CN110531621A - 一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法 - Google Patents

一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，针对一类感知执行层和数据传输层均受攻击的信息物理系统控制问题，首先，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征；其次，通过构建辅助状态变量，将系统量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统；再次，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益；最后，根据攻击观测器的输出值设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制。本发明具有抗攻击能力强、可靠性高的特点，适用于感知执行层和数据传输层同时受到攻击下的信息物理系统的安全控制。

Description

一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法
技术领域
本发明涉及一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，可以同时实现数据传输层攻击及感知执行层攻击的实时估计与抵消，可用于混合攻击下的信息物理系统的高可靠控制。
背景技术
随着通信技术、计算机技术及控制技术的发展及相互融合，信息物理系统、应运而生。目前大多数信息物理系统，如智能电网、航天领域，都是关系到国家安全及民生领域的重要设施，这些系统的安全性及可靠性往往会受到攻击者的的威胁。信息物理系统的一个典型特征是控制层与感知执行层之间需要通过数据传输层进行通信，因此针对信息物理系统的攻击，攻击者通过获取通信链路中传感器信息，并对其进行篡改，从而实现欺骗控制层的目的，最终导致系统控制性能下降甚至崩溃。
目前，针对信息物理系统抗攻击控制问题，中国专利申请号201810225313.5提出了一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法，该专利是将水印信号叠加在控制信号中，用以检测通信链路中的重放攻击，但并未对系统进行抗攻击控制，且叠加的水印信号会降低系统的控制性能；中国专利申请号201810436189.7提出了一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，该专利结合输出滤波器和学习观测器对传感器攻击进行估计，但该方法一方面无法明确传感器攻击的时变特性；另一方面学习观测器的估计精度依赖于学习时间间隔。综上所述，目前针对信息物理系统的数据传输层及感知执行层抗攻击控制的研究较少，因此亟需解决信息物理系统中混合攻击下的高可靠性控制问题。
发明内容
本发明的技术解决问题是针对对抗环境下，信息物理系统的感知执行层受到范数有界干扰的攻击和数据传输层受可建模干扰的攻击问题，提供一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，具有抗攻击能力强、可靠性高的优点。
本发明及技术解决方案为：针对一类感知执行层和数据传输层均受攻击的信息物理系统控制问题，首先，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征；其次，通过构建辅助状态变量，将量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统；再次，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益；最后，根据攻击观测器的输出值设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制。具体实施步骤如下：
第一步，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征：
建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型∑1为：
其中，t表示时间，x(t)为信息物理系统状态变量，为系统状态变量的时间导数，y(t)为信息物理系统量测信息，u(t)为控制输入；ξ(t)为信息物理系统感知执行层攻击，为范数有界攻击，η(t)为信息物理系统数据传输层攻击，由外部模型描述；A、B、B1为适维的已知常值系数矩阵；
信息物理系统数据传输层攻击η(t)由如下外部模型描述∑2：
其中，ω(t)为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵V为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数。
第二步，通过构建辅助状态变量，将信息物理系统的量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统：
针对混合攻击下的信息物理系统面向控制的动力学模型∑1中的量测信息y(t)，设计如下输出滤波器∑3：
其中，状态z(t)是输出滤波器的状态，为输出滤波器状态z(t)的一阶导数，y(t)为系统∑1的量测信息，是赫尔维兹矩阵。
结合信息物理系统面向控制的动力学模型∑1和输出滤波器∑3，把输出滤波器∑3中状态z(t)作为辅助状态变量，可以将信息物理系统∑1中量测信息扩展为系统状态，建立如下增广系统模型∑4：
其中，t表示时间，x(t)为信息物理系统状态变量，为系统状态变量的时间导数，y(t)为信息物理系统量测信息，u(t)为控制输入；ξ(t)为信息物理系统感知执行层攻击，为范数有界攻击，η(t)为信息物理系统数据传输层攻击，由外部模型∑2描述；A、B、B1为适维的已知常值系数矩阵。
第三步，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益：
