Πειραματική μελέτη ηλεκτρομαγνητικής ατρωσίας μη επανδρωμένων εναέριων οχημάτων στη ζώνη συχνοτήτων 200 MHz – 1000 MHz

Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης

Electromagnetic immunity of unmanned aerial vehicle: Experimental study in the 200 MHz – 1000 MHz frequency band

Διπλωματική εργασία

Author

Αναγνωστόπουλος, Ιωάννης

Date

2022-03-04

Advisor

savaidis, stylianos

Αναγνωστόπουλος_50347180.pdf (3.730Mb)

Keywords

Ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές ; Ηλεκτρομαγνητική ατρωσία ; Μη επανδρωμένα ιπτάμενα οχήματα ; UAV ; Πειράματα ακτινοβολίας ; Ηλεκτρομαγνητικοί παλμοί ; Ανηχοϊκός θάλαμος

Abstract

Η παρούσα διπλωματική εργασία έχει ως αντικείμενο τη μελέτη της ηλεκτρομαγνητικής ατρωσίας (immunity) των Μη Επανδρωμένων Εναέριων Οχημάτων (ΜΕΕΟ) σε ένα εύρος συχνοτήτων 200-1000 MHz. Τα ΜΕΕΟ κερδίζουν όλο και περισσότερο έδαφος στην καθημερινότητα μας, με την χρήση τους για πολυάριθμες εργασίες. Ωστόσο, πολλές φορές συμβαίνει να χρησιμοποιούνται με κακόβουλο τρόπο ή αντίστροφα να γίνονται στόχος κακόβουλων ή μη επιθέσεων μέσω ηλεκτρομαγνητικών (ΗΜ) παρεμβολών. Σε αυτό το πλαίσιο η κατανόηση της ατρωσίας τους έναντι των ΗΜ παρεμβολών αποτελεί προϋπόθεση είτε για να αναπτυχθούν συστήματα ΗΜ παρεμβολών για την αντιμετώπιση της κακόβουλης χρήσης τους είτε για την ανάπτυξη τεχνικών θωράκισής τους προκειμένου να επιδεικνύουν αντοχή έναντι των ΗΜ παρεμβολών. Η μελέτη της ατρωσίας πραγματοποιήθηκε εντός ανηχοϊκού θαλάμου με τη διεξαγωγή πειραμάτων έκθεσης δύο διαφορετικά εμπορικών ΜΕΕΟ σε ακτινοβολία. Ειδικότερα, τα ερευνητικά ερωτήματα, τα οποία απασχόλησαν την πειραματική μελέτη αφορούν κυρίως τον εντοπισμό: α) των συχνοτήτων στις οποίες τα ΜΕΕΟ παρουσιάζουν μειωμένη ατρωσία, β) των ειδικών χαρακτηριστικών των παλμικών ΗΜ κυματομορφών (πλάτος, διάρκεια, συχνότητα επανάληψης και αριθμός παλμών), τα οποία αποτελούν προϋπόθεση για την πρόκληση σοβαρών διαταραχών στη λειτουργία των ΜΕΕΟΗ, γ) της επίδρασης την οποία έχει η κατεύθυνση πρόσπτωσης των ΗΜ κυμάτων και η πόλωση τους και τέλος δ) των πιθανών διαδρομών σύζευξης (coupling paths) με κρίσιμα ηλεκτρονικά κυκλώματα, οι οποίες σε τελική ανάλυση ερμηνεύουν τα αίτια της πρόκλησης σοβαρών διαταραχών της φυσιολογικής λειτουργίας των ΜΕΕΟ. Τα πειραματικά αποτελέσματα της διπλωματικής εργασίας αποδεικνύουν ότι τα υπό εξέταση ΜΕΕΟ επηρεάζονται από την ΗΜ ακτινοβολία σε ένα εύρος συχνοτήτων 200-1000 MHz. Τα δύο ΜΕΕΟ επιδεικνύουν μειωμένη ατρωσία σε συγκεκριμένες συχνότητες του φάσματος. Η πρόκληση διαταραχών θέτει κάποιες ελάχιστες απαιτήσεις σε ότι αφορά το πλάτος, τη διάρκεια, τη συχνότητα επανάληψης και τον αριθμό των ακτινοβολούμενων παλμών. Επίσης, η πρόκληση διαταραχών εξαρτάται με κρίσιμο τρόπο από την κατεύθυνση πρόσπτωσης της ΗΜ ακτινοβολίας καθώς και την πόλωση του προσπίπτοντος κύματος. Τέλος, η διερεύνηση σε ότι αφορά τις διαδρομές σύζευξης καταδεικνύει ότι αυτό συμβαίνει με μη συμβατικό και έμμεσο τρόπο (back door coupling) μέσω της σύζευξης με επιμέρους στοιχεία των ΜΕΕΟ, όπως καλωδιώσεις, πλακέτες κοκ, τα οποία δεν σχετίζονται άμεσα με τα συστήματα ασύρματης εκπομπής/λήψης, π.χ. κεραίες, τα οποία διαθέτουν. Δεδομένου ότι αυτά τα συστήματα υπάρχουν σε όλους τους τύπους των ΜΕΕΟ προκύπτει το συμπέρασμα ότι κατάλληλες μορφές ΗΜ κυματομορφών μπορούν να προκαλέσουν σοβαρές διαταραχές στη λειτουργία των ΜΕΕΟ και να προκαλέσουν την εξουδετέρωσή τους.

Abstract

The key objective of this dissertation is conduct an experimental study on the electromagnetic immunity of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) in the frequency band of 200-1000 MHz. UAVs are becoming increasingly involved in our day to day lives due to their multiple uses and versatility. However, there have been many instances where UAVs have been used with malicious intent, or they’ve been the target of intentional electromagnetic interference. In such cases, understanding their immunity against the electromagnetic interference, become vital in developing new systems of electromagnetic interference to repel said malicious intentions, or even in the creation of new protective methods in order for the UAVs to display an even higher immunity levels against electromagnetic interference. The study on UAV electromagnetic immunity consisted of experiments where two kinds of commercial UAVs were exposed to radiation inside a semi-anechoic chamber. To specify, the goals of the research and of the experimental campaign were focused on tracking down: a) the frequency where UAVs showed reduced immunity levels, b) the specific characteristics of electromagnetic pulse waveforms (peak amplitude, duration, repetition frequency rate, number of Pulses), which determine the capability to cause serious disruption of UAV operation, c) the impact of electromagnetic wave angle of incidence and polarization and lastly d) the possible coupling paths with crucial electronic circuits looking to interpret the reason behind serious disruptions of the normal function of UAVs. The experimental results of the dissertation showcase that the UAVs under investigation are affected by electromagnetic radiation in the spectrum of 200-1000 MHz. The two UAVs exhibit lower immunity levels in certain frequencies. Causing disruptions sets some minor requirements concerning the amplitude, the pulse duration and repetition frequency and well as the number of radiation pulses. Furthermore, causing such disruptions crucially depends on the angle of incidence of electromagnetic radiation and the polarization of the electromagnetic wave. Finally, the research on the coupling paths shows that back door coupling occurs through different parts of the UAV, cables, boards etc, which are not related directly with the UAV’s RF front end. Taking into account that those systems exist in every kind of UAV it is apparent that, under the right circumstances, certain electromagnetic waveforms can seriously disrupt the normal function of UAVs or even permanently neutralize them.