發(fā)布時(shí)間：2022-12-23所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要: 使用軟件無線電 SDR 平臺進(jìn)行被動的信號采集，基于帶通采樣算法，用較低的采樣率對無人機(jī)信號進(jìn)行采樣。分析得到無人機(jī)和遙控器采用 5. 8 GHz 無線技術(shù)，采用跳頻的方式，共用同一頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過對調(diào)頻序列的檢測，采用有限狀態(tài)機(jī)的方式得
摘 要: 使用軟件無線電 SDR 平臺進(jìn)行被動的信號采集，基于帶通采樣算法，用較低的采樣率對無人機(jī)信號進(jìn)行采樣。分析得到無人機(jī)和遙控器采用 5. 8 GHz 無線技術(shù)，采用跳頻的方式，共用同一頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)。通過對調(diào)頻序列的檢測，采用有限狀態(tài)機(jī)的方式得到無人機(jī)的檢測結(jié)果。通過兩路信號的同時(shí)檢測，利用相位差信息得到無人機(jī)出現(xiàn)的大致方位。
關(guān)鍵詞: 無人機(jī); 信號檢測; 無線技術(shù); 軟件無線電
0 引 言
隨著無人機(jī)民用化過程的加速，無人機(jī)的價(jià)格更加親民，普通民用航拍無人機(jī)越來越多地出現(xiàn)在日常生活中。而隨之而來的最大的挑戰(zhàn)是個(gè)人隱私、商業(yè)和政府機(jī)密可能面臨的被無人機(jī)監(jiān)視的問題。因此，如何能夠檢測到無人機(jī)對于私密空間的入侵，是個(gè)人和公司都需要面臨的首要問題。只有檢測到無人機(jī)的入侵，才能針對其展開下一步的反入侵措施。
由于民用無人機(jī)體積較小，采用傳統(tǒng)的雷達(dá)技術(shù)很難檢測到無人機(jī)。但無人機(jī)仍可以通過多種方式進(jìn)行檢測，包括: 使用攝像頭進(jìn)行圖像識別; 使用音頻傳感器進(jìn)行音頻指紋識別[1]; 對無人機(jī)和遙控器之間的控制和圖傳信號進(jìn)行檢測等。前兩種檢測方式，在機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，有很好的開發(fā)前景。但這兩種方式都需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí)，對于普通開發(fā)者來說難以獲得這些數(shù)據(jù)。而控制和圖傳信號檢測方法更為直接，但由于其工作的 2. 4 GHz 或者 5. 8 GHz 頻段為公用頻段，可能受到非無人機(jī)信號( 例如常見的 WiFi 信號) 的干擾，檢測準(zhǔn)確率易受影響。并且由于無人機(jī)通信技術(shù)是各無人機(jī)廠商的商業(yè)機(jī)密，無法預(yù)先知道其通信協(xié)議，進(jìn)一步增大了開發(fā)難度。
現(xiàn)在面世的僅有如下幾家的無人機(jī)檢測產(chǎn)品。日本 Alsok 公司和澳大利亞的 Drone Shield 公司采用相同的音頻指紋技術(shù)，能夠檢測 150 m 范圍內(nèi)入侵的無人機(jī)。德國 Dedrone GmbH 公司的 DroneTracker 無人機(jī)檢測系統(tǒng)，同時(shí)使用聲學(xué)傳感器、高清攝像頭、近紅外攝像頭和 WiFi 傳感器，其中 WiFi 傳感器最遠(yuǎn)能夠檢測 500 m 范圍內(nèi)的無人機(jī)。這些產(chǎn)品都是面向大型建筑的入侵保護(hù)，采用多個(gè)傳感器檢測信號，將信號傳送至數(shù)據(jù)中心進(jìn)行處理。特別是采用音頻和視頻的檢測方 法，難 以 在 單 個(gè) 傳 感 器 上 實(shí) 現(xiàn)。在 2015 年 GeekPwn 的開場項(xiàng)目中，有黑客利用破解遙控器 WiFi 信號的方法劫持了大疆精靈 3 代無人機(jī)[2]。
本文使用軟件無線電平臺，通過對無人機(jī) - 遙控機(jī)通信信號的檢測，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的無人機(jī)探測。該系統(tǒng)僅需要“天線 + 無線電 + 電腦”的硬件組合，和已有系統(tǒng)相比更為小巧，無需大型的數(shù)據(jù)庫和數(shù)據(jù)處理中心作為支持。由于缺乏對通信協(xié)議的進(jìn)一步破解，僅能以有限的跳頻頻點(diǎn)檢測來判斷無人機(jī)的有無，這是該系統(tǒng)的不足之處。
