CN112859013A - 基于航迹的无人机gnss欺骗检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于航迹的无人机GNSS欺骗检测方法，主要解决现有技术更改任务航线而增加被攻击风险及依赖传感器易受干扰的问题。其方案是：借助制导系统得出的期望航向角及导航系统得出的飞行速度和导航位置计算制导位置；依据这两个位置得出导航航迹和制导航迹；分别判断导航与制导位置的距离偏差是否持续大于其门限值，判断所述两个航迹的距离偏差平均值是否大于其门限值，并判断这两个航迹终点的距离偏差是否大于其门限值：若是，则判断受到欺骗攻击，无人机不再使用GNSS数据并结束检测，否则，继续使用该数据实现无人机的循环检测，本发明降低了无人机受欺骗攻击的风险，增强无人机系统的安全性，可用于检测无人机系统的外部攻击。

Description

基于航迹的无人机GNSS欺骗检测方法

技术领域

本发明属于信息安全技术领域，特别是涉及一种基于航迹的无人机GNSS欺骗检测方法，可用于检测无人机系统的外部攻击。

背景技术

全球导航卫星系统GNSS，包括GPS、北斗卫星导航系统、Glonass和Galileo，是无人机系统定位的重要信息来源。无人机导航系统常使用多传感器数据融合算法，以融合多传感器的冗余信息，其包括GNSS传感器、磁航向传感器、加速度计和陀螺仪等传感器采集的数据，有效的提高了状态估计的精确性和鲁棒性。但是，基于多传感器融合的定位系统仍然会受到GNSS欺骗攻击，例如，文献“Drift with Devil:Security of Multi-Sensor Fusionbased Localization in High-Level Autonomous Driving under GPS Spoofing，Proceedings of the 29th USENIX Security Symposium，2020”分析了无人汽车基于多传感器数据融合的定位系统，并成功的对定位系统实施了GPS欺骗攻击。无人机在自动驾驶飞行模式下，极其依赖GNSS传感器，影响无人机的安全性。

“申请公布号CN110376613A”的中国发明专利公开了一种基于无人机磁航向的GPS欺骗干扰检测方法，以无人机当前位置为起点、当前航向为方向，构建虚拟正四边形航线AB段、BC段、CD段和DA段，引导无人机沿虚拟航线飞行，判断无人机GPS受到干扰的依据包括：无人机偏离每段虚拟航线的距离、无人机当前磁航向与航向角的偏差、无人机在每段虚拟航线耗费的时间和无人机到达的终点与虚拟航线起点的距离，其中，无人机飞行每段虚拟航线的时间取1～2分钟。但是，该方法存在以下不足：

一是由于每次检测要飞行4～8分钟，将耗费较多动力能源，而小型无人机动力能源有限、航程短，不适用于小型无人机；

二是该方法中的无人机要沿虚拟检测航线飞行，造成无人机偏离任务航线，可能会撞向周围的障碍物，并且在同一个区域逗留时间过长，增加了被攻击的风险；

三是该方法采用磁航向传感器测量磁航向，而磁航向传感器容易受到电磁干扰扰，例如，高压线强磁场的干扰，使测量的磁航向不准确，降低了检测的可行度。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于航迹的无人机GNSS欺骗检测方法，以避免使用虚拟检测航线，节省无人机动力能源，降低无人机受欺骗攻击的风险，且基于导航、制导和控制数据进行检测，提高欺骗检测的可信度，增强无人机系统的安全性。

本发明技术方案是这样实现的：

1.一种基于航迹的无人机GNSS欺骗检测方法，其特征在于，包括如下：

(1)无人机进入自动驾驶飞行模式时，依据航线与周围障碍物的距离、飞行边界和飞行速度设置检测周期T，并按照检测周期T开始计时t，t的初始值为0；

(2)将制导系统计算出的期望航向角和时间分别记为

和t₁，将无人机在按期望航向角

执行后的时间记为当前时间t₂，并记录导航系统计算出的飞行速度v和导航位置P_nav；

(3)依据期望航向角

飞行速度v及时间t₁和t₂，计算t₂时刻的制导位置P_gid；

(4)计算导航位置P_nav和制导位置P_gid之间的距离偏差d：

(5)根据无人机的抗风能力和姿态控制精度设置距离偏差门限值K_d和持续偏离时间门限值T_c，并将距离偏差d与设置的门限值进行比较：

如果d大于K_d且持续T_c秒，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击并反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，执行(6)；

