Published January 1, 2021
| Version v1
Publication
Detection, Identification, and Direction of Arrival Estimation of Drone FHSS Signals With Uniform Linear Antenna Array
Creators
- 1. TUBITAK BILGEM
- 2. Boğaziçi University
- 3. Balıkesir University
- 4. Scientific and Technological Research Council of Turkey
- 5. Istanbul Commerce University
- 6. Yıldız Technical University
- 7. Istanbul Medipol University
- 8. Istanbul Technical University
Description
Safety, security, and privacy are three critical concerns affiliated with the use of drones in everyday life. Considering their ever-shrinking sizes and capabilities, being aware of drone activities in the vicinity becomes an important surveillance item. Therefore, keeping track of drones and preferably their controllers should be included into the already-existing security measures. In this study, a frequency hopping spread spectrum (FHSS) type drone controller signal detection and emitter direction finding framework is proposed to achieve aforementioned goals. Since drone communications signals generally coexist with other FHSS signals in 2.4 GHz industrial, scientific, and medical (ISM) band, first, a method based on cyclostationarity analysis is proposed to distinguish the drone radio controller signals from other signals utilizing 2.4 GHz ISM band. Then, a variant of short-term Fourier transform is introduced to extract the parameters of detected drone remote controller signals. The correct hopping signals are then aggregated based on the clustered parameters to obtain their combined baseband equivalent signal. Furthermore, the resampling process is applied to reduce the unrelated samples in the spectrum and represent the spectrum with the reconstructed signal, which has a much lower bandwidth than the spread bandwidth. Finally, two different multiple signal classification algorithms are utilized to estimate the direction of the drone controller relative to the receiving system. In order to validate the overall performance of the proposed method, the introduced framework is implemented on hardware platforms and tested under real-world conditions. A uniform linear antenna array is utilized to capture over-the-air signals in hilly terrain suburban environments by considering both line–of-sight and non–line–of-sight cases. Direction estimation performance is presented in a comparative manner and relevant discussions are provided.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
السلامة والأمن والخصوصية هي ثلاثة مخاوف حرجة مرتبطة باستخدام الطائرات بدون طيار في الحياة اليومية. بالنظر إلى أحجامها وقدراتها المتقلصة باستمرار، فإن إدراك أنشطة الطائرات بدون طيار في المنطقة المجاورة يصبح عنصر مراقبة مهمًا. لذلك، يجب تضمين تتبع الطائرات بدون طيار ويفضل أن يكون مراقبوها في التدابير الأمنية الموجودة بالفعل. في هذه الدراسة، تم اقتراح إطار عمل للكشف عن إشارة وحدة التحكم بدون طيار من نوع الطيف المنتشر للقفز بالتردد (FHSS) وإيجاد اتجاه الباعث لتحقيق الأهداف المذكورة أعلاه. نظرًا لأن إشارات اتصالات الطائرات بدون طيار تتعايش عمومًا مع إشارات FHSS الأخرى في النطاق الصناعي والعلمي والطبي (ISM) 2.4 جيجاهرتز، أولاً، يتم اقتراح طريقة تعتمد على تحليل الثبات الحلقي لتمييز إشارات وحدة التحكم اللاسلكية للطائرات بدون طيار عن الإشارات الأخرى باستخدام نطاق ISM 2.4 جيجاهرتز. بعد ذلك، يتم إدخال متغير من تحويل فورييه على المدى القصير لاستخراج معلمات إشارات وحدة التحكم عن بعد بدون طيار المكتشفة. ثم يتم تجميع إشارات القفز الصحيحة بناءً على المعلمات المجمعة للحصول على إشارة مكافئة للنطاق الأساسي المجمعة. علاوة على ذلك، يتم تطبيق عملية إعادة أخذ العينات لتقليل العينات غير ذات الصلة في الطيف وتمثيل الطيف بالإشارة المعاد بناؤها، والتي لها نطاق ترددي أقل بكثير من عرض النطاق الترددي المنتشر. أخيرًا، يتم استخدام خوارزميتين مختلفتين لتصنيف الإشارات المتعددة لتقدير اتجاه وحدة التحكم بدون طيار بالنسبة لنظام الاستقبال. من أجل التحقق من الأداء العام للطريقة المقترحة، يتم تنفيذ الإطار المقدم على منصات الأجهزة واختباره في ظل ظروف العالم الحقيقي. يتم استخدام مصفوفة هوائيات خطية موحدة لالتقاط الإشارات عبر الهواء في بيئات الضواحي ذات التضاريس الجبلية من خلال النظر في كل من حالات خط البصر وغير خط البصر. يتم تقديم أداء تقدير الاتجاه بطريقة مقارنة ويتم تقديم المناقشات ذات الصلة.Translated Description (French)
La sûreté, la sécurité et la confidentialité sont trois préoccupations essentielles liées à l'utilisation des drones dans la vie quotidienne. Compte tenu de leur taille et de leurs capacités de plus en plus réduites, être conscient des activités des drones à proximité devient un élément de surveillance important. Par conséquent, le suivi des drones et de préférence de leurs contrôleurs devrait être inclus dans les mesures de sécurité déjà existantes. Dans cette étude, un cadre de détection de signal de contrôleur de drone de type à spectre étalé à saut de fréquence (FHSS) et de radiogoniométrie d'émetteur est proposé pour atteindre les objectifs susmentionnés. Étant donné que les signaux de communication des drones coexistent généralement avec d'autres signaux FHSS dans la bande industrielle, scientifique et médicale (ISM) de 2,4 GHz, tout d'abord, une méthode basée sur l'analyse de cyclostationnarité est proposée pour distinguer les signaux du contrôleur radio du drone des autres signaux utilisant la bande ISM