[論文レビュー] An Autonomous Drone System with Jamming and Relative Positioning Capabilities

Nicolas Souli, Panayiotis Kolios+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2022

UAV Applications and Optimization被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、リアルタイムでのレーブドローン検出、GPSジャミング、および信号の機会的利用（SOP）とインertial測定による相対位置決めを統合した自律型ドローンシステムを提案する。このシステムは、ジャミングモードと相対位置決めモードの間で動的に切り替えられ、ジャミング攻撃中において90%のケースで平均絶対誤差（MAE）が6 m未満に抑えられ、干渉下でもGPSを上回る精度を達成した。

ABSTRACT

As the number of unauthorized operations of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) is rising, the implementation of a versatile counter-drone system is becoming a necessity. In this work, we develop a drone-based counter-drone system, that employs algorithms for detecting and tracking a rogue drone, in conjunction with wireless interception capabilities to jointly jam the rogue drone while achieving self positioning for the pursuer drone. In the proposed system a software-defined-radio (SDR) is used for switching between jamming transmissions and spectrum sweeping functionalities to achieve the desired GPS disruption and self-localization, respectively. Extensive field experiments demonstrate the effectiveness of the proposed solution in a realworld environment under various parameter settings.

研究の動機と目的

• 無許可のUAV運用の増加する脅威に対処すること、特に重要なインfra構造物地域におけるもの。
• 高価な軍用グレードのシステムに依存しない、コスト効果的で民間用途に適した対ドローンソリューションを開発すること。
• GPSがジャミングされている状況でも自らの位置特定を維持しながら、レーブドローンを自律的に追跡可能とする。
• ジャミングと相対位置決めを1つのSDRベースのプラットフォームに統合し、リアルタイム動作を実現すること。
• さまざまなジャミング状況と飛行の複雑さを想定した実環境条件下でのシステム性能を検証すること。

提案手法

• ビジョンベースの検出およびトラッキングアルゴリズムが、リアルタイムでレーブドローンを同定し、追跡する。
• ソフトウェア定義無線（SDR）が、ジャミング送信とスペクトラムスイープの間を切り替え、GPSの遮断と相対位置決めの両方を可能にする。
• 相対位置決めは、周囲の送信機からの信号の機会的利用（SOP）とインertial測定装置（IMU）データを統合することで達成される。
• しきい値に基づく切り替えメカニズム（T_d）が、誤差が事前に定義された限界を超えた際に一時的にジャミングを停止し、相対位置決めの再初期化を可能にする。
• ハイブリッドナビゲーションアプローチとして、RPS-JS（SDRジャミングシステムを用いた相対位置決め）による位置特定と、SDRベースのジャミングによる干渉制御を統合する。
• 実地実験では、実機を用いて多様な屋外飛行ルートとジャミングシナリオにおける性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのドローンプラットフォームが、干渉下においてリアルタイムでレーブドローン検出、GPSジャミング、および自律的相対位置決めを同時に実行可能か？
• RQ2 GPS信号がジャミングによって劣化または遮断された状況下で、相対位置決め（RPS-JS）の性能はGPSに比べてどうなるか？
• RQ3 モード切り替えのしきい値（T_d）に基づく、ジャミング効果と位置特定精度のトレードオフはいかなるものか？
• RQ4 長時間にわたるジャミング攻撃および複雑な飛行軌道下でも、システムはどのように位置特定精度を維持するか？
• RQ5 SOPとIMUの統合が、GPSが利用不能な状況下でナビゲーションの信頼性をどの程度向上させるか？

主な発見

• RPS-JSシステムは、ジャミング攻撃中において90%のケースで平均絶対誤差（MAE）が6メートル未満に抑えられ、GPSは50%のケースで6メートルを超えた。
• 軌道比較において、RPS-JSシステムは複数のセグメントで地面真値（GT）からの中央値偏差が10%以下を維持し、最悪のセグメント（C-D）でもわずか13%の偏差にとどまった。
• T_dを1.3メートルに引き上げた場合、ジャミングと位置決めの間の切り替え頻度が低下し、位置特定の信頼性が向上したが、ジャミング時間はわずかに短くなった。
• 累積誤差解析から、持続的なジャミング下でもRPS-JSはGPSを常に上回る累積位置誤差を示した。
• 統計的ボックスプロットにより、25回の屋外実験においてRPS-JSの位置特定性能が中央値および平均値の両面でGTと同等であることが確認された。
• 複雑な飛行ルートにおいても、システムは高い耐障害性を示し、ナビゲーションの複雑さの増加や頻繁なモード切り替えにもかかわらず、正常に機能を維持した。