CN107861135A - 一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法 - Google Patents

一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，包括以下步骤：无人机通过自带的卫星导航传感器获取导航位置信息，通过加速度传感器和指南针传感器获取无人机真实飞行方向；比较导航位置信息的飞行方向和无人机真实飞行方向是否一致，不一致则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；基于图像特征匹配算法匹配无人机摄像头拍摄到的图片，并与卫星导航传感器获得的无人机的方向和距离进行比对，不一致则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；通过卫星导航和通信时延两种方式确定无人机和地面之间的距离，对比所述两种方式获取的距离的差值，判断差值是否在误差范围内；本方法综合检测卫星导航信号欺骗，具有节能高效的特点。

Description

一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法
技术领域
本发明属于通信技术领域，特别涉及一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法。
背景技术
近年来，全球无人机市场发展迅猛，无人机也被应用到了各行各业，在电力巡检行业无人机的应用，大大提高了电力巡检的效率和准确度。无人机电力巡检的主要内容大到违章树木、违章建筑、混凝土杆、铁塔、变电设备等，小到防震锤、拉线、线夹、连接器、瓷瓶、弹簧销等，面向电力巡检的无人机大多都采用卫星导航来进行定位和路径规划，攻击者若利用卫星导航信号欺骗攻击来劫持和诱导无人机，使无人机撞上电力设备，可能会造成严重的后果。
目前，现有技术的无人机卫星导航欺骗检测方法，基于场景特征及位置信息进行反卫星导航欺诈，例如，CN105021190A公开一种反卫星导航欺诈的方法以及基于该方法的无人系统，其专利采用的欺骗检测算法较为单一，只采用了载波相位双差欺骗检测技术，在最新的研究报告中，有研究者已经提出若已知无人机天线角度信息，攻击者可以通过调整信号强度以及发射天线姿态来达到绕过该检测的目的，从而造成安全隐患，而且，需要提前存储特征点信息，对无人设备的存储要求以及正常使用前的初始化要求较高，需要预先存储大量的特征点，同时多个步骤的不同方案的检测使得攻击者几乎不能绕过。
发明内容
现有技术中无人机欺骗检测算法较为单一，计算不准确，且需要预先存储大量的特征点，同时多个步骤的不同方案的检测使得攻击者几乎不能绕过，为解决上述技术问题，本发明公开一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，综合检测，准确检测出无人机飞行欺骗，很难被绕过，而且对设备使用前的初始化要求不高。
本发明所用的技术方案为：
一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，包括以下步骤：
步骤S01，无人机通过自带的卫星导航传感器获取导航位置信息，通过加速度传感器和指南针传感器获取无人机真实飞行方向；
步骤S02，比较步骤S01所述的导航位置信息的飞行方向和无人机真实飞行方向是否一致，如果一致，进入步骤S03，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；
步骤S03，基于图像特征匹配算法匹配无人机摄像头拍摄到的图片，建立机体坐标系、摄像头坐标系、图像平面坐标系和地面坐标系，根据图像特征点的移动计算出出无人机的飞行方向和距离，并与卫星导航传感器获得的无人机的方向和距离进行比对，如果比对结果一致，进入步骤S04，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；
步骤S04，通过卫星导航和通信时延两种方式确定无人机和地面之间的距离，对比所述两种方式获取的距离的差值，判断差值是否在误差范围内，如果在误差范围内，无人机飞行正常，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
较优地，步骤S02具体包括以下步骤:
加速度传感器和指南针传感器测量无人机在X轴和Y轴的实际飞行位移坐标为(XK、YK)，卫星导航传感器得到的无人机在X轴和Y轴的飞行位移坐标为(XG、YG)；实际飞行位移(XK、YK)与x轴的夹角为arctan(YK/XK)，通过导航飞行位移坐标(XG、YG)得到导航飞行方向与x轴夹角为arctan(YG/XG)；通过比较arctan(YK/XK)与arctan(YG/XG)之差是否超过方向角度误差阈值(较优地，方向角度误差阈值为5。)，超过方向角度误差阈值则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
