無(wú)人機(jī)GPS 欺騙干擾攻擊對(duì)策

陳立軍，潘正軍，陳孝如

(廣州軟件學(xué)院軟件工程系,廣州 510990)

0 引言

無(wú)人駕駛飛行器也被稱(chēng)為無(wú)人機(jī)(unmanned aerial vehicle，UAV)，在過(guò)去幾年，私人、商業(yè)、軍事[1]方面的應(yīng)用急劇增加.無(wú)人機(jī)的使用案例包括搜索、救援[2]、農(nóng)業(yè)田間管理、建筑、采礦以及電影業(yè).UAV 很容易適應(yīng)定制任務(wù)，只需要很少的維護(hù)，而且運(yùn)行成本低.然而，UAV 執(zhí)行自主任務(wù)在很大程度上依賴(lài)于GNSS的定位、導(dǎo)航和任務(wù)規(guī)劃.由于GPS 定位準(zhǔn)確性高，是無(wú)人機(jī)使用的主要位置估計(jì)技術(shù).GPS 是一個(gè)由多達(dá)31 顆衛(wèi)星組成的星座，其中最多可以有3 顆衛(wèi)星處于儲(chǔ)備或待機(jī)模式，每顆GPS 星發(fā)射兩個(gè)信號(hào)，一個(gè)是未加密的民用信號(hào)，一個(gè)是經(jīng)過(guò)加密和認(rèn)證的軍用信號(hào).盡管現(xiàn)在民用GPS 信號(hào)使用廣泛，但它不是安全應(yīng)用[3].近十年，UAV 在設(shè)計(jì)、硬件和軟件方面都得到了大規(guī)模的改進(jìn)[4]，但許多安全問(wèn)題和擔(dān)憂(yōu)在很大程度上仍然未得到解決.UAV 的民用領(lǐng)域廣泛，但民用GPS 信號(hào)未經(jīng)過(guò)加密和認(rèn)證，安全性不高，而軍用GPS 信號(hào)一般不作民用.GPS 的一個(gè)實(shí)質(zhì)性問(wèn)題是，接收到的信號(hào)非常弱，由于衛(wèi)星和地球之間的高路徑損耗，接收到的表面信號(hào)功率大約為-130 dBm[5]，這比熱噪聲約低20 dB.假設(shè)信號(hào)功率均勻分布在2 MHz 的帶寬內(nèi)，特別低的信號(hào)功率會(huì)導(dǎo)致GPS 容易受到干擾、故意干擾和欺騙性攻擊.GPS 欺騙攻擊的后果危害性很大，例如，改變飛行路線(xiàn)，突然加速或減速，與其他UAV 相撞，或通過(guò)傳輸禁飛區(qū)坐標(biāo)強(qiáng)制切換到手動(dòng)或降落模式.為了有效緩解GPS 欺騙攻擊，我們需要一個(gè)可靠的欺騙攻擊檢測(cè)機(jī)制.近幾年，已經(jīng)提出了多種針對(duì)GPS 欺騙攻擊的檢測(cè)技術(shù)[6]，然而，許多技術(shù)需要修改接收器的天線(xiàn)，安裝額外的GPS 接收器，或者獲取GNSS 信號(hào)的物理屬性，如信號(hào)強(qiáng)度和無(wú)人機(jī)的到達(dá)方向，因此，在大多數(shù)情況下，它需要修改現(xiàn)有的或集成額外的硬件組件.在本研究中，提出了一種針對(duì)無(wú)人機(jī)群(unmanned aerial vehicles，UAVs)的GPS 欺騙攻擊檢測(cè)機(jī)制，該機(jī)制以脈沖無(wú)線(xiàn)電超寬帶(impulse radio ultra wideband，IR-UWB)輔助UAVs 為例，利用每架UAV 向地面站報(bào)告的GPS 定位數(shù)據(jù)，然后檢查UAVs 中兩架UAV 的定位結(jié)果是否相等，如果報(bào)告的坐標(biāo)相同，則表明UAV 接收到的GPS 信號(hào)有一個(gè)是偽造的.為了解決兩架無(wú)人機(jī)中只有一架受到偽造GPS 信號(hào)影響的情況，本文還將根據(jù) GPS 數(shù)據(jù)得出的兩架無(wú)人機(jī)之間的距離與 IR-UWB 測(cè)距或其他類(lèi)似測(cè)距技術(shù)得出的距離進(jìn)行了比較，當(dāng)然，所提的檢測(cè)機(jī)制不僅僅限于一種測(cè)距技術(shù).

