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

Przegląd

W ostatnich latach branża dronów dynamicznie się rozwinęła, a ich zastosowanie stało się coraz powszechniejsze, a ich liczba z roku na rok rośnie. Jednocześnie jednak drony stanowią poważne zagrożenie dla bezpieczeństwa w różnych obszarach społeczeństwa. W ostatnich latach często dochodziło do incydentów z dronami atakującymi infrastrukturę krytyczną, co powoduje pilną potrzebę skutecznego działania. Licznik dronówTechnologia pomiarów. Istnieje kilka powszechnych technik przeciwdziałania dronom, w tym:

• Technologia zakłóceń sygnału bezprzewodowego: Poprzez transmisję sygnałów zakłócających o częstotliwości radiowej, technologia zakłóca sygnały bezprzewodowe, takie jak zdalne sterowanie, transmisja obrazu, nawigacja itp. bezzałogowych statków powietrznych, w celu odstraszenia, zakłócenia lub wymuszenia lądowania drona.
• Technologia oszukiwania sygnału bezprzewodowego: Przesyłając dronom oszukańcze sygnały bezprzewodowe, drony mogą uzyskać nieprawidłowe informacje, realizując w ten sposób cel ich przejęcia. Istnieją dwa główne rodzaje technik oszukiwania sygnału bezprzewodowego: oszukiwanie sygnału lokalizacji oraz przechwytywanie sygnału zdalnego sterowania.
• Technologia niszczenia energią skierowaną: 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, drony inwazyjne mogą zostać fizycznie uszkodzone lub można je przechwycić za pomocą sieci przechwytujących.

W tym artykule omówiono głównie technologię zakłóceń sygnału bezprzewodowego.

Protokół komunikacyjny bezzałogowego statku powietrznego

Drony zazwyczaj wykorzystują cztery następujące typy sygnałów radiowych:

Rysunek 1. Typowy schemat sygnału bezprzewodowego bezzałogowego statku powietrznego

1. RC: Zdalny CtenNTRtenja：Przesyłanie instrukcji od operatora do drona za pomocą sygnałów zdalnego sterowania, co pozwala dronowi na 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 mieszczą się głównie w zakresie 1,2 GHz i 1,6 GHz.

3. TIjaIMITRI：Służy do dystrybucji informacji 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 one również zakłócać sygnały nawigacyjne i pozycjonujące. W przypadku zakłócenia sygnałów zdalnego sterowania dron nie może odbierać poleceń od operatora i wykonuje zawis lub powrót. W przypadku zakłócenia sygnału sprzężenia zwrotnego obrazu, pilot nie może wyświetlić obrazu widzianego przez drona, co może spowodować utratę kontroli nad dronem. W przypadku zakłócenia zarówno sygnałów zdalnego sterowania, jak i sygnałów pozycjonujących nawigacji, dron nie może uzyskać dokładnych informacji o położeniu i ląduje bezpośrednio, polegając na czujnikach ultradźwiękowych, aby uniknąć kontaktu z podłożem i zawisając na określonej wysokości nad ziemią.

Poniższa tabela przedstawia listę popularnych protokołów zdalnego sterowania dronami i transmisji obrazu. Znani producenci, tacy jak DJI i AUTEL, opracowali dedykowane protokoły transmisji obrazu do zdalnego sterowania, wśród których OcuSync i LightBridge firmy DJI są najpopularniejsze i oferują najlepszą wydajność. Producenci, którzy nie posiadają samodzielnie opracowanych protokołów transmisji obrazu do zdalnego sterowania, zazwyczaj wybierają protokół Wi-Fi. W przypadku samodzielnie budowanych systemów FPV, protokoły ELRS i TBSCrossFire stały się standardami.

 OFDM wprowadzenie do technologii

LightBridge、OcuSync,SkyLinkprotokół iWi-Fi, TTechnologia kodowania warstwy fizycznej wykorzystuje technologię OFDM. W tej sekcji pokrótce przedstawimy technologię OFDM.

OFDM TTechnologia to technika multipleksowania modulacyjnego wielu nośnych, która wykorzystuje wiele podnośnych do jednoczesnej transmisji danych, z równymi odstępami częstotliwości między każdą z nich. Chociaż występuje pewne nakładanie się widmowe sąsiednich podnośnych, są one względem siebie ortogonalne, więc sygnały transmitowane przez każdą podnośną nie wpływają na siebie nawzajem. Pozwala to na jednoczesną transmisję danych na wielu podnośnych.

