دانش و فناوری هوافضا

دانش و فناوری هوافضا

آشکارسازی حمله جعل داده در سیستم ناوبری ترکیبی اینرسی-ماهواره ‏ای با آزمون نسبت احتمال حاشیه ‏ای

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
محسن شادمهری 1
رضا محبوبی اسفنجانی 2
1 دانشجوی دکتری، دانشکده مهندسی برق وکامپیوتر، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
2 استاد، دانشکده مهندسی برق وکامپیوتر، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز ، ایران
چکیده
در ناوبری ترکیبی اینرسی- ماهواره ‏ای (GNSS/INS)، سیستم‌های ناوبری ماهواره‌ای و اینرسی یکپارچه می‌شوند تا دقت سیستم ناوبری ارتقا یابد. اما، در این ترکیب مهاجم می‏‏تواند داده‌های ناوبری ماهواره‏‏ای را جعل کند تا موقعیت نادرستی به سیستم ناوبری القا کند. در این مقاله، با استفاده از آزمون نسبت احتمال حاشیه‌ای (MLRT) یک آشکارساز جدید برای حملة جعل داده در سیستم‌ ناوبری ترکیبی GNSS/INS با تزویج سست ارائه می‏ شود. در روش MLRT، برای محاسبة نسبت احتمال، پارامترهای مزاحم تصادفی به جای تخمین، از طریق حاشیه‌سازی حذف می‌شوند و در نتیجه، آزمون در برابر خطاهای مدل‌سازی مقاوم‏تر است. درقیاس با روش ‏های موجود، با استفاده از آزمون نسبت احتمال حاشیه‌ای، نیاز به تعیین آستانه توسط طراح برای آشکارسازی حمله مرتفع می ‏شود. نتایج شبیه‌سازی نشان می‌دهد که در رویکرد پیشنهادی، تاخیر آشکارسازی در برابر یک حمله چالشی که در آن مسیر جعلی به ‌آرامی از مسیر واقعی منحرف می‌شود، نسبت به روش‏های رقیب، بسته به سناریوی حمله تا حدود پنجاه درصد کمتر است.
کلیدواژه‌ها
ناوبری ترکیبی
جعل داده
آشکارساز حمله
نسبت احتمال حاشیه&‌rlm؛ ای.

موضوعات

عنوان مقاله English

Spoofing attack detection in integrated GNSS/INS navigation systems using marginalized likelihood ratio test

نویسندگان English

Mohsen Shadmehri 1
Reza Mahboobi Esfanjani 2
1 Ph.D. Student, Department of Electrical and Computer Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran.
2 Professor, Department of Electrical and Computer Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran.
چکیده English

In integrated inertial-satellite navigation (GNSS/INS), complementary characteristics of Global Navigation Satellite System (GNSS) and Inertial Navigation System (INS) are combined with together to enhance navigation performance. However, a malicious attacker can spoof satellite navigation data to induce a false position into the victim's navigation system. In this paper, for the case that counterfeit signals bypass signal-based attack detectors employed in the GNSS receiver, a novel spoofing attack detector for loosely coupled GNSS/INS systems is developed using the Marginalized Likelihood Ratio Test (MLRT), in which, instead of estimating nuisance random parameters, they are eliminated through marginalization. Compared to existing approaches, using MLRT removes the need for manually setting a detection threshold and also improves robustness against system model uncertainties. Simulation results in MATLAB demonstrate that, under a challenging attack scenario where the spoofed path gradually diverges from the true one, the proposed approach achieves a shorter detection delay, up to fifty percent compared to rival methods.

کلیدواژه‌ها English

integrated GNSS/INS navigation
spoofing
attack detector
marginalized likelihood ratio.
[1] M. Grewal, L. Weill, A. Andrews, Global positioning systems, inertial navigation, and integration, Third edition, John Wiley, 2013.
[2] D. Schmidt, K. Radke, S. Camtepe, E. Foo, M. Ren, “A survey and snalysis of the GNSS spoofing threat and countermeasures,” ACM Computing Surveys, vol. 48, no. 4, pp. 1-31, 2016. 
[3] Y. Liu, S. Li, Q. Fu, Z. Liu, “Impact assessment of GNSS spoofing attacks on INS/GNSS integrated navigation system,” Sensors, vol. 18, pp. 131-143, 2018. 
[4] S. Khanafseh, N. Roshan, S. Langel, F. Chan, M. Joerger, and B. Pervan, “GPS spoofing detection using RAIM with INS coupling,” in Proceedings of the IEEE/ION Position, Location Navigation Symposium, Monterey, CA, USA, May 2014.
[5] M.R. Manesh, J. Kenney, W.C. Hu, V.K. Devabhaktuni, N. Kaabouch, “Detection of GPS spoofing attacks on unmanned aerial systems,” in Proceedings of the 16th IEEE Annual Consumer Communications and Networking Conference, Las Vegas, NV, USA, January 2019.
[6] R. Xu, M. Ding, Y. Qi, S. Yue, J. Liu, “Performance analysis of GNSS/INS loosely coupled integration systems under spoofing attacks,” Sensors, vol. 18, 4108, 2018.
[7] C. Tanil, S. Khanafseh, M. Joerger, B. Pervan, “An INS monitor to detect GNSS spoofers capable of tracking vehicle position,” IEEE Transactions on Aerospace Electronic Systems, vol. 54, pp. 131-143, 2018. 
[8] Y. Liu, S. Li, Q. Fu, Z. Liu, Q. Zhou, “Analysis of Kalman filter innovation-based GNSS spoofing detection method for INS/GNSS integrated navigation system,” IEEE Sensors Journal, vol. 19, pp. 5167-5178, 2019. 
[9] W. Liang., K. Li, Q. Li, “Anti-spoofing Kalman filter for GPS/rotational INS integration,” Measurement, vol. 193, 110962, 2022.
[10] L. Zhang, H. Zhao, C. Sun, L. Bai, W. Feng, “Enhanced GNSS spoofing detector via multiple-epoch inertial navigation sensor prediction in a tightly coupled system,” IEEE Sensors Journal, vol. 22, pp. 8633-8647, 2022.
[11] Y. Wei, H. Li, M. Lu, “A steady-state spoofing detection and exclusion method based on raw IMU measurement,” IEEE Sensors Journal, vol. 22, pp. 3529-3539, 2022. 
[12] M. Ceccato, F. Formaggio, N. Laurenti, and S. Tomasin, “Generalized likelihood ratio test for GNSS spoofing detection in devices with IMU,” IEEE Transactions on Information Forensics and Security, vol. 16, pp. 3496- 3509, 2021.
[13] F. Gustafsson, “The Marginalize likelihood ratio test for detecting abrupt changes,” IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 41, pp. 66-78, 1996.
[14] P. D. Groves, Principles of GNSS, inertial, and multisensor integrated navigation systems, Second edition, Artech House, Boston, USA, 2013.
[15] M. Basseville, and I. V. Nikiforov, Detection of abrupt changes: theory and application, Englewood Cliffs: Prentice Hall, 1991.