1 相關(guān)工作

GPS 接收機(jī)對(duì)欺騙攻擊的脆弱性并不是一個(gè)新的話(huà)題，幾項(xiàng)研究已經(jīng)審查了GPS 欺騙檢測(cè)技術(shù)[6-7]，然而，其中只有極少數(shù)不需要對(duì)硬件進(jìn)行任何修改、安裝額外的天線(xiàn)和接收器，或訪(fǎng)問(wèn)GPS 信號(hào)的物理參數(shù).表1 給出了幾種可用的GPS 欺騙檢測(cè)的方法、它們的缺點(diǎn)和檢測(cè)率.例如，文獻(xiàn)[8-9]將GPS 定位與其他傳感器測(cè)量相結(jié)合，使用慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)、陀螺儀或加速計(jì)，以檢測(cè)GPS 定位中的異常和偏差.文獻(xiàn)[10]建議使用多個(gè)固定距離的接收器或天線(xiàn)陣列來(lái)估計(jì)欺騙GPS 信號(hào)的到達(dá)方向，并檢測(cè)欺騙攻擊.其他方法依靠GPS 信號(hào)的到達(dá)時(shí)間相關(guān)性[11-12]、無(wú)人機(jī)機(jī)載攝像頭的視頻流分析[13]，或使用蜂窩塔和蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)輔助檢測(cè)過(guò)程[14-15].表1 中給出的檢測(cè)機(jī)制按檢測(cè)率百分比排序.

文獻(xiàn)[9]提出了一種基于組合陀螺儀和加速計(jì)的角速度與線(xiàn)性加速度測(cè)量值的機(jī)制，以估計(jì)UAV 的位置，并將其與接收到的GPS 坐標(biāo)進(jìn)行比較，這種機(jī)制的缺點(diǎn)是，盡管它的檢測(cè)率很高(據(jù)報(bào)道為96%)，但它需要密集的計(jì)算，以便能夠跟蹤3D 空間中的UAV 運(yùn)動(dòng)，并將其與報(bào)告的GPS 位置進(jìn)行比較.

Jansen等[10]提出了一種用于欺騙檢測(cè)的多接收器方法，檢測(cè)機(jī)制將接收器之間的固定距離與它們報(bào)告的位置之間的距離進(jìn)行比較.在GPS 欺騙攻擊的情況下，兩個(gè)接收器的報(bào)告位置差將非常接近于零，反之，如果信號(hào)是真實(shí)的，則報(bào)告的距離將接近接收器之間的實(shí)際固定距離.盡管該機(jī)制的檢測(cè)率高達(dá)99%，但它至少需要兩個(gè)GPS 接收器，它們之間有固定的距離，這對(duì)于相對(duì)較小的UAV 來(lái)說(shuō)是不可行的.

文獻(xiàn)[11]利用短距離通信技術(shù)提出了一種分散的欺騙檢測(cè)機(jī)制，車(chē)輛之間交換其測(cè)量的GPS 代碼偽距離測(cè)量值，然后執(zhí)行線(xiàn)性運(yùn)算以導(dǎo)出與每個(gè)相鄰車(chē)輛相關(guān)的獨(dú)立統(tǒng)計(jì)信息，將導(dǎo)出的統(tǒng)計(jì)信息報(bào)告給頭部車(chē)輛以執(zhí)行欺騙檢測(cè).這種機(jī)制的缺點(diǎn)是它需要車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)中的特定層次結(jié)構(gòu)，以及車(chē)輛到車(chē)輛的通信，處理部分也在每輛車(chē)上進(jìn)行，從而引入了計(jì)算開(kāi)銷(xiāo).文獻(xiàn)[11]提到，誤報(bào)的概率接近于零，然而并沒(méi)有提供實(shí)驗(yàn)或模擬的檢測(cè)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