1 系統(tǒng)方案
1. 1 方案比較與選擇
1. 1. 1 無人機(jī)信號判別標(biāo)準(zhǔn)
方案 1 根據(jù)收到無人機(jī)信號的信號時(shí)域波形特征進(jìn)行匹配( 已知部分無人機(jī)機(jī)型波形信號) ，進(jìn)行時(shí)域信號相關(guān)度計(jì)算，通過實(shí)際測量定出合適閾值判別無人機(jī)。此方案為最初方案，實(shí)際實(shí)驗(yàn)中遇到的問題有: ①無人機(jī)信號普遍為調(diào)頻信號，即信號頻率隨時(shí)間變化，故而難以進(jìn)行信號頻率匹配; ②無人機(jī)通信信號較微弱，而且高頻段載波易被遮擋與散射，接收進(jìn)來的信號信噪比較差，噪聲對時(shí)域波形的影響較大，難以在低信噪比環(huán)境下進(jìn)行有效的波形相關(guān)計(jì)算; ③時(shí)域波形相關(guān)性計(jì)算計(jì)算量較大，所耗費(fèi)的時(shí)間較長，故而時(shí)效性差。
方案 2 根據(jù)接收無人機(jī)信號，對其進(jìn)行 FFT 變換，通過其頻域特征對其進(jìn)行特征匹配識別。具體方案為首先建立已知無人機(jī)機(jī)型的通信信號數(shù)據(jù)庫，接收無人機(jī)信號并進(jìn)行跳頻頻點(diǎn)采集，隨后對檢測信號進(jìn)行接收。由于無人機(jī)信號為跳頻輸出[3]，因此在頻域上顯示為關(guān)于時(shí)間的窄帶脈沖，通過比較并統(tǒng)計(jì)接收信號中無人機(jī)跳頻頻點(diǎn)出現(xiàn)的個(gè)數(shù)及相應(yīng)次數(shù)，以及通過實(shí)際實(shí)驗(yàn)設(shè)置合適的閾值來達(dá)到判別無人機(jī)的效果。這種方案相較于方案 1 更加可靠，可以有效降低信噪比對于無人機(jī)識別的影響( 噪聲功率譜平坦) ，而且設(shè)置合適的閾值也可以避免隨機(jī)頻點(diǎn)信號被誤檢測的情況。綜合上述比較，本文最終選擇方案 2 進(jìn)行無人機(jī)檢測。
1. 1. 2 無人機(jī)方位檢測
實(shí)驗(yàn)提供的硬件為 YunSDR 無線通信收發(fā)器，其支持雙通道信號源發(fā)送以及雙通道信號接收，因此在實(shí)驗(yàn)中最多能通過兩路接收信號的信息差別來判別無人機(jī)方位，這就從硬件層面上對方位檢測的準(zhǔn)確度進(jìn)行了限制。而這兩路信號的差別來判定無人機(jī)方位，也存在如下兩種檢測方案。
方案 1 如圖 1 所示，通過兩路天線接收的信號強(qiáng)度( 幅度) 信息進(jìn)行比較，信號源強(qiáng)度衰減在理想無遮擋、散射、多徑情況下與距離的平方成反比。因此，只要能夠測定無人機(jī)信號隨距離的強(qiáng)度衰減公式，即可根據(jù)兩路信號的強(qiáng)度來確定出無人機(jī)與兩路天線之間的距離進(jìn)而定位。實(shí)際實(shí)驗(yàn)中的困難為: ①實(shí)驗(yàn)用天線的信號增益無法達(dá)到完全一致，故兩個(gè)天線自身就存在不同的信號強(qiáng)度衰減距離公式，造成距離的測定誤差較大; ②兩天線之間能夠?qū)崿F(xiàn)的距離較近，故信號源到兩天線的距離差十分小，信號強(qiáng)度因距離造成的差別十分微小，判別誤差大; ③實(shí)際實(shí)驗(yàn)環(huán)境中不可避免地存在遮擋、多徑干擾等因素，造成強(qiáng)度衰減不規(guī)律，難以用于定位。
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方案 2 由于通信信號的載波頻段為 5. 8 GHz，故其信號波長約為 5. 17 cm，此距離在我們實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)的兩天線間距內(nèi)，所以可以考慮如圖 2 所示，采用接收兩路信號的相位差作為定位無人機(jī)的判決標(biāo)準(zhǔn)[6]。具體測量兩路信號相位差的方法擬采用噪聲抑止處理后的兩路信號，F(xiàn)FT 后的頻域相位信息代表其相位計(jì)算相位差。理論上這樣做的好處有: ①信號波長短，故定位精度高; ②相位信息受到環(huán)境的影響較小，故可以適應(yīng)更復(fù)雜的檢測環(huán)境; ③對天線增益差別要求較小，實(shí)驗(yàn)條件滿足。
