CN109557887B - 基于协议分析实现无人机的检测控制的系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法，包括监测显示层用于接收用户的监测参数，并显示监测结果及导出数据；逻辑分析控制层用于接收所述的监测显示层的控制参数；设备驱动层用于与多种设备监测设备进行数据交互和控制，并把所述的逻辑分析控制层的参数转换成设备能处理的命令。本发明还涉及一种基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法。采用了本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法，降低了系统虚警概率，提高了信号检测概率，能够提取遥控设备与无人机MAC地址并根据该地址判断飞机合法性，可以根据MAC地址不同实现多个飞机同时检测识别。

Description

基于协议分析实现无人机的检测控制的系统及方法

技术领域

本发明涉及无人机领域，尤其涉及无人机信号检测领域，具体是指一种基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法。

背景技术

随着消费级无人机技术的不断发展，新型无人机层出不穷，给涉密场所保护、禁飞地区监管带来了新的挑战，如何在城市wifi干扰众多的环境下快速准确检测到非法无人机信号成为当务之急。

大疆精灵3型无人机是一款成熟的微小型一体航拍无人机的市售产品，其具有高度飞行稳定性、卓越飞行体验以及航拍画质，令航拍变得简单、便捷，深受航拍爱好者的青睐。其特色是具备“智能飞行”功能、搭载2.7K超高清机载相机。主要技术指标有：

类型：四旋翼飞行器

工作环境温度：0℃~40℃

起飞重量：<1280g

悬停高度：垂直+/-0.5米 水平+/-1.5米

最大上升速度：5m/s

最大下降速度：3m/s最大水平飞行速度：16m/s

对角线距离（含桨）：590mm

飞行时间：约23分钟 standard约25分钟

云台俯仰角：-90°至+30°

GPS模式：GPS/GLONASS双模

工作频率：2.4GHzISM

实时图传：720P@30fps(取决于实际拍摄环境及移动设备)

智能飞行电池：容量：4480mAh

电压：15.2V

电池类型：LiPo4S

能量：68Wh

电池整体重量：365克

最大充电功率：100W

现有的对该无人机进行飞行遥控信号检测方式多为基于能量检测或相关检测，这类方法在信号环境较为简单的空旷地带能够正常工作。但在城市环境中，在2.4GHz和5.8GHz频段上存在大量wifi信号，无人机信号常常淹没在其中，能量检测仅从频域上进行有无检测，无法区分该信号；而精灵3下行信号与wifi在同步码上较为接近，故仅使用相关检测容易造成虚警。本专利在传统相关检测基础上，采用信号分析手段解析了该信号无人机协议，根据其协议格式逐层解析，最终提取出收发两端MAC地址，并根据该型号固定MAC开头地址进行检测验证，从而大幅提升对精灵3信号的检测概率。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种检测成功概率高、虚警概率低、满足多个无人机同时检测识别的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法。

为了实现上述目的，本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法如下：

该基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统，其主要特点是，所述的系统包括：

监测显示层，用于接收用户的监测参数，并显示监测结果及导出数据；

逻辑分析控制层，与所述的监测显示层相连接，用于接收所述的监测显示层的控制参数，并对驱动层上传的数据进行分析；

设备驱动层，与所述的逻辑分析控制层相连接，用于与多种设备监测设备进行数据交互和控制，并把所述的逻辑分析控制层的参数转换成设备能处理的命令。

较佳地，所述的监测显示层包括：

检测结果显示模块，与所述的逻辑分析控制层相连接，用于显示监测结果；

监测参数控制模块，与所述的检测结果显示模块和逻辑分析控制层相连接，用于对用户的监测参数进行接收控制；

监测结果导出模块，与所述的监测参数控制模块和逻辑分析控制层相连接，用于导出相关数据。

较佳地，所述的逻辑分析控制层包括：

背景谱采集模块，与所述的监测显示层和设备驱动层相连接，用于采集背景谱；

信号能量比对模块，与所述的背景谱采集模块相连接，用于比较监测数据和背景谱；

无人机信号检测模块，与所述的信号能量比对模块和设备驱动层相连接，用于检测无人机的信号。

该基于上述系统基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

（1）所述的背景谱采集模块采集周围环境频谱信息作为背景谱，并对背景谱进行调整；

（2）所述的信号能量比对模块通过所述的背景谱比对发现新信号，并通过监测显示层进行频谱展示和显示异常信号；

（3）所述的无人机信号检测模块对信号进行识别，并判断检测的信号是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕。