文獻(xiàn)[12]提出了一種名為Crowd-GPS-sec 的欺騙檢測(cè)機(jī)制，該機(jī)制利用眾包來(lái)監(jiān)控飛機(jī)的ASD-B流量，ADS-B 負(fù)責(zé)飛機(jī)的GPS 定位廣告，UAV 或其他飛行器出于空中交通管制目的定期廣播ADS-B 消息，地面上的獨(dú)立基礎(chǔ)設(shè)施用來(lái)檢測(cè)和定位欺騙攻擊，并持續(xù)分析這些消息的內(nèi)容和到達(dá)時(shí)間.這種機(jī)制的缺點(diǎn)是第三方地面基礎(chǔ)設(shè)施的可靠性不能保證.作者報(bào)告稱(chēng)，基于模擬，該機(jī)制可以檢測(cè)到多達(dá)75%的GPS 欺騙攻擊.

文獻(xiàn)[13]提出了一種基于分析UAV 攝像機(jī)視頻流的欺騙檢測(cè)機(jī)制，所提出的機(jī)制從視頻流中收集幀及其GPS 坐標(biāo)，根據(jù)GPS 坐標(biāo)和實(shí)時(shí)視頻流幀計(jì)算UAV 運(yùn)動(dòng)之間的相關(guān)性，以確定是否發(fā)生了欺騙攻擊，這種方法的缺點(diǎn)是其性能高度依賴(lài)于地形、速度、海拔和環(huán)境光照.此外，UAV 攝像頭的所有處理工作都在UAV端，從而引入了計(jì)算開(kāi)銷(xiāo).文獻(xiàn)[13]提到，該方法可以檢測(cè)任何GPS 欺騙攻擊.然而，并沒(méi)有提供實(shí)驗(yàn)或模擬的檢測(cè)率統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).

文獻(xiàn)[14]提出了一種檢測(cè)機(jī)制，該機(jī)制利用蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施基于蜂窩塔信標(biāo)消息計(jì)算移動(dòng)車(chē)輛的近似位置，并驗(yàn)證UAV 接收的GPS 坐標(biāo)是否在該近似位置內(nèi).其最大的缺點(diǎn)是，即使文中提到其檢測(cè)率為100%，它也需要額外的蜂窩模塊，并且完全依賴(lài)于操作區(qū)域的蜂窩覆蓋.

文獻(xiàn)[16]提出了一種基于多個(gè)接收器天線(xiàn)的欺騙檢測(cè)機(jī)制，它需要接收機(jī)天線(xiàn)的特定陣列布置估計(jì)到達(dá)方向并比較GPS 信號(hào)的相位延遲.該機(jī)制依賴(lài)于這樣一個(gè)事實(shí)，即攻擊者通常從同一天線(xiàn)發(fā)送多個(gè)GPS 信號(hào)代碼，而真實(shí)信號(hào)由不同方向的不同衛(wèi)星發(fā)送.這種機(jī)制的缺點(diǎn)是，即使其檢測(cè)率高達(dá)99%，也需要在UAV 上安裝復(fù)雜的信號(hào)處理算法和多個(gè)外部天線(xiàn)，以便于GPS 欺騙攻擊檢測(cè)過(guò)程.

上述的每一種檢測(cè)機(jī)制都有其自身的缺點(diǎn)，有些需要復(fù)雜的信號(hào)處理或密集的計(jì)算資源來(lái)運(yùn)行機(jī)器學(xué)習(xí)算法，這在小型UAV 上是不可行的.其他機(jī)制則需要額外的硬件組件安裝在地面或UAV 上.較小尺寸的商用和民用UAV 通常依賴(lài)具有有限計(jì)算能力和機(jī)載空間的微控制器來(lái)補(bǔ)充硬件組件，這使得上述機(jī)制不適用.因此，本研究提出一種易于執(zhí)行的欺騙檢測(cè)機(jī)制，適用于小型和中型UAVs，該機(jī)制不需要復(fù)雜的信號(hào)處理或任何額外的地面基礎(chǔ)設(shè)施，并且可以使用類(lèi)似于IR-UWB 測(cè)距的任何測(cè)距技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn).

