CN111043911B - 一种无人机遥控器信号分析破解系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种无人机遥控器信号分析破解系统及其工作方法，系统包括定向探测单元，定向探测单元与信号采集单元相连接，信号采集单元与信号分析单元相连接，信号分析单元与破解信号产生单元相连接，破解信号产生单元与发射天线相连接。本发明采用定向天线进行遥控器信号的发现和定向，并对其信号进行解调，分析其信号格式，采用接管遥控器发射和其真实信号相同的信号，以达到接管的目的，该系统既能够对“黑飞”的无人机进行发现、无人机测向、还能够接管无人机。

Description

一种无人机遥控器信号分析破解系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及无人机遥控器信号处理的技术领域，尤其涉及一种无人机遥控器信号分析破解系统及其工作方法。

背景技术

现阶段的无人机管控系统中压制干扰是采用全频段压制，对于其他系统的干扰也较大，在专利申请号为“201710047228.X”、专利名称为“特殊区域入侵无人机预警拦截控制系统”中公开了一种无人机信号破解，也是采用全频段压制的方式。由于遥控器的类型较多，信号格式复杂等因素的制约，现阶段的无人机管控系统都没有遥控器接管的方式，现阶段主流的遥控器主要采用的是2.4GHz的ISM公用频段，结合“对码”和跳频模式进行数据的传输，各种遥控器具体的数据传输的格式虽然都不一样；但是从时序上和信号格式上都有接管的可能，无人机遥控器在2.4GHz频段的98个1MHz带宽的频点上发两种类型的数据帧，格式如图1所示，这种数据格式给接管式的管控提供了可能，主要基于以下几点：

1）发送数据的占空比约为11%，时序的空隙为接管提供了介入的时机；

2）在“对码”完成后跳频的规律是不变的，频点的规律为接管提供了介入的频谱空间；

3）数据格式的破解为接管提供了介入信息编码规律；

4）空中接口的无加密为接管减小了难度。

发明内容

针对由于遥控器的类型较多，信号格式复杂等因素的制约，现阶段的无人机管控系统都没有遥控器接管的方式的技术问题，本发明提出一种无人机遥控器信号分析破解系统及其工作方法。

为了解决上述问题，本发明的技术方案是这样实现的：

一种无人机遥控器信号分析破解系统，包括定向探测单元，定向探测单元与信号采集单元相连接，信号采集单元与信号分析单元相连接，信号分析单元与破解信号产生单元相连接，破解信号产生单元与发射天线相连接。

优选地，所述定向探测单元包括定向栅格天线，信号采集单元包括SDR硬件BLADERF，信号分析单元包括信号分析主机，破解信号产生单元包括接管遥控器，定向栅格天线与SDR硬件BLADERF相连接，SDR硬件BLADERF与信号分析主机相连接，信号分析主机通过数传模块与接管遥控器相连接，接管遥控器与发射天线相连接。

优选地，所述接管遥控器包括操纵杆，操纵杆与处理器相连接，处理器与FPGA模块相连接，FPGA模块分别与信号分析主机和射频芯片相连接，射频芯片与发射天线相连接。

一种无人机遥控信号分析破解系统的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，首先利用定向天线对已经配对成功的遥控器发送给无人机接收的信号进行侦测收集；

S2，随后将侦测收集的信号通过SDR硬件BLADERF转换为基带信号，通过网口将基带信号传输至信号分析主机上；

S3，利用信号分析主机对基带信号进行跳频规律和信号内容进行解析，将破解信息利用时间标签打上标签后发送给接管遥控器；随后对遥控器的信号格式破解，并产生接管信号；

S4，接管遥控器获取了原始遥控器的跳频规律、信号内容以及接管信号后，根据遥控器的数据协议进行编码，控制射频模块将遥控信号通过发射天线发射出去。

优选地，所述步骤S3中信号分析主机对基带信号跳频规律和信号内容的解析方法，包括如下步骤：

Y1，首先信号分析主机对基带信号通过FFT进行频谱分析，通过频谱的分析，获得遥控器发送信号跳频的规律即跳频的图案；

Y2，根据跳频的图案，对接下来的数据的频点进行预测；

Y3，根据预测的频点，对GFSK信号进行解调。

优选地，所述步骤Y1中信号分析主机上安装有Ubuntu系统和GNU-Radio信号处理平台，使用GUN-Radio和SDR硬件BLADERF对基带信号进行采集分析，利用BLADERF自带频谱分析功能观察遥控器信号射频的频段及频点信息，随后通过File Sink模块将BLADERF采集的信号以dat文件形式保存到信号分析主机中。

