Tektronix, 2020
Полет беспилотного летательного аппарата (БПЛА) – весьма увлекательное зрелище. Для любителей радиоуправляемых моделей запуск БПЛА является развлечением, для любителей фото- и видеосъемки – источником захватывающих дух видов с высоты птичьего полета.
За последние годы продажи беспилотных летательных аппаратов значительно выросли. По прогнозам Федерального агентства гражданской авиации только в США парк малых любительских моделей БПЛА должен увеличиться более чем в 2 раза – с 1,1 млн в 2017 году до 2,4 млн к 2022 году. В 2018 году Teal Group прогнозировала, что объем производства БПЛА невоенного назначения – коммерческих, потребительских и гражданских – в следующем десятилетии во всем мире составит 88,3 млрд долл. США, то есть увеличится с 4,4 млрд долл. США в 2018 году до 13,1 млрд долл. США в 2027 году, что соответствует среднегодовому темпу роста 12,9 %.
Большинство операторов управляют БПЛА, руководствуясь здравым смыслом, но, к сожалению, так делают не все, о чем свидетельствуют заголовки статей, посвященных беспилотным летательным аппаратам:
Декабрь 2018 г. – “Пассажирский самолет Боинг 737 поврежден из-за возможного столкновения в воздухе с беспилотным летательным аппаратом,” агентство Bloomberg.
Декабрь 2018 г. – “Аэропорт Гатвик: беспилотные летательные аппараты мешают полетам.”, BBC News.
Январь 2019 г. – “Федеральное агентство гражданской авиации США заявило, что из-за беспилотных летательных аппаратов временно приостановлена работа аэропорта Ньюарк,” агентство Рейтер.
В случае, когда БПЛА появляется в неположенном месте, последствия могут быть катастрофическими. Поэтому организациям необходимы точные, простые в эксплуатации и экономичные решения для обнаружения в режиме реального времени беспилотных летательных аппаратов, совершающих полеты в запретной зоне воздушного пространства или вблизи нее. В этой публикации мы обсудим вопросы поиска решения для обнаружения БПЛА.
Основные методы обнаружения беспилотных летательных аппаратов
При поиске решения для обнаружения беспилотных летательных аппаратов важно понимать принципы работы большинства любительских и коммерческих БПЛА.
Практически все любительские и коммерческие беспилотные летательные аппараты:
- управляются локально в пределах прямой видимости на расстоянии до 300 м;
- управляются дистанционно на расстоянии 3 – 5 км с использованием вида от первого лица (FPV);
- работают в нелицензируемом диапазоне частот 2,4 ГГц для управления (полоса пропускания прибл. 80 МГц);
- используют нелицензируемый диапазон частот 5,8 ГГц для получения видеопотоков (полоса 20 МГц и ниже) от первого лица (FPV);
- обеспечивают возврат в исходную точку (RTH) при низком уровне или отсутствии сигналов управления;
- используют технологии кодирования сигналов, предоставляемые всего несколькими поставщиками, что облегчает идентификацию БПЛА;
- используют сигналы управления со скачкообразной перестройкой частоты с полосой до 80 МГц;
- Федеральная комиссия связи США (FCC) ограничила работу БПЛА нелицензируемыми диапазонами частот 2,4 ГГц, 5,8 ГГц, 900 МГц и 433 МГц.
В следующих разделах мы обсудим два метода обнаружения беспилотных летательных аппаратов с использованием прочных, портативных и доступных по цене анализаторов спектра Tektronix серий RSA306B и RSA507A. Первый метод – это базовый ручной метод обнаружения БПЛА.
Второй метод является расширенным и включает информацию о конфигурации автоматизированной системы обнаружения БПЛА.
Базовый метод обнаружения беспилотных летательных аппаратов
Базовый метод обнаружения БПЛА может быть реализован с помощью анализатора спектра серии RSA306B или RSA500 и ПО DataVu-PC компании Tektronix.