较佳地，所述的步骤（3）具体包括以下步骤：

（3.1）对信号进行检测、解调和去扰；

（3.2）搜索起始帧界定符，并根据起始帧界定符结果解调物理层收敛程序；

（3.3）解析所述的物理层收敛程序得到物理参数，得到MAC地址；

（3.4）根据所述的MAC地址前三个字节判断是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕。

较佳地，所述的步骤（3.1）中的对信号进行检测、解调和去扰包括解析PPDU层。

较佳地，所述的PPDU层的格式包括长前导码和短前导码。

较佳地，所述的步骤（3.3）中的物理参数包括信令、业务、需传输的数据的长度和16位的CRC校验码。

较佳地，所述的信令的字段长度为8位，用于定义数据传输速率。

较佳地，所述的业务的字段长度为8位，用于指定使用的调制码。

较佳地，所述的需传输的数据的长度为16位，用于指示发送后面的物理层收敛程序子层业务数据单元所需的时间长度。

较佳地，所述的16位的CRC校验码用于检验收到的信令、业务和长度字段的正确性。

采用了本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法，通过对大疆精灵3型无人机进行协议分析，降低了系统虚警概率，提高了精灵3型无人机信号检测概率，能够根据协议提取其同步码进行相关检测，提取遥控设备与无人机MAC地址并根据该地址判断飞机合法性，可以根据MAC地址不同，可实现多个飞机同时检测识别。根据其协议格式逐层解析，最终提取出收发两端MAC地址，并根据该型号固定MAC开头地址进行检测验证，从而大幅提升对精灵3信号的检测概率，极大程度地提高了在城市环境下的精灵3型无人机的信号检测性能。

附图说明

图1为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统的架构示意图。

图2为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法的流程图。

图3为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法的精灵3下行信号协议的帧封装传递流程图。

图4为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法的长前导码的示意图。

图5为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法的短前导码的示意图。

图6为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法的步骤（3）的流程图。

图7为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法的实施例的仿真结果示意图。

图8为本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统的实施例的运行检测时的示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

该基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统，其中，所述的系统包括：

监测显示层，用于接收用户的监测参数，并显示监测结果及导出数据；

逻辑分析控制层，与所述的监测显示层相连接，用于接收所述的监测显示层的控制参数，并对驱动层上传的数据进行分析；

设备驱动层，与所述的逻辑分析控制层相连接，用于与多种设备监测设备进行数据交互和控制，并把所述的逻辑分析控制层的参数转换成设备能处理的命令。

作为本发明的优选实施方式，所述的监测显示层包括：

检测结果显示模块，与所述的逻辑分析控制层相连接，用于显示监测结果；

监测参数控制模块，与所述的检测结果显示模块和逻辑分析控制层相连接，用于对用户的监测参数进行接收控制；

监测结果导出模块，与所述的监测参数控制模块和逻辑分析控制层相连接，用于导出相关数据。

作为本发明的优选实施方式，所述的逻辑分析控制层包括：

背景谱采集模块，与所述的监测显示层和设备驱动层相连接，用于采集背景谱；

信号能量比对模块，与所述的背景谱采集模块相连接，用于比较监测数据和背景谱；

无人机信号检测模块，与所述的信号能量比对模块和设备驱动层相连接，用于检测无人机的信号。

该基于上述系统基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的方法，其中包括以下步骤：

（1）所述的背景谱采集模块采集周围环境频谱信息作为背景谱，并对背景谱进行调整；

（2）所述的信号能量比对模块通过所述的背景谱比对发现新信号，并通过监测显示层进行频谱展示和显示异常信号；

（3）所述的无人机信号检测模块对信号进行识别，并判断检测的信号是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕；

（3.1）对信号进行检测、解调和去扰；

（3.2）搜索起始帧界定符，并根据起始帧界定符结果解调物理层收敛程序；

（3.3）解析所述的物理层收敛程序得到物理参数，得到MAC地址；

（3.4）根据所述的MAC地址前三个字节判断是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤（3.1）中的对信号进行检测、解调和去扰包括解析PPDU层。

作为本发明的优选实施方式，所述的PPDU层的格式包括长前导码和短前导码。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤（3.3）中的物理参数包括信令、业务、需传输的数据的长度和16位的CRC校验码。