优选地，所述步骤Y3中利用GNU-Radio信号处理平台采集一段遥控器实际发出的信号，用软件Cool-Edit对采集的信号进行分析，在典型GFSK调制框架下进行解调，解调出的数据以dat文件的形式保存到指定的路径下。

优选地，所述步骤S3中遥控器的信号破接方法，包括如下步骤：

N1，首先通过逻辑分析仪大量测试分析遥控器主控芯片发送给射频芯片的信号格式以及信号格式的变化规律，确定信号格式中的帧头和帧长；

N2，通过FPGA模块上的电源对射频芯片供电，然后射频芯片上的其他信号的引脚仍然是连接到遥控器上面，当遥控器正常工作的时候，去掉射频芯片上的信号引脚，但是仍然要保留供电引脚，此时射频芯片上的SPI接口连接到FPGA模块，FPGA模块产生一个SPI的时序去读取射频芯片上的寄存器，获取读取遥控器正常工作时的寄存器的值；

N3，在获得寄存器值后，通过SDR硬件BLADERF和信号分析主机对遥控器信号的频谱特性和解调数据的分析，对遥控器会改变的寄存器的值进行分析并记录；

N4，通过步骤N1~N3，获取了原始遥控器数据帧的格式、具体内容以及主要寄存器的值后，基于FPGA模块伪造同类型遥控器的信号，在收到频点信息之后，向接管遥控器发送遥控控制信息。

本发明的有益效果：本发明采用定向天线进行遥控器信号的发现和定向，并对其信号进行解调，分析其信号格式，采用接管遥控器发射和其真实信号相同的信号，以达到接管的目的，该系统既能够对“黑飞”的无人机进行发现、无人机测向、还能够接管无人机，对于航模等低慢小无人机的管控，如果能够对其遥控器信号进行分析和破解，就能够接管其遥控器，也就是使得遥控飞机的人员失去对飞机的控制，由管控人员自由控制飞机，整体控制系统具有以下优点：

1）可以选择管控模式，选择降落的地点，如选择人少的地面进行降落，提高管控的安全性；

2）不需要进行遥控器的大功率干扰，减小电磁污染；

3）可以事后分析，接管飞机后，可安全无损降落，根据飞机上的物品，分析其进入管控区域的目的；

4）能给侵入者带来心理上的震撼效果；

5）在对遥控器信号进行侦测和解析的过程中，能够对遥控器进行定向。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为无人机遥控器数据格式示意图。

图2为本发明的原理示意图。

图3为本发明中遥控器信号分析流程图。

图4为使用BLADERF分析射频信号示意图。

图5为GNU-Radio采集信号流程示意图。

图6为遥控器信号瀑布图。

图7为典型GFSK调制框架示意图。

图8为SDR采集的信号示意图。

图9为图8中采集信号的波形图。

图10为图8中采集信号的语谱图。

图11为遥控器信号格式解调后的二进制数据示意图。

图12为27字节数据示意图。

图13为24字节数据示意图。

图14为接管遥控器内部结构示意图。

图15为控制信息帧图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：如图2所示，一种无人机遥控器信号分析破解系统，包括定向探测单元，定向探测单元包括定向栅格天线，定向栅格天线采用2.4G高增益24DBI定向点对点远距离接收栅格天线，该天线特点有高增益、小驻波；压铸铝栅状反射面；抗紫外老化涂层，天线适用于24002483MHZ频段，可以长距离传输、点对点，点对多点传输，由于大部分遥控器采用的是2.4GHz的ISM公用频段，而该天线正好满足频段要求，而且天线采用导型馈源使初级照射方向与口面适应，保证天线工作于最佳状态，该天线有高增益工作距离远，结构轻巧，架设方便，风阻小等优点，不仅可以发现遥控器信号，而且根据不同方向遥控器信号强弱进行遥控器定向。

定向探测单元与信号采集单元相连接，信号采集单元包括SDR硬件BLADERF，信号采集单元为SDR硬件BLADERF-X115，SDR硬件BLADERF-X115是Nuand公司最新产品，内置Altera-115KLE-Cyclone-LV-FPGA，除了完成基本的板级驱动和功能之外，还可以为计算密集性单元模块提供硬件加速，如FFT，Turbo译码以及调制解调器等等，仅仅通过X115单板，就可以实现300MHZ到3.8GHZ的射频波段，无需额外的子板，结合开源软件的软件系统GNURadio，BLADERF可以拿来即用，而且与众多的开源开发者一起工作。