Поскольку операторы отслеживают местоположение БПЛА, используя канал передачи видеоданных от первого лица (FPV), первым шагом поиска БПЛА является сканирование в диапазоне частот 5,8 ГГц для поиска импульсных сигналов, которыми обмениваются БПЛА и контроллер.
Как упоминалось выше, любительские и коммерческие БПЛА передают видеоданные в нелицензируемом диапазоне частот 5,8 ГГц. Наличие сигналов управления или видеосигналов, передаваемых от БПЛА оператору, можно идентифицировать по характерным пакетам подтверждения получения данных.
Рис. Анализаторы спектра Tektronix серий RSA306B и RSA500.
Рис. 1. Пакет видеоданных в диапазоне 5,8 ГГц.
Как показано на рис. 1, характеристики пакета видеоданных легко определяются даже по результатам измерения зависимости мощности от времени. В режиме реального времени можно добиться еще большей точности, анализируя захваченные данные I/Q. Это показано ниже на рисунках 2 и 3.
Второй метод обнаружения одного или нескольких БПЛА основан на сканировании в диапазоне частот 2,4 ГГц. Исключив из рассмотрения сигналы Wi-Fi и Bluetooth, можно проанализировать оставшиеся сигналы. В диапазоне 2,4 ГГц одновременно могут работать операторы нескольких беспилотных летательных аппаратов. Для того, чтобы управлять каждым БПЛА, не мешая другим, требуется применять сигналы со сложным кодированием. Формирование подобных сигналов поддерживается лишь ограниченным ассортиментом микросхем нескольких производителей. Используемые для этого уникальные сигнатуры сигнала могут быть легко идентифицированы.
Рис. 2. Пакеты управления в диапазоне 2,4 ГГц.
Даже в весьма перегруженном диапазоне 2,4 ГГц сигналы управления легко идентифицируются на основе данных I/Q, захваченных в режиме реального времени, как показано на снимке экрана выше.
Рис. 3. Пакет видеоданных в диапазоне 5,8 ГГц, полученный после обработки сигнала I/Q.
Если вероятное наличие БПЛА определено первым или вторым методом, то следующим шагом является захват данных I/Q из сигнала. Полученные данные могут быть использованы для идентификации производителя беспилотного летательного аппарата.
Рис. 4. Скачкообразное изменение частоты и кодовые последовательности контроллера БПЛА в режиме с двумя анализаторами спектра реального времени.
Следует отметить, что несущая частоты сигналов управления БПЛА обычно скачкообразно изменяется между несколькими значениями и занимает полосу до 80 МГц, в то время как анализаторы спектра реального времени Tektronix серий RSA306B и RSA507A имеют полосу анализа 40 МГц. Для сбора данных во всей необходимой полосе ПО DataVu-PC имеет специальный режим, в котором два анализатора спектра реального времени используются для анализа в полосе 80 МГц. В этом случае можно анализировать всю последовательность скачкообразной перестройки частоты, чтобы точно определить изготовителя БПЛА или производителя микросхем и принять соответствующие меры противодействия. В режиме с двумя анализаторами спектра реального времени можно видеть скачкообразное изменение частоты и кодовые последовательности контроллера БПЛА в полосе 80 МГц, как показано ниже на рис. 4.
Метод автоматизированного обнаружения БПЛА
Хотя наибольшую опасность БПЛА представляют для аэропортов, они также могут создавать проблемы, например, при проведении массовых мероприятий или проникновении в закрытое воздушное пространство военных баз. Автоматизированная система может контролировать большой периметр, что позволяет вести непрерывный мониторинг присутствия беспилотных летательных аппаратов.
Создание автоматизированной системы обнаружения БПЛА упрощается благодаря объединению в сеть нескольких анализаторов спектра Tektronix серии RSA306B или RSA500 и использованию ПО SpectrumVu для мониторинга РЧ спектра. ПО SpectrumVu – расширенное ПО для полностью автономного мониторинга РЧ спектра с возможностью записи неизвестных спектральных событий и выдачи оповещений при обнаружении неизвестных сигналов.