(6)将检测无人机GNSS欺骗攻击时的计时时间t与检测周期T进行比较：

如果t小于T，则返回(2)；否则，执行(7)；

(7)依据导航位置P_nav和制导位置P_gid分别得出导航航迹Nav和制导航迹Gid：

Nav＝{(x₁，y₁，t₁)，(x₂，y₂，t₂)...，(x_i，y_i，t_i)，...，(x_n，y_n，t_n)}

Gid＝{(x′₁，y′₁，t₁)，(x′₂，y′₂，t₂)，...，(x′_i，y′_i，t_i)，...，(x′_n，y′_n，t_n)}

其中，(x_i，y_i，t_i)表示t_i时刻的导航位置，(x′_i，y′_i，t_i)表示t_i时刻的制导位置，i的取值范围为1到n，n表示记录的位置数量；

(8)计算导航航迹Nav和制导航迹Gid在t_i时刻距离偏差d_i的平均值，并将该平均偏差

与门限值K_d进行比较：

如果

大于K_d，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击并反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，执行(9)；

(9)计算导航航迹Nav与制导航迹Gid终点之间的距离偏差td；

(10)根据无人机制导系统期望航向角

计算精度和控制系统姿态控制精度，设置终点之间的距离偏差门限值K_t，将距离偏差td与门限值K_t进行比较：

如果td大于K_t，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击并反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，重新计时并返回(2)。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明由于在自动驾驶飞行模式下，实时的连续检测GNSS欺骗攻击，不会因为无人机处于检测间隔阶段而受到欺骗攻击；

2、本发明由于在无人机按任务飞行的同时进行检测，可避免使用虚拟检测航线出现的航线偏离，且不受空间因素限制降低无人机撞向周围障碍物的风险，同时，不会因为按虚拟检测航线飞行而在同一个区域逗留过长时间，降低被攻击的风险；

3、本发明航迹计算由于借助制导系统计算出的期望偏航角，不依赖磁航向传感器，因而不受环境因素限制且能保证GNSS欺骗检测的可信度；

4、本发明由于基于无人机导航、制导与控制结构的系统实现，其通用性好且不需要添加额外的硬件设备，节省了无人机的载荷和空间；

5、本发明在检测过程中由于设置了的多个可调的门限值，使用灵活，能针对多种无人机进行适配。

附图说明

图1是无人机GNSS欺骗检测系统结构图；

图2是本发明无人机GNSS欺骗攻击检测方法的实现流程图；

图3是本发明实施例中的航迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

参照图1，无人机GNSS欺骗检测系统，包括导航系统、制导系统、控制系统、GNSS欺骗攻击检测系统和无人机机体。其中，导航系统包括陀螺仪、磁航向传感器、GNSS传感器和加速度计及多传感器数据融合模块；制导系统包括任务规划和路径规划模块；控制系统包括位置控制和姿态控制模块。导航系统分别与制导系统和控制系统连接；导航系统与GNSS欺骗攻击检测系统双向连接；制导系统分别与控制系统和GNSS欺骗攻击检测系统连接；控制系统分别与GNSS欺骗攻击检测系统和无人机机体连接；无人机机体与导航系统连接。

