Design and implementation of an analog radio jamming system against small UAVs used for terrorist attacks

This thesis activity is done in the context of a research project funded by ‘NATO’ (North Atlantic Treaty Organization) denominated “Science for Peace and Security (SPS)”. This program promotes dialogue and practical cooperation between ‘NATO’ member states and partner nations based on scientific research, technological innovation and knowledge exchange. The main goal of the thesis activity is to design a radio jamming system that is able to interfere with a drone that is used for illegal purposes, for example for carrying bombs or weapons. The drone must lose the radio contact from its remote control in order to hover for some seconds waiting to re-establish the connectivity with the transmitter. Specifically, the drone used in this activity will fly up to 25𝑚, so it hovers for some seconds and then it will fly back to the starting take-off point. This situation gives the possibility to keep the drone fixed and, so, a solution for neutralize it. The thesis activity is divided into four different parts. The first part is related to the adaption, improvement and circuit implementation of a radio jamming system, used to disrupt the communication drone-remote control, recently proposed in the article 'A New Electromagnetic Jamming System for Unmanned Aerial Vehicles'. This circuit, with respect to the one proposed, generates a wideband interference signal with less components. The second part of the activity is dedicated to the design and the implementation of a new jamming system with adjustable Radio Frequency (RF) bandwidth and carrier frequency that is able to limit the interference to other radio services (for example the mobile radio network). This device can be rapidly used in case of emergency because the RF signal parameters are continuously printed out on a Liquid Crystal Display (LCD). The third part is dedicated to the computer simulation and, in particular, it focuses to the ‘Simulink’ implementation of the designed device. The goal of the simulation is to study, in presence of an interference, the drone wireless control system performance in terms of Bit Error Rate (BER). Finally, the last part shows the “proof of concept” by means of real experiments in order to verify the appropriate functioning of the two realized devices. Experiments have shown that the two analog radio devices are able to cause an out of service condition in the drone-remote control digital wireless link that is typically very robust to interferences.

Il presente lavoro di tesi si inquadra nell’attività svolta in un progetto di ricerca finanziato dal programma ‘NATO’ (North Atlantic Treaty Organization) denominato “Science for Peace and Security (SPS)”. Tale programma ha come obbiettivo quello di promuovere il dialogo, lo scambio e la cooperazione scientifica e tecnologica tra gli stati membri ‘NATO’ e le nazioni partner. L'obiettivo principale del lavoro di tesi riguarda il progetto di un apparato per generare un disturbo radio che sia in grado di interferire con un drone impiegato per fini illeciti come, ad esempio, il trasporto di esplosivi o armi. Il drone dovrà perdere il contatto radio dal proprio radiocomando, così da andare in volo stazionario per alcuni secondi in attesa di ristabilire la connessione con il trasmettitore. Nello specifico, il drone adottato per il progetto di tesi raggiungerà un'altezza di 25𝑚 dal suolo, rimanendo così in volo stazionario per qualche secondo, dopodiché ritornerà allo stesso punto in cui è avvenuto il decollo. Questa situazione fa in modo che il drone stia fermo in una posizione fissa e, dunque, fornisce una soluzione per neutralizzarlo. L'attività di tesi è suddivisa in quattro parti. La prima parte si concentra sull'adattamento, il miglioramento e l’implementazione circuitale di un apparato radio di disturbo sul collegamento radiocomando-drone recentemente proposto in un articolo dal titolo 'A New Electromagnetic Jamming System for Unmanned Aerial Vehicles'. Rispetto alla proposta originale, la soluzione dell’articolo consente di generare un disturbo a larga banda utilizzando un numero inferiore di componenti. La seconda parte dell'attività riguarda invece la progettazione e l’implementazione circuitale di un apparato di disturbo totalmente nuovo a banda e portante regolabile, che sia in grado di limitare le interferenze con altri servizi (per esempio la rete radiomobile cellulare). Questo dispositivo può essere usato rapidamente in casi di emergenza in quanto i parametri del segnale a radiofrequenza sono continuamente mostrati su uno schermo LCD (Liquid Crystal Display). La terza parte è dedicata alla simulazione e, in particolare, si concentra sull'implementazione 'Simulink' dell'apparato progettato. L'obiettivo della simulazione è quello di studiare, in presenza di una interferenza radio, le prestazioni in termini di probabilità di errore sul bit (BER) del sistema di comunicazione drone-radiocomando. Infine, l'ultima parte mostra la “prova di concetto” relativa alla dimostrazione sperimentale effettuata sul campo per verificare il funzionamento dei due apparati di disturbo realizzati. Gli esperimenti mostrano che i due apparati radio analogici costruiti sono in grado di mandare fuori servizio il collegamento radiocomando-drone basato su una modulazione di frequenza numerica che, tipicamente, è molto robusta nei confronti dell’interferenza.