de 2,4 GHz. Ensuite, une variante de transformée de Fourier à court terme est introduite pour extraire les paramètres des signaux détectés de la télécommande du drone. Les signaux de saut corrects sont ensuite agrégés sur la base des paramètres regroupés pour obtenir leur signal équivalent de bande de base combiné. En outre, le processus de rééchantillonnage est appliqué pour réduire les échantillons non liés dans le spectre et représenter le spectre avec le signal reconstruit, qui a une largeur de bande beaucoup plus faible que la largeur de bande étalée. Enfin, deux algorithmes de classification de signaux multiples différents sont utilisés pour estimer la direction du contrôleur de drone par rapport au système de réception. Afin de valider la performance globale de la méthode proposée, le cadre introduit est mis en œuvre sur des plateformes matérielles et testé dans des conditions réelles. Un réseau d'antennes linéaires uniformes est utilisé pour capturer des signaux hertziens dans des environnements suburbains de terrain vallonné en considérant à la fois des cas de ligne de visée et de non-ligne de visée. La performance de l'estimation de la direction est présentée de manière comparative et des discussions pertinentes sont fournies.Translated Description (Spanish)
La seguridad, la protección y la privacidad son tres preocupaciones críticas relacionadas con el uso de drones en la vida cotidiana. Teniendo en cuenta sus tamaños y capacidades cada vez más reducidos, estar al tanto de las actividades de los drones en las cercanías se convierte en un elemento de vigilancia importante. Por lo tanto, el seguimiento de los drones y preferiblemente de sus controladores debe incluirse en las medidas de seguridad ya existentes. En este estudio, se propone un marco de detección de señal de controlador de dron de tipo de espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS) y búsqueda de dirección del emisor para lograr los objetivos mencionados anteriormente. Dado que las señales de comunicaciones de drones generalmente coexisten con otras señales FHSS en la banda industrial, científica y médica (ISM) de 2.4 GHz, en primer lugar, se propone un método basado en el análisis de ciclostationaridad para distinguir las señales del controlador de radio de drones de otras señales que utilizan la banda ISM de 2.4 GHz. Luego, se introduce una variante de la transformada de Fourier a corto plazo para extraer los parámetros de las señales detectadas del controlador remoto del dron. Las señales de salto correctas se agregan a continuación en función de los parámetros agrupados para obtener su señal equivalente de banda base combinada. Además, el proceso de remuestreo se aplica para reducir las muestras no relacionadas en el espectro y representar el espectro con la señal reconstruida, que tiene un ancho de banda mucho menor que el ancho de banda extendido. Finalmente, se utilizan dos algoritmos diferentes de clasificación de señales múltiples para estimar la dirección del controlador del dron en relación con el sistema de recepción. Con el fin de validar el rendimiento general del método propuesto, el marco introducido se implementa en plataformas de hardware y se prueba en condiciones reales. Se utiliza un conjunto uniforme de antenas lineales para capturar señales aéreas en entornos suburbanos de terrenos montañosos al considerar los casos de línea de visión y sin línea de visión. El desempeño de la estimación de la dirección se presenta de manera comparativa y se proporcionan discusiones relevantes.Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- كشف وتحديد واتجاه تقدير وصول إشارات الهوائي الخطي للطائرات بدون طيار مع صفيف هوائي خطي موحد
- Translated title (French)
- Détection, identification et direction d'arrivée Estimation des signaux FHSS des drones avec un réseau d'antennes linéaires uniformes
- Translated title (Spanish)
- Detección, identificación y dirección de la estimación de llegada de señales FHSS de drones con matriz de antena lineal uniforme
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W3214262727
- DOI
- 10.1109/access.2021.3127199
References
- https://openalex.org/W88988980
- https://openalex.org/W1541575757
- https://openalex.org/W1952629836
- https://openalex.org/W1964546510
- https://openalex.org/W1981498842
- https://openalex.org/W2064551956
- https://openalex.org/W2066218102
- https://openalex.org/W2067030387
- https://openalex.org/W2072987322
- https://openalex.org/W2101354295
- https://openalex.org/W2113638573
- https://openalex.org/W2115144768
- https://openalex.org/W2125161808
- https://openalex.org/W2143678578
- https://openalex.org/W2149255982
- https://openalex.org/W2151946103
- https://openalex.org/W2324544912
- https://openalex.org/W2342656438
- https://openalex.org/W2493161812
- https://openalex.org/W2545518333
- https://openalex.org/W2737370306
- https://openalex.org/W2787743626
- https://openalex.org/W2810450581
- https://openalex.org/W2913181529
- https://openalex.org/W2951391949
- https://openalex.org/W2952142074
- https://openalex.org/W3046793556
- https://openalex.org/W3094843455
- https://openalex.org/W3101756933
- https://openalex.org/W4236249660
- https://openalex.org/W4285719527