针对增广系统∑4，为实现对数据传输层攻击信号η(t)的估计，设计如下形式的攻击观测器∑5：
其中，表示数据传输层攻击d2(t)的估计值，表示外部模型的状态w(t)的估计值，表示的一阶导数，L为攻击观测器的增益矩阵，v(t)为辅助变量，表示v(t)的一阶导数，z(t)是输出滤波器的状态变量，是赫尔维兹矩阵。
结合增广系统模型∑4和攻击观测器∑5，定义数据传输层攻击η(t)的估计误差动态方程的动态方程为∑6：
利用LMI方法求解攻击观测器的增益L，实现数据传输层攻击的准确估计，攻击观测器的增益L通过以下线性矩阵不等式求解：
其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素，正定对称矩阵P0及矩阵Q0为线性矩阵不等式中的变量，攻击观测器增益矩阵L的选取原则为L＝P0 -1Q0。
第四步，基于攻击观测器的输出值，设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制：
基于攻击观测器的输出值设计复合控制器如下：
其中，K为控制器增益，y(t)为系统∑1的量测信息，为数据传输层攻击η(t)的估计值，使得混合攻击下的信息物理系统∑1能渐近稳定且满足H∞性能指标||x(t)||2＜γ||ξ(t)||2，γ为已知常数；
控制器增益K的选取遵循如下不等式：
其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素，参数γ为的取值范围为0<γ＜1，正定对称矩阵P1及R1矩阵为线性矩阵不等式中的变量，则控制器增益矩阵K的选取原则为K＝R1P1 -1。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明针对信息物理系统的感知执行层和数据传输层同时受到攻击，导致系统安全性受到威胁的可靠控制问题，利用攻击观测器和输出滤波器完成了信息物理系统数据传输层攻击的估计与补偿，并通过设计控制器增益实现了感知执行层的攻击抑制，实现了混合攻击下信息物理系统的高可靠控制，适用于被攻击信息物理系统的高可靠性控制问题。
附图说明
图1为本发明方法的设计流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明所述的一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法设计步骤为：首先，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征；其次，通过构建辅助状态变量，将量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统；再次，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益；最后，根据攻击观测器的输出值设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制。
具体实施步骤如下：
第一步，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征：
建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型∑1为：
其中，t表示时间，x(t)＝[x1(t) x2(t)]T为信息物理系统状态变量，θ(t)、ψ(t)分别为航天器的滚转角、俯仰角及偏航角，分别为滚转角速度、俯仰角速度及偏航角速度，为系统状态变量的时间导数，y(t)为信息物理系统量测信息，u(t)为控制输入；ξ(t)为信息物理系统感知执行层攻击，为范数有界攻击，η(t)为信息物理系统数据传输层攻击，可由外部模型描述；A、B、B1为适维的已知常值系数矩阵。
在本实施案例中，系统状态的初始值设为x(0)＝[1 -2 3 2]T，系数矩阵为感知执行层攻击ξ(t)采用均值为零，方差为1的随机信号。
信息物理系统数据传输层攻击η(t)由如下外部模型描述∑2：
其中，ω(t)为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵
第二步，通过构建辅助状态变量，将信息物理系统的量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统：
针对混合攻击下的信息物理系统面向控制的动力学模型∑1中的量测信息y(t)，设计如下输出滤波器∑3：
其中，状态z(t)是输出滤波器的状态，为输出滤波器状态z(t)的一阶导数，y(t)为系统∑1的量测信息，是赫尔维兹矩阵；在本实施案例中，I4表示4维单位矩阵。
结合信息物理系统面向控制的动力学模型∑1和输出滤波器∑3，把输出滤波器∑3中状态z(t)作为辅助状态变量，可以将信息物理系统∑1中量测信息扩展为系统状态，建立如下增广系统模型∑4：
其中，t表示时间，x(t)为信息物理系统状态变量，为系统状态变量的时间导数，y(t)为信息物理系统量测信息，u(t)为控制输入；ξ(t)为信息物理系统感知执行层攻击，为范数有界攻击，η(t)为信息物理系统数据传输层攻击，由外部模型∑2描述；A、B、B1为适维的已知常值系数矩阵。
第三步，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益：
针对增广系统∑4，为实现对数据传输层攻击信号η(t)的估计，设计如下形式的攻击观测器∑5：
其中，表示数据传输层攻击d2(t)的估计值，表示外部模型的状态w(t)的估计值，表示的一阶导数，L为攻击观测器的增益矩阵，v(t)为辅助变量，表示v(t)的一阶导数；
结合增广系统模型∑4和攻击观测器∑5，定义数据传输层攻击η(t)的估计误差动态方程的动态方程为∑6：
利用LMI方法求解攻击观测器的增益L，实现数据传输层攻击的准确估计，攻击观测器的增益L通过以下线性矩阵不等式求解：
