UAV-based ranging and localization of an RF emitter through collected measures of RSSI

Nowadays many fields of the industry are being revolutionized by the introduction of Unmanned Aerial Vehicle (UAV), also known as drones. This flying platform, with its capability of Vertical Take Off and Landing (VTOL), opens to new applications that were not possible with standard approaches, e.g. traffic monitoring, law enforcement, and for Public and Safety Network (PSN). The adoption of drones in PSN is of particular interest because they can give vital help to the rescuer in case of a natural disaster or a terrorist attack. Their fast deploy capability and the possibility of reaching dangerous area without the support of any human, have made UAVs a perfect choice also for Search and Rescue (SAR) operations. Indeed, they can be equipped with multi-purpose Software Defined Radio (SDR) that enables them to be an active agent in survey operations or also to act as support node for a damaged or destroyed communications infrastructure, for the so called Public Safety Communications (PSC). In this thesis, I will present a possible approach for the ranging and localization of an RF emitter exploiting mainly Received Signal Strength Indicator (RSSI) measures collected by a flying drone via an onboard SDR. The work involves a first study on the main advantages and disadvantages of the UAV to be used in the context of PSN. Insights are given into the framework defined by the NATO COUNTER-TERROR project, within which this work is being developed. Then a general explanation of the radio propagation phenomenon is given to better understand the reasons why the RSSI measure can be used in the ranging operations. To this aim, the main techniques and algorithms for localization are described with a particular focus on the multi-lateration approach. All the specifications for the Hardware and Software setup implemented in the experimental activities are reported. A discussion is given to explain all the technical difficulties encountered and also to show how they have been addressed. In the last part, all the results obtained from the experimental activities are shown to demonstrate the performance in the ranging and localization operations.

Al giorno d'oggi gli aeromobili a pilotaggio remoto (UAV), o semplicemente droni, stanno rivoluzionando diversi settori industriali. Queste piattaforme volanti, con la loro capacità di decollo e atterraggio verticale (VTOL), hanno aperto a nuove applicazioni che non erano possibili con gli approcci standard, come per esempio il monitoraggio del traffico, assistenza alle forze del ordine e reti di pubbliche di emergenza (PSN). E' di particolare interesse il loro utilizzo nelle PSN perchè possono dare un aiuto di vitale importanza ai soccorritori in caso di disastro naturale o attacco terroristico. La loro rapidità di dispiegamento e la capacità di raggiungere zone pericolose senza il supporto di nessun umano, hanno reso gli UAV una scelta perfetta per le operazioni di ricerca e salvataggio (SAR). Infatti, possono essere equipaggiati con dei dispositivi multi utilizzo, le radio definite via software (SDR), per partecipare attivamente alle operazioni di ricerca o anche per fungere da nodo di supporto per una infrastruttura di comunicazione danneggiata o distrutta, fornendo le comunicazioni pubbliche di emergenza (PSC). In questa tesi, viene presentato un possibile approccio per le operazioni di ranging e localizzazione di un emettitore RF sfruttando principalmente l'indicatore d'intensità del segnale ricevuto (RSSI) misurato da un drone in volo attraverso un SDR a bordo. Il lavoro coinvolge un approfondimento sul inquadramento, definito dal progetto NATO COUNTER-TERROR, entro cui è sviluppato. Poi viene data una spiegazione generale sul fenomeno della propagazione radio per meglio comprendere perché possiamo utilizzare il valore del RSSI per le operazioni di calcolo della distanza. Quindi sono descritte le principali tecniche e algoritmi per la localizzazione con particolare focus al approccio della multi-laterazione. Sono riportate le specifiche Hardware e Software della configurazione usata nelle attività sperimentali. Un focus particolare è dato a mostrare i diversi problemi tecnici incontrati e a spigare come sono stati risolti. In fine sono presentati i risultati ottenuti nelle attività sperimentali per mostrare le prestazioni nelle operazioni di ranging e localizzazione.