Обнаружение помех по фазовым интерферометрическим измерениям инерциально-спутниковых навигационных систем с использованием методов машинного обучения


Авторы

Веремеенко К. К.*, Жарков М. В.**, Кузнецов И. М.***, Пронькин А. Н.****

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), 125993, г. Москва, Волоколамское шоссе, д. 4

*e-mail: nio3@mai.ru
**e-mail: mv_zharkov@mai.ru
***e-mail: kuznetsovim@mai.ru
****e-mail: pronkinan@mai.ru

Аннотация

В статье рассматривается задача обнаружения преднамеренных помех (спуфинга) в комплексированных инерциально-спутниковых навигационных системах. В основе алгоритма обнаружения используется метод, основанный на определении направления приема (пеленгации) сигналов глобальных навигационных спутниковых систем, что предполагает создание интерферометра с использованием минимум двух приемных антенн. Решение о наличии спуфинга при использовании этого метода в комплексированных системах принимается на основе сравнения направления приема сигналов на частотах навигационных спутников и прогнозируемого направления приема, вычисленного по показаниям инерциальной системы и эфемеридам. Предложен подход к замене жестких пороговых алгоритмов на адаптивные методы машинного обучения. Обоснован выбор задачи бинарной классификации для идентификации факта атаки. Разработаны модели на основе линейных классификаторов с обучением стохастическим градиентным спуском (Stochastic Gradient Descent) логистической регрессии и метода опорных векторов, использующие в качестве расширенного признакового пространства информацию об углах ориентации, невязки фазовых интерферометрических измерений глобальных навигационных спутниковых систем и их прогноза от бесплатформенной инерциальной навигационной системы, а также их статистические параметры.

Ключевые слова:

инерциально-спутниковая навигационная система, обнаружение помех глобальных спутниковых навигационных систем, машинное обучение, бинарная классификация, линейная регрессия, стохастический градиентный спуск