2 GPS 欺騙攻擊

GPS 欺騙和干擾攻擊是無(wú)人機(jī)最常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)攻擊之一[17].GPS 欺騙和干擾經(jīng)常同時(shí)進(jìn)行，攻擊者開(kāi)始干擾真實(shí)的GPS 信號(hào)，迫使一架無(wú)人機(jī)進(jìn)入失去衛(wèi)星信號(hào)的狀態(tài)，同時(shí)，攻擊者使用位于附近的GNSS欺騙設(shè)備，以更高的信號(hào)功率啟動(dòng)模擬GNSS 信號(hào)的傳輸.隨著廉價(jià)的軟件無(wú)線(xiàn)電(software definition radio，SDR)進(jìn)入市場(chǎng)，GPS 欺騙的威脅顯著增加，SDR 可以很容易地模仿真實(shí)的GPS 信號(hào)，并在UAV的預(yù)期飛行路徑上造成嚴(yán)重偏差.GPS 欺騙攻擊的影響可能是毀滅性的，包括碰撞、墜毀甚至是UAV 被盜，這不僅對(duì)UAV，而且對(duì)遠(yuǎn)程飛行員和周?chē)娜硕紭?gòu)成了重大的安全威脅.

GPS 接收機(jī)的位置估計(jì)是根據(jù)環(huán)繞地球運(yùn)行的4 顆或4 顆以上衛(wèi)星接收到的衛(wèi)星信號(hào)的到達(dá)時(shí)間來(lái)確定的，通過(guò)使用來(lái)自每個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)到達(dá)時(shí)間，了解它們?cè)诳臻g中的位置以及多極化，GPS 接收器可以估計(jì)其在地球上的位置并接收當(dāng)?shù)貢r(shí)間.另一方面，GPS 欺騙攻擊是故意模仿合法的GNSS 信號(hào)，以達(dá)到惡意的目的，如果GPS 欺騙攻擊沒(méi)有被檢測(cè)到，其后果可能比GPS 干擾攻擊的后果更嚴(yán)重，只要GPS 欺騙仍未被目標(biāo)UAV 發(fā)現(xiàn)，其導(dǎo)航仍在攻擊者的控制之下.由于SDR 技術(shù)的進(jìn)步，執(zhí)行復(fù)雜的GPS 欺騙攻擊已經(jīng)變得更便宜可行.單發(fā)射機(jī)攻擊和多發(fā)射機(jī)攻擊是兩種常見(jiàn)的GPS 欺騙攻擊方案.

2.1 單發(fā)射機(jī)攻擊

在這種攻擊場(chǎng)景中，攻擊者使用單個(gè)發(fā)射器發(fā)起欺騙攻擊，因此，所有的欺騙信號(hào)都是相同的，并且來(lái)自同一個(gè)源，使用被欺騙的GPS 信號(hào)壓制真實(shí)的GPS 信號(hào)是執(zhí)行這種攻擊的最常見(jiàn)方法.然而，根據(jù)攻擊者的技術(shù)能力，在執(zhí)行欺騙攻擊之前可能會(huì)發(fā)生額外的GPS 干擾攻擊，圖1 為單發(fā)射機(jī)對(duì)3 架UAVs的GPS 欺騙攻擊.

圖1 單發(fā)射器GPS 欺騙攻擊

根據(jù)惡意目標(biāo)的不同，攻擊者可以使用調(diào)諧到GPS 頻率(1 575.42 MHz)的SDR 來(lái)生成自己的欺騙GPS 信號(hào)，或者簡(jiǎn)單地重播攻擊前記錄的真實(shí)GNSS 信號(hào)，受GPS 欺騙攻擊影響的UAV 數(shù)量可能取決于攻擊者到蜂群的距離，以及蜂群內(nèi)UAV 之間的距離間隔.位于受影響區(qū)域的UAV 接收相同的欺騙GPS 信號(hào)，根據(jù)攻擊者與特定無(wú)人機(jī)之間的距離有微小的時(shí)間差，計(jì)算得出幾乎相同的定位結(jié)果.