信号采集单元与信号分析单元相连接，信号分析单元包括信号分析主机，信号分析主机上安装有BLADERF和MATLAB软件，利用BLADERF和MATLAB软件相结合的方式，在windows环境中安装BLADERF驱动程序，然后Matlab中直接添加BLADERF驱动文件中Matlab和x64文件夹路径，之后就可以直接在Matlab中调用相关命令对BLADERF进行开发；进一步利用Matlab的可视化GUI开发了可视化程序对无人机遥控信号进行解调。

信号分析单元与破解信号产生单元相连接，破解信号产生单元与发射天线相连接，破解信号产生单元包括接管遥控器，定向栅格天线与SDR硬件BLADERF相连接，SDR硬件BLADERF与信号分析主机相连接，信号分析主机通过数传模块与接管遥控器相连接，数传模板采用一般的通用数传模块就可以，接管遥控器与发射天线相连接；所述接管遥控器包括操纵杆，操纵杆与处理器相连接，处理器与FPGA模块相连接，FPGA模块分别与信号分析主机和射频芯片相连接，射频芯片与发射天线相连接，而常规遥控器的内部结构包括操作杆、处理器和射频芯片，如图14所示，通过采用FPGA透传模块方案的电路结构，灵活性借助了当前遥控器中的所有控制杆，FPGA模块的作用是，第一不能让遥控器中的处理器感觉到“异常”，所以FPGA模块必须要保证到射频的反馈信息要能够原样的输出给处理器。

实施例2：如图3所示，一种无人机遥控信号分析破解系统的工作方法，包括如下步骤：

S1，首先利用定向栅格天线对已经配对成功的遥控器发送给无人机接收的信号进行侦测收集；

S2，随后基于GNU-Radio软件无线电平台，能够快速可视化构件信号处理和分析系统，将侦测收集的信号通过SDR硬件BLADERF转换为基带信号，通过网口将基带信号传输至信号分析主机上；

S3，利用信号分析主机对基带信号进行跳频规律和信号内容进行解析，将破解信息利用时间标签打上标签后发送给接管遥控器；随后对遥控器的信号格式破解，并产生接管信号；

所述步骤S3中信号分析主机对基带信号跳频规律和信号内容的解析方法，包括如下步骤：

Y1，首先信号分析主机对基带信号通过FFT进行频谱分析，通过频谱的分析，获得遥控器发送信号跳频的规律即跳频的图案；信号分析主机上安装有Ubuntu系统和GNU-Radio信号处理平台，如图4和图5所示，使用GUN-Radio和SDR硬件BLADERF对基带信号进行采集分析，因此需要对BLADERF板卡进行固件刷新以及FPGA镜像加载；Nuand提供构建好的固件镜像，可以直接下载使用，要刷新固件时，只需要在命令行执行：Sudo BLADERF-cli-fBLADERF_fw.img-v verbose，每次重新加电后，FPGA镜像会自动加载。

利用BLADERF自带频谱分析功能观察遥控器信号射频的频段及频点信息，在命令行输入：osmocom_fft-a BLADERF=0 –s 20000000–f 2422000000，显示如图4的界面，通过图4可以识别信号射频的频段以及频点信息；通过命令行输入命令：sudo gnuradio-companion，启动GNU Radio软件，通过拖拽右边的模块库中的模块组装成应用，具体流程如图5所示，信号分成两路，一路用于做频谱分析，一路进行重新采样并滤波后存储起来供回放使用；点击平台中的运行按钮，第一个属性页为频谱图，可以分析采集信号带宽内频域信号。第二个属性页为瀑布图，其界面如图6所示，观察瀑布图可以看到两个频点，可以看到不断跳动的小黄线，这就证实了射频通信是跳频的，可以通过人为切换的方式看到多个频点信息，随后通过File-Sink模块将BLADERF采集的信号以dat文件形式保存到信号分析主机中；在不知道跳频序列的情况下，将无法对射频信号进行完整解调。采用以上方式进行频点的侦测。通过频谱分析仪对同一遥控器进行多次分析，发现遥控器在“对码”完成后，跳频序列是固定的。

