Biała księga na temat technologii zakłóceń bezzałogowych statków powietrznych opartej na technologii VCO DDS i SDR (1)

Przegląd

W ostatnich latach przemysł dronów rozwijał się szybko, a zastosowanie dronów stało się coraz bardziej powszechne, a liczba dronów również wykazuje tendencję wzrostową z roku na rok. Jednak w tym samym czasie drony stanowią również poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa w różnych miejscach w społeczeństwie. W ostatnich latach incydenty dronów uderzających i atakujących krytyczną infrastrukturę zdarzały się często, a istnieje pilna potrzeba skutecznej technologii przeciwdziałania dronom. Istnieje kilka powszechnych technik przeciwdziałania dronom, w tym:

• Technologia zakłóceń sygnału bezprzewodowego: Poprzez przesyłanie sygnałów zakłócających o częstotliwości radiowej, technologia zakłóca sygnały bezprzewodowe, takie jak zdalne sterowanie, transmisja obrazu, nawigacja itp. bezzałogowych statków powietrznych, aby osiągnąć cel odjechania, zakłócenia lub wymuszenia lądowania drona.
• Technologia oszukiwania sygnału bezprzewodowego: Poprzez przesyłanie oszukańczych sygnałów bezprzewodowych do dronów, drony mogą uzyskać nieprawidłowe informacje, osiągając w ten sposób cel porwania dronów. Istnieją dwa główne typy technik oszukiwania sygnału bezprzewodowego: oszukiwanie sygnału lokalizacji i przechwytywanie sygnału zdalnego sterowania.
• Technologia niszczenia energią kierowaną: Poprzez emisję laserów o dużej energii lub sygnałów elektromagnetycznych, technologia ta fizycznie niszczy bezzałogowe statki powietrzne, głównie na dwa sposoby: niszczenie laserowe i niszczenie za pomocą mikrofal o dużej energii.
• Technologia fizycznego uszkadzania/przechwytywania: Poprzez wystrzeliwanie pocisków, pocisków manewrujących lub zderzenia z dronami można fizycznie uszkadzać drony atakujące lub wystrzeliwać sieci przechwytujące w celu ich schwytania.

W tym artykule omówiono głównie technologię zakłóceń sygnału bezprzewodowego.

Protokół komunikacji bezzałogowego statku powietrznego

Drony zazwyczaj wykorzystują następujące cztery typy sygnałów radiowych:

Rysunek 1 Typowy schemat sygnału bezprzewodowego bezzałogowego statku powietrznego

1. RC: ZdalnyCtenNTRtenja：Przesyłanie instrukcji od operatora do drona za pomocą sygnałów zdalnego sterowania, umożliwiając dronowi wykonywanie odpowiednich czynności lotu;
2. WIDItenprzenoszenie：Sygnał wideo przechwytywany przez kamerę drona jest przesyłany z powrotem do pilota, a operator steruje dronem na podstawie przesłanego sygnału obrazu, aby wybrać odpowiednią trasę lotu i uniknąć zderzenia z przeszkodami;

NAWIGATItenN:Drony odbierają sygnały pozycjonujące z satelitów nawigacyjnych w celu ustalenia własnego położenia

Odbierane sygnały nawigacyjne obejmują GPS, Beidou, GLONASS itp., a pasma częstotliwości roboczych rozkładają się głównie wokół 1,2 GHz i 1,6 GHz.

3. TIjaIMITRI：Służy do dystrybucji danych telemetrycznych, np. lokalizacji dronów, które będą odbierane przez zdalne sterowanie i pobliskie stacje monitorujące.

Wśród nich sygnały zdalnego sterowania i sygnały sprzężenia zwrotnego obrazu są głównymi celami przeciwdziałania zakłóceniom częstotliwości radiowej, a w niektórych przypadkach mogą również zakłócać sygnały nawigacyjne i pozycjonujące. Podczas zakłócania sygnałów zdalnego sterowania dron nie może odbierać instrukcji od operatora i będzie wykonywał czynności zawisu lub powrotu; Podczas zakłócania sygnału sprzężenia zwrotnego obrazu pilot nie może wyświetlać obrazu widzianego przez drona, co może spowodować utratę kontroli nad dronem; Podczas zakłócania zarówno sygnałów zdalnego sterowania, jak i sygnałów pozycjonowania nawigacji dron nie może uzyskać dokładnych informacji o położeniu i ląduje bezpośrednio, polegając na czujnikach ultradźwiękowych, aby uniknąć dotknięcia ziemi i zawisu na określonej wysokości nad ziemią.

W poniższej tabeli wymieniono kilka popularnych protokołów zdalnego sterowania dronami i transmisji obrazu. Silni producenci, tacy jak DJI i AUTEL, opracowali dedykowane protokoły zdalnego sterowania, wśród których OcuSync i LightBridge firmy DJI są najpopularniejsze i działają najlepiej. Producenci, którzy nie mają samodzielnie opracowanych protokołów zdalnego sterowania, zazwyczaj wybierają protokół Wi-Fi. W przypadku samodzielnie zbudowanych FPV protokół ELRS i TBSCrossFire stały się rzeczywistymi standardami.