2.2 多發(fā)射機(jī)攻擊

攻擊者使用兩個(gè)或多個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)起欺騙攻擊，因此，欺騙信號(hào)可以來(lái)自不同的源以覆蓋更大的區(qū)域，或者從每個(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)送不同的欺騙信號(hào)，在這種攻擊場(chǎng)景中，攻擊者利用多個(gè)發(fā)射機(jī)來(lái)覆蓋更大的區(qū)域或向不同的UAV 傳輸不同的欺騙信號(hào)，將發(fā)射機(jī)放置在不同的位置.圖2 為利用兩種欺騙設(shè)備對(duì)UAVs 進(jìn)行多發(fā)射機(jī)GPS 欺騙攻擊的情況.

圖2 多發(fā)射機(jī)GPS 欺騙攻擊

根據(jù)UAV 與欺騙信號(hào)發(fā)射器位置之間的距離，受影響的UAV 可以接收相同或不同的欺騙GPS 信號(hào)，在這種情況下，攻擊者可以通過(guò)傳輸禁飛區(qū)坐標(biāo)迫使兩架或多架UAV 在碰撞路線(xiàn)上移動(dòng)、加速、切換到手動(dòng)模式或著陸.如果欺騙攻擊沒(méi)有被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，它將成為UAV 和周?chē)藛T的重大安全隱患.

3 提出的GPS 欺騙檢測(cè)機(jī)制

本節(jié)將在IR-UWB 輔助UAVs 的示例上介紹本文的GPS 欺騙攻擊檢測(cè)機(jī)制，依賴(lài)于群中每架UAV 向地面控制站(ground control station，GCS)報(bào)告的GPS 定位數(shù)據(jù)，假設(shè)UAVs由n架UAV 組成，進(jìn)一步表示為UUAV1，···，UUAVn，根據(jù)GCS 接收到的GPS 定位數(shù)據(jù)，計(jì)算出UUAV1和蜂群中其他UAV之間的距離(UUAV2，···，UUAVn).此外，GCS 還請(qǐng)求UUAV1和蜂群其他部分(UUAV2，···，UUAVn)之間的IR-UWB 測(cè)距數(shù)據(jù).為了避免碰撞，蜂群中需要定期進(jìn)行UAV 之間的IR-UWB 距離測(cè)量，它們不會(huì)引入額外的能量約束，因此，通過(guò)比較兩個(gè)距離，可以確定報(bào)告的GPS 坐標(biāo)是真實(shí)的還是偽造的.超寬帶測(cè)距在精度、能耗、多徑魯棒性、抗干擾等方面具有諸多優(yōu)勢(shì)，是確認(rèn)GPS 數(shù)據(jù)可信度的可靠距離測(cè)量來(lái)源.IR-UWB 測(cè)距技術(shù)基于短、低能量、寬頻譜上的窄脈沖，具有高時(shí)間分辨率，它提供了測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間距離的能力，精度為厘米，操作范圍高達(dá)150 m[18].

3.1 檢測(cè)機(jī)制

本文為區(qū)分單發(fā)射機(jī)和多發(fā)射機(jī)GPS 兩種欺騙攻擊場(chǎng)景，對(duì)每種欺騙攻擊場(chǎng)景使用不同的檢測(cè)因子，在單發(fā)射機(jī)攻擊的情況下，GPS 欺騙攻擊有兩種可能的結(jié)果，即只有一架受影響的UAV 或兩架以上受影響的UAV.下面將詳細(xì)描述每種結(jié)果的檢測(cè)過(guò)程.

案例1：?jiǎn)伟l(fā)射機(jī)場(chǎng)景下，只有UUAV1受GPS 欺騙信號(hào)影響.

由UUAV1向GCS 報(bào)告的GPS 坐標(biāo)由緯度和經(jīng)度組成，進(jìn)一步表示為GGPS(UUAV1)=(llat1，llon1)，通過(guò)式(1)中所示的“球面余弦定律”以及GPS 坐標(biāo)計(jì)算出被欺騙的UUAV1和另一個(gè)未被欺騙的UUAVi之間的距離，其中i=2,3,···,n，并進(jìn)一步表示為dGPS(UUAV1，UUAVi).

