“目前GNSS欺騙檢測方法有很多，但是大多數(shù)方法需要較強(qiáng)的信號(hào)處理能力和附加設(shè)備，例如接收器，這些附加設(shè)備可能不適用于車輛和智能手機(jī)。本文提出了一種新的基于邊緣計(jì)算的方法來重建丟失的全球定位系統(tǒng)信號(hào)。基本思想是在邊緣節(jié)點(diǎn)收集信息，并使用它們來交叉驗(yàn)證從衛(wèi)星接收的全球定位系統(tǒng)信號(hào)。如果有任何欺騙攻擊的證據(jù)，我們的方法可以在信號(hào)不可用或不可信時(shí)重建GPS 信號(hào)。因此，這種方法可以作為一個(gè)備用計(jì)劃，以應(yīng)對(duì)全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)的故障。基于真實(shí)的駕駛數(shù)據(jù)，我們可以重建平均誤差為 6 米的駕駛路線。這足以準(zhǔn)確檢測所有模擬的 GPS 欺騙攻擊。”
一、 引言
已有的認(rèn)證和反欺騙技術(shù)有如下：
? 使用多個(gè)接收器，即天線來交叉檢查信號(hào)。當(dāng)添加多個(gè)接收器來檢查輸入信號(hào)時(shí)，假冒源帶來的微小變化可能會(huì)被外部接收器捕獲。然而，老練的攻擊者可以復(fù)制相位與兩個(gè)或更多 GPS 接收器一致的欺騙信號(hào)。這些復(fù)雜的欺騙攻擊很難被多接收器檢測到，因?yàn)樗铣闪硕鄠€(gè)衛(wèi)星的欺騙信號(hào)并在一開始就覆蓋在真實(shí)信號(hào)之上。
? 利用信號(hào)分析比如到達(dá)時(shí)間或接收強(qiáng)度。這些檢測方法需要設(shè)備來捕獲信號(hào)的特征，并且在車輛系統(tǒng)上可能不靈活。因此，我們開發(fā)了一種低成本的驗(yàn)證機(jī)制，用基于通過車載控制器局域網(wǎng)總線（CAN）獲得的駕駛信息來檢測對(duì)車輛的全球定位系統(tǒng)欺騙攻擊。我們提出的方法依賴于來自內(nèi)部車輛網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)是可信的這一關(guān)鍵點(diǎn)，并由車內(nèi)認(rèn)證方法證明。我們提出的機(jī)制將通過從記錄在 CAN 總線上的信息 (如車速和轉(zhuǎn)向角度) 重建全球定位系統(tǒng)位置來檢測欺騙攻擊。
本文主要貢獻(xiàn)如下：
? 低成本方法: 首先，我們的方法不需要任何額外的設(shè)備，如額外的天線或接收器，它們可能太重而無法攜帶，在車輛上也不實(shí)用。第二，我們的方法專注于普通的全球定位系統(tǒng)信號(hào)，不需要對(duì)全球定位系統(tǒng)信號(hào)進(jìn)行任何加密和解密。
? 通過車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信任和驗(yàn)證: 一些定位方法依賴于網(wǎng)絡(luò)中相鄰車輛的協(xié)作，從而引起位置的隱私風(fēng)險(xiǎn)問題。首先，出于隱私考慮，輔助車輛可能不想與丟失的車輛共享位置。此外，協(xié)助車可能會(huì)行為不端，偽造虛假信號(hào)，以欺騙丟失的汽車。然而，我們提出的方法使用本地車載信號(hào)，不需要來自車輛外部的任何額外通信。此外，車載收集的信號(hào)由車載認(rèn)證通信證實(shí)，該通信被認(rèn)為是可信的，沒有任何第三方的干擾。
二、模型:回歸模型
我們推導(dǎo)出一個(gè)回歸算法來描述方向盤轉(zhuǎn)角和車輛航向之間的關(guān)系。更具體地說，我們根據(jù)當(dāng)前位置、當(dāng)前速度和方向盤角度計(jì)算下一個(gè)坐標(biāo)。例如，從起點(diǎn)開始，我們根據(jù)路線的長度 (l) 和航向角 (θ) 計(jì)算下一個(gè)坐標(biāo)。路線的長度可以很容易地通過假設(shè)在小時(shí)間段內(nèi)勻速運(yùn)動(dòng)來獲得，即 l = v · t，其中 v 是該時(shí)間段的采樣速度，t 代表時(shí)間間隔。因此，相應(yīng)的變化可以表示為下面的等式
Δx=lcosθh
Δy=lsinθh
這時(shí)這個(gè)問題可以被公式化為一個(gè)回歸問題，即基于過去方向盤角度（θw）與車輛航向（θh）之間的關(guān)系找到當(dāng)前方向盤角度與車輛航向的關(guān)系。直覺上，我們會(huì)認(rèn)為方向盤控制著車輛的航向，它應(yīng)該遵循一個(gè)方程式，即θh= f(θw)。因此，該方法的主要目的是使用回歸算法來尋找最佳擬合函數(shù) f，然后應(yīng)用該函數(shù)來重構(gòu)車輛軌跡。圖 1 顯示了車輛航向相對(duì)于方向盤角度變化的回歸結(jié)果。實(shí)線表示轉(zhuǎn)向和航向之間的線性關(guān)系。圖中的點(diǎn)是試駕的采樣數(shù)據(jù)。通過使用函數(shù) f 來計(jì)算車輛的航向，我們可以將其帶入到上面的等式時(shí)構(gòu)建下一個(gè)坐標(biāo)。