制导系统将计算出的期望航向角和当前时间发送给GNSS欺骗攻击检测系统，并将期望航向角和期望飞行速度发送给控制系统；控制系统将无人机所处的飞行模式数据发送给GNSS欺骗攻击系统，依据期望航向角生成执行机构指令并将指令发送给无人机机体；无人机机体按执行机构指令进行操作；导航系统从卫星接收GNSS数据、从无人机机体采集数据，进而通过多传感器数据融合模块计算无人机导航位置、飞行速度和姿态，再将导航位置、飞行速度和当前时间发送给GNSS欺骗攻击检测系统，将导航位置、飞行速度和姿态发送给制导系统和控制系统；GNSS欺骗攻击检测系统接收来自控制系统的无人机飞行模式数据，接收来自制导系统的期望航向角和时间，接收来自导航系统的导航位置、飞行速度和时间，通过计算构建导航航迹和制导航迹，对GNSS欺骗攻击进行实时检测，并将检测结果反馈给导航系统。

参照图2，本实例中对GNSS欺骗攻击进行实时检测的实现步骤如下：

步骤一、飞行模式判断和检测初始化。

GNSS欺骗攻击检测系统接收来自控制系统的飞行模式数据，判断无人机是否进入自动驾驶飞行模式，如果不是，则继续接收和判断；否则，启动GNSS欺骗攻击检测，依据航线与周围障碍物的距离、飞行边界和飞行速度设置检测周期T，并按照检测周期T开始计时t，t的初始值为0。

步骤二、检测导航位置和制导位置。

2.1)接收和记录来自制导系统的期望航向角和时间，分别记为

和t₁；将无人机在按期望航向角

执行后的时间记为当前时间t₂，并接收和记录来自导航系统的飞行速度v和导航位置：P_nav＝(x₂，y₂，t₂)，其中，x₂和y₂表示t₂时刻导航位置的坐标；

2.2)依据期望航向角

飞行速度v以及时间t₁和t₂，计算出t₂时刻的制导位置：

P_gid＝(x′₂，y′₂，t₂)，

其中，

和

表示t₂时刻制导位置的坐标；x′₁和y′₁表示t₁时刻制导位置的坐标；

2.3)计算导航位置P_nav和制导位置P_gid之间的距离偏差d：

2.4)根据无人机的抗风能力和姿态控制精度设置距离偏差门限值K_d和持续偏离时间门限值T_c，并将距离偏差d与设置的门限值进行比较：

如果d大于K_d，且持续T_c秒，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击，并将该信息反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，执行步骤2.5)；

2.5)将无人机GNSS欺骗攻击检测的计时时间t与检测周期T进行比较：

如果t小于T，则返回步骤2.1)；

否则，执行步骤三。

步骤三、检测导航航迹和制导航迹。

参照图3，本步骤的具体实现如下：

3.1)依据导航位置P_nav和制导位置P_gid分别得出导航航迹AC和制导航迹AD：

AC＝{(x₁，y₁，t₁)，(x₂，y₂，t₂)...，(x_i，y_i，t_i)，...，(x_n，y_n，t_n)}，

AD＝{(x′₁，y′₁，t₁)，(x′₂，y′₂，t₂)，...，(x′_i，y′_i，t_i)，...，(x′_n，y′_n，t_n)}，

其中，(x_i，y_i，t_i)表示t_i时刻的导航位置，(x′_i，y′_i，t_i)表示t_i时刻的制导位置，i的取值范围为1到n，n表示记录的位置数量；

3.2)计算导航航迹AC和制导航迹AD在t_i时刻距离偏差d_i的平均值

其中，

x_i和y_i表示t_i时刻导航位置的坐标，x′_i和y′_i表示t_i时刻制导位置的坐标；

3.3)将平均偏差

与门限值K_d进行比较：

如果

大于K_d，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击，并将该信息反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，执行3.4)；

3.4)计算导航航迹AC与制导航迹AD终点之间的距离偏差，记为终点距离偏差td：

其中，x_C和y_C表示导航航迹终点C的坐标，x′_D和y′_D表示制导航迹终点D的坐标；

3.5)根据无人机制导系统期望航向角

计算精度和控制系统姿态控制精度，设置终点之间的距离偏差门限值，记为终点距离门限值K_t，将终点距离偏差td与终点距离门限值K_t进行比较：

如果td大于K_t，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击，并将该信息反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，设置t＝0，重新计时，并返回步骤二。

