Signal power directivity analyzer for UAV links using oftware defined radios

Abstract

Nowadays, with the improvement of control technologies and the reduction of their cost, drones are used in various sectors such as agriculture, security and entertainment. Although there are regulations for drones, they have become a security risk and therefore it is extremely important to implement anti-drone solutions such as missiles, jamming or spoofing. In order to implement these anti-drone solutions, this thesis investigates the possibility of developing a prototype that can detect the presence of a drone as well as the direction of the detected signal. To this end, we analyzed how drones communicate via radio waves and described some possible Software-Defined Radio hardware options, software, spectrum sensing and Direction Finding techniques to detect the drone’s signal and its direction. Of the options presented, the HackRF One board and GNU Radio software were chosen to implement the signal detection and direction identification techniques. Several experimental setups were performed to verify the correct functioning of the prototype. These experiments had promising results, showing a good ability to detect the presence of the signal and its direction, which led to more tests to simulate a real situation in which a countermeasure would have to be applied based on the results obtained. The results revealed hardware limitations, which meant that the prototype was able to detect the drone’s signal, but had limited capability of detecting the direction for long periods of time, still serving as proof that the concept works and is possible to be implemented.

Atualmente com a melhoria das tecnologias de controlo e a diminuição dos seus custos, a utilização de drones expandiu para vários setores como a agricultura, a segurança e o entretenimento. Embora existam regulamentos para os drones, estes tornaram-se um risco de segurança sendo por isso, extremamente importante implementar soluções anti-drone tais como mísseis, jamming ou spoofing. De modo a implementar soluções anti-drone, esta dissertação estuda a possibilidade de desenvolver um protótipo que permita identificar a presença de um drone, bem como a direção do sinal detectado. Para tal, foi analisada a forma como os drones comunicam e foram descritas algumas opções de Rádios Definidos por Software, programas para os configurar e técnicas de Análise do Espectro e Direction Finding possíveis para detetar o sinal do drone e a sua direção. Das opções apresentadas foi selecionada a placa HackRF One e o software GNU Radio para implementar as técnicas usadas para deteção e identificação da direção do sinal. Diversos testes foram efetuados de modo a perceber o correto funcionamento do protótipo. Os resultados foram promissores mostrando uma boa capacidade de deteção da presença do sinal e da direção, promovendo assim mais testes que simulavam uma situação real. Os resultados revelaram no entanto, limitações de hardware que fizeram com que o protótipo fosse capaz de detectar o sinal do drone, mas ter uma capacidade limitada de determinar o ângulo de incidência do mesmo, provando que o protótipo serve como prova de que conceito funciona e pode ser implementado.