圖表 1 航向與方向盤角度的回歸結(jié)果
三、 實(shí)驗(yàn)評(píng)估
首先，我們從真實(shí)的道路測試中收集駕駛信息以及全球定位系統(tǒng)信號(hào)。然后，我們使用上面討論的方法用駕駛信息構(gòu)建路線。最后，我們需要確定驗(yàn)證方法是否能夠檢測到全球定位系統(tǒng)欺騙攻擊。這可以通過用誤導(dǎo)性的全球定位系統(tǒng)信號(hào)模擬攻擊來實(shí)現(xiàn)。接下來，我們執(zhí)行檢測算法并驗(yàn)證檢測率。
A.駕駛信息數(shù)據(jù)集
我們通過 OpenXC 平臺(tái)獲取駕駛數(shù)據(jù)，Openxc 平臺(tái)是開源硬件和軟件的結(jié)合，允許客戶使用定制應(yīng)用程序和可插拔模塊擴(kuò)展車輛。它使用標(biāo)準(zhǔn)的、眾所周知的工具向開發(fā)人員開放車輛的大量數(shù)據(jù)，甚至超過 OBD-II。OpenXC 允許智能手機(jī)等設(shè)備從任何車輛上訪問數(shù)據(jù)。使用 OpenXC 用戶可以監(jiān)控和讀取車輛上許多傳感器的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)以車輛為中心的應(yīng)用的創(chuàng)新。OpenXC 提供了豐富的數(shù)據(jù)集，包括速度、轉(zhuǎn)向位置、制動(dòng)位置和來自傳感器的全球定位系統(tǒng)信號(hào)。這個(gè)豐富的數(shù)據(jù)集有助于前面討論的全球定位系統(tǒng)欺騙檢測方案。
B. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果：
1）模型驗(yàn)證：在 OpenXC 模塊的幫助下，我們從一輛真正的汽車上收集了 15 條路線的駕駛數(shù)據(jù)。測試路線設(shè)計(jì)為 10-20 分鐘長，有各種行駛路況。隨著 OpenXC 硬件演示插頭插入車輛，我們從 OBDII 板收集數(shù)據(jù)，并記錄在手機(jī)應(yīng)用程序上。
第一步是模擬轉(zhuǎn)向和航向之間的關(guān)系。通過使用 5000 個(gè)單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行訓(xùn)練，我們得到了如圖 1 所示的轉(zhuǎn)向和航向之間的線性關(guān)系。定義明確的檢測器最重要的因素是檢測閾值, 我們將通過計(jì)算真實(shí)全球定位系統(tǒng)信號(hào)和重建位置之間的誤差來定義閾值。更具體地說，我們根據(jù)全球定位系統(tǒng)信號(hào)評(píng)估所構(gòu)建的路線和位置之間的歐幾里德距離誤差。為了使信號(hào)在形式表示上一致，我們通過計(jì)算大圓距離將全球定位系統(tǒng)信號(hào)從度映射到相對(duì)位移。所以 GPS 定位的坐標(biāo)可以用米表示為 Pg(xg, yg); 相應(yīng)地，重建的位置表示為 Pr(xr, yr)，那么，誤差可以定義為 dist(Pr-Pg)=√(xr-xg)2+(yr-yg)2，對(duì)于所有測試路線，平均誤差為 6.25 米。通過考慮距離真實(shí)道路情況的路線距離，我們使用 10 m 作為閾值來檢測欺騙攻擊。
2) GPS欺騙檢測：根據(jù)上面討論的有效檢測器的定義，我們現(xiàn)在試圖模擬 GPS 欺騙攻擊并測量其影響。正如我們之前所說的，進(jìn)行合法的全球定位系統(tǒng)欺騙攻擊和路試一樣具有挑戰(zhàn)性。因此，我們使用模擬的全球定位系統(tǒng)欺騙攻擊來測試我們預(yù)期的基準(zhǔn)線。我們模擬的全球定位系統(tǒng)攻擊包括錯(cuò)誤的全球定位系統(tǒng)信號(hào)，以誤導(dǎo)車輛偏離正確的路線。為了模擬真實(shí)的全球定位系統(tǒng)欺騙攻擊如何影響車載全球定位系統(tǒng)信號(hào)，我們?cè)O(shè)計(jì)了幾條偏離真實(shí)位置的路線來模擬全球定位系統(tǒng)接收器被欺騙的情況。假路線的速度與真路線的速度相同。襲擊會(huì)發(fā)生在十字路口。例如，當(dāng)車輛右轉(zhuǎn)時(shí)，然而設(shè)計(jì)的欺騙信號(hào)指示它左轉(zhuǎn)，我們發(fā)現(xiàn)模擬欺騙攻擊的檢測準(zhǔn)確率為 100%。