公安机关主要通过以下几种方式来判断天空中飞行的无人机是否合法：
核查飞行资质与报备情况：
- 公安机关会检查无人机操作人员是否具备相应的飞行资质和执照。根据相关规定，部分无人机操作需经过专业培训并取得合法飞行资格，如商业性无人机飞行活动通常要求操作人员持有民用无人驾驶航空器操控员执照。
- 同时，公安机关会核实无人机飞行前是否已向相关部门报备飞行信息。许多地区要求无人机飞行前需进行报备，以确保飞行活动的透明度和安全性。
检查无人机登记信息：
- 公安机关会检查无人机是否已进行合法登记，并核实登记信息是否真实有效。无人机登记是合法飞行的重要前提，通过登记信息，公安机关可以追踪到无人机的所有者和使用者。
- 登记信息通常包括无人机的型号、序列号、所有者姓名、联系方式等，这些信息有助于公安机关在需要时快速联系到相关人员。
监控飞行轨迹与区域：
- 公安机关会利用技术手段监控无人机的飞行轨迹和区域，确保其不进入敏感区域或禁止飞行区域。例如，机场净空保护区、军事管理区、国家机关办公场所等敏感区域是无人机飞行的禁区。
- 通过监控飞行轨迹，公安机关可以及时发现并制止无人机违规飞行行为，从而维护公共安全和飞行秩序。
现场检查与询问：
- 在必要时，公安机关会对无人机进行现场检查，包括检查无人机的外观、设备、电池等是否符合安全标准。
- 同时，公安机关会询问操作人员关于无人机的使用目的、飞行计划等信息，以判断其飞行行为是否合法合规。
利用技术手段进行识别：
- 随着科技的发展，公安机关可以利用雷达、无线电监测等技术手段对无人机进行识别和追踪。这些技术手段可以帮助公安机关快速定位无人机的位置、高度、速度等信息，从而判断其是否合法飞行。
法律背景与建议：
- 根据《中华人民共和国民用航空法》、《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例》等相关法律法规，无人机飞行需遵守一定的规定和限制。操作人员应确保无人机合法登记、具备相应资质、飞行前报备并遵守飞行区域限制等。
- 对于无人机操作人员来说，了解并遵守相关法律法规是合法飞行的前提。同时，建议操作人员在飞行前仔细规划飞行路线、了解飞行区域的限制和要求，并确保无人机设备的安全性和可靠性。
- 如果公安机关发现无人机飞行行为存在违法违规情况，将依法进行处罚。处罚措施可能包括警告、罚款、没收无人机等，情节严重的还可能面临刑事责任。
可能后果：
- 如果无人机操作人员未遵守相关法律法规进行飞行，可能面临公安机关的处罚，包括罚款、没收无人机等。
- 在严重情况下，如无人机飞行行为危及公共安全或造成严重后果的，操作人员还可能面临刑事责任追究。
因此，建议无人机操作人员务必了解并遵守相关法律法规，确保合法合规飞行。如有任何法律疑问或需要进一步的法律咨询，可以直接向我提问。