Для создания автоматизированной системы обнаружения БПЛА узлы, включающие в себя анализатор спектра, антенну и мини-ПК Intel NUC, устанавливаются по периметру, как показано на схематическом представлении аэропорта Ла-Гуардия (рис. 5). Узлы объединяются в сеть с оперативным центром для полного покрытия периметра и траекторий полетов. Используя несколько узлов, можно определить местоположение БПЛА в системе координат XYZ.
Рис. 5. Условная схема автоматизированной системы обнаружения. Источник: сайт faa.gov.
С помощью этой системы РЧ спектр контролируется автономно и круглосуточно. Кроме того, при появлении неизвестных сигналов или сигналов с мощностью, превышающей заданный порог, выдаются оповещения. Известные и неизвестные сигналы захватываются анализатором спектра в режиме реального времени и отображаются на панели SpectrumVu, как показано на рис. 6.
Рис. 6. ПО SpectrumVu автоматически передает оповещение сотрудникам службы безопасности при обнаружении подозрительного сигнала.
Технология всестороннего анализа спектральных данных.2
Для автоматической идентификации вероятных сигналов БПЛА в ПО SpectrumVu используются последние инновации в технологии нейронных сетей. Режим StepNStare ПО SpectrumVu позволяет выполнять ступенчатую перестройку по фрагментам РЧ спектра шириной 40 МГц, записывать данные I/Q текущего фрагмента и затем перестраиваться на следующий фрагмент шириной 40 МГц. Этот процесс повторяется по всему нелицензируемому спектру БПЛА, что позволяет пользователю контролировать спектр путем непрерывной обработки небольших файлов данных I/Q, используя машинное обучение и шаблоны сигналов. Если характеристики принятого сигнала совпадают с характеристиками сохраненного и классифицированного нейронной сетью сигнала, ПО SpectrumVu выдает сигнал тревоги, указывающий на вероятное присутствие БПЛА.
Используя машинное обучение, уникальные РЧ характеристики как сигналов управления БПЛА, так и сигналов нисходящих видеоканалов (FPV), эти сигналы могут быть автоматически идентифицированы в пределах полосы пропускания анализатора спектра реального времени.
Неизвестные сигналы могут передаваться в базу данных SQL, чтобы ускорить идентификацию БПЛА и обеспечить возможность дополнительного анализа РЧ спектра.
Заключение
Беспилотные летательные аппараты доставляют нам удовольствие и решают множество полезных задач, но при неправильном использовании они могут создавать опасные ситуации. Мы рассмотрели основные характеристики любительских и коммерческих БПЛА, а также характеристики рекомендуемых анализаторов спектра. Были предложены как простой метод, так и усовершенствованное автоматизированное решение для обнаружения БПЛА.
Как показано выше, анализатор спектра реального времени может стать ценным автономным или сетевым устройством для мониторинга РЧ спектра и обнаружения присутствия БПЛА. Для организаций, занимающихся поиском БПЛА в местах, где они не должны появляться, важно инвестировать средства в решения, обеспечивающие информированность в режиме реального времени, круглосуточный мониторинг и автоматическое оповещение.
Для получения дополнительной информации о решениях Tektronix для обнаружения БПЛА обратитесь к инженерам нашей компании.
Литература
1) «Прогноз развития аэрокосмической отрасли на 2018-2038 гг., Федеральное агентство гражданской авиации США», 16 марта 2018 г., www.faa.gov/news/ updates/?newsId=89870
2) «Teal Group», 16 июля 2018 г. www.tealgroup.com/index.php/pages/press-releases/54-teal-group-predicts-worldwide-civil-drone-production-will-soar-over-the-next-decade
3) «Всесторонний анализ спектральных данных: глубокое обучение идентификации сигналов беспроводной связи в приложениях мониторинга спектра», Merima Kulin, Tarik Kazaz, Ingrid Moerman и Eli de Poorter, 11 декабря 2017 г., arXiv:1712.03987v1.