綜合比較以上各優(yōu)缺點(diǎn)，本文采用雙通道接收信號相位差比較法定位。
1. 2 方案描述本系統(tǒng)使用的裝置如下: 硬件系統(tǒng)為: YunSDR 雙通道接收信號端，2 個(gè) 5. 8 GHz 頻段貼片天線。軟件系統(tǒng)為 Matlab。
整體實(shí)驗(yàn)方案為: 如圖 3 所示，利用 YunSDR 雙通道接收端口接收進(jìn)雙通道的無人機(jī)信號[5]，兩天線同軸放置并且間距約為 5. 8 GHz 載頻信號波長 λ = 5. 17 cm。接收進(jìn)兩路信號后傳入電腦利用 Matlab 軟件進(jìn)行后續(xù)處理。軟件處理包括: ①輸入信號進(jìn)行快速傅里葉變換得到頻率譜，對信號單峰頻點(diǎn)進(jìn)行比較并統(tǒng)計(jì)，判定是否為數(shù)據(jù)庫內(nèi)無人機(jī)信號; ②當(dāng)檢測到無人機(jī)信號后，對同一時(shí)段同頻率的兩路收入信號進(jìn)行快速傅立葉變換相位采集作差，最終通過數(shù)學(xué)運(yùn)算估算出無人機(jī)方位角。
2. 2 確定無人機(jī)方位
在檢測無人機(jī)信號的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上，使用 2 個(gè) 5. 8 GHz 天線接收信號，根據(jù)兩路信號差計(jì)算無人機(jī)方位角。程序流程圖在 3. 1 基礎(chǔ)上稍作改變，見圖 6，數(shù)據(jù)采集時(shí)由一路數(shù)據(jù)變?yōu)閮陕罚瑪?shù)據(jù)變換模塊對兩路信號均做同樣的變換，決策判斷中判斷無人機(jī)是否存在的部分不做改變，增加決定無人機(jī)方位部分。
3 測試方案與測試結(jié)果
3. 1 測試方案
( 1) 將一個(gè)無人機(jī)放置在離天線有一定距離的地方，考慮到遙控器發(fā)射的信號強(qiáng)度比無人機(jī)發(fā)射信號能量更大，將遙控器遠(yuǎn)離天線。測試當(dāng)無人機(jī)開機(jī)時(shí)，系統(tǒng)是否能夠檢測到無人機(jī); 無人機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，系統(tǒng)是否虛警。
( 2) 改變無人機(jī)與天線基線的夾角，測試系統(tǒng)是否能夠在誤差允許的范圍內(nèi)確定無人機(jī)方位角。
3. 2 測試結(jié)果
( 1) 在室內(nèi)環(huán)境下測試，無人機(jī)與天線的距離在 15 m 之內(nèi)，能夠正確檢測到無人機(jī)的存在，測試過程沒有出現(xiàn)虛警。
( 2) 由于無人機(jī)信號帶寬較大，YunSDR 的采樣率不足( 最大為 100 MHz 量級) ，采樣到的信號 1 個(gè)周期僅占極少的數(shù)據(jù)點(diǎn)( 3 ～ 7 個(gè)) ，因此直接做 FFT 得到的相位會有系統(tǒng)性的偏差[4]。此外加上噪聲的影響，經(jīng)過測試，計(jì)算得到的方位角有較大范圍的跳變，目前暫時(shí)沒有能夠得到較為準(zhǔn)確的方位。
4 結(jié) 語
本文基于 YunSDR 平臺實(shí)現(xiàn)了一個(gè)無人機(jī)實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)。通過采集 5. 8 GHz 頻段附近的無線電信號，根據(jù)無人機(jī)通信的跳頻序列，檢測采集信號中是否包含了調(diào)頻的子序列，進(jìn)而確定是否有無人機(jī)入侵。本文提出了一種檢測到無人機(jī)后確定其方位的方法，根據(jù)兩個(gè)天線采集到信號的在最大能量頻點(diǎn)的相位差得到無人機(jī)的方位，該方法的準(zhǔn)確度和魯棒性有待提高。此外，使用增益更高的天線將有利于提高本文系統(tǒng)的性能，提高檢測無人機(jī)方位的準(zhǔn)確度。檢測無人機(jī)的前提是已測到各種型號無人機(jī)的跳頻序列，這種方法在一定程度上限制了系統(tǒng)的實(shí)用性，改進(jìn)的方向是學(xué)習(xí)無人機(jī)通信信號與空間普通信號相比，除跳頻之外的其他特征，根據(jù)這些特征將無人機(jī)信號與空間背景信號區(qū)分，進(jìn)而檢測無人機(jī)。未來的研究方向包括如何有效濾除 5. 8 GHz 頻段附近噪聲，研究無人機(jī)信號的其他特征，以及采用另外的方法檢測無人機(jī)方位。