步骤S03具体包括以下步骤：无人机在飞行过程中拍摄图片，利用尺度不变特征变换算法(SIFT算法)和加速鲁棒性特征算法(SURF算法)识别图像特征点，根据图像特征点的移动计算出运动轨迹，包括位移和运动方向，与步骤S01中卫星导航传感器测得的导航位置信息的位移与运动方向进行比较，如果方向角度差超过方向角度误差阈值(较优地，方向角度误差阈值为5。)或者距离差大于位移距离阈值(较优地，位移距离阈值为10m)，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
步骤S04具体包括以下步骤：通过无人机的高度测量传感器计算出无人机距离地面的垂直高度H，通过无人机与地面设备通信时延测量出无人机与地面之间的直线距离L，然后通过勾股定理计算出地面站到无人机的水平距离D1，通过卫星导航计算出地面站到无人机的水平距离D2，比较D1与D2，如果差值超过水平距离误差值(较优地，水平距离误差值为8m)，，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
无人机卫星导航欺骗包括卫星导航静态欺骗和卫星导航动态欺骗；
所述卫星导航静态欺骗指的是欺骗信号是一个固定的位置，所述卫星导航动态欺骗指的是欺骗信号是一个移动的轨迹。
卫星导航包括美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、北斗卫星导航系统(BDS)和伽利略卫星导航系统(GALILEO)。
本发明的有益效果包括：通过加速度传感器和指南针传感器检测、基于图像特征匹配算法匹配无人机摄像头拍摄到的图片和通过卫星导航和通信时延两种方式确定无人机和地面之间的距离综合检测，准确的检测出欺骗，很难被绕过，而且对设备使用前的初始化要求不高。
本发明快速的实现对无人机的是否受到卫星导航欺骗攻击进行检测，具有节能高效的特点。
附图说明
图1是本发明一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，包括以下步骤：
步骤S01，无人机通过自带的卫星导航传感器获取导航位置信息，通过加速度传感器和指南针传感器获取无人机真实飞行方向；
步骤S02，比较步骤S01所述的导航位置信息的飞行方向和无人机真实飞行方向是否一致，如果一致，进入步骤S03，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；
步骤S02具体包括以下步骤:
加速度传感器和指南针传感器测量无人机在X轴和Y轴的实际飞行位移坐标为(XK、YK)，卫星导航传感器得到的无人机在X轴和Y轴的飞行位移坐标为(XG、YG)；实际飞行位移(XK、YK)与x轴的夹角为arctan(YK/XK)，通过导航飞行位移坐标(XG、YG)得到导航飞行方向与x轴夹角为arctan(YG/XG)；通过比较arctan(YK/XK)与arctan(YG/XG)之差是否超过方向角度误差阈值(方向角度误差阈值为5。)，超过方向角度误差阈值则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击
步骤S03，基于图像特征匹配算法匹配无人机摄像头拍摄到的图片，建立机体坐标系、摄像头坐标系、图像平面坐标系和地面坐标系，根据图像特征点的移动计算出出无人机的飞行方向和距离，并与卫星导航传感器获得的无人机的方向和距离进行比对，如果比对结果一致，进入步骤S04，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；
步骤S03具体包括以下步骤：无人机在飞行过程中拍摄图片，利用SIFT算法和SURF算法识别图像特征点，根据图像特征点的移动计算出运动轨迹，包括位移和运动方向，与步骤S01中卫星导航传感器测得的导航位置信息的位移与运动方向进行比较，如果方向角度差超过方向角度误差阈值(方向角度误差阈值为5。)或者距离差大于位移距离阈值(位移距离阈值为10m)，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
步骤S04，通过卫星导航和通信时延两种方式确定无人机和地面之间的距离，对比所述两种方式获取的距离的差值，判断差值是否在误差范围内，如果在误差范围内，无人机飞行正常，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
步骤S04具体包括以下步骤：通过无人机的高度测量传感器(气压计)计算出无人机距离地面的垂直高度H，通过无人机与地面设备通信时延测量出无人机与地面之间的直线距离L，然后通过勾股定理计算出地面站(智能终端)到无人机的水平距离D1，通过卫星导航计算出地面站到无人机的水平距离D2，比较D1与D2，如果差值超过水平距离误差值(8m)，，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
