Single target tracking for Phased Array Radio Navigation

Abstract

Mange ubemannede luftfartøy(UAV) benytter seg av posisjonsmålinger fra et globalt satellittnavigasjonssystem(GNSS) i sine egne navigasjonssystemer. Likevel er GNSS vist å være sårbart for både miljøforstyrrelser og potensielle angrep. En GNSS mottaker vil kunne bli utsatt for bevisst utsendt radiofrekvens støy, kjent som jamming, for å forstyrre den fra å motta GNSS signaler. Kunstige GNSS signaler kan også bli sendt mot mottakeren for å gi feil posisjonsmålinger og dermed være i stand til å styre luftfartøyet til feil kurs. De nevnte problemene motiverer søken etter alternative posisjonsmålinger for ubemannede luftfartøy.

Et lovende navigasjonssystem som er uavhengig av GNSS i et lokalt område har de siste årene blitt utviklet og demonstrert av NTNU sitt laboratorium for ubemannede luftfartøy. Systemet benytter et fasestyrt radiosystem(PARS) for å motta sfæriske posisjonsmålinger av det ubemannede luftfartøyet, i form av en avstand, en asimutal vinkel og en elevasjonsvinkel. Tidligere fly eksperimenter over havet med navigasjonssystemet implementert har vist at PARS posisjonsmålingene påvirkes av flerveisinterferens. Signalet som sendes fra luftfartøyet reflekteres også fra havets overflate før det mottas hos PARS antennen på bakken. Denne flerveisinterferensen påvirker spesielt elevasjonsvinklene.

Denne masteroppgaven undersøker om enkeltmålfølgingsalgoritmer kan benyttes for å minske effekten fleirveisinterferens har på navigasjonssystemet som benytter PARS posisjonsmålinger. Ved å overvåke både det direkte og de reflekterte signalene, så kan en enkeltmålfølgingsalgoritme brukes for å finne ut av hvilket signal som faktisk kommer fra luftfartøyet. To algoritmer blir implementert i et eksisterende navigasjonssystem rammeverk i MATLAB. Dette rammeverket benyttes for å spille av sensor data fra tidligere eksperimenter og dermed kunne gjøre nye analyser og tester. Algoritmene nærmeste nabo(NN)- og det sannsynlighetsbaserte data assosiasjons(PDA) filteret blir implementert. Disse testes på data fra et tidligere fly eksperiment over havet, og et syntetisk datasett basert på observasjoner gjort i andre fly eksperimenter.

Resultatene indikerer at enkeltmålfølgingsalgoritmer alene ikke er i stand til å minke effekten av flerveisinterferens i PARS posisjonsmålingene. Dataen som ble benyttet i denne masteroppgaven viser at interferens mellom det direkte og de reflekterte signalene er et større problem enn hopp mellom de estimerte ankomstretningene når et reflektert signal ble sterkere enn det direkte. NN filteret håndterte et sterkere reflektert signal bedre enn PDA filteret, selv om ingen av algoritmene var i stand til å minke de observerte interferens induserte oscillasjonene i elevasjonsvinkelen.

Many Unmanned aerial vehicles(UAV) use position measurements provided by a Global Satellite Navigation System(GNSS) to aid their navigation system. GNSS is however vulnerable to several environmental disturbances and potential attacks. A GNSS receiver may become subject to intentionally emitted radio-frequency(RF) noise known as jamming, which causes the receiver to loose track of the GNSS signals. Artificial GNSS signals can also be transmitted towards the receiver to provide false position measurements and steer the UAV off course. This is known as spoofing. These vulnerabilities has made it essential to look into other alternatives for position measurements.

A promising local GNSS independent navigation solution has been demonstrated at the NTNU Unmanned Aerial Vehicle laboratory (UAVlab) in the past few years. It uses Phased Array Radio System(PARS) that provides spherical position measurements of the UAV, described by a range, an azimuth- and an elevation angle. Previous flight experiments above the ocean with the proposed navigation system implemented has however shown that the PARS measurement is susceptible to multipath propagation. The signal transmitted from the UAV is reflected off the ocean surface and arrives at the PARS ground antenna together with the direct signal. This especially effects the elevation angle.

This Master's thesis investigates whether single target tracking algorithms can mitigate the effect of multipath in the PARS aided navigation system. By monitoring the measurements from both the direct- and reflected signals, a tracking algorithm is applied to handle the measurement uncertainty. Two single target tracking algorithms are implemented in an existing MATLAB navigation toolbox framework. The toolbox is able to play back previous flight experiments using recorded sensor data for analysis and testing. The implemented algorithms are the Nearest Neighbor(NN)- and the Probabilistic Data Association(PDA) filter. These are tested both on a prerecorded dataset from a flight experiment above the ocean, and a synthetic dataset based on observations from other closed-loop flight experiments.

The results indicate that single target tracking algorithms alone are not able to mitigate the full effect of the multipath propagation in the PARS measurements. The data used in this thesis indicate that interference between different signal paths is a bigger problem than jumps between different signal paths in the direction of arrival estimation. The NN filter handled the latter case better than the PDA filter, however none of the algorithms was able to mitigate the interference-induced oscillations in the elevation angle.