Anti-UAV mobile system with jamming and spoofing capabilities to intercepting and controlling target-drones

Abstract

Due to the difficult monitoring of unmanned aerial vehicles (UAVs) and the constant occurrence of incidents, especially with flights in areas close to airports, military areas, restricted areas, or dangerous areas, several anti-UAV solutions have started to emerge. For example, there have been police forces training falcons to hunt UAVs. The problem with this solution is the hours of training required for these animals and the possibility of the animal being injured by the UAV's propellers. Other solutions such as firearms or jammers have also be proposed. The limitations of these solutions are huge as they may not guarantee the safety of human lives. In fact, the UAV may land or be shot down in an uncontrolled manner and may injure someone with the shrapnel from the fall. The approach proposed in this thesis relies on a mobile system that can use jamming and spoofing technology. With this aim, we evaluate the use of low-cost Software Defined Radio (SDR) platforms for the implementation of a jammer able to generate an effective interfering signal targeted at the GPS navigation system. Using this type of platforms, several interference techniques were studied and evaluated, considering the spectral efficiency, energy efficiency and complexity. Furthermore, we addressed the use of low-cost programmable SDR platforms for simulating a Global Navigation Satellite System (GNSS), more specifically Global Positioning System (GPS) signals, in order to transmit false signals and induce a location error on the targeted GPS receiver. Using this approach, a defensive system was implemented which can divert, or even take control of unauthorized UAVs whose flight path depends on the information obtained by the GPS system. When the anti-UAV system is triggered, it starts to transmit jamming signals with directive antennas so that only the target UAV becomes unable to receive its original signals and stops its flying route. After the UAV stops flying and hovers over the area, the system estimates the location of the target drone and then uses spoofing signals also with directive antennas so that only the target UAV receives the false signals. This allows the system to redirect or even gain control of the vehicle flying over protected areas. The system integrates low-cost SDR platforms, a software GPS signal simulator and uses a set of sensors to determine the unauthorized UAV location. We can divide the major challenges of this thesis into three major topics. Conducting the study for the best jamming technique; Estimating the location of the invading drone through a set of sensors; and diverting the invading drone to a safe zone previously defined by the user. Other objectives that were defined for this work are the construction of a functional prototype that is mobile and can be adapted to any area of the planet; design the system so as not to depend on third party systems for its complete operation; make the system not dependent on the detection of specific communication protocols thus allowing it to work with any type of drone. To achieve the proposed objectives, different phases of testing and development were carried out. The technology transfer started by being tested and developed in a laboratory environment without the influence of real GNSS signals. In a second phase, the proposed system was tested in a controlled scenario, with the influence of real GNSS signals and with static receivers. Finally, and as proof of concept, the system was tested in a real scenario with UAVs in different flight modes.

Devido à difícil monitorização de Veículos Aéreos não Tripulados (VAT) e à ocorrência constante de incidentes, especialmente com voos em áreas próximas de aeroportos, áreas militares, áreas restritas, ou áreas perigosas, algumas soluções anti-VAT começaram a surgir. Tem havido forças policiais a treinar falcões para caçar VATs. O problema desta solução são as horas de treino necessárias destes animais e a possibilidade de o animal ser ferido pelas hélices do VAT. Outras soluções, tais como armas de fogo ou jammers são também utilizadas. As limitações destas soluções são enormes, uma vez que podem não garantir a segurança de vidas humanas. O VAT pode aterrar ou ser abatido de forma descontrolada, podendo ferir alguém com os estilhaços ou com a queda. O nosso projeto leva ao desenvolvimento de um sistema móvel que utiliza tecnologia jamming e spoofing. Avaliamos a utilização de plataformas de Software-Defined Radio de baixo custo (SDR) para a implementação de um jammer capaz de gerar um sinal interferente eficaz destinado ao sistema de navegação GPS. Utilizando uma plataforma programável BladeRF x40 da Nuand e o kit de ferramentas de desenvolvimento de software GNU Radio, são estudadas e avaliadas várias técnicas de interferência, considerando a eficiência espectral, eficiência energética e complexidade. Abordamos a utilização de plataformas SDR programáveis de baixo custo para a simulação de um Sistema Global de Navegação por Satélite (GNSS), mais especificamente sinais do Sistema Global de Posicionamento (GPS), a fim de transmitir sinais falsos e induzir um erro de localização no recetor GPS visado. Usando esta abordagem, foi implementado um sistema defensivo que pode desviar, ou mesmo assumir o controlo de VATs não autorizados cujo trajeto de voo depende da informação obtida pelo sistema GPS. Primeiramente utilizamos sinais de interferência com antenas diretivas, para que apenas o VAT alvo seja afetado e não consiga obter os sinais de comunicação, parando a sua rota de voo. Após o VAT parar o seu percurso e pairar sobre a área, começamos a usar sinais de spoofing também com antenas diretivas, de modo que apenas o VAT alvo recebe os sinais “falsos”. O sistema pode redirecionar ou mesmo ganhar o controlo do veículo que sobrevoa as áreas protegidas. O sistema integra plataformas SDR de baixo custo, software de simulação de sinais GPS e utiliza um conjunto de sensores para determinar a localização não autorizada do VAT. Podemos dividir os principais desafios desta tese em três grandes tópicos. Realizar um estudo para eleger a melhor técnica de interferência; estimar a localização do drone invasor através de um conjunto de sensores; e desviar o drone invasor para uma zona segura previamente definida pelo utilizador. Outros objetivos são a construção de um protótipo funcional que seja móvel e adaptado a qualquer área do planeta; não depender de sistemas terceiros para o seu completo funcionamento; não depender da deteção de protocolos de comunicação específicos e poder funcionar com qualquer tipo de drone. Para alcançar os objetivos propostos, foram realizadas diferentes fases de teste e desenvolvimento. A transferência de tecnologia começou por ser testada e desenvolvida num ambiente de laboratório sem a influência de sinais GNSS reais. Numa segunda fase, o sistema proposto foi testado num cenário controlado com a influência de sinais GNSS reais e com recetores estáticos. Finalmente, e como prova de conceito, o sistema foi testado num cenário real com UAVs em diferentes modos de voo.