Signal Source Searching and Tracking via Antenna Array Beam Steering on Fixed Wing UAVs for Communication Link Enhancement. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

Preview

PDF MSc_Thesis.pdf Download (11MB) | Preview

Arabic Abstract

لقد جذبت الطائرات بدون طيار كثيراً من الإهتمام فى الآونة الأخيرة لأنها أثبتت فعاليتها فى كثير من التطبيقات فى القطاعات المدنية و العسكرية. هذه التطبيقات تشمل و لا تنحصر فى الإستشعار عن بعد، المراقبة، الإستكشاف، و البحث و الإنقاذ. فى هذا العمل البحثى نقدم تصميم مصفوفة هوائيات مسطحة مطبوعة. حيث ستركب داخل جناح طائرة بدون طيار من الطراز الصغير المستخدم من قبل الهواة. المصفوفة لديها القدرة على توجيه شعاعها فى الفراغ بدرجتين من الحرية. تم إعتبار شكلين من المصفوفة و محاكاتهما لدراسة التوزيع الإشعاعى، عرض الشعاع عند نصف القدرة، و الكسب النسبى فى نقطة التوجيه. أقصى كسب نسبى للمصفوفة 6×2 كان 22 dB و للمصفوفة 7×2 كان 24 dB. تم صنع المصفوفة و إختبارها فى المعمل وقياس عوامل الإنتشار للتأكد من العزل الكافى بين العناصر المتجاورة فى المصفوفة. تم إقتراح خوارزم لتوجيه الشعاع معتمداً على قياسات قوة الإشارة للتحكم فى شعاع المصفوفة و توجيهه لأقوى إشارة فى الوقت الفعلى أثناء طيران الطائرة. تم محاكاة الخوارزم المقترح (إختلاس النظر بالقطع الناقص) و مقارنة النتائج بخوارزم ذكى معروف مسبقاً (التطور التفاضلى). تم تقديم دراسة لكفاءة الخوازمين مستندة على نوعين من المسارات للطائرة و هما المسار الإنسيابى و المسار المضطرب. خوارزم إختلاس النظر بالقطع الناقص قد تفوق على خوارزم التطور التفاضلى حيث أنه إستطاع العثور على مصدر الإشارة فى 450 ms فقط. تم إستخدام طريقتان لإنشاء مسار إفتراضى للطائرة لإستخدامه فى تقييم كفاءة الخوارميات. الطريقة الأولى إعتمدت على المتغيرات العشوائية و الطريقة الثانية إعتمدت على محاكى طيران. الطريقة الثانية أثبتت صلاحيتها على عكس الطريقة الأولى. تم إقتراح أسلوب تعقب من أجل الحفاظ على إتجاه الشعاع دائماً نحو أقوى إشارة بدون أن تتأثر عملية التوجيه بحركة الطائرة و مناوراتها. تم تقييم كفاءة أسلوب التعقب من حيث تراجع قوة الإشارة فى نوعى المسارات المستخدمة للطائرة (الإنسيابى و المضطرب). تم إستخدام خوارزم إختلاس النظر بالقطع الناقص لتنفيذ عملية بحث كل مدة محددة. هذا العمل يقدم نظام متكامل ما بين البحث و التعقب للإشارات اللاسلكية باستخدام مصفوفة هوائيات معتمداً فقط على قياسات قوة الإشارة الواردة لتتحسين جودة الإتصال بين الطائرة و محطتها الأرضية.

English Abstract

Unmanned air vehicles (UAVs) have been given a lot of attention recently, because they proved to be very useful in a lot of applications in civil and in military sectors. These applications include, but not limited to remote sensing, surveillance, exploration, and search and rescue. In this work we present the design of a patch planar antenna array, which will be installed inside the wing structure of a hobby type mini-UAV. The array has the ability to steer its beam with two degrees of freedom in spherical space (θ,ϕ). Two array configurations are considered for simulations to characterize their radiation pattern, half power beam width (HPBW), and their pointing gain. The maximum gain for the 6×2 array is 22 dB and for the 7×2 array is 24 dB. The array was fabricated and tested. The S-parameters were measured to validate the isolation between adjacent elements. A beam steering algorithm based on measuring the received signal strength (RSS) is proposed to control the antenna beam and steer it to the maximum RSS in real time as the UAV is flying. The proposed elliptical Peeking (EP) algorithm is simulated and compared to a well-known intelligent optimization algorithm called the differential evolution (DE). A performance assessment is presented for two types of flight trajectories, smooth and turbulent. The EP algorithm showed better performance where it was able to close on the maximum RSS in 450 ms on average. A virtual UAV trajectory is created to be used in testing the performance of each algorithm. Two methods are used to create the trajectory. The first is based on random variables, and the second is based on a flight simulator. The second method has proved its validity and feasibility while the first method did not. A tracking routine is proposed to keep locking on the direction of the maximum received signal strength. Its performance is assessed in terms of signal degradation for two types of flight trajectories, smooth and turbulent. The EP algorithm was used to conduct a new search round every fixed time period. This work presents a system that integrates the search and tracking algorithm within an antenna beam steering based on received power levels to enhance the communication links of flying UAVs.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Systems Research > Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Committee Advisor:	Sharawi, M.
Committee Members:	Zerguine, Azzedine and Masoud, Ahmad
Depositing User:	Mohamed Ibrahim (g200904390)
Date Deposited:	20 Feb 2013 11:40
Last Modified:	01 Nov 2019 15:37
URI:	http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/138861