 OFDM Wprowadzenie do technologii

LightBridge i OcuSync,Linki SkyLinkprotokół iWi-Fi, TTechnologia kodowania jej warstwy fizycznej przyjmuje technologię OFDM. Ta sekcja pokrótce przedstawi technologię OFDM.

OFDMTechnology to technika multipleksowania modulacji wielonośnej, która wykorzystuje wiele podnośnych do jednoczesnego przesyłania danych, z równymi odstępami częstotliwości między każdą podnośną. Chociaż występuje pewne nakładanie się widmowe między sąsiednimi podnośnymi, są one ortogonalne względem siebie, więc sygnały przesyłane przez każdą podnośną nie wpływają na siebie nawzajem. Umożliwia to jednoczesne przesyłanie informacji o danych na wielu podnośnych.

OFDMTechnologia ta zwykle opiera się na technologii przetwarzania sygnału cyfrowego, a konkretny proces implementacji wygląda następująco: źródło danych, które ma zostać zmodulowane, jest przydzielane do N podnośnych, każda podnośna jest modulowana IQ, a następnie dane zmodulowane IQ N podnośnych są poddawane odwrotnej transformacji Fouriera IFFT w celu uzyskania danych IQ w dziedzinie czasu symbolu OFDM.

Rysunek 2 Przegląd zasad technologii modulacji OFDM

Kompletna ramka OFDM zwykle zawiera kilka symboli OFDM, a czas trwania symboli OFDM jest odwrotnością odstępu między podnośnymi. Na przykład, gdy odstęp między podnośnymi wynosi 15 kHz, długość symbolu OFDM wynosi 66,67 μs. Na początku każdego symbolu OFDM, krótszy prefiks cykliczny (CP) jest rozszerzany i wstawiany. Zawartość CP jest kopią zawartości na końcu symbolu OFDM. Celem rozszerzenia CP jest przeciwstawienie się interferencji między symbolami spowodowanej przez dyspersję.

Rysunek 3 Symbole i podnośne OFDM

OFDMefektywność wykorzystania widma technologii multipleksowania jest bardzo wysoka. W dziedzinie częstotliwości sygnały OFDM składają się z wielu podnośnych, a przydział energii każdej podnośnej jest stosunkowo równomierny, więc widmo sygnałów OFDM jest zbliżone do płaskiej linii prostej. W dziedzinie czasu sygnały OFDM składają się z kilku symboli, z których każdy ma ustaloną długość.

Rysunek 4 Symbole i podnośne OFDM

 DJILIGHTBRIDGE/OCUSYNC Protokół

DJILekki mostIOcuSyncprotokoły są technicznymi punktami odniesienia dla cywilnych protokołów zdalnego sterowania transmisją obrazu, przy czym protokół LightBridge został opracowany wcześniej i zastosowany w modelach takich jak Phantom 3 i Inspire; protokół OcuSync został opracowany stosunkowo późno i jest stosowany w modelach takich jak Phantom 4, seria Mavic, seria Air itp. Protokół OcuSync był aktualizowany iteracyjnie, a jego najnowszą wersją jest OcuSync 4.0. Protokół OcuSync 4.0 ma silną wydajność transmisji i zdolność przeciwzakłóceniową.

Rysunek 5. Diagram częstotliwości czasowej protokołu DJI OcuSync

Lekki most&OcuSyncwarstwa fizyczna protokołu opiera się na technologii kodowania OFDM, ale różne parametry kodowania OFDM są różne. Protokół LightBridge używa warstwy fizycznej podobnej do WiMAX, z odstępem między podnośnymi wynoszącym 10,9375 kHz. Downlink używa 864 podnośnych, zajmując pasmo około 9,46 MHz; Protokół OcuSync używa warstwy fizycznej podobnej do LTE, z odstępem między podnośnymi wynoszącym 15 kHz. 10M pasma downlinku używa 600 podnośnych, zajmując pasmo około 9,02 MHz, podczas gdy 20M pasma downlinku używa 1200 podnośnych, zajmując pasmo około 18,02 MHz.

 LINK DO NIEBA Protokół

Protokół Skylink jest również powszechnym protokołem zdalnego sterowania transmisją obrazu. Protokół Skylink jest szeroko stosowany w serii dronów Dao Tong EVO.

Warstwa fizyczna protokołu Skylink również bazuje na technologii OFDM, zajmując pasmo o szerokości około 10 MHz i odstępie między podnośnymi wynoszącym 15 kHz.

Rysunek 6. Diagram częstotliwości czasowej protokołu SkyLink

 Protokół Skylink wykorzystuje warstwę fizyczną podobną do LTE, z odstępem między podnośnymi wynoszącym 15 kHz.

