面向无人机的逐点偏移式卫星导航欺骗干扰方法_郭妍.pdf

信息工程DOI:10.15961/j.jsuese.202101139面向无人机的逐点偏移式卫星导航欺骗干扰方法郭妍1，唐康华1*，张鹭2(1.国防科技大学 智能科学学院，湖南 长沙 410073；2.电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南 洛阳 471003)摘要：针对无人机在失控肇事、干扰航管等方面的危害，本文提出一种基于逐点拉偏式卫星导航欺骗方法，通过重构错误的导航坐标系诱骗目标无人机飞离敏感区域保护地面安全。该方法将整个无人机欺骗过程看作是单步位置欺骗拉偏的时间迭代过程，首先，根据无人机的运动学模型以及外部量测信息估算出无人机的真实位置点以及真实控制输入量；然后，考虑无人机飞行控制器对欺骗效果的影响，在真实控制输入量中抵消掉预先设置的欺骗控制力矩效果，设计构造虚假卫星信号使得GNSS/INS组合导航模式下的滤波估计无人机位置点仍靠近原始期望目标点，但发生了偏差；最后，这种偏差产生的无人机轨迹跟踪控制输入量会导致无人机真实状态点往欺骗目标点偏移，实现单步卫星导航欺骗效果。单步欺骗过程在时间上的迭代运用，可实现无人机位置的逐点偏移式欺骗。仿真结果表明，利用逐点偏移式卫星导航欺骗方法能使得目标无人机慢慢偏离原始轨迹而跟踪欺骗轨迹，且组合导航滤波器估计轨迹仍跟踪原始参考轨迹，达到了卫星导航欺骗的目的。本文提出的基于逐点拉偏式卫星导航欺骗干扰技术可用于保障重点区域/人员的低空安全防护。关键词：无人机；单步位置偏移；逐点偏移；卫星导航欺骗；GNSS/INS组合导航中图分类号：U666.11文献标志码：A文章编号：2096-3246（2023）02-0275-10GNSS Navigation Spoofing Method of UAV Based on Point-by-point OffsetGUO Yan1，TANG Kanghua1*，ZHANG Lu2(1.College of Intelligence Sci.and Technol.,National Univ.of Defense Technol.,Changsha 410073,China;2.State Key Lab.of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Info.System,Luoyang 471003,China)Abstract:Aiming at the harm of UAVs in the aspects of out-of-control accident and air traffic control interference,a GNSS navigation spoofingmethod based on point-by-point offset was proposed in this paper,which decoys target UAV to fly away from sensitive areas and protect groundsecurity by reconstructing the wrong navigation coordinate system.It regards the entire UAV spoofing course as time-iterative process of one-stepposition spoofing bias.Firstly,the actual positions and actual control inputs were estimated according to the kinematica model of UAV and ex-ternal measurement information;then,the pre-set fraudulent control effects were cancelled out from the actual control inputs,and the deceptiveGNSS signals were designed and constructed so that the filter position estimates in GNSS/INS integrated navigation mode were still close to theoriginal expected point,but had the offset;finally,the real state point of UAV was moved to the spoofed target point caused by the trajectorytracking control inputs generated by the offset,thereby achieving a one-step covert spoofing effect.Finally,the point-by-point position offsetspoofing of UAV was completed by the iterative application of the one-step spoofing process over time.Simulation results verified the effective-ness of the proposed GNSS navigation spoofing method of UAV.The simulation results showed that the target UAV can slowly deviate from theoriginal trajectory and track the deceptive trajectory by using the GNSS navigation spoofing method based on point-by-point offset,and the tra-jectory estimated by the integrated navigation filter still tracks the original reference trajectory,thus achieving the purpose of satellite navigation收稿日期:2021 11 15基金项目:国家自然科学基金青年科学基金项目（62103424）；国防科技大学智能科学学院青年教师创新研究项目（ZN2019-16）作者简介:郭妍（1990），女，讲师，博士.