[논문 리뷰] An Autonomous Drone System with Jamming and Relative Positioning Capabilities

Nicolas Souli, Panayiotis Kolios외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 09.

UAV Applications and Optimization인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 소프트웨어 정의 신호기(SDR)를 통해 신호의 기회(SOPs)와 관성 측정 장치(IMU) 데이터를 융합하여 실시간으로 불법 드론 탐지, GPS 차단, 상대 위치 측정을 통합한 자율 드론 시스템을 제시한다. 시스템은 차단 모드와 상대 위치 측정 모드 사이를 동적으로 전환하며, 차단 공격 중 90퍼센트의 경우에서 평균 절대 오차(MAE)가 6m 이하로 유지되어 간섭 상황에서도 GPS보다 높은 정확도를 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 비행 금지 구역 등 중요한 인프라 지역에서 증가하는 불법 UAV 운영의 위협을 해결하기 위해.
• 고비용 군용 장비에 의존하지 않는 비용 효율적이고 민간용으로 적용 가능한 대드론 솔루션을 개발하기 위해.
• GPS가 차단당한 상황에서도 자율적으로 불법 드론을 추적하면서 자기 위치를 유지할 수 있도록 하기 위해.
• 실시간 운영을 위한 단일 SDR 기반 플랫폼에 차단 기능과 상대 위치 측정 기능을 통합하기 위해.
• 다양한 차단 상황과 비행 복잡도를 반영한 실제 환경 조건에서의 시스템 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 시각 기반 탐지 및 추적 알고리즘은 실시간으로 불법 드론을 식별하고 따라잡는다.
• 소프트웨어 정의 신호기(SDR)는 차단 전송과 스펙트럼 스윕을 전환하여 GPS 방해와 상대 위치 측정을 모두 가능하게 한다.
• 상대 위치 측정은 주변 전송기로부터의 신호의 기회(SOPs)와 관성 측정 장치(IMU) 데이터를 융합하여 달성된다.
• 임계치 기반 전환 메커니즘(T_d)은 오차가 사전 정의된 한계를 초과할 경우 일시적으로 차단을 일시 정지하여 상대 위치 측정의 재초기화를 허용한다.
• 하이브리드 항법 접근법을 사용한다: 위치 결정을 위한 RPS-JS(상대 위치 측정 시스템)와 간섭 방지를 위한 SDR 기반 차단.
• 현장 실험은 실제 하드웨어를 사용하여 다양한 외부 비행 경로와 차단 시나리오에서 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 드론 플랫폼이 간섭 상황에서도 실시간으로 불법 드론 탐지, GPS 차단, 자율 상대 위치 측정을 동시에 수행할 수 있는가?
• RQ2 GPS 신호가 차단되거나 간섭을 받는 상황에서 상대 위치 측정(RPS-JS) 성능이 GPS에 비해 어떻게 다른가?
• RQ3 모드 간 전환에 사용되는 임계치(T_d)에 따라 차단 효과성과 위치 측정 정확도 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ4 장시간의 차단 공격과 복잡한 비행 궤적 동안 시스템은 어떻게 위치 측정 정확도를 유지하는가?
• RQ5 GPS가 사용 불가능할 경우 SOPs와 IMU 융합이 항법 신뢰성 향상에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• RPS-JS 시스템은 차단 공격 중 90퍼센트의 경우에서 평균 절대 오차(MAE)가 6m 이하로 기록하여, 50퍼센트의 경우에서 6m를 초과하는 GPS보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보였다.
• 궤적 비교 분석에서 RPS-JS 시스템은 여러 구간에서 지상 진짜값(GT)과의 중앙값 편차가 10퍼센트 이내를 유지했으며, 가장 나쁜 구간(C-D)에서도 편차가 13퍼센트에 불과했다.
• T_d를 1.3m로 증가시켰을 때, 차단 모드와 위치 측정 모드 간 전환 빈도가 감소하여 위치 측정 신뢰성이 향상되었고, 이는 약간의 차단 지속 시간 감소를 감수한 결과였다.
• 누적 오차 분석 결과, 특히 지속적인 차단 상황에서 RPS-JS는 누적 위치 오차 측면에서 GPS를 항상 뛰어넘었다.
• 통계적 박스플롯 분석을 통해 RPS-JS의 위치 측정 성능은 25회의 외부 실험 전반에서 중앙값과 평균 값 모두 지상 진짜값(GT)과 유사함을 확인했다.
• 복잡한 비행 경로를 통해도 시스템은 기능을 유지하며, 항법 복잡도 증가와 빈번한 모드 전환에도 불구하고 뛰어난 내구성을 입증했다.