A relative positioning system towards localization and security in unmanned aerial vehicle applications

Abstract

Τα μη επανδρωμένα αεροσκάφη (ΜΕΑ) νέας γενεάς απαιτούν βελτιωμένη αντίληψη κατάστασης χώρου καθώς και ακρίβεια στην πλοήγηση για να επιτύχουν επιχειρησιακή αξιοπιστία. Η χρήση των σημάτων του παγκόσμιου δορυφορικού συστήματος πλοήγησης, τα οποία χρησιμοποιούνται πρακτικά από όλα τα μοντέρνα συστήματα εντοπισμού θέσης, δεν μπορούν να ικανοποιήσουν τις αυξημένες απαιτήσεις για αυτονομία των ΜΕΑ. Οι ήδη υπάρχουσες τεχνολογίες που χρησιμοποιούνται για να πετύχουν ακρίβεια στην πλοήγηση των ΜΕΑ χρησιμοποιούν τεχνικές όπως ο συνδυασμός πληροφοριών από διαφορετικού τύπου αισθητήρες. Ο κύριος στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η δημιουργία ενός αυτόνομου συστήματος υπολογισμού θέσης το οποίο θα μπορεί να παρέχει ακρίβεια και σταθερότητα στην πλοήγηση των ΜΕΑ σε περιοχές όπου το παγκόσμιο δορυφορικό σύστημα πλοήγησης (ΠΔΣΠ) δεν είναι διαθέσιμο ή βρίσκεται σε υπολειτουργία. Το σύστημα βασίζεται στη χρήση ραδιοσημάτων τα οποία είναι διαθέσιμα στην περιοχή πλοήγησης, επονομαζόμενα ως σήματα ευκαιρίας (ΣΕ), και σε εξοπλισμό ραδιοεπικοινωνιών που ορίζεται μέσω λογισμικού (ΕΡΛ). Το σύστημα σχετικής θέσης (ΣΣΘ) που υλοποιήθηκε διερευνά τις ιδιότητες των ΣΕ σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων και αναπτύσσει ένα αλγόριθμο για την ακριβή εκτίμηση της τροχιάς των ΜΕΑ στο χώρο και χρόνο χρησιμοποιώντας ένα σύνολο από πομπούς ΣΕ με άγνωστη θέση αναφοράς. Επίσης, για τη βελτίωση του προτεινόμενου συστήματος και για να επιτύχουμε τον υπολογισμό θέσης σε πραγματικό χρόνο, υλοποιήθηκε αλγόριθμος για την επιλογή των συχνοτήτων που συνεισφέρουν χρήσιμη πληροφορία στο σύστημα, ο οποίος βασίζεται στην λαμβανόμενη ισχύ των ΣΕ. Καθώς η τεχνολογία των ΜΕΑ εξελίσσεται και τα συστήματα υπολογισμού θέσης (σε επίπεδο ενός ΜΕΑ) έχουν ωριμάσει, η προοπτική χρήσης σμήνους (πολλαπλών) ΜΕΑ έχει λάβει αυξημένο ενδιαφέρον, κυρίως ως μέσο για την κάλυψη των απαιτήσεων υπολογισμού θέσης για αυτόνομα συστήματα ΜΕΑ. Επομένως, σε αυτή την διατριβή έχουν γίνει βελτιώσεις στο ΣΣΘ με τη χρήση πληροφορίας από διάφορους αισθητήρες σε συνδυασμό με τα ΣΕ, καθώς και με τη χρήση πολλαπλών ΜΕΑ. Συγκεκριμένα, ένα σύστημα συνεργασίας πολλαπλών ΜΕΑ έχει υλοποιηθεί, το οποίο συνδυάζει τεχνολογίες χαμηλού κόστους όπως αδρανειακές μονάδες μέτρησης, και τα δεδομένα από εικόνες εδάφους που λαμβάνονται από ΜΕΑ, μαζί με τη χρήση αλγορίθμου εκτίμηση τροχιάς, με σκοπό τη βελτίωση του υπολογισμού θέσης χωρίς τη χρήση σημάτων του ΠΔΣΠ. Ακόμα, σε περιπτώσεις όπου μερικοί αισθητήρες δεν λειτουργούν ή υπολειτουργούν, ένα εύρωστο κατανεμημένο σύστημα πολλαπλών ΜΕΑ έχει υλοποιηθεί για να πετύχει μεγαλύτερη ακρίβεια στον υπολογισμό της σχετικής θέσης. Επιπλέον, το προτεινόμενο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες εφαρμογές ασφάλειας και προστασίας υποδομών ζωτικής σημασίας από παράνομες/μη-εξουσιοδοτημένες εναέριες δραστηριότητες. Συγκεκριμένα, έχει υλοποιηθεί ένα σύστημα παθητικού ραντάρ (στο έδαφος καθώς και επί των ΜΕΑ), χρησιμοποιώντας ΣΕ, το οποίο έχει τη δυνατότητα ανίχνευσης, παρακολούθησης, καθώς και υπολογισμού σχετικής θέσης. Στη συνέχεια, υλοποιήθηκε ένα σύστημα αντιμετώπισης των κακόβουλων ΜΕΑ, βασισμένο σε αλγορίθμους ανίχνευσης και παρακολούθησης, σε συνδυασμό με δυνατότητες ασύρματης αντιμετώπισης με τη χρήση μηχανισμού σημάτων εμπλοκή.

