Valkoinen kirja miehittämättömien ilma-alusten häiriöteknologiasta VCO DDS- ja SDR-teknologian pohjalta (1)

Yleiskatsaus

Viime vuosina drooniteollisuus on kehittynyt nopeasti, ja droonien käyttö on yleistynyt, ja droonien määrä on myös kasvanut vuosi vuodelta. Samaan aikaan droonit aiheuttavat kuitenkin myös vakavia turvallisuusuhkia yhteiskunnan eri osille. Viime vuosina droonien iskuja ja hyökkäyksiä kriittiseen infrastruktuuriin on esiintynyt usein, ja tehokkaalle toimille on kiireellisesti tarvetta.Droonilaskurimittaustekniikka. Droonien vastatoimiin on useita yleisiä tekniikoita, mukaan lukien:

• Langattoman signaalin häiriötekniikka: Lähettämällä häiritseviä radiotaajuussignaaleja se häiritsee miehittämättömien ilma-alusten langattomia signaaleja, kuten kaukosäädintä, kuvansiirtoa, navigointia jne., ja pyrkii siten ajamaan droneja pois, häiritsemään niitä tai pakottamaan ne laskeutumaan.
• Langattoman signaalin harhautustekniikka: Lähettämällä harhaanjohtavia langattomia signaaleja droneille droonit voivat saada virheellistä tietoa ja siten kaapata droneja. Langattoman signaalin harhautustekniikoita on kahta päätyyppiä: paikannussignaalin harhautus ja kaukosäätimen signaalin kaappaus.
• Suunnatun energian tuhoamistekniikka: Lähettämällä korkeaenergisiä laser- tai sähkömagneettisia signaaleja se tuhoaa fyysisesti miehittämättömiä ilma-aluksia pääasiassa kahdella teknisellä tavalla: lasertuhoamalla ja korkeaenergisellä mikroaaltotuhoamalla.
• Fyysinen vahinko/kaappausteknologia: Hyökkääviä droneja voidaan vahingoittaa fyysisesti ampumalla luoteja, risteilyohjuksia tai törmäämällä droneihin tai ampumalla sieppausverkkoja hyökkäävien dronejen kaappaamiseksi.

Tämä artikkeli käsittelee pääasiassa langattoman signaalin häiriötekniikkaa.

UAV-viestintäprotokolla

Droonit käyttävät yleensä seuraavia neljää radiosignaalityyppiä:

Kuva 1. Miehittämättömän ilma-aluksen tyypillinen langattoman signaalin kaavio

1. Kaukosäädin：KaukosäädinCthentrthel：Ohjeiden lähettäminen käyttäjältä dronelle kauko-ohjaussignaalien kautta, jolloin drone voi suorittaa vastaavia lentotoimintoja;
2. Sisäänminädjathetarttuminen：Droonikameran kuvaama videosignaali lähetetään takaisin kaukosäätimeen, ja käyttäjä ohjaa droonia lähetetyn kuvasignaalin perusteella valitakseen sopivan lentoreitin ja välttääkseen esteisiin osumisen;

Nasisäänminägatminäthen:Droonit vastaanottavat paikannussignaaleja navigointisatelliiteilta omaa paikannustaan ​​varten

Havaittuihin navigointisignaaleihin kuuluvat GPS, Beidou, GLONASS jne., ja toimivat taajuuskaistat jakautuvat pääasiassa 1,2 GHz:n ja 1,6 GHz:n välille.

3. Tjaljamjatrja：Käytetään telemetriatietojen, kuten droonien sijainnin, jakamiseen, jotka kaukosäädin ja lähellä olevat valvonta-asemat vastaanottavat.

Näistä kaukosäätimen signaalit ja kuvapalautesignaalit ovat radiotaajuushäiriöiden torjuntatoimien pääasiallisia kohteita, ja joissakin tapauksissa ne voivat myös häiritä navigointi- ja paikannussignaaleja. Kaukosäätimen signaalien häiritessä drone ei voi vastaanottaa ohjeita käyttäjältä ja se suorittaa leijunta- tai paluuliikkeitä. Kuvapalautesignaalin häiritessä kaukosäädin ei voi näyttää dronen näkemää kuvaa, mikä voi aiheuttaa dronen hallinnan menettämisen. Sekä kaukosäätimen että navigoinnin paikannussignaalien häiritessä drone ei voi saada tarkkoja paikannustietoja ja laskeutuu suoraan luottaen ultraääniantureihin välttääkseen kosketusta maahan ja leijuen tietyllä korkeudella maanpinnan yläpuolella.

Seuraavassa taulukossa on lueteltu joitakin yleisiä dronejen kauko-ohjaus- ja kuvansiirtoprotokollia. Vahvat valmistajat, kuten DJI ja AUTEL, ovat kehittäneet erillisiä kauko-ohjauksen kuvansiirtoprotokollia, joista DJI:n OcuSync ja LightBridge ovat yleisimmät ja toimivat parhaiten. Valmistajat, joilla ei ole itse kehitettyjä kauko-ohjauksen kuvansiirtoprotokollia, valitsevat yleensä Wi-Fi-protokollan. Tee-se-itse-FPV-laitteissa ELRS-protokollasta ja TBSCrossFiresta on tullut varsinaisia ​​standardeja.