其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素，正定对称矩阵P0及矩阵Q0为线性矩阵不等式中的变量，攻击观测器增益矩阵L的选取原则为L＝P0 -1Q0。在本实施案例中，信息物理系统攻击观测器的增益求解为
第四步，基于攻击观测器的输出值，设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制：
基于攻击观测器的输出值设计复合控制器如下：
其中，K为控制器增益，y(t)为系统∑1的量测信息，为数据传输层攻击η(t)的估计值，使得混合攻击下的信息物理系统∑1能渐近稳定且满足H∞性能指标||x(t)||2＜γ||ξ(t)||2，γ为已知常数；
控制器增益K的选取遵循如下不等式：
其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素，参数γ为的取值范围为0<γ＜1，正定对称矩阵P1及R1矩阵为线性矩阵不等式中的变量，则控制器增益矩阵K的选取原则为K＝R1P1 -1。在本发明实施例中，选取γ＝0.2，控制器增益K＝[4.6824 20.2385 1.9249 22.3372]。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (5)

1.一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征；
第二步，通过构建辅助状态变量，将第一步中动力学模型中的量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统；
第三步，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益；
第四步，基于攻击观测器的输出值，设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制。
2.根据权利要求1所述的一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，其特征在于：所述第一步具体实现如下：
建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型∑1为：
其中，t表示时间，x(t)为信息物理系统状态变量，为系统状态变量的时间导数，y(t)为信息物理系统量测信息，u(t)为控制输入；ξ(t)为信息物理系统感知执行层攻击，为范数有界攻击，η(t)为信息物理系统数据传输层攻击，由外部模型描述；A、B、B1为适维的已知常值系数矩阵；
信息物理系统数据传输层攻击η(t)由如下外部模型描述∑2：
其中，ω(t)为外部模型的状态变量，为外部模型状态变量的时间导数，系数矩阵V为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数。
3.根据权利要求2所述的一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，其特征在于：所述第二步具体实现如下：
针对混合攻击下的信息物理系统面向控制的动力学模型∑1中的量测信息y(t)，设计如下输出滤波器∑3：
其中，状态z(t)是输出滤波器的状态，为输出滤波器状态z(t)的一阶导数，y(t)为系统∑1的量测信息，是赫尔维兹矩阵；
结合信息物理系统面向控制的动力学模型∑1和输出滤波器∑3，把输出滤波器∑3中状态z(t)作为辅助状态变量，可以将信息物理系统∑1中量测信息y(t)扩展为系统状态，建立如下增广系统模型∑4：
其中，t表示时间，x(t)为信息物理系统状态变量，为系统状态变量的时间导数，y(t)为信息物理系统量测信息，u(t)为控制输入；ξ(t)为信息物理系统感知执行层攻击，为范数有界攻击，η(t)为信息物理系统数据传输层攻击，由外部模型∑2描述；A、B、B1为适维的已知常值系数矩阵。
4.根据权利要求1所述的一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，其特征在于：所述第三步中，基于增广系统∑4，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，具体实现如下：
针对增广系统∑4，为实现对数据传输层攻击信号η(t)的估计，设计如下形式的攻击观测器∑5：
其中，表示信息物理系统数据传输层攻击η(t)的估计值，表示外部模型的状态w(t)的估计值，表示的一阶导数，L为攻击观测器的增益矩阵，v(t)为辅助变量，表示v(t)的一阶导数，z(t)是输出滤波器的状态变量，是赫尔维兹矩阵；
结合增广系统模型∑4和攻击观测器∑5，定义数据传输层攻击η(t)的估计误差动态方程的动态方程为∑6：
利用LMI方法求解攻击观测器的增益L，实现数据传输层攻击的准确估计，攻击观测器的增益L通过以下线性矩阵不等式求解：
其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素，正定对称矩阵P0及矩阵Q0为线性矩阵不等式中的变量，攻击观测器增益矩阵L的选取原则为L＝P0 -1Q0。
5.根据权利要求1所述的一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，其特征在于：所述第四步中，根据攻击观测器的输出值设计复合控制器如下：
其中，K为控制器增益，y(t)为系统∑1的量测信息，为数据传输层攻击η(t)的估计值，使得混合攻击下的信息物理系统∑1能渐近稳定且满足H∞性能指标||x(t)||2＜γ||ξ(t)||2，γ为已知常数，
控制器增益K的选取遵循如下不等式：
其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素，参数γ为的取值范围为0<γ＜1，正定对称矩阵P1及R1矩阵为线性矩阵不等式中的变量，则控制器增益矩阵K的选取原则为K＝R1P1 -1。
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