作为本发明的优选实施方式，所述的信令的字段长度为8位，用于定义数据传输速率。

作为本发明的优选实施方式，所述的业务的字段长度为8位，用于指定使用的调制码。

作为本发明的优选实施方式，所述的需传输的数据的长度为16位，用于指示发送后面的物理层收敛程序子层业务数据单元所需的时间长度。

作为本发明的优选实施方式，所述的16位的CRC校验码用于检验收到的信令、业务和长度字段的正确性。

本发明的具体实施方式中，一般情况下，制约影响信号检测的因素有以下几点：

（1）信号源与接收设备距离：辐射的信号会随着传播距离的增加而逐渐衰减，当其它因素不变时，辐射源与接收设备距离越远，检测概率越低，且在传输与接收中出现误码的概率越高；

（2）信道中的干扰与噪声环境（信噪比）：信道环境对于信号质量的影响至关重要，在噪声较为恶劣的环境中接收信号，信号往往会被淹没在噪声之中，难以成功检测；无人机工作频段多为2.4GHz和5.8GHz频段，该频段信号众多，尤其是城市环境下wifi信号多为该频段，对无人机检测造成较强干扰。

（3）接收设备性能。接收设备的性能直接影响接收信号的质量，在发射端条件一定的情况下，应尽量使用高增益的全向天线提高接收信号能量，扩大监测范围；

（4）检测方法原理：检测方法是软件层面制约监测系统性能的关键。不同的检测方法性能不尽相同，如传统的能量检测往往可以对较好信噪比条件下的信号进行有无检测，但当信噪比较差时，信号将淹没于噪声之中，能量检测失效；而此时使用相关检测方法，通过对接收信号的相关，可以积累出信号相关峰，从而检测到信号。但在针对精灵3信号的检测中，传统的能量检测或相关检测虚警率较高，难以有效准确发现信号，具体分析如下节所述。

1.1本系统架构如图1所示，共分为3层：

监测显示层：负责接受用户的监测参数并显示监测结果、及导出数据；

逻辑分析控制层：接受监测显示层的控制参数，对驱动层上传的数据进行分析，并与背景谱进行比较，发现异常信号，则传入检测方法进行判断并显示检测结果。

设备驱动层：用于和多种设备监测设备进行数据交互和控制，把逻辑分析控制层的参数转换成设备能处理的命令；

1.2工作流程

系统流程如图2所示，首先将接收天线置于监测环境之中，预先采集周围环境频谱信息作为背景谱。然后在监控频段进行扫描，通过背景谱比对发现新信号。如果在可能频点上发现新信号，则传入精灵3检测方法进行检测识别，并返回检测结果。

1.3信号协议结构分析

精灵3下行信号协议中，物理层PHY是介质访问控制层MAC与无线介质的接口，它传输与接收共享无线介质上的数据帧。在PHY中，原始待发信息构成MSDU（MAC层业务数据单元），MSDU通过封装成为MPDU（MAC层协议数据单元）；同时协议中定义了高速PLCP（physiclalayer convergence procedure，物理层收敛程序）子层，用于HR/DSSS扩频方式，以实现2、5.5和11Mbps的传输速率。当MSDU传输进入PLCP子层后变成PSDU（PLCP子层业务数据单元），PSDU经过封装变成PPDU（PLCP子层协议数据单元）。帧封装传递流程如图3所示。

根据上段描述，在信号解析时需要逐渐解析PPDU层，传输的过程中，发送端通过向接收端发送PLCP前导码来提醒对方。前导码是一序列0/1比特串，用于同步即将发生的传输。PPDU主要有以下两种格式：

1）.Long PLCP Preamble：

长前导码的长度是144bit，前面128bit是同步域（sync field），后面16bit是Start of Frame Delimiter (SFD)，如图4所示。

同步码（SYNC）是128位经过扰码后的“1”（扰码器的种码为“1101100”），它被用于唤醒接收设备，使其与接收信号同步。起始帧界定符（SFD）用于通知接收机，在SFD结束后紧接着就开始传送与物理介质相关的一些参数。128bit的syncfield是用来提醒接收端一个潜在的可接收信号已经到来，当接收端收到这个提醒的sync field以后，接收端将会开始和这个信号同步。

在sync field后面的是16bit的SFD，这里的值是1111 0011 1010 0000，当收到SFD的时候，表示接下来的PLCP头部也将发送。这个长PPDU前导码是使用差分二进制相移键控（DBPSK）进行调制的，以1M的速率进行发送。长前导码的调制方法是固定的，PLCP Header的调制方法也是固定的，但是PSDU可以使用其他的调制方法。