考慮到UUAV1和UUAVi之間的高度差，當(dāng)它們?cè)诓煌叨蕊w行時(shí)，必須利用三維空間中兩個(gè)坐標(biāo)之間的歐幾里得距離計(jì)算來(lái)調(diào)整dGPS的距離.在本文的例子中，高度的調(diào)整可以使用畢達(dá)哥拉斯定理來(lái)計(jì)算，其中，dGPS作為三角形的一邊，高度差作為另一邊，因此，這個(gè)直角三角形的斜邊是UAV 之間的真實(shí)距離，與它們各自的高度有關(guān).

被欺騙的UUAV1和其他未被欺騙的UUAVi之間獲得的IR-UWB 測(cè)距距離進(jìn)一步表示為dUWB(UUAV1，UUAVi).

式(1)為“球面余弦定律”的實(shí)現(xiàn)，用弧度表示，其中φ為緯度，λ 為經(jīng)度；Δλ為UUAV1與UUAVi的經(jīng)度差，Δλ=(λi-λ1)；R是地球的平均半徑，為6 371 km.

在計(jì)算dGPS(UUAV1，UUAVi)之后，可以將其與dUWB(UUAV1，UUAVi)進(jìn)行比較，如果結(jié)果顯示兩個(gè)距離之間差異很大，則表明GPS 受到欺騙攻擊.

考慮到大多數(shù)情況下，每個(gè)GPS 接收機(jī)的定位誤差不大于4.9 m[19]，IR-UWB 測(cè)距誤差在30 cm 以?xún)?nèi)[20]時(shí)，測(cè)量距離的差值不應(yīng)超過(guò)這兩個(gè)誤差的和.事實(shí)上，如果兩個(gè)比較距離之間的差異大于測(cè)量誤差閾值(進(jìn)一步表示為dTHR)，則表明其中一架或另一架無(wú)人機(jī)受到GPS 欺騙攻擊.dTHR可以根據(jù)地形和接收到的GPS 信號(hào)質(zhì)量為每個(gè)UAVs 單獨(dú)調(diào)整，以提高其準(zhǔn)確性和有效性.此外，對(duì)于平均操作距離小于10 m 的無(wú)人機(jī)蜂群，經(jīng)常使用差分全球定位系統(tǒng)(differential Global Position System，DGPS)或?qū)崟r(shí)動(dòng)態(tài)(real-time kinematic，RTK)，定位精度為1～3 cm[21]，在這種情況下，用于GPS 欺騙攻擊檢測(cè)的dTHR可以顯著減少.

案例2：?jiǎn)伟l(fā)射機(jī)場(chǎng)景下，兩架或多架無(wú)人機(jī)受到GPS 欺騙攻擊.

在這種情況下，兩個(gè)或多個(gè)UAV(例如UUAVi和UUAVj)接收到相同的欺騙信號(hào)，即它們計(jì)算的GPS定位結(jié)果幾乎相同，只有一個(gè)微小的時(shí)間差，這取決于信號(hào)從欺騙設(shè)備到達(dá)的時(shí)間，因此，根據(jù)受影響UAV 的GPS 坐標(biāo)計(jì)算出的它們之間的距離將非常接近或等于零，即dGPS≈0，這一事實(shí)本身就可以用于成功的GPS 欺騙攻擊檢測(cè).對(duì)于群中兩架UAV 之間的最小距離由避碰算法自動(dòng)控制的情況，僅通過(guò)比較無(wú)人機(jī)的GPS 定位結(jié)果就可以很容易地檢測(cè)到單發(fā)射機(jī)GPS 欺騙攻擊的存在，而無(wú)需將其與IRUWB 測(cè)距結(jié)果進(jìn)行比較，因此不需要任何額外的機(jī)載測(cè)距硬件.然而，通過(guò)比較每?jī)蓚€(gè)無(wú)人機(jī)(UUAVi和UUAVj)之間的dGPS和dUWB，可以減少誤報(bào)，并使檢測(cè)機(jī)制更加可靠.重要的是要指出，dUWB不能等于或接近于零，否則這將意味著UUAVi已經(jīng)碰撞并撞上了UUAVj.