研究方向：无人与反无人技术.E-mail：*通信作者:唐康华，E-mail：tt_网络出版时间:2022 07 26 09:44:26 网络出版地址:https:/ http:/http:/ 第 55 卷 第 2 期工 程 科 学 与 技 术Vol.55 No.22023 年 3 月ADVANCED ENGINEERING SCIENCESMar.2023deception.The proposed spoof jamming technique based on point-by-point pull-biased satellite navigation can be used to protect key areas/per-sonnel at low altitude.Key words:UAV;one-step position spoofing;point-by-point offset;GNSS navigation spoofing;GNSS/INS integrated navigation 随着科学技术的快速进步和社会经济的蓬勃发展，以往披着神秘面纱的无人机如今已经进入民用市场12。由于无人机在尺寸速度3、机动性4及降低生命危险5等方面具有独特的优势，因此其适用范围已从警用执法、电力巡检、地质勘探、环境监测，向农业植保、快递送货、影视航拍等诸多领域迅速拓展6。全球定位系统（global navigation satellite system,GNSS）/惯性导航系统（inertial navigation system，INS）的组合导航方法是无人机平台导航、制导与控制的核心技术之一78。由于导航卫星离地面20 00036 000 km，卫星信号非常微弱，故GNSS导航终端容易受到压制式干扰和欺骗式干扰等恶意干扰910。由于欺骗式干扰是针对卫星导航系统的工作原理、卫星接收机工作特性以及存在薄弱环节采用更为隐蔽的方式进行干扰，因此欺骗式干扰的效果要明显优于压制式干扰11。以采用GNSS/INS组合导航技术的各类无人机作为攻击目标，利用欺骗式干扰对其实施精确位置偏移（以便捕获或打击），这在实际应用中是十分有必要的1213。目前，民用卫星信号的结构公开已知，针对民用卫星信号的欺骗式干扰是完全可以实现的，特别是伊朗连续两年成功捕获“RQ170”1415和“扫描鹰”无人机1617实例充分验证了卫星欺骗式干扰的可行性。越来越多的研究机构开始利用GNSS欺骗设备对依赖GNSS进行导航的终端开展欺骗测试实验。2008年Humphreys成功自制第一台真正意义上的便携式欺骗干扰机18，并在2012年通过释放欺骗干扰信号改变一架小型无人机的飞行路径；同年6月，Humphreys再次成功测试欺骗干扰机控制民用无人机的能力1920；紧接着，Humphreys又成功地让一艘超级游艇在船长毫不知情的情况下使其偏离航向2122。Su23等描述了一种利用GPS欺骗攻击将装备有故障检测器的无人机驱动到任意目标地的场景，通过将整个欺骗攻击模型转化为约束优化问题，来量化每个时刻对GPS攻击下的无人机最大可达位置集。张会锁等24提出了一种利用轨迹诱导的欺骗式干扰方法，通过在每颗卫星上施加不同的传播时延和多普勒控制量来实现位置和速度同时欺骗，但是其欺骗方法只针对纯卫星导航终端，对于GNSS/INS组合导航终端实施可行性需要进一步验证。王文益25、李畅26等虽然设计了一套在INS/GNSS组合导航模式下诱捕无人机的完整步骤，但是整个诱捕过程中并没有考虑无人机飞行控制器对卫星导航欺骗的影响，无人机飞行控制器会产生控制指令来迫使无人机始终跟踪原定的参考轨迹/期望终止点，这与欺骗的目标是相违背的。针对此，本文首先分析单步实施无人机位置欺骗的方法，即首先模拟无人机的运动学模型，利用外部传感器估算出无人机的真实飞行状态信息和控制输入量；然后为抵消无人机飞行控制器对卫星导航欺骗的影响，在真实控制输入量中减去欺骗控制效果求取虚假GNSS信号的加速度分量，积分计算获得虚假GNSS信号并施加到无人机系统中；GNSS/INS滤波数据融合之后产生错误的估计状态，进而得到错误的系统控制输入量；最后加入到无人机控制系统中，迫使无人机的真实位置点往欺骗目标点位置偏移，而远离原始期望目标点。在每个GNSS信号接收时间点上，循环迭代实施该单步欺骗过程即构成了整体的无人机欺骗方案，即基于逐点偏移式卫星导航欺骗方案。最后，根据虚假GNSS信号的设计构造原理，分析该卫星导航欺骗方案的有效性。通过实验验证该卫星导航欺骗方案能使得无人机始终跟踪欺骗轨迹，而其自身GNSS/INS组合导航滤波器输出的估计状态仍然绕着原始期望轨迹运行，达到了无人机欺骗效果。1 无人机导航与控制闭环模型构建图1给出无人机导航和控制反馈闭环回路。从图1可以看出：GNSS/INS组合导航系统是无人机飞行控制回路的测量单元，其输出的飞行状态信息用于无人机飞行轨迹跟踪控制；同时，无人机飞行控制量作用到执行器件中会导致其飞行状态的变化，继而导致组合导航输出结果的改变。因此，认知无人机导航与控制闭环模型是研究针对其欺骗算法的前提。控制器输入估计输出速度、位置、姿态无人机动