什么是 KrakenSDR?

简介

KrakenSDR 是一款支持相干接收的软件定义无线电（SDR）。

相干性使其能够应用于许多非常有趣的场景，例如无线电测向和波束赋形。

一些典型的应用场景包括：

物理定位未知的感兴趣发射源（例如：非法或干扰性广播、噪声信号，或出于好奇进行的信号探测）
业余无线电实验，如无线电猎狐赛（Fox Hunt）或中继台滥用行为的监测
在无网络覆盖区域对资产、野生动物或家养动物进行追踪，可通过低功耗信标实现
搜救队伍定位紧急信标信号
通过甚高频（VHF）无线电定位失联船只
波束赋形（Beamforming）
用于射电天文学的干涉测量（Interferometry）

无线电测向（Radio Direction Finding）

KrakenSDR 最常见的应用就是无线电测向（RDF）。无线电测向（RDF）是指通过某种技术手段，确定一个射频（RF）发射源的大致方向。

最简单的方法是使用一个定向天线，该天线只能接收来自其指向方向的信号。你可以手动旋转天线，扫过 360 度，并记录哪个方向接收到的信号最强。接着在不同地点重复这个过程，绘制多个方位角线，找出它们交汇的位置以估算发射源的具体位置。
但这种“简单”方法需要专门的调谐定向天线，并且操作过程手动进行，容易出错。

除了这种方法，还有一些其他测向技术，比如伪多普勒（pseudo-Doppler）和Watson-Watt等。然而，KrakenSDR 是一款相干 SDR，因此可以采用一种更先进的技术：相关干涉测量（correlative interferometry）。

这种技术利用按特定已知几何排列的天线阵列中的相位信息，并通过类似 MUSIC 这样的算法，计算出射频发射源的方位角。

通过在多个位置获取测向数据，可以进一步实现三点定位（triangulation），从而精确确定发射源的位置。

KrakenSDR 如何实现相干接收？

KrakenSDR 由五个定制的 RTL-SDR 电路组成，每个电路使用 R820T2 射频芯片和 RTL2832U 解调芯片。
RTL-SDR 是一种广为人知且低成本的软件定义无线电（SDR），但仅仅将五个 RTL-SDR 接收器连到同一台电脑上，并不能实现“相位相干”，因为每个接收器接收到的信号相位会略有不同。这种偏移导致无法准确测量不同天线接收到信号之间的相位关系。

为了实现相干接收，KrakenSDR 使用单一的时钟源为所有五个 RTL-SDR 通道供时，并且内置了校准硬件，可用于精确测量通道之间的相位关系，并通过软件进行校正。

此外，KrakenSDR 的整体硬件设计也专注于确保相位稳定性，包括以下方面的精心设计：

热管理（Heat management）
驱动配置（Driver configuration）
电源供应（Power supply）
外部干扰抑制（Mitigation of external interference）

开始进行无线电测向，你需要准备以下设备：

KrakenSDR 本体
USB Type-C 数据线
5V / 2.4A 及以上的 USB Type-C 电源适配器
一个五单元的天线阵列（例如我们的 Krakentenna 磁吸鞭状天线套装）
一台可运行 KrakenSDR 软件的便携式计算设备
（可选）一台用于地图测向的 Android 设备

在计算设备方面，我们推荐使用 Raspberry Pi 4，我们提供了预配置的 SD 卡镜像，用户只需烧录即可使用。

如果要进行方向测量，建议额外准备一部具备以下功能的 Android 手机或平板：

移动热点功能
GPS
电子指南针
最好是近三四年内生产的设备，以确保性能和兼容性。

硬件规格

五通道相干能力 RTL-SDR，所有通道均由同一个本振（LO）时钟驱动
内置自动相干同步硬件
调谐范围：24 MHz 至 1766 MHz（为标准 R820T2 RTL-SDR 范围，通过破解驱动可能支持更高频率）
USB-C 接口用于数据传输与供电
SMA 母头射频输入端口
每个 SMA 端口提供 4.5V 偏置电源（bias tee）
坚固的铝制外壳，内置散热器和风扇，以确保温度与相位稳定性

组件说明

SMA 天线输入
偏置电源（Bias Tee）
静电放电保护（ESD Protection）
噪声校准开关（Noise Calibration Switches）
R820T2 调谐器
RTL2832U 模数转换器（ADC）
噪声源（Noise Source）
USB 集线器（USB Hub）
独立调谐器开/关拨码开关（Individual Tuner On/Off DIP Switches）
USB Type-C 数据接口（USB Type-C DATA）
USB Type-C 电源接口（USB Type-C PWR）

软件说明

1、开源核心数据采集（Data Acquisition, DAQ）与数字信号处理（Digital Signal Processing, DSP）软件
我们提供用于五个天线通道射频数据采集的开源 DAQ 软件源码。该软件可实现自动校准，并通过开关（switches）和噪声源（noise source）实现相位相干（phase coherence），随后生成相干采样供下一处理层使用。该 DAQ 代码通常运行在 Raspberry Pi 4 或类似的单板计算机（Single Board Computer, SBC）上，也可以运行在普通 PC 上。
此外，我们还提供可与 DAQ 软件接口的 GNU Radio 模块（GNU Radio block）。

2、用于特定应用场景的 DSP 代码（DSP code for specific use cases）
我们的开源 DSP 代码支持方向测量（Direction Finding）。该代码实现了如 MUSIC 等方向测量算法（direction-finding algorithms），也可在与 DAQ 相同的 Raspberry Pi 4 或 PC 上运行。

3、应用层（Application Layer）
应用层程序利用来自 DSP 层的数据进行绘图（plotting）和记录（logging）。通常，这些程序运行在另一台独立的计算设备上。

4、移动端方向测量（Mobile Direction Finding）
我们提供一个免费的 Android 应用授权，用于地图显示（mapping）、数据记录（logging data）以及自动估算发射源位置（transmitter location）。

5、分布式固定站点和移动站点（Distributed Fixed and Mobile Sites）支持
我们提供一个基于云的地图解决方案（cloud-based mapping solution），目前处于 alpha 测试阶段，网址为 map.krakenrf.com。

UI显示

一共有两个，KrakenSDR Android App和KrakenSDR Web Interface

KrakenSDR Android App

除了网页界面，我们还开发了一款配套的无线电测向 Android 应用程序（radio-direction finding Android app），可以自动确定发射源的位置。由于普通的 Android 手机通常配备了所需的传感器和功能，例如 GPS、电子指南针（compass）、移动数据（mobile data） 和 地图功能（mapping），我们充分利用这些特性，打造了一套高性价比的无线电测向系统。

一个典型的使用场景是：将天线阵列安装在汽车车顶，车内放置 KrakenSDR、Raspberry Pi 4 和一部 Android 手机。
当车辆行驶时，KrakenSDR 软件会持续输出相对于天线阵列的方位角（bearing）。Android 应用通过 Wi-Fi 接收这些方位数据，并结合手机的 GPS 传感器获取的移动方向信息，自动修正后即可计算出该位置上指向发射源的准确地图方位角。

应用程序会将这些数据记录并绘制在地图网格上（log and plot），从而实现多个测向线的自动交汇定位。
通常只需几分钟的行驶时间，就可以精确定位一个持续发射强信号的发射源。

更进一步，这款应用还能提供自动导航（turn-by-turn navigation），在驾驶过程中无需分心查看地图，就能直接引导你前往发射源的位置！

这些强大功能在过去只出现在价格高昂的高端测向系统中，而大多数用户往往难以承受这样的成本。现在，KrakenSDR 让这一切变得可负担且可实现。

KrakenSDR Web Interface