《數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)與編程》課程的特點(diǎn)是內(nèi)容多、更新快、課時(shí)少，在授課內(nèi)容方面除了要講授大量的基礎(chǔ)知識(shí)外，還要涉及具體的應(yīng)用、操作，因此傳統(tǒng)的講授和示教法就顯現(xiàn)出許多問(wèn)題。例如：課堂教學(xué)空洞、呆板，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)興趣，忽視了學(xué)生積極性、主動(dòng)性的發(fā)揮。

案例3：多發(fā)射機(jī)場(chǎng)景下，兩架或多架UAV 受到GPS 欺騙攻擊.

在這種情況下，可以通過(guò)多個(gè)發(fā)射機(jī)廣播相同的欺騙GPS 信號(hào)來(lái)覆蓋更大的區(qū)域，或者由每個(gè)發(fā)射機(jī)廣播不同的GPS 欺騙信號(hào).在第一種結(jié)果中，GPS 欺騙攻擊將與單發(fā)射機(jī)GPS 欺騙攻擊相同，但影響范圍更廣.在第二種結(jié)果中，蜂群中的兩架UAV 可能會(huì)接收不同的欺騙GPS 信號(hào)，從而計(jì)算不同的定位結(jié)果.在這種情況下，提出的GPS 欺騙的檢測(cè)機(jī)制仍然適用，比較從GPS 坐標(biāo)到UWB 測(cè)距結(jié)果的計(jì)算距離，以揭示不一致性，從而檢測(cè)出GPS 欺騙攻擊的存在.

表2 為單發(fā)射機(jī)和多發(fā)射機(jī)GPS 欺騙攻擊場(chǎng)景(包括四種結(jié)果，每個(gè)場(chǎng)景兩種)，以及本文的檢測(cè)機(jī)制使用的所有檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn).

表2 GPS 欺騙攻擊檢測(cè)準(zhǔn)則

理想情況下，每個(gè)UAVs 都應(yīng)該有一個(gè)集成的防碰撞系統(tǒng)，而且，必須定期進(jìn)行IR-UWB 測(cè)距或群成員之間的類(lèi)似測(cè)量，并將其發(fā)送到GCS，以避免與其他群成員發(fā)生碰撞，如圖3 所示.因此，在這種情況下，GPS 欺騙檢測(cè)機(jī)制對(duì)整個(gè)UAV 的能耗、性能和電池壽命的影響是微不足道的.如果沒(méi)有集成防碰撞系統(tǒng)，則需要額外進(jìn)行IR-UWB 測(cè)量，以使欺騙檢測(cè)機(jī)制正常工作，這可能會(huì)增加功耗并降低電池壽命.

圖3 UAV 到集群中其他UAVs 的IR-UWB 測(cè)距數(shù)據(jù)采集過(guò)程

文獻(xiàn)[22]的測(cè)試結(jié)果表明，Decawave 公司生產(chǎn)的商用DW1000 IR-UWB 模塊在雙面雙向測(cè)距(DSTWR)模式下的平均能耗為3.55 MJ/次測(cè)距，不考慮空閑模式下的時(shí)間，在平均飛行時(shí)間為25 min，平均電池尺寸為5 000 mA，14.8 V 產(chǎn)生74 000 MW時(shí)，GPS 欺騙檢測(cè)可以計(jì)算出紅外超寬帶測(cè)量帶來(lái)的額外能量消耗，通過(guò)將IR-UWB 測(cè)量的頻率定義為2 Hz，可以估計(jì)每秒的功耗為7.1 MW，因此，飛行25 min所消耗的總能量為7.1 MW·25?60 h=3 MWh，相當(dāng)于飛行時(shí)間減少了0.12 s.