 Łącze w dół (sygnał transmisji obrazu) wykorzystuje 600 podnośnych, zajmując pasmo o szerokości około 9,02 MHz, a łącze w górę (sygnał zdalnego sterowania) wykorzystuje 72 podnośne, zajmując pasmo o szerokości około 1,1 MHz.

 WI-FI protokół

Wi-Technologia komunikacji Fi jest bardzo popularna w elektronice użytkowej, a wiele cywilnych bezzałogowych statków powietrznych korzysta z Wi-Protokół Fi do tranazwij rzeczsygnały sterujące i sygnały sprzężenia zwrotnego obrazu. Wi-Protokół komunikacyjny Fi przeszedł wiele lat iteracji technologicznych. Oprócz wczesnej wersji Wi-Fi 1 wykorzystuje rozproszone widmo DSSS, kolejne Wi-Fi wykorzystuje technologię OFDM z różnymi parametrami technicznymi, takimi jak przepustowość.

Wi-Fi standard	Wi-Fi wersja	Wersja standardowa	Częstotliwość pracy	Technologia ponownego wykorzystania warstwy fizycznej	Liczba przepływów przestrzennych	Wkanał ide-band	Dte stawki
802.11	Wi-Fi1	1997	2,4 GHz	DSSS	1	20MHz	2 Mb/s
802.11b	Wi-Fi1	1999	2,4 GHz	DSSS	1	20MHz	11 Mb/s
802.11a	Wi-Fi2	1999	5 GHz	OFDM	1	20MHz	54 Mb/s
802.11g	Wi-Fi3	2003	2,4 GHz	OFDM	1	20MHz	54 Mb/s
802.11n	Wi-Fi4	2009	2,4 GHz, 5 GHz	MIMO-OFDM	Do4	20/40MHz	Do 600 Mb/s
802.11ac	Wi-Fi5	2013	5 GHz	MIMO-OFDM	Do8	20/40/80/160MHz	Do 3,47 Gb/s
802.11ax	Wi-Fi6	2019	2,4 GHz, 5 GHz	OFDMA,MU-MIMO	Do8	20/40/80/160MHz	Do 9,6 Gb/s
802.11be	Wi-Fi7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA,MU-MIMO	8	20/40/80/160/320MHz	Do 23 Gb/s

Wi-Fi-W przypadku dronów standard Fi to zazwyczaj 802.11n lub 802.11ac, jako Wi-Chipy Fi dla tych dwóch standardów są bardzo dojrzałe. Biorąc za przykład 802.11n, zwykle istnieją dwa tryby przepustowości

standardy są bardzo dojrzałe. Biorąc 802.11n jako przykład, zazwyczaj są dwa tryby szerokości pasma do wyboru, 20M i 40M, z odstępem między podnośnymi wynoszącym 312,5 kHz. W trybie 20M jest 56 podnośnych, a rzeczywista zajęta szerokość pasma wynosi około 17,8 MHz. W trybie 40M jest 114 podnośnych, a rzeczywista zajęta szerokość pasma wynosi około 35,9 MHz.

Rysunek 7. Wykres częstotliwości czasowej Wi-Bądź protokołem

 FPV ProtokółELRS/TBS

Protokół zdalnego sterowania i protokół transmisji obrazu FPV są oddzielne. Protokół zdalnego sterowania zwykle używa ELRS lub TBS Crossfire, podczas gdy protokół transmisji obrazu jest zwykle symulowany w celu uzyskania niższego opóźnienia.

ELRS, znany również jako ExpressLRS, to protokół zdalnego sterowania typu open source, który zapewnia bardzo niskie opóźnienie i większe odległości zdalnego sterowania. Warstwa fizyczna ELRS przyjmuje protokół LoRA i jest implementowana na podstawie układów scalonych SX127x/SX1280 firmy SEMTECH. ELRS przyjmuje technologię przeskoku częstotliwości i rozproszonego widma, co może osiągnąć silne zdolności przeciwzakłóceniowe. Rozproszone widmo ELRS opiera się na technologii rozproszonego widma chirp (liniowa modulacja częstotliwości). Im większy współczynnik rozproszenia, tym wyższy zysk rozproszenia, czułość i szybkość transmisji. Szerokość pasma rozproszenia ELRS wynosi 500 kHz, a współczynnik rozproszenia jest zazwyczaj wybierany z zakresu od SF6 do SF9. Kodowanie warstwy fizycznej TBS Crossfire jest podobne do ELRS, oba wykorzystują technologię rozproszonego widma chirp (liniowa modulacja częstotliwości), ale szerokość pasma rozproszonego widma wynosi tylko 250 kHz.

współczynnik rozprzestrzeniania	Długość kodu widma rozproszonego	Sprzedwzmacniający zysk(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

Rysunek 8. Diagram częstotliwości czasowych protokołu ELRS