Design of a UAV based localization system for public safety networks

The high mobility of Unmanned Aerial Vehicles (UAVs) has afforded them uncontested superiority in several civil and military applications. A fundamental one is represented by the rapid, on-demand, deployment of a communication infrastructure, which is an invaluable assets for handling emergencies or military actions among many other applications. With the increasing usage of UAVs for such purposes, the need for adding even more features to their repertoire is ever more true. One of such features is the ability to localize Radio Frequency (RF) transmitters, either for the purpose of finding people in search and rescue operations or identifying the presence of civilians on a battlefield. The main objective of this thesis is the design of a localization system that can be fitted to UAVs and is designed for the scope of supplementing the features of Public Safety Networks (PSN). While most UAV based systems in the literature are based on measures of the signal strength, this thesis takes a novel approach, proposing an angle of arrival based system. The main problematics of this approach, concerning with the impairments related to transmission in non Line-of-Sight (LoS) conditions, are discussed. A machine learning approach that achieves state-of-the-art accuracy on an antenna array small enough to be fitted to a UAV is provided. Taking advantage of UAVs' mobility, an analytical evaluation of typical aerial survey movement patterns, for the purpose of maximizing the number of transmissions that happen in LoS, is provided. Finally, experimental setups based on Commercial off the Shelf (CotS) products are provided.

Grazie alla loro mobilità i droni hanno assunto dei ruoli dominanti in svariate applicazioni civili e militari. Una di queste é il dispiego rapido, e su richiesta, di infrastrutture per le telecomunicazioni. Quest'ultima rappresenta un enorme vantaggio per la gestione di emergenze o azioni militari in zone dove non vi é infrastruttura o l'infrastruttura esistente é stata resa inoperabile. Il crescente utilizzo di droni, per tali scopi e molti altri, ha palesato la necessità di aggiungere più funzionalità. Una di queste é la capacità di localizzare trasmettitori attivi, allo scopo di trovare persone intrappolate nelle attività di ricerca e soccorso oppure identificare la presenza di civili sul campo di battaglia. L'obiettivo principale di questa tesi é la progettazione di un sistema di localizzazione che può essere adatto all'utilizzo sui droni, e che sia in grado di interagire con l'infrastruttura delle reti adottate dalla protezione civile. Mentre la maggior parte dei sistemi di localizzazione, proposti nella letteratura scientifica, che impiegano droni sfruttano misure di potenza del segnale, questa tesi adotta un approccio innovativo e propone un approccio basato sull'angolo di arrivo. Nella tesi vengono discusse le principali problematiche di questo approccio, riguardanti i limiti relativi alla trasmissione in condizioni, o meno, di cammino in visibilità diretta. Viene introdotto un approccio basato sull'intelligenza artificiale che raggiunge un'accuratezza elevata su una schiera di antenne con dimensioni abbastanza piccole da essere montate su un drone commerciale. Riguardo la mobilità dei droni viene fornita una valutazione analitica dei modelli di movimento tipici del rilevamento aereo, allo scopo di massimizzare il numero di trasmissioni che avvengono in linea visiva. Infine, alcune prove sul campio sono state effettuate per la raccolta di dati e vengono illustrate le problematiche riscontrate nell'implementazione di un prototipo.