当发送端发送sync field的时候，接收端没必要接收全部的sync field,但SFD要完全受到。

前导码结束后，就是PLCP头信息（PLCP Header），这些信息中包含了与数据传输相关的物理参数。这些参数包括：信令（SIGNAL）、业务（SERVICE）、将要传输的数据的长度（LENGTH）和16位的CRC校验码。接收机将按照这些参数调整接收速率、选择解码方式、决定何时结束数据接收。信令（SIGNAL）字段长8位，定义数据传输速率，它有四个值：0Ah、14h、37h和6Eh，分别指定传输速率为1Mbps、2Mbps、5.5Mbps和11Mbps，接收机将按此调整自己的接收速率。业务（SERVICE）字段长度也是8位，它指定使用何种调制码（CCK还是PBCC）。长度（LENGTH）字段长16位，用于指示发送后面的PSDU需用多长时间（单位为微秒）。16位CRC校验码用于检验收到的信令、业务和长度字段是否正确。

前导码和PLCP头部信息以固定的1Mbps速率发送，而PSDU数据部分则可以1Mbps（DBPSK调制）、2Mbps（DQPSK调制）、5.5Mbps（CCK或PBCC）和11Mbps（CCK或PBCC）速率进行传送。

2）.Short PLCP Preamble

短PLCP的preamble长度是72bit（long PLCP preamble 144的一半）,它由56bit的sync field和16bit的SFD组成，如图5所示。

16bit的SFD是0000 0101 1100 1111，和long SFD的顺序相反，和长PLCP的一样，Short PLCP Preamble 使用的是DBPSK调制，以1M的速率进行传输；但是Short PLCPHeader使用的是DQPSK调制，传输速率是2M。前导码的调制方法是固定的，PLCP Header的调制方法也是固定的，但是PSDU可以使用其他的调制方法。

短PPDU帧结构的前导码传输速率为1Mbps（DBPSK调制），整个PLCP头部信息的传输速率为2Mbps，PSDU数据传输速率为2Mbps、5.5Mbps、11Mbps。

1.4检测处理流程

由上述协议结构分析结果可进行方法流程设计，检测步骤流程如图6所示。

根据最后的MAC地址前三个字节，可以判断是否为精灵3型无人机。

对于SNR = 5dB条件下，仿真结果如图7所示。实际检测系统运行截图如图8所示。

采用了本发明的基于协议分析实现针对大疆精灵3型无人机检测控制的系统及方法，降低了系统虚警概率，提高了精灵3信号检测概率，能够提取遥控设备与无人机MAC地址并根据该地址判断飞机合法性，可以根据MAC地址不同，可实现多个飞机同时检测识别。根据其协议格式逐层解析，最终提取出收发两端MAC地址，并根据该型号固定MAC开头地址进行检测验证，从而大幅提升对精灵3信号的检测概率。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (8)

1.一种基于协议分析实现无人机检测控制的系统，其特征在于，所述的系统包括：

监测显示层，用于接收用户的监测参数，并显示监测结果及导出数据；

逻辑分析控制层，与所述的监测显示层相连接，用于接收所述的监测显示层的控制参数，并对驱动层上传的数据进行分析；

设备驱动层，与所述的逻辑分析控制层相连接，用于与多种设备监测设备进行数据交互和控制，并把所述的逻辑分析控制层的参数转换成设备能处理的命令；

所述的逻辑分析控制层包括背景谱采集模块、信号能量比对模块和无人机信号检测模块，所述的逻辑分析控制层包括：

背景谱采集模块，与所述的监测显示层和设备驱动层相连接，用于采集背景谱；

信号能量比对模块，与所述的背景谱采集模块相连接，用于比较监测数据和背景谱；

无人机信号检测模块，与所述的信号能量比对模块和设备驱动层相连接，用于检测无人机的信号；

所述的背景谱采集模块采集周围环境频谱信息作为背景谱，并对背景谱进行调整；所述的信号能量比对模块在监控频段进行扫描，通过背景谱比对发现新信号；所述的无人机信号检测模块对信号进行识别，如果在可能频点上发现新信号，则传入精灵3检测方法进行检测识别，并返回检测结果；

所述的系统进行以下步骤的处理：

（1）所述的背景谱采集模块采集周围环境频谱信息作为背景谱，并对背景谱进行调整；

（2）所述的信号能量比对模块通过所述的背景谱比对发现新信号，并通过监测显示层进行频谱展示和显示异常信号；

（3）所述的无人机信号检测模块对信号进行识别，并判断检测的信号是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕；