OFDMTechnologia ta zwykle opiera się na technologii przetwarzania sygnałów cyfrowych, a konkretny proces implementacji wygląda następująco: źródło danych, które ma zostać zmodulowane, zostaje przydzielone do N podnośnych, każda podnośna jest poddawana modulacji IQ, a następnie dane zmodulowane IQ N podnośnych są poddawane odwrotnej transformacie Fouriera IFFT w celu uzyskania danych IQ w dziedzinie czasu symbolu OFDM.

Rysunek 2. Przegląd zasad technologii modulacji OFDM

Kompletna ramka OFDM zazwyczaj zawiera kilka symboli OFDM, a ich długość 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 wstawiany jest krótszy prefiks cykliczny (CP). Zawartość prefiksu cyklicznego (CP) jest kopią zawartości końca symbolu OFDM. Celem rozszerzenia prefiksu CP jest przeciwdziałanie interferencji między symbolami spowodowanej dyspersją.

Rysunek 3 Symbole i podnośne OFDM

OFDMEfektywność wykorzystania widma w technologii multipleksowania jest bardzo wysoka. W dziedzinie częstotliwości sygnały OFDM składają się z wielu podnośnych, a alokacja energii każdej z nich jest stosunkowo równomierna, co sprawia, że widmo sygnałów OFDM jest zbliżone do płaskiej linii prostej. W dziedzinie czasu sygnały OFDM składają się z kilku symboli, z których każdy ma stałą długość.

Rysunek 4 Symbole i podnośne OFDM

 DJI LIGHTBRIDGE/OCUSYNC Protokół

DJILightBridgeI OcuSync Protokoły OcuSync stanowią techniczne wzorce 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 wielokrotnie aktualizowany, a jego najnowsza wersja to OcuSync 4.0. Protokół OcuSync 4.0 charakteryzuje się wysoką wydajnością transmisji i odpornością na zakłócenia.

Rysunek 5. Diagram częstotliwości czasowej protokołu DJI OcuSync

LightBridge&OcuSyncWarstwa fizyczna protokołu opiera się na technologii kodowania OFDM, ale różne parametry kodowania OFDM są różne. Protokół LightBridge wykorzystuje warstwę fizyczną podobną do WiMAX, z odstępem między podnośnymi wynoszącym 10,9375 kHz. Łącze w dół wykorzystuje 864 podnośne, zajmując pasmo około 9,46 MHz; protokół OcuSync wykorzystuje warstwę fizyczną podobną do LTE, z odstępem między podnośnymi wynoszącym 15 kHz. Łącze w dół o szerokości pasma 10 MHz wykorzystuje 600 podnośnych, zajmując pasmo około 9,02 MHz, natomiast łącze w dół o szerokości pasma 20 MHz wykorzystuje 1200 podnośnych, zajmując pasmo około 18,02 MHz.

 SKYLINK Protokół

Protokół Skylink to również popularny protokół zdalnego sterowania transmisją obrazu. Protokół Skylink jest szeroko stosowany w dronach serii 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-Fi 1 wykorzystuje rozproszone widmo DSSS, kolejne Wi-Fi wykorzystuje technologię OFDM z innymi 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	Do 4	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-Fi 7	2024	2,4 GHz, 5 GHz, 6 GHz	OFDMA,MU-MIMO	8	20/40/80/160/320MHz	Do 23 Gb/s

Wi-W przypadku dronów standardem Fi jest zwykle 802.11n lub 802.11ac, podobnie jak Wi-Układy scalone Fi dla tych dwóch standardów są bardzo dojrzałe. Biorąc za przykład 802.11n, zazwyczaj istnieją dwa tryby przepustowości.

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

Rysunek 7. Diagram częstotliwości czasowej Wi-Bądź protokołem

 FPV Protokół ELRS/TBS

Protokół zdalnego sterowania i protokół transmisji obrazu w FPV są oddzielne. Protokół zdalnego sterowania zazwyczaj wykorzystuje ELRS lub TBS Crossfire, natomiast protokół transmisji obrazu jest zazwyczaj symulowany w celu uzyskania mniejszych opóźnień.

ELRS, znany również jako ExpressLRS, jest protokołem zdalnego sterowania typu open source, który zapewnia ultraniskie opóźnienie i większe odległości zdalnego sterowania. Warstwa fizyczna ELRS przyjmuje protokół LoRA i jest implementowana w oparciu o układy SX127x/SX1280 firmy SEMTECH. ELRS przyjmuje technologię przeskoku częstotliwości i rozproszonego widma, które mogą osiągnąć silne zdolności przeciwzakłóceniowe. Rozproszone widmo ELRS jest oparte 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 na ogół 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	Swzmocnienie wstępne(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 czasowej protokołu ELRS