在UAV 之間每秒兩次、持續(xù)25 min 的測(cè)距結(jié)果將累積3 000 個(gè)測(cè)距結(jié)果，這些結(jié)果必須傳輸?shù)紾CS進(jìn)行進(jìn)一步處理，考慮到包含一個(gè)測(cè)距結(jié)果及其相關(guān)信息的消息的大小不能超過(guò)50 個(gè)字節(jié)，而Sub-GHz遙測(cè)無(wú)線(xiàn)電模塊[23]的平均數(shù)據(jù)速率約為40 Kbps，其相應(yīng)的傳輸電流為55 mA (3 V)，GPS 欺騙檢測(cè)可以估計(jì)將這些消息傳輸?shù)紾CS 所需的能量，因此，傳輸消息所需的每秒功耗將等于3 V·55 mA=165 MW，以40 Kbps 的速度發(fā)送3 000 條50 個(gè)字節(jié)的消息所需的時(shí)間相當(dāng)于30 s，將包含IR-UWB 測(cè)距結(jié)果的信息通過(guò)遙測(cè)無(wú)線(xiàn)電從蜂群中的一架UAV 傳輸?shù)紾CS 所消耗的總能量將等于165 MW·0.5?60 h=1.375 MWh，這意味著飛行時(shí)間減少了0.06 s.

結(jié)合這兩者，紅外超寬帶測(cè)量和無(wú)線(xiàn)電傳輸?shù)紾CS 造成的能量限制，本文看到每架UAV 每次飛行的飛行時(shí)間減少不到1 s，這對(duì)于UAVs 操作來(lái)說(shuō)不是一個(gè)重要的時(shí)間，然而，現(xiàn)實(shí)世界的能源消耗通常高于理想條件下的計(jì)算，盡管這需要通過(guò)執(zhí)行真實(shí)世界的測(cè)試來(lái)進(jìn)一步檢查.

若使GPS 欺騙檢測(cè)的探測(cè)機(jī)制失效，攻擊者需要同時(shí)使用一個(gè)單獨(dú)的GPS 信號(hào)欺騙蜂群中每架UAV 的每個(gè)GPS 接收器，相對(duì)于它們之間的實(shí)時(shí)距離，這幾乎是不可能的，而且非常消耗資源.

3.2 檢測(cè)機(jī)制集成

GPS 欺騙攻擊檢測(cè)機(jī)制非常適合于高達(dá)20 架UAV 的小型和中等UAVs，這在GCS 方面以軟件的形式很容易實(shí)現(xiàn)，GCS 獲得關(guān)于UAV 的GPS 位置的定期更新，并且根據(jù)請(qǐng)求也可以在任何時(shí)間以相同頻率接收來(lái)自UAV 的IR-UWB 或任何其他測(cè)距數(shù)據(jù).

表3 為基于表2 所示準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)本文的GPS 欺騙檢測(cè)機(jī)制的算法.

表3 算法：GPS 欺騙檢測(cè)機(jī)制

4 結(jié)論及未來(lái)展望

GPS 欺騙攻擊是對(duì)UAVs 運(yùn)行的嚴(yán)重威脅，只要GPS 欺騙攻擊不被發(fā)現(xiàn)，被攻擊的UAV 就會(huì)被攻擊者導(dǎo)航，從而導(dǎo)致UAV 墜毀或被盜，造成重大傷害.本文通過(guò)研究GPS 欺騙攻擊的問(wèn)題，提出了一種針對(duì)小型和一般規(guī)模UAVs 的GPS 欺騙檢測(cè)機(jī)制，該機(jī)制的優(yōu)點(diǎn)是不需要大量的計(jì)算或能源資源，不需要安裝額外的天線(xiàn)或修改現(xiàn)有的硬件.建議的機(jī)制利用IR-UWB 測(cè)距確認(rèn)GPS 定位的合理性，但并不局限于此，還可以使用其他類(lèi)似的測(cè)距技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn).這種檢測(cè)機(jī)制的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是不需要大量的數(shù)據(jù)分析，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，對(duì)實(shí)時(shí)UAVs 操作尤其重要.這僅是本研究的初始階段，在不久的將來(lái)，將該機(jī)制進(jìn)一步實(shí)施到無(wú)人機(jī)群中，性能、檢測(cè)和假陽(yáng)性率將在本研究的下一階段提出.