Next-generation autonomous Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) require enhanced situational perception as well as precise navigation capabilities for reliable operation. The Global Navigation Satellite System (GNSS) signals that are utilized by practically all modern positioning systems cannot satisfy this requirement for heightened autonomy levels, thus positioning is becoming a decisive factor for the proliferation of UAVs. Current technologies include multi-modal sensor fusion in order to achieve accurate navigation. Hence, the main objective of this thesis is to develop an autonomous system, based on UAV agents, that provides robust and accurate localization in GNSSdenied environments by employing Signals of Opportunity (SOPs), that are already accessible in the environment. The Relative Positioning System (RPS) developed explores the signal properties over a large spectrum of frequency bands and derives a tracking algorithm to accurately estimate the UAV’s trajectory in space and time using an arbitrary set of unknown reference positions. Further, to support the proposed localization scheme and enable online relative localization, a frequency selection technique is implemented in order to achieve fast and accurate positioning using only the Received Signal Strength (RSS) of the surrounding signals. Moreover, as the UAV technology develops at a breath-taking pace, and with self-localization systems (at a single-agent level) reaching significant maturity, the prospect of employing a swarm of UAVs to perform collaborative positioning has been receiving increased interest, mainly as a means to meet the positioning requirements for autonomous UAV systems. Therefore, this thesis also proposes various enhancements to RPS with the employment of multi-modal sensors such as inertial, optical flow, and vision data, along with the SOP information, as well as the employment of data from multiple UAV agents. Specifically, a Cooperative Relative Positioning Scheme (CRPS) is investigated, exploiting the UAV’s sensor informav tion and vision data along with a UAV tracking algorithm to enhance the UAV’s trajectory estimation in space and time without the use of any GNSS information. Also, in cases where the system’s agent sensors malfunction, a distributed solution (multi-agent system) for robust relative localization is examined. In addition, the proposed system is extended so that it can be utilized in various safety and security applications in critical infrastructures. Specifically, fully autonomous UAV-based counter-drone systems are developed (single- and multiagent systems), that employ algorithms for detecting-and-tracking a rogue drone, in conjunction with wireless interception capabilities to jointly jam the rogue drone, while also achieving self-positioning for the pursuer drone. In the proposed counterdrone solutions, Software Defined Radio (SDR) technology is used for implementing a real-time Bistatic Passive Radar (BPR) or Onboard Passive Radar (OPR) for rogue drone detection, a jammer for disrupting the GPS of the rogue drone, as well as a self-localization module for providing localization capabilities for the pursuer UAV. All proposed systems are implemented in both hardware and software and are shown to provide accurate and robust localization in GNSS-denied environments, while also safeguarding public and critical infrastructure spaces, in case of rogue drone illegal/unauthorized operations. Real-world field experiments in an urban area using autonomous UAVs, demonstrated the e ectiveness of the di erent proposed solutions under various parameter settings and field conditions, validating the proposed systems.