Detekce dronů pomocí levného SDR zařízení.

Drony jsou dnes běžnou součástí našeho života — od natáčení svateb, reklam, s drony se závodí nebo se používají jako dohled nad průmyslovou a kritickou infrastrukturou.
Ne vždy jsou ale žádoucími „návštěvníky“ a tak detekce dronu může být naprostou prioritou. Život zachraňující prioritou.
O tom je následující článek založený na práci “Low-Complexity Portable Passive Drone Surveillance via SDR-Based Signal Processing” publikovanou v IEEE (už v roce 2018).

Na tento výzkum upozornil Martin Wolker na Twitteru/X.

V souvislosti s tímto článkem by mohl být zajímavý článek o zničení ruských bombardérů pomocí dronů, které byly řízeny jednodeskovým počítačem Orange Pi.

Jakými způsoby lze drony detekovat?

Nejjednodušími metodami jsou

• video – detekce na základě vizuálního obrazu
  • nevýhody: přímá viditelnost, horší detekce za špatného počasí nebo v noci
• infračervené senzory – detekce tepla
  • nevýhody: funguje pouze na krátknou vzdálenost
• detekce zvukového obrazu dronu
  • nevýhody: neučinné v hlučném prostředí
• detekce MAC/SSID – sledování síťových adres
  • nevýhody: snadno obejitelné
• radar – analýza radarového odrazu
  • nevýhody: detekce závisí na velikosti dronu, použitých materiálech
• RF detekce
  • Aktivní – využívá vysílače pro analýzu na základě dopplerovského jevu
  • Pasivní – využívá pouze přijímač, funguje bez nutnosti vysílání

A právě o pasivní detekci dronu je tento výzkum. V kontextu války vyvolané Ruskem proti Ukrajině je tato detekce životně důležitá a navíc může být touto metodou být odhalen i dron, který je řízen skrze optické vlákno. A celé zařízení je velmi levné.

Detekce – co k tomu potřebujete

K detekování dronu není třeba nijak nepřiměřených nákladů. Lidé, kteří se věnovali této problematice využili modul USRP B210.
Pokud obětujete citlivost detekce, stačí vám běžné a velmi levné SDR – Software Defined Radio, například RTL-SDR.

V případě detekce dronu je ještě potřeba soustava antén, které se přepínají. Tím lze detekovat nejen dron, ale také jeho přibližný směr letu.

Dron komunikuje – hledejte cyklostacionární signály

Většina „obyčejných dronů“ komunikuje se zemí přes Wi-Fi nebo proprietární RF protokol, často v ISM pásmu (2,4 až 2,48 GHz). Jejich signály (zejména video streaming) mají jasně danou strukturu (například tím, že používají OFDM modulaci), která — na rozdíl od “náhodného šumu” — vykazuje cyklostacionární vlastnosti (statistická periodicita v čase).

Vysvětlení pojmu „cyklostacionární signál“

Jedná se druh náhodného signálu, jehož statické vlastnosti se v čase periodicky mění. Signál tedy vypadá jako náhodný, ale existuje v něm určitý opakující se vzor, který lze právě detekovat.
Mezi takové vzory patří periodické klíčování amplitudy (OFDM klíčování) nebo opakované vysílání stejných přenosových sekvencí (preambule signálu).

Kromě samotné detekce dronu lze navíc docílit i přibližného odhadu směru odkud letí, díky přepínání antén a detekce změn signálu mezi anténami.

Přepínání antén totiž simuluje rotaci antén (“pseudo-Doppler method”), v kombinaci s fázovou detekcí a filtry je možné docílit nejen detekování dronu, ale i určení jeho směru.

Vysvětlení pseudo-Doppler metody

K využití této metody je zapotřebí sousatava antén, nejlépe umístěných do kruhu. Rychlým přepínám těchto antén je docíleno „rotačního“ pohybu antén“ – antény se fyzicky neotáčí, ale pro přijímač se toto chování tak jeví. Změna fáze, frekvence, je pak možné demodulovat a porovnáním odhalit jak dron, tak hlavně i směr letu (Angle of Arrival – AoA).

Dron nic nevysílá (nebo používá optické vlákno pro komunikaci) – detekujte změny ambientních RF signálů

Drony, které létají autonomě – pomocí GPS, rozeznávání objektů na zemi – nevysílají RF signál a pouze poslouchají, zda nepřijmou během letu data z ovladače. Dron tedy sám od sebe nemusí vysílat žádná data.

Popřípadě stejným způsobem může být detekován i dron, který letí s optickým vláknem přes které komunikuje s ovladačem – přijmá příkazy, posílá letové údaje a obraz.

I přesto lze tyto drony odhalit a to „prostým“ způsobem – detekují se změny vln z jiných vysílačů – například LTE, 5G, rádio atp. Letící dron totiž rotací vrtule tyto vlny naruší, což vytvoří mikro-Dopplerův jev.

Závěr

Největší výhodou detekce pomocí SDR je nízká cena a malá velikost — celé zařízení složíte do batohu, napájíte z baterky, pole antén není nijak velké.

Dá se použít na mobilních platformách i na statických bodech (například střecha domu, okno, auto…). Detektor není aktivní – tedy nic nevysílá a tedy nemůže být detekován.

SDR dává možnost detekovat, analyzovat a sledovat drony i bez drahých radarů či složitých systémů. V městském prostředí je potřeba počítat se zhoršenými podmínkami šíření (“žádný přímý výhled”), tam se hodí adaptivní algoritmy a kvalitnější antény.

Publikovaný článek najdete na https://www.researchgate.net/publication/324511855_Low-Complexity_Portable_Passive_Drone_Surveillance_via_SDR-Based_Signal_Processing