无人机卫星导航欺骗包括卫星导航静态欺骗和卫星导航动态欺骗；
所述卫星导航静态欺骗指的是欺骗信号是一个固定的位置，所述卫星导航动态欺骗指的是欺骗信号是一个移动的轨迹。
卫星导航包括美国全球定位系统(GPS)、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统(GLONASS)、北斗卫星导航系统(BDS)和伽利略卫星导航系统(GALILEO)。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S01，无人机通过自带的卫星导航传感器获取导航位置信息，通过加速度传感器和指南针传感器获取无人机真实飞行方向；
步骤S02，比较步骤S01所述的导航位置信息的飞行方向和无人机真实飞行方向是否一致，如果一致，进入步骤S03，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；
步骤S03，基于图像特征匹配算法匹配无人机摄像头拍摄到的图片，建立机体坐标系、摄像头坐标系、图像平面坐标系和地面坐标系，根据图像特征点的移动计算出出无人机的飞行方向和距离，并与卫星导航传感器获得的无人机的方向和距离进行比对，如果比对结果一致，进入步骤S04，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击；
步骤S04，通过卫星导航和通信时延两种方式确定无人机和地面之间的距离，对比所述两种方式获取的距离的差值，判断差值是否在误差范围内，如果在误差范围内，无人机飞行正常，否则，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
2.根据权利要求1所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，
步骤S02具体包括以下步骤:
加速度传感器和指南针传感器测量无人机在X轴和Y轴的实际飞行位移坐标为(XK、YK)，卫星导航传感器得到的无人机在X轴和Y轴的飞行位移坐标为(XG、YG)；实际飞行位移坐标(XK、YK)与x轴的夹角为arctan(YK/XK)，通过导航飞行位移坐标(XG、YG)得到导航飞行方向与x轴夹角为arctan(YG/XG)；通过比较arctan(YK/XK)与arctan(YG/XG)之差是否超过方向角度误差阈值，超过方向角度误差阈值则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
3.根据权利要求1所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，
步骤S03具体包括以下步骤：无人机在飞行过程中拍摄图片，利用SIFT算法和SURF算法识别图像特征点，根据图像特征点的移动计算出运动轨迹，包括位移和运动方向，与步骤S01中卫星导航传感器测得的导航位置信息的位移与运动方向进行比较，如果方向角度差超过方向角度误差阈值或者距离差大于位移距离阈值，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
4.根据权利要求1所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，
步骤S04具体包括以下步骤：通过无人机的高度测量传感器计算出无人机距离地面的垂直高度H，通过无人机与地面设备通信时延测量出无人机与地面之间的直线距离L，然后通过勾股定理计算出地面站到无人机的水平距离D1，通过卫星导航计算出地面站到无人机的水平距离D2，比较D1与D2，如果差值超过水平距离误差值，则判定无人机卫星导航受到欺骗攻击。
5.根据权利要求2所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，
方向角度误差阈值为5。。
6.根据权利要求3所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，位移距离阈值为10m。
7.根据权利要求4所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，水平距离误差值为8m。
8.根据权利要求1所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，无人机卫星导航欺骗包括卫星导航静态欺骗和卫星导航动态欺骗；所述卫星导航静态欺骗指的是欺骗信号是一个固定的位置，所述卫星导航动态欺骗指的是欺骗信号是一个移动的轨迹。
9.根据权利要求3所述的一种面向电力巡检的无人机卫星导航欺骗检测方法，其特征在于，卫星导航包括美国全球定位系统、俄罗斯格洛纳斯卫星导航系统、北斗卫星导航系统和伽利略卫星导航系统。
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