Y2，根据跳频的图案，根据图案上显示的跳频规律和时间参数，自动对接下来的数据的频点进行预测；

Y3，根据预测的频点，对GFSK信号进行解调。GFSK起源于FSK，但是FSK带宽要求在相当大的程度上随着调制符号数的增加而增加，在现代的低数据速率应用中，GFSK调制采用高斯函数作为脉冲整形滤波器以减少传输带宽，如图7所示典型的GFSK调制框图，对GFSK信号进行解调如图8所示，就是SDR硬件采集的信号数据；图9显示的是采集信号的波形；图10显示的是0到83M范围内信号语谱图，在典型GFSK调制框架下进行解调，解调出的数据以dat文件的形式保存到指定的路径下，解调出的二进制数据如图11所示；需要注意的是BLADERF收发的射频数据采用了IQ调制解调成二进制数据。

所述步骤S3中遥控器的信号破接方法，包括如下步骤：

N1，首先通过逻辑分析仪大量测试分析遥控器主控芯片发送给射频芯片的信号格式以及信号格式的变化规律，确定信号格式中的帧头和帧长；通过大量测试分析，如图12和图13所示，数据发送的重复周期为发送3个27字节的数据帧和一个24字节的数据帧，在不改变控制信息的时候发送的数据为，3个27字节数据和一个24字节的数据，其中所发送的3个27字节为一帧的数据中，只有在标记为图12中的第6个字节的地方发生变化，其余的地方都保持不变；对于24字节为一帧的数据中，只要开机就会发送这帧数据，不会随着控制信息发生变化；

当改变控制信息的时候，所发送的信息格式不会发生变化，但是图12中的标记为2、3的地方会发生变化；对于在不同工作频点上的信号，则频点控制字节只能在图12中标记为1的地方，并且只会有四个不同的工作频点。

N2，一般来说，同一款遥控器采用的是同一个射频芯片，对于射频芯片的寄存器的值的设定大部分也是相同的，所以，第一步先对射频芯片正常工作时的寄存器进行读取，通过FPGA模块上的电源对射频芯片供电，然后射频芯片上的其他信号的引脚仍然是连接到遥控器上面，当遥控器正常工作的时候，去掉射频芯片上的信号引脚，但是仍然要保留供电引脚。此时射频芯片上的SPI接口连接到FPGA模块，FPGA模块产生一个SPI的时序去读取射频芯片上的寄存器，获取读取遥控器正常工作时的寄存器的值。

N3，在获得寄存器值后，通过信号采集单元和信号分析单元对遥控器信号的频谱特性和解调数据的分析，对遥控器会改变的寄存器的值进行分析并记录。

N4，通过上述步骤N1~N3，获取了原始遥控器数据帧的格式、具体内容以及主要寄存器的值后，基于FPGA模块伪造同类型遥控器的信号并控制“黑飞”无人机，由于四个频点通道同时打开，收到频点信息之后，在这个频点上发送控制信息，减少数据帧之间的间隔发送数据，产生接管信号。

S4，接管遥控器获取了原始遥控器的跳频规律、信号内容以及接管信号后，根据遥控器的数据协议进行编码，控制射频模块将遥控信号通过发射天线发射出去，由于原有的遥控器在时间上只占11%左右，接管的遥控器就可以在89%的时序内接管无人机；

常规遥控器中处理器接收遥控器上的控制信息，同时通过读取和配置当前射频芯片的状态。将操纵杆的信息通过SPI接口发送到射频芯片，射频芯片将接收到的数据信息发送出去，从而实现对无人机的控制。针对遥控器的内部结构，通过逻辑分析仪可以得到主控处理器发送给射频芯片的数据信息；如果将处理器每一次送给射频芯片的数据划分为一帧的话，可以得到如图15所示的控制信息帧的数据格式。

图15中1、2、3等表示单片机发送给射频芯片的第几包数据，其中数据包中的数据都是一样的，包与包之间的间隔为1700us图中每一包数据帧包含f1、f2、f3和f4，4帧数据，其中f1、f2和f3的帧长度为27个字节，f4的帧长度为24个字节，其实上面的每包数据之间的间隔就是f4和f1之间的时间间隔，该时序中，每个27字节数据之间的间隔为1870us即f1、f2和f3之间的间隔，f1与f4之间的间隔为1700us，控制信息帧只有数据位部分是发送给遥控器的，其余的一些数据都是用来控制射频芯片的寄存器的，实现了操控的灵活性，结合当前的遥控器的内部结构，采用了一种“透传”方法，将每一次处理器发送到射频芯片的数据通过FPGA进行透传，采用FPGA透传模块方案的电路结构如图14所示。该方法的灵活性借助了当前遥控器中的所有控制杆，图中FPGA模块的作用是，第一不能让遥控器中的处理器感觉到“异常”，所以FPGA必须要保证到射频的反馈信息要能够原样的输出给处理器；对于处理器根据遥控的变化所发射出来的控制信息，FPGA也会原样地发送到射频芯片模块，这里FPGA需要将这个控制信息中的地址信息替换掉；而地址信息是根据信号分析单元中GNU-Radio所获取的。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种无人机遥控器信号分析破解系统的工作方法，其特征在于，该无人机遥控器信号分析破解系统包括定向探测单元，定向探测单元与信号采集单元相连接，信号采集单元与信号分析单元相连接，信号分析单元与破解信号产生单元相连接，破解信号产生单元与发射天线相连接；