 OFDM teknologian esittely

LightBridge, OcuSync、SkyLinkprotokolla jaWi-Fi, tFyysisen kerroksen koodaustekniikka käyttää OFDM-tekniikkaa. Tässä osiossa esitellään lyhyesti OFDM-tekniikka.

OFDMtTeknologia on monikantoaaltomodulaatiomultipleksointitekniikka, jossa käytetään useita alikantoaaltoja datan samanaikaiseen lähettämiseen, ja kunkin alikantoaallon välillä on yhtä suuret taajuusvälit. Vaikka vierekkäisten alikantoaaltojen välillä on jonkin verran spektrin päällekkäisyyttä, ne ovat ortogonaalisia toisiinsa nähden, joten kunkin alikantoaallon lähettämät signaalit eivät vaikuta toisiinsa. Tämä mahdollistaa datainformaation lähettämisen samanaikaisesti useilla alikantoaalloilla.

OFDMteknologia perustuu yleensä digitaaliseen signaalinkäsittelytekniikkaan, ja erityinen toteutusprosessi on seuraava: moduloitava datalähde allokoidaan N alikantoaallolle, jokainen alikantoaalto IQ-moduloidaan ja sitten N alikantoaallon IQ-moduloitu data altistetaan IFFT-käänteiselle Fourier-muunnokselle OFDM-symbolin aika-alueen IQ-datan saamiseksi.

Kuva 2 Yleiskatsaus OFDM-modulaatiotekniikan periaatteeseen

Täydellinen OFDM-kehys sisältää yleensä useita OFDM-symboleja, ja OFDM-symbolien kesto on alikantoaaltojen välistyksen käänteisluku. Esimerkiksi, kun alikantoaaltojen välinen etäisyys on 15 kHz, OFDM-symbolin pituus on 66,67 us. Kunkin OFDM-symbolin alkuun lisätään lyhyempi syklinen etuliite (CP). CP:n sisältö on kopio OFDM-symbolin lopun sisällöstä. CP:n laajentamisen tarkoituksena on estää dispersiosta johtuva symbolien välinen interferenssi.

Kuva 3 OFDM-symbolit ja alikantoaallot

OFDMMultipleksointitekniikan spektrin käyttöaste on erittäin korkea. Taajuusalueella OFDM-signaalit koostuvat useista alikantoaalloista, ja kunkin alikantoaallon energian allokointi on suhteellisen tasainen, joten OFDM-signaalien spektri on lähellä tasaista suoraa viivaa. Aika-alueella OFDM-signaalit koostuvat useista symboleista, joilla kullakin on kiinteä pituus.

Kuva 4 OFDM-symbolit ja alikantoaallot

 DjiLIGHTBRIDGE/OCUSYNC Protokolla

DjiValosiltajaOcuSyncprotokollat ​​ovat teknisiä vertailukohtia siviilikuvan lähetyksen kaukosäätöprotokollille. LightBridge-protokolla kehitettiin aiemmin ja sitä sovelletaan malleihin, kuten Phantom 3 ja Inspire. OcuSync-protokolla kehitettiin suhteellisen myöhään ja sitä sovelletaan malleihin, kuten Phantom 4, Mavic-sarja, Air-sarja jne. OcuSync-protokollaa on päivitetty iteratiivisesti, ja sen uusin versio on OcuSync 4.0. OcuSync 4.0 -protokollalla on vahva lähetysteho ja häiriönsietokyky.

Kuva 5. DJI OcuSync -protokollan aikataajuuskaavio

Valosilta&OcuSyncProtokollan fyysinen kerros perustuu OFDM-koodaustekniikkaan, mutta OFDM-koodauksen eri parametrit ovat erilaisia. LightBridge-protokolla käyttää WiMAXin kaltaista fyysistä kerrosta, jonka alikantoaaltojen välinen etäisyys on 10,9375 kHz. Alalinkki käyttää 864 alikantoaaltoa, jotka käyttävät noin 9,46 MHz:n kaistanleveyttä. OcuSync-protokolla käyttää LTE:n kaltaista fyysistä kerrosta, jonka alikantoaaltojen välinen etäisyys on 15 kHz. 10 megatavun kaistanleveyden alalinkki käyttää 600 alikantoaaltoa, jotka käyttävät noin 9,02 MHz:n kaistanleveyttä, kun taas 20 megatavun kaistanleveyden alalinkki käyttää 1200 alikantoaaltoa, jotka käyttävät noin 18,02 MHz:n kaistanleveyttä.

 SKYLINK Protokolla

Skylink-protokolla on myös yleinen kuvansiirtoon tarkoitettu etäohjausprotokolla. Skylink-protokollaa käytetään laajalti Dao Tong EVO -sarjan droneissa.

Skylink-protokollan fyysinen kerros perustuu myös OFDM-tekniikkaan, ja se käyttää noin 10 MHz:n kaistanleveyttä ja 15 kHz:n alikantoaaltojen välistystä.