所述的步骤（3）具体包括以下步骤：

（3.1）对信号进行检测、解调和去扰；

（3.2）搜索起始帧界定符，并根据起始帧界定符结果解调物理层收敛程序；

（3.3）解析所述的物理层收敛程序得到物理参数，得到MAC地址；

（3.4）根据所述的MAC地址前三个字节判断是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕；

所述的步骤（3.3）中的物理参数包括信令、业务、需传输的数据的长度和16位的CRC校验码，所述的16位的CRC校验码用于检验收到的信令、业务和长度字段的正确性。

2.根据权利要求1所述的基于协议分析实现无人机检测控制的系统，其特征在于，所述的监测显示层包括：

检测结果显示模块，与所述的逻辑分析控制层相连接，用于显示监测结果；

监测参数控制模块，与所述的检测结果显示模块和逻辑分析控制层相连接，用于对用户的监测参数进行接收控制；

监测结果导出模块，与所述的监测参数控制模块和逻辑分析控制层相连接，用于导出相关数据。

3.一种基于协议分析实现无人机检测控制的方法，该方法利用基于协议分析实现无人机检测控制的系统，所述的系统包括：监测显示层，用于接收用户的监测参数，并显示监测结果及导出数据；

逻辑分析控制层，与所述的监测显示层相连接，用于接收所述的监测显示层的控制参数，并对驱动层上传的数据进行分析；

设备驱动层，与所述的逻辑分析控制层相连接，用于与多种设备监测设备进行数据交互和控制，并把所述的逻辑分析控制层的参数转换成设备能处理的命令；

所述的逻辑分析控制层包括背景谱采集模块、信号能量比对模块和无人机信号检测模块，所述的逻辑分析控制层包括：

背景谱采集模块，与所述的监测显示层和设备驱动层相连接，用于采集背景谱；

信号能量比对模块，与所述的背景谱采集模块相连接，用于比较监测数据和背景谱；

无人机信号检测模块，与所述的信号能量比对模块和设备驱动层相连接，用于检测无人机的信号；

所述的背景谱采集模块采集周围环境频谱信息作为背景谱，并对背景谱进行调整；所述的信号能量比对模块在监控频段进行扫描，通过背景谱比对发现新信号；所述的无人机信号检测模块对信号进行识别，如果在可能频点上发现新信号，则传入精灵3检测方法进行检测识别，并返回检测结果；

其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）所述的背景谱采集模块采集周围环境频谱信息作为背景谱，并对背景谱进行调整；

（2）所述的信号能量比对模块通过所述的背景谱比对发现新信号，并通过监测显示层进行频谱展示和显示异常信号；

（3）所述的无人机信号检测模块对信号进行识别，并判断检测的信号是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕；

所述的步骤（3）具体包括以下步骤：

（3.1）对信号进行检测、解调和去扰；

（3.2）搜索起始帧界定符，并根据起始帧界定符结果解调物理层收敛程序；

（3.3）解析所述的物理层收敛程序得到物理参数，得到MAC地址；

（3.4）根据所述的MAC地址前三个字节判断是否为精灵3型无人机信号，如果是，进行测向；否则，继续步骤（3），直至所有信号识别完毕；

所述的步骤（3.3）中的物理参数包括信令、业务、需传输的数据的长度和16位的CRC校验码，所述的16位的CRC校验码用于检验收到的信令、业务和长度字段的正确性。

4.根据权利要求3所述的基于协议分析实现无人机检测控制的方法，其特征在于，所述的步骤（3.1）中的对信号进行检测、解调和去扰包括解析PPDU层。

5.根据权利要求4所述的基于协议分析实现无人机检测控制的方法，其特征在于，所述的PPDU层的格式包括长前导码和短前导码。

6.根据权利要求3所述的基于协议分析实现无人机检测控制的方法，其特征在于，所述的信令的字段长度为8位，用于定义数据传输速率。

7.根据权利要求3所述的基于协议分析实现无人机检测控制的方法，其特征在于，所述的业务的字段长度为8位，用于指定使用的调制码。

8.根据权利要求3所述的基于协议分析实现无人机检测控制的方法，其特征在于，所述的需传输的数据的长度为16位，用于指示发送后面的物理层收敛程序子层业务数据单元所需的时间长度。

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