所述定向探测单元包括定向栅格天线，信号分析单元包括信号分析主机，破解信号产生单元包括接管遥控器；

其工作方法包括如下步骤：

S1，首先利用定向栅格天线对已经配对成功的遥控器发送给无人机接收的信号进行侦测收集；

S2，随后将侦测收集的信号通过信号采集单元的SDR硬件BLADERF转换为基带信号，通过网口将基带信号传输至信号分析主机上；

S3，利用信号分析主机对基带信号进行跳频规律和信号内容进行解析，信号分析主机将破解信息利用时间标签打上标签后发送给接管遥控器；随后对遥控器的信号格式破解，并产生接管信号；

所述步骤S3中遥控器的信号格式破解的方法，包括如下步骤：

N1，首先通过逻辑分析仪大量测试分析遥控器主控芯片发送给射频芯片的信号格式以及信号格式的变化规律，确定信号格式中的帧头和帧长；

N2，通过接管遥控器的FPGA模块上的电源对发射天线的射频芯片供电，然后射频芯片上的其他信号的引脚仍然是连接到遥控器上，当遥控器正常工作的时候，去掉射频芯片上的信号引脚，但是保留供电引脚，此时射频芯片上的SPI接口连接到FPGA模块，FPGA模块产生一个SPI的时序去读取射频芯片上的寄存器，获取读取遥控器正常工作时的寄存器的值；

N3，在获得寄存器值后，通过SDR硬件BLADERF和信号分析主机对遥控器信号的频谱特性和解调数据的分析，对遥控器会改变的寄存器的值进行分析并记录；

N4，通过步骤N1~N3，获取了遥控器数据帧的格式、具体内容以及寄存器的值后，基于FPGA模块伪造同类型遥控器的信号，在收到频点信息之后，向接管遥控器发送遥控控制信息；

S4，接管遥控器获取了遥控器的跳频规律、信号内容以及接管信号后，根据遥控器的数据协议进行编码，控制射频芯片将遥控信号通过发射天线发射出去。

2.根据权利要求1所述的无人机遥控器信号分析破解系统的工作方法，其特征在于，所述破解信号产生单元包括接管遥控器，定向栅格天线与SDR硬件BLADERF相连接，SDR硬件BLADERF与信号分析主机相连接，信号分析主机通过数传模块与接管遥控器相连接，接管遥控器与发射天线相连接。

3.根据权利要求2所述的无人机遥控器信号分析破解系统的工作方法，其特征在于，所述接管遥控器包括操纵杆，操纵杆与处理器相连接，处理器与FPGA模块相连接，FPGA模块分别与信号分析主机和射频芯片相连接，射频芯片与发射天线相连接。

4.根据权利要求1所述的无人机遥控器信号分析破解系统的工作方法，其特征在于，所述步骤S3中信号分析主机对基带信号跳频规律和信号内容的解析方法，包括如下步骤：

Y1，首先信号分析主机对基带信号通过FFT进行频谱分析，通过频谱的分析，获得遥控器发送信号跳频的规律即跳频的图案；

Y2，根据跳频的图案，对后续接收的信号数据的频点进行预测；

Y3，根据预测的频点，对GFSK信号进行解调。

5.根据权利要求4所述的无人机遥控器信号分析破解系统的工作方法，其特征在于，所述步骤Y1中信号分析主机上安装有Ubuntu系统和GNU-Radio信号处理平台，使用GUN-Radio和SDR硬件BLADERF对基带信号进行采集分析，利用BLADERF自带频谱分析功能观察遥控器信号射频的频段及频点信息，随后通过File Sink模块将BLADERF采集的信号以dat文件形式保存到信号分析主机中。

6.根据权利要求5所述的无人机遥控器信号分析破解系统的工作方法，其特征在于，所述步骤Y3中利用GNU-Radio信号处理平台采集一段遥控器实际发出的信号，用软件Cool-Edit对采集的信号进行分析信号格式，在典型GFSK调制框架下进行解调，解调出的数据以dat文件的形式保存到指定的路径下。

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