[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种自主无人机系统，集成实时非法无人机检测、GPS干扰以及利用信号机遇（SOPs）和惯性测量（IMU）的相对定位功能，通过软件定义无线电（SDR）实现。该系统可在干扰和相对定位模式之间动态切换，在干扰攻击期间90%的情况下实现小于6米的平均绝对误差（MAE），在干扰环境下精度优于GPS。

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.

研究动机与目标

• 为应对未经授权的无人机操作日益增长的威胁，特别是在关键基础设施区域。
• 开发一种成本低廉、适用于民用场景的反无人机解决方案，避免依赖昂贵的军用系统。
• 在GPS被干扰时，实现对非法无人机的自主追捕并保持自身定位。
• 将干扰与相对定位功能集成于单一SDR平台，实现实时运行。
• 在具有不同干扰水平和飞行复杂度的真实条件下验证系统性能。

提出的方法

• 基于视觉的检测与跟踪算法可实时识别并跟踪非法无人机。
• 软件定义无线电（SDR）可在干扰发射与频谱扫描之间切换，以同时实现GPS干扰与相对定位。
• 通过融合环境发射源的信号机遇（SOPs）与惯性测量单元（IMU）数据，实现相对定位。
• 基于阈值的切换机制（T_d）在误差超过预设限值时触发干扰的临时暂停，以允许重新初始化相对定位。
• 系统采用混合导航方法：RPS-JS（基于SDR干扰系统的相对定位）用于定位，SDR干扰用于信号干扰。
• 实地实验采用真实硬件，在多样化户外飞行路线与干扰场景下评估性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一无人机平台能否在干扰条件下同时实现实时非法无人机检测、GPS干扰与自主相对定位？
• RQ2 当GPS信号因干扰而退化或被阻断时，相对定位（RPS-JS）的性能与GPS相比如何？
• RQ3 基于模式切换阈值（T_d）的干扰效果与定位精度之间存在何种权衡？
• RQ4 在长时间干扰攻击和复杂飞行轨迹下，系统如何保持定位精度？
• RQ5 在GPS不可用时，SOPs与IMU融合在多大程度上提升了导航可靠性？

主要发现

• 在干扰攻击期间，RPS-JS系统的平均绝对误差（MAE）在90%的情况下小于6米，显著优于GPS，后者在50%的情况下超过6米。
• 在轨迹对比中，RPS-JS系统在多个飞行段中保持了与真实轨迹（GT）偏差不超过10%的中位数，最差段（C-D）偏差仅为13%。
• 当T_d提高至1.3米时，系统减少了干扰与定位模式之间的切换频率，提升了定位可靠性，但干扰持续时间略有缩短。
• 累积误差分析表明，RPS-JS在累积位置误差方面始终优于GPS，尤其在持续干扰条件下表现更优。
• 统计箱线图证实，在25次户外实验中，RPS-JS的定位性能在中位数与均值上均与真实轨迹（GT）相当。
• 系统在复杂飞行路线中成功维持了功能正常，展现出在导航复杂度增加及频繁模式切换下的鲁棒性。