Kuva 6 SkyLink-protokollan aikataajuuskaavio

 Skylink-protokolla käyttää LTE:n kaltaista fyysistä kerrosta, jonka alikantoaaltojen väli on 15 kHz.

 Alalinkki (kuvan lähetyssignaali) käyttää 600 alikantoaaltoa, jotka vievät noin 9,02 MHz:n kaistanleveyden, ja ylälinkki (kaukosäätimen signaali) käyttää 72 alikantoaaltoa, jotka vievät noin 1,1 MHz:n kaistanleveyden.

 Wi-Fi protokolla

Wi-Fi-viestintätekniikka on erittäin suosittua kulutuselektroniikassa, ja monet siviilikäyttöön tarkoitetut miehittämättömät ilma-alukset käyttävät Wi-Fiä.-Fi-protokolla tra:llenimeä asiaote-ohjaussignaalit ja kuvan takaisinkytkentäsignaalit. Wi-Fi-tiedonsiirtoprotokolla on kokenut vuosien teknisen kehityksen. Varhaisen Wi-Fi:n lisäksi-Fi 1 käyttää DSSS-hajaspektriä, seuraava Wi-Fi OFDM-tekniikkaa erilaisilla teknisillä parametreilla, kuten kaistanleveydellä.

Wi-Fi standardi	Wi-Fi versio	Vakiojulkaisu	Työtaajuus	Fyysisen kerroksen uudelleenkäyttötekniikka	Tilavirtausten lukumäärä	SISÄÄNide-band-kanava	Dnuo hinnat
802.11	Wi-Fi1	1997	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	2 Mbps
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4 GHz	DSSS	1	20 MHz	11 Mbps
802.11a	Wi-Fi2	1999	5 GHz	OFDM	1	20 MHz	54 Mbps
802.11g	Wi-Fi3	2003	2,4 GHz	OFDM	1	20 MHz	54 Mbps
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4 GHz, 5 GHz	MIMO-OFDM	Jopa4	20/40 MHz	Jopa 600 Mbps
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5 GHz	MIMO-OFDM	Jopa8	20/40/80/160 MHz	Jopa 3,47 Gbps
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA, MU-MIMO	Jopa8	20/40/80/160 MHz	Jopa 9,6 Gbps
802.11be	Wi-Fi 7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA, MU-MIMO	8	20/40/80/160/320 MHz	Jopa 23 Gbps

Wi-Fi-Droonien alalla käytetty Wi-Fi on yleensä 802.11n tai 802.11ac, koska Wi-Fi-Näiden kahden standardin Fi-sirut ovat erittäin kypsiä. Esimerkiksi 802.11n:ssä on yleensä kaksi kaistanleveystilaa

Standardit ovat hyvin kypsiä. Esimerkiksi 802.11n-standardissa on yleensä kaksi kaistanleveystilaa, 20M ja 40M, joiden alikantoaaltojen välinen etäisyys on 312,5 kHz. 20M-tilassa on 56 alikantoaaltoa ja todellinen käytössä oleva kaistanleveys on noin 17,8 MHz. 40M-tilassa on 114 alikantoaaltoa ja todellinen käytössä oleva kaistanleveys on noin 35,9 MHz.

Kuva 7. Wi:n aikataajuusdiagrammi-Ole protokolla

 FPV-video ProtokollaELRS/TBS

FPV:n kauko-ohjausprotokolla ja kuvansiirtoprotokolla ovat erillisiä. Kauko-ohjausprotokolla käyttää yleensä ELRS- tai TBS Crossfire -protokollaa, kun taas kuvansiirtoprotokollaa simuloidaan yleensä pienemmän latenssin saavuttamiseksi.

ELRS, joka tunnetaan myös nimellä ExpressLRS, on avoimen lähdekoodin etäohjausprotokolla, joka tarjoaa erittäin pienen latenssin ja pidemmät etäohjausetäisyydet. ELRS:n fyysinen kerros käyttää LoRA-protokollaa ja se on toteutettu SEMTECHin SX127x/SX1280-sirujen pohjalta. ELRS käyttää taajuushyppelyä ja hajaspektritekniikkaa, joilla voidaan saavuttaa vahva häiriönestokyky. ELRS:n hajaspektri perustuu chirp (lineaarinen taajuusmodulaatio) -hajaspektritekniikkaan. Mitä suurempi hajautuskerroin, sitä suurempi on hajautusvahvistus, herkkyys ja lähetysnopeus. ELRS:n hajautuskaistanleveys on 500 kHz, ja hajautuskerroin valitaan yleensä SF6:sta SF9:ään. TBS Crossfiren fyysisen kerroksen koodaus on samanlainen kuin ELRS:n, molemmat käyttävät chirp (lineaarinen taajuusmodulaatio) -hajaspektritekniikkaa, mutta hajaspektrin kaistanleveys on vain 250 kHz.

leviämiskerroin	Hajaspektrikoodin pituus	Sleviämisvahvistus()dB)
SF6	64	5
SF7	128	7.5
SF8	256	10
SF9	512	12.5
SF10	1024	15
SF11	2048	17.5
SF12	4096	20

Kuva 8 ELRS-protokollan aikataajuuskaavio