号单元按原始最大值 20 次中 19 次，按归一化最大值 20 次中 20 次
在 −30.0 dB 条件下找到单元按归一化最大值 20 次中 20 次
在 −34.3 dB 条件下找到单元按归一化最大值 20 次中 16 次
COARSE 模式下扫描仪仍能判定单元的最弱测试电平：SF6 −34.2、SF7 −38.6、SF8 −37.8、SF9 −37.3 dB未触及检测器极限，灵敏度仍有余量
判决耗时 2.56 s：64 次曝光，每次 40 msDEEP 模式
100–1500 MHz 全频段巡视21 s
接入天线连续整日空中运行每次会话超过 260 千次观测，每一轮巡视都在 915 MHz 区块登记到真实的无人机操作员遥控器，持续谱线被识别并排除出判决

灵敏度电平在测试台上以已知单元内的 LoRa SF6…SF9 激励测得。对真实无人机操作员遥控器的工作在空中、开启跳频（FHSS）的条件下得到验证：接收机在每一轮巡视中都于 915 MHz 区块登记到遥控器信号，信号与判决门限之比超过 30，连续会话一日内累计超过 260 千次观测。判决门限按计算的虚警率设定：在测量序列中，门限 rMAX=1.1717 对应每次判决 1/101 的虚警概率，而在工作模式下以 σ 计的门限在整个频段上约每小时产生一次错误判决。

3. 探测距离

相对接收机噪声、38.4 MHz 带宽内的探测门限：保守取 −28.3 dB，COARSE 模式下可达 −38.6 dB。对于 100 mW、天线 2 dBi 的操作员遥控器，接收天线 2 dBi，按含地面反射与无线电视距的链路预算模型计算的探测距离：

条件保守门限 −28.3 dB最佳 −38.6 dB
开阔地，天线 2 m6…8 km，视距 11 km11…14 km，视距 11 km
密集城区，天线 2 m2…2.5 km3.6…4.6 km

探测时间：单个区块的判决 2.6 s，100–1500 MHz 全频段巡视 21 s。刚开机的遥控器最迟在 24 s 内被发现。

对于 1 W 的遥控器，我们在开阔地对 ELRS 信号的探测距离仅受无线电视距限制。

4. 为什么这是一项难题

ELRS 遥控器没有固定频率。它的能量在频率上分散于 40 个信道，在时间上也是分散的：数据包短于跳频间隔，其余时间信道保持静默。在观测时刻，信道、跳频相位、模式以及扩频因子 SF6…SF9 均为未知。放大在此无济于事：噪声随信号一同增长。我们依靠信号结构与证据累积解决了这一问题：信道栅格与接收机的单元栅格重合，跳频具有恒定节奏，LoRa 啁啾经解啁啾压缩，证据则逐次曝光累积，直至做出可靠判决。

5. 面向专业人员的 ELRS

FCC915 栅格包含自 903.5 MHz 起、步进 600 kHz 的 40 个信道，跨度 23.4 MHz。LoRa 调制：宽度 500 kHz 的啁啾，扩频因子 SF6…SF9。六种模式 M0…M5 的区别在于 10 至 80 ms 的跳频间隔和扩频因子；数据包始终短于间隔。

跳频是确定性的：由种子驱动的 LCG 生成器给出 256 个位置的序列，其中取 240 个组成六个各含 40 个信道的块，同步信道 20 位于固定位置。种子空间为 231。在外部观察者看来，这像是不同频率上的随机短促突发。SOVA 扫描仪正是利用这一结构：每单元 600 kHz、跳频节奏、啁啾形状以及证据在时间上的持续性。

6. 我们如何做到

硬件。 扫描仪固件镜像带有内部编号 A00。PlutoSky R1 板卡：Zynq XC7Z020-2 SoC，含 ARM Cortex-A9 处理器与 Artix-7 FPGA，AD936x 收发器，1 GB 内存，Linux。采样率 30.72 MHz，2048 点 FFT，频点 15 kHz，每个 28.8 MHz 宽的区块含 48 个 600 kHz 单元，100–1500 MHz 共 49 个区块。巡视曝光 5 ms，证据曝光 40 ms。FPGA 以采样速率计算频谱并累积单元能量；处理器做出判决。

Attention 方法。 每个单元与自身的参考 B 比较，即前 256 条记录的中位数，公共系数 g 消除接收机增益的变化：

z˜=x/(gB)−1max⁡(σfa,σfloor)

门限按设计可分性 d′=6 以 σ 为单位设定：θ=1.2d′σ，对单条记录为 7.22σ。判决依据三项独立证据：1、8 和 64 条记录窗口内的局部对比度、各次曝光的总和与最大值。区块依次经历 QUIET → SUSPECT → CONFIRM → TRACK 状态，保持时间分别为 0.8 s、5 s、2 s 和 60 s。100 ms 内三个或更多非相邻单元同时突发，扫描仪判为干扰；热记录占比超过 25 % 的单元判为持续谱线；两者均被排除出判决。DEEP 模式在 SF 假设下增加解啁啾；COARSE 模式在巡视中提供最大的灵敏度余量。

7. 客户获得什么

今天的 SOVA 是一台可工作的自主扫描仪，能在 38.4 MHz 带宽内于噪声之下 28…38 dB 发现无人机操作员的遥控器信号，在 2.56 s 内做出判决，并在无人干预下承受整日的空中运行。这一成果在世界上首次于单块 SDR 板上实现，本文件中的每一个数字均来自实测。