Список источников

  1. Schmidt G.T. GPS Based Navigation Systems in Difficult Environments. Gyroscopy Navig. 10, 41–53 (2019). https://doi.org/10.1134/S207510871902007X
  2. Zhuravlev A.V., Besmaga V.M., Markin, V.G. The effectiveness of jamming the navigation equipment of consumers global navigation satellite systems. Radioengineering 2017, 6, 196–202
  3. Alexander K., Lawrence D. GNSS Intentional Interference and Spoofing. In Proceedings of the RTCA Special Committee 2015, Washington, DC, USA, 10 November 2015
  4. Shang S., Li H., Wei Y., Lu M. A flexible replay delay control method for GNSS direct meaconing signal. In Proceedings of the 2020 International Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, CA, USA, 21–24 January 2020; Volume 3, pp. 992–1000.
  5. Tippenhauer N.O., Pöpper C., Rasmussen K.B., Capkun S. On the Requirements for Successful GPS Spoofing Attacks. In Proceedings of the Association for Computing Machinery, Chicago, IL, USA, 17–21 October 2011.
  6. Coulon M., Chabory A., Garcia-Pena A., Vezinet J., Macabiau C., Estival P., Ladoux P., Roturier B. Characterization of Meaconing and its Impact on GNSS Receivers. In Proceedings of the 33rd International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2020), Virtual, 22–25 September 2020; pp. 3713–3737. https://doi.org/10.33012/2020.17713
  7. Wang W., Wang J. GNSS induced spoofing simulation based on path planning. IET Radar Sonar Navig. 2022, 16, 103–112. https://doi.org/10.1049/rsn2.12167
  8. Неровный В.В., Коратаев П.Д., Облов П.С., Толстых М.Ю. Функционирования навигационной аппаратуры потребителей глобальных навигационных спутниковых систем в условиях воздействия имитирующих помех // Труды МАИ. 2024. № 139. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=183462
  9. Романов А.С., Турлыков П.Ю Исследование влияния имитирующих помех на аппаратуру потребителей навигационной информации // Труды МАИ. 2016. № 86. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=66445
  10. Dao H.K., Stupin D.D., Shevchenko R.A. Principles of detection of intentional jamming affecting the equipment of consumers of satellite radio navigation systems. J. Radio Electron. 2019, 5, 14.
  11. Gunther C. A survey of spoofing and counter-measures. NAVIGATION J. Inst. Navig. 2014, 61, 159–177. https://doi.org/10.1002/navi.65
  12. Jafarnia-Jahromi A., Broumandan A., Nielsen A., Lachapelle G. GPS vulnerability to spoofing threats and a review of antispoofing techniques. Int. J. Navig. Obs. 2012, 2, 127072. https://doi.org/10.1155/2012/127072
  13. Karutin S.N., Kharisov V.N., Pavlov V.S. Synthesis of interference resistant spatiotemporal filter for navigation parameters high precision measurements using global navigation satellite systems. Meas. Tech. 2020, 63, 476–486. https://doi.org/10.1007/s11018-020-01812-1
  14. Psiaki, M.L., O’Hanlon B.W., Powell S.P., Bhatti J.A., Wesson K.D., Schofield T.E. GNSS spoofing detection using two-antenna differential carrier phase. In Proceedings of the 27th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+), Tampa, FL, USA, 8–12 September 2014; Volume 3, pp. 2776–2800.
  15. Yakushenko S., Malyshev A. A nonparametric method of estimating the noise immunity of satellite radio-navigation receivers in the conditions of the relay noises. Issues Radio Electron. 2016, 6, 88–92.
  16. Rothmaier F., Chen Y., Lo S. Walter, T. GNSS spoofing detection through spatial processing. NAVIGATION J. Inst. Navig. 2021, 68, 243–258. https://doi.org/10.1002/navi.420
  17. Shang S., Li H., Wei Y., Lu M. GNSS Spoofing Detection and Identification Based on Clock Drift Monitoring Using Only One Signal. In Proceedings of the 2020 International Technical Meeting of The Institute of Navigation, San Diego, CA, USA, 21–25 January 2020; pp. 331–340. https://doi.org/10.33012/2020.17147
  18. Truong V., Vervisch-Picois A., Rubio Hernan J., Samama N. Characterization of the Ability of Low-Cost GNSS Receiver to Detect Spoofing Using Clock Bias. Sensors 2023, 23, 2735. https://doi.org/10.3390/s23052735
  19. Wang J., Tang X., Ma P., Wu J., Ma C., Sun G. GNSS Spoofing Detection Using Q Channel Energy. Remote Sens. 2023, 15, 5337. https://doi.org/10.3390/rs15225337
  20. Broumandan A., Lachapelle, G. Spoofing Detection Using GNSS/INS/Odometer Coupling for Vehicular Navigation. Sensors 2018, 18, 1305. https://doi.org/10.3390/s18051305
  21. Borio D., Gioia C. A dual-antenna spoofing detection system using GNSS commercial receivers. In Proceedings of the 28th International Technical Meeting of The Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS+ 2015), Tampa, FL, USA, 14–18 September 2015; Volume 1, pp. 325–330.
  22. Kerns A.J., Shepard D.P., Bhatti J.A., Humphreys T.E. Unmanned aircraft capture and control via GPS spoofing. J. Field Robot. 2014, 31, 617–636. https://doi.org/10.1002/rob.21513
  23. Montgomery P.Y., Humphreys T.E., Ledvina B.M. Receiver-autonomous spoofing detection: Experimental results of a multiantenna receiver defense against a portable civil GPS spoofer. In Proceedings of the International Technical Meeting of The Institute of Navigation, Anaheim, CA, USA, 26–28 January 2009; Volume 6, pp. 124–130.
  24. Stenberg N., Axell E., Rantakokko J., Hendeby G. Results on GNSS Spoofing Mitigation Using Multiple Receivers. NAVIGATION J. Inst. Navig. 2022, 69, navi.510. https://doi.org/10.33012/navi.510
  25. Blois M., Studenny J., O’Keefe K., Liu B. Baseline Spoofing Detection for Aircraft with Standard Navigation Hardware. In Proceedings of the 36th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS+ 2023), Denver, CO, USA, 11–15 September 2023; pp. 824–835. https://doi.org/10.33012/2023.19413
  26. Zharkov M., Veremeenko K., Kuznetsov I., Pronkin A. Global Navigation Satellite System Spoofing Detection in Inertial Satellite Navigation Systems. Inventions 2023, 8, 158. https://doi.org/10.3390/inventions8060158
  27. Schleppe, J.B. Development of a Real-Time Attitude System Using a Quaternion Parameterization and Non-Dedicated GPS Receivers. Department of Geomatics Engineering, The University of Calgary: Alberta, Canada, 1996.
  28. ГОСТ 20058-80 ДИНАМИКА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ В АТМОСФЕРЕ. Термины, определения и обозначения.
  29. David W. Hosmer, Stanley Lemeshow. Applied Logistic Regression, 2nd ed. New York, Chichester, Wiley. 2002. 392 P. ISBN 0-471-35632-8.
  30. Fisher, R.A. The Use of Multiple Measurements in Taxonomic Problems // Annals of Eugenics. – 1936 Vol. 7. – PP. 179–188.


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2026

 Вход