LINE EW-UAS - an experimental unmanned system for coastal surveillance using ESM technology

Abstract

Drones and unmanned systems are attracting increasing interest from both military and civilian authorities alike, particularly in connection with surveillance and security technologies. An example of a use case for such an application is surveillance of maritime traffic along the coast. All vessels above a certain size are required to broadcast an Automatic Identification System (AIS) signal to identify themselves and their current position. Not everyone do this, which could be a sign of a vessel trying to pass by unnoticed. A system that verifies the existence of a ship where there is an AIS track, or localises a ship where there is no AIS track, would therefore be of great operational interest. Electronic Support Measures (ESM) is a technology for passive collection and interpretation of electromagnetic signals, such as e.g. radar pulses. Two or more coordinated ESM sensors can use this information to geolocate the emitting radar. A ship that is deliberately faking its AIS signal is unlikely to run the risk of also turning off its navigation radar, making ESM a potential technology for the described coastal surveillance system. The passive nature of an ESM sensor also makes it well suited for deployment on Unmanned Aerial Vehicles (UAV), where battery time and payload size are important factors. This report describes a complete system for geolocation of rotating maritime navigation radars using two UAVs equipped with ESM-sensor payloads. The payloads collect radar pulses from ships in the surrounding area and send pulse-metadata to a ground node where the information is coordinated and the results are presented in tools familiar to operational decision makers. The project has been carried out jointly between 8 different research groups from 5 different departments at the Norwegian Defence Research Establishment (FFI) and was created to highlight some of the opportunities and challenges of operating unmanned systems in an Electronic Warfare (EW) context. This has addressed a wide range of topics such as UAV operations and payload modification, 3D-printing, ESM technology, communication infrastructure, sensor networks as well as post-processing and presentation of data. This work demonstrates that geolocation of rotating navigation radars is possible using two small, affordable ESM sensors. Examples are given of radars being tracked over time, highlighting the technologies’ potential in applications for coastal surveillance. A complete, functional data chain is also shown: from antenna to high-level presentation tool in the operation room.

Det er aukande interesse for bruk av dronar og andre ubemanna system, både frå sivilt og miltært hald. Ikkje minst gjeld dette i samband med teknologiar for overvaking og sikring. Eit eksempel på eit slikt bruksområde er overvaking av kystområde. Alle skip over ein viss storleik er pålagde å kontinuerleg sende ut eit Automatic Identification System (AIS) signal som identifiserer dei for omverda. Ikkje alle gjer dette slik dei skal, noko som kan vere ein indikasjon på at ein ynskjer å passere usett. Eit system som verifiserer at eit skip faktisk er der det hevdar i AIS signalet, eller som lokaliserer eit skip der det ikkje fins AIS spor vil derfor kunne vere av stor operativ nytte. Electronic Support Measures (ESM) er teknologi for passiv innsamling og tolking av elektromagnetiske signal, slik som til dømes radarpulsar. To eller fleire ESM sensorar som samlar informasjon på ein koordinert måte er i stand til å geolokalisere ein radar. Eit skip som med viten og vilje forfalskar AIS signalet sitt er truleg ikkje villig til å ta risikoen forbunde med å samstundes slå av navigasjonsradaren, noko som gjer ESM-teknologi til ei mogleg løysing på problemstillinga i førre avsnitt. I og med at ESM sensorar er passive egnar dei seg også godt som nyttelaster i Unmanned Aerial Vehicles (UAV), der batteritid og storleik er viktige parameter. Denne rapporten skildrar eit komplett system for geolokasjon av roterande maritime navigasjonsradarar ved bruk av to UAV-ar utstyrt med kvar sin ESM nyttelast. Dei to nyttelastane registrerer radarpulsar frå kringliggande skip og sender puls-metadata vidare til ein bakkenode der informasjonen vert koordinert og presentert i verktøy som er kjende for operative avgjerdstakarar. Prosjektet kom i stand som eit tverrfagleg samarbeid mellom 8 ulike forskingsgrupper frå 5 ulike avdelingar ved Forsvarets Forskningsinstitutt (FFI), og har hatt som mål å setje lys på nokre av dei mogelegheitene og utfordringane ein står ovanfor ved bruk av ubemanna system generelt og i samband med Elektronisk Krigføring (EK) operasjonar spesielt. Dette har inkludert problemstillingar knytt til operasjon av UAVar og tilpassing av nyttelaster, 3D-printing, ESM-tekniske aspekt, kommunikasjon og infrastruktur rundt dette, sensornettverk samt etterbehandling av data og presentasjon av desse. Prosjektet demonstrerer at geolokasjon av roterande navigasjonsradarar er mogleg ved bruk av to små, rimelige ESM sensorar. Det vert vist døme på at ein gitt radar kan følgjas over tid, noko som stadfestar teknologien sitt potensial i samband med kystovervaking. Det vert også demonstrert ei fungerande, komplett datakjede: frå antenne til høgnivå presentasjonsverktøy i operasjonsrommet.