Tesis:
Passive Radar Techniques based on Emerging Illuminators of Opportunity and Software-Defined Radio
- Autor: BLÁZQUEZ GARCÍA, Rodrigo
- Título: Passive Radar Techniques based on Emerging Illuminators of Opportunity and Software-Defined Radio
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE TELECOMUNICACION
- Departamentos: SEÑALES, SISTEMAS Y RADIOCOMUNICACIONES
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/80591/
- Director/a 1º: BURGOS GARCÍA, Mateo
- Director/a 2º: CRISTALLINI, Diego
- Resumen: The deployment of novel wireless communication systems, such as the new generations of mobile communications (i.e. Long-Term Evolution -LTE- and 5G) or the low-Earth orbit (LEO) communication satellite constellations (e.g. Starlink or OneWeb), offers new possibilities for the development of passive radars with enhanced capabilities using those transmissions as illumination of opportunity. For this reason, this thesis is focused on the analysis, development and experimental validation of passive radar techniques that enable the exploitation of these two emerging illuminators: (i) the LTE mobile communication system whose main application is envisioned in urban or semi-urban areas, and (ii) the novel broadband communication LEO satellite constellations such as Starlink or OneWeb, which are considered of great interest for applications in remote areas. Besides, as an enabling technology to develop and validate passive radar prototypes, the novel commercial-off-the-shelf (COTS) software-defined radio (SRD) devices have been considered.
In order to overcome some current challenges in critical infrastructure surveillance, the potential usage of downlink LTE signals have been analysed, including the estimation of achievable capabilities, the experimental characterization of the LTE signals for passive radar applications, and the design of a system architecture and signal processing.
The validation of the developed LTE-based passive radar and the proposed adaptive techniques based on the use of digital arrays implemented by SDR devices with multiple coherent channels has been performed in field tests with a drone as a cooperative target. The achieved results show the feasibility to detect a small-size drone at a range of up to 250 m from the receiver. However, limitations have been also observed in terms of the continuous availability of the signal in different frequency channels, depending on the transmission of user payload, and the requirement to optimize the considered geometry in order to avoid blind zones. Since the proposed architecture is considered scalable, these limitations and the improvement of target localization and tracking capabilities could be addressed in the future by resorting to a multistatic configuration exploiting several LTE transmitters, given the typically dense network, or deploying multiple receiving nodes.
Regarding the exploitation of the novel broadband communication LEO satellites with global and persistent coverage for passive radar applications, the performed analyses demonstrate the technical feasibility and the promising achievable capabilities compared to other satellite-based illuminators of opportunity such as Digital Video Broadcasting-Satellite or the Global Navigation Satellite Systems. Besides, the developed architecture and systems have been validated in two field tests focused, respectively, in the measurement of scattered signals from clutter or static elements of the monitored area, and of scattered signals of a medium-sized drone as a cooperative moving target. The achieved results, which could be considered preliminary in the sense that are expected to be improved by applying more advanced signal processing techniques based, for example, on motion compensation or by selecting a reference satellite that optimizes the bistatic geometry, already demonstrate the feasibility to detect distinctive elements of the monitored area or a medium-sized drone at a range of at least 150 m using a 30 degree-beamwidth antenna for the surveillance channel.
Therefore, the results obtained in this thesis open new possibilities and enable emerging techniques in the context of multistatic surveillance applications in urban environments based on passive radar nodes exploiting mobile communication signals, and of persistent remote area or infrastructure monitoring, for example, for avalanche detection, deploying ground-based receivers that exploit the novel broadband communication LEO satellites.
RESUMEN
El despliegue de nuevos sistemas de comunicaciones inalámbricas, como las nuevas generaciones de comunicaciones móviles (Long-Term Evolution -LTE- y 5G) o las constelaciones de satélites de comunicaciones en órbita terrestre baja (LEO) (como OneWeb o Starlink), ofrecen nuevas posibilidades para el desarrollo de radares pasivos con capacidades mejoradas empleando dichas transmisiones como iluminadores de oportunidad. Por ello, esta tesis se centra en el análisis, desarrollo y validación experimental de técnicas de radar pasivo que permiten el uso de estos iluminadores emergentes: (i) el sistema de comunicaciones móviles LTE para aplicaciones en zonas urbanas o semiurbanas, y (ii) los nuevos satélites LEO de comunicaciones de banda ancha, de gran interés para aplicaciones en zonas remotas. Además, como tecnología habilitadora para desarrollar y validar prototipos de radares pasivos, se han considerado los nuevos dispositivos comerciales de radio definida por software (SDR).
Con el objetivo de abordar los retos actuales en la vigilancia de infraestructuras, se ha analizado el uso de las señales del enlace descendente del sistema LTE, incluyendo la estimación de las capacidades potenciales, la caracterización experimental de dichas señales para aplicaciones de radar pasivo y el diseño de una arquitectura de sistema y del procesado de señal.
Para la validación del sistema desarrollado basado en LTE y de las técnicas adaptativas propuestas centradas en el uso de un array digital implementado mediante dispositivos SDR con múltiples canales, se han realizado pruebas de campo con un dron como blanco cooperativo. Los resultados muestran la capacidad de detectar drones de pequeño tamaño a una distancia de hasta 250 m del receptor. Sin embargo, también se han observado limitaciones en términos de la disponibilidad continua de la señal en diferentes canales de frecuencia, dependiente de la transmisión de datos de usuario, y la necesidad de optimizar la geometría del sistema para evitar zonas ciegas. Dado que la arquitectura propuesta se considera escalable, estas limitaciones y la mejora de la localización y seguimiento de blancos podrían abordarse recurriendo a una configuración multiestática que explote varios transmisores LTE o desplegando múltiples nodos receptores.
En cuanto al empleo de los nuevos satélites de comunicaciones LEO con cobertura global y persistente para aplicaciones de radar pasivo, los análisis realizados demuestran su viabilidad técnica y mejores capacidades potenciales en comparación con otros iluminadores satelitales, como el sistema de difusión de vídeo digital por satélite o los sistemas globales de navegación por satélite. Además, los sistemas desarrollados han sido validados en dos pruebas de campo centradas, respectivamente, en la medida de señales reflejadas por clutter o elementos estáticos del área monitorizada, y de señales reflejadas por un dron de tamaño medio como blanco móvil cooperativo.
Los resultados obtenidos, que podrían considerarse preliminares en el sentido de que podrían mejorarse aplicando técnicas más avanzadas de procesado de señal basadas, por ejemplo, en la compensación de movimiento o seleccionando adaptativamente el satélite de referencia que optimice la geometría biestática, demuestran la viabilidad para detectar elementos característicos del área monitorizada o un dron de tamaño medio a un alcance de al menos 150 m del receptor utilizando una antena de 30 grados de ancho de haz para el canal de vigilancia. Los resultados de esta tesis abren nuevas posibilidades y habilitan técnicas emergentes en aplicaciones de vigilancia multiestática para entornos urbanos basadas en nodos radar pasivos que explotan las señales de comunicaciones móviles, y de monitorización persistente de áreas remotas, por ejemplo, para la detección de avalanchas, desplegando receptores terrestres que explotan las señales transmitidas por las nuevas constelaciones LEO de comunicaciones de banda ancha.