以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于航迹的无人机GNSS欺骗检测方法，其特征在于，包括如下：

(1)无人机进入自动驾驶飞行模式时，依据航线与周围障碍物的距离、飞行边界和飞行速度设置检测周期T，并按照检测周期T开始计时t，t的初始值为0；

(2)将制导系统计算出的期望航向角和时间分别记为

和t₁，将无人机在按期望航向角

执行后的时间记为当前时间t₂，并记录导航系统计算出的飞行速度v和导航位置P_nav；

(3)依据期望航向角

飞行速度v及时间t₁和t₂，计算t₂时刻的制导位置P_gid；

(4)计算导航位置P_nav和制导位置P_gid之间的距离偏差d：

(5)根据无人机的抗风能力和姿态控制精度设置距离偏差门限值K_d和持续偏离时间门限值T_c，并将距离偏差d与设置的门限值进行比较：

如果d大于K_d且持续T_c秒，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击并反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，执行(6)；

(6)将无人机GNSS欺骗攻击检测的计时时间t与检测周期T进行比较：

如果t小于T，则返回(2)；否则，执行(7)；

(7)依据导航位置P_nav和制导位置P_gid分别得出导航航迹Nav和制导航迹Gid：

Nav＝{(x₁，y₁，t₁)，(x₂，y₂，t₂)...，(x_i，y_i，t_i)，...，(x_n，y_n，t_n)}

Gid＝{(x′₁，y′₁，t₁)，(x′₂，y′₂，t₂)，...，(x′_i，y′_i，t_i)，...，(x′_n，y′_n，t_n)}

其中，(x_i，y_i，t_i)表示t_i时刻的导航位置，(x′_i，y′_i，t_i)表示t_i时刻的制导位置，i的取值范围为1到n，n表示记录的位置数量；

(8)计算导航航迹Nav和制导航迹Gid在t_i时刻距离偏差d_i的平均值，并将该平均偏差

与门限值K_d进行比较：

如果

大于K_d，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击并反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，执行(9)；

(9)计算导航航迹Nav与制导航迹Gid终点之间的距离偏差td；

(10)根据无人机制导系统期望航向角

计算精度和控制系统姿态控制精度，设置终点之间的距离偏差门限值K_t，将距离偏差td与门限值K_t进行比较：

如果td大于K_t，则判断无人机受到GNSS欺骗攻击并反馈给导航系统，无人机不再使用GNSS数据进行导航并结束检测；

否则，无人机继续使用GNSS数据进行导航，重新计时并返回(2)。

2.根据权利要求1所述的方法，其中(2)中的导航位置P_nav，表示如下：

P_nav＝(x₂，y₂，t₂)

其中，x₂和y₂表示t₂时刻导航位置的坐标。

3.根据权利要求1所述的方法，其中(3)中的制导位置P_gid，表示如下：

P_gid＝(x′₂，y′₂，t₂)

其中，

和

表示t₂时刻制导位置的坐标，x′₁和y′₁表示t₁时刻制导位置的坐标。

4.根据权利要求1所述的方法，其中(4)中的距离偏差d，计算公式如下：

其中，x₂和y₂表示t₂时刻导航位置的坐标，x′₂和y′₂表示t₂时刻制导位置的坐标。

5.根据权利要求1所述的方法，其中(8)中计算导航航迹Nav和制导航迹Gid在t_i时刻距离偏差d_i的平均值，公式如下：

其中，

x_i和y_i表示t_i时刻导航位置的坐标，x′_i和y′_i表示t_i时刻制导位置的坐标。

6.根据权利要求1所述的方法，其中(9)中计算导航航迹Nav与制导航迹Gid终点之间的距离偏差td，公式如下：

其中，x_n和y_n表示导航航迹终点位置的坐标，x′_n和y′_n表示制导航迹终点位置的坐标。

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