Joint Communication and Sensing for drone-borne search and rescue applications

Joint Communication and Sensing (JC&S) technology is emerging as a strong candidate to deal with the rising issue of spectrum congestion, thanks to the integration of communication and remote sensing capabilities. The aim of the thesis is to investigate the possibility of employing a JC&S system mounted on an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) to carry out Search and Rescue (SR) operations in avalanche scenarios. The first part of the work consists in a simulation in which the communication and remote sensing performance of a JC&S system are investigated. The system is mounted on a UAV and transmits 5G sub-6 GHz waveforms to a radar target, capable of receiving the communication signal, buried in a variable snowpack height. The simulation results indicate the possibility of both localizing and communicating with targets buried at depths of up to 3 meters. The second part consists of a series of experimental campaigns, both ground-based and drone-borne, in which standard chirps signals are transmitted. The aim is to test the actual performance of off-the-shelf hardware for remote sensing purposes. The ground-based acquisition campaigns have been carried out in Giuriati Sports Centre in Milano, while the drone-borne ones in "Parcheggio quota 400", near Galbiate. The experimental campaigns show the possibility of sensing targets at rather long ranges, while highlighting the limitation of the drone-borne platform. Indeed, to accurately focus a SAR image, the platform position shall be known with errors lower than a wavelength. This is an unreachable figure for most commercial-grade navigation units. At last, a method to emulate the acquisition of an OFDM system from the real data is described and the comparison of such system with the real one is presented, showing no noticeable differences.

La tecnologia Joint Communication and Sensing (JC&S) sta emergendo come una forte candidata per affrontare il crescente problema della congestione dello spettro elettromagnetico, grazie all’integrazione delle capacità di comunicazione e di telerilevamento. Lo scopo della tesi è indagare la possibilità di utilizzare un sistema JC&S montato su un Veivolo Senza Pilota per eseguire operazioni di Ricerca e Soccorso in caso di valanghe. La prima parte del lavoro consiste in una simulazione in cui vengono esaminate le prestazioni di comunicazione e di telerilevamento di un sistema JC&S. Il sistema è montato su un UAV e trasmette forme d’onda tipiche del 5G sub-6 GHz a un bersaglio radar in grado di ricevere il segnale di comunicazione, sepolto in uno strato nevoso di altezze variabili. I risultati della simulazione indicano la possibilità di localizzare e comunicare con bersagli sepolti fino a 3 metri di profondità. La seconda parte comprende una serie di campagne sperimentali, sia a terra che con droni, in cui vengono trasmessi segnali chirp, tipici dei radar. L’obiettivo è testare le prestazioni di hardware disponibili sul mercato per scopi di telerilevamento. Le campagne di acquisizione a terra sono state condotte al Centro Sportivo Giuriati a Milano, mentre quelle con droni sono state fatte al "Parcheggio quota 400", vicino a Galbiate. Le campagne sperimentali mostrano la possibilità di rilevare bersagli a distanze piuttosto elevate, mettendo in evidenza al contempo le limitazioni della piattaforma aerea. Infatti, per mettere a fuoco accuratamente un’immagine SAR, la posizione della piattaforma deve essere conosciuta con errori inferiori a una lunghezza d’onda. Questo è un valore irraggiungibile per la maggior parte delle unità di navigazione di grado commerciale. Infine, viene descritto un metodo per emulare l’acquisizione di un sistema OFDM dai dati reali e viene presentato il confronto tra tale sistema e quello reale, mostrando l’assenza di differenze significative.