Intelligent UAV Spoofing Detection Method

Advanced Information Systems. 2022. Vol. 6, No. 1 ISSN 2522-9052 Methods of information systems protection УДК 004.07 doi: https://doi.org/10.20998/2522-9052.2022.1.15 Д. Г. Волошин, С. С. Бульба Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, Україна ІНТЕЛЕКТУАЛЬНИЙ МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ СПУФІНГУ БПЛА А н о т а ц і я . У роботі представлений інтелектуальний метод виявлення спуфінгу БПЛА. Відмінною особливістю методу є використання технології розрахунку субтраєкторії на основі субтраєкторій візуальної одометрії та GPSположень у ковзаючому вікні з урахуванням інтелектуальної оцінки оптичного потоку та формування дескрипторів «Его-переміщення» БПЛА. У ході дослідження проведено аналіз та порівняльні дослідження широкого спектру методів спуфінгу БПЛА, виявлено найчастіше рекомендовані та практично використовувані методи. Зроблено висновок про актуальність проблематики GPS спуфінгу. Проведено аналіз методів захисту від GPS спуфінгу БПЛА. Виявлено перспективні напрямки інтелектуального виявлення спуфінгу БПЛА з використанням методів та засобів візуальної одометрії. У ході дослідження методів фіксації вхідних даних запропоновано підхід оцінки оптичного потоку з використанням ковзного вікна. При цьому аргументовано доведено необхідність інтелектуальної обробки вхідних даних. Оцінку оптичного потоку та формування дескрипторів проводилася з використанням рекурентних згорткових нейронних мереж. В результаті розроблено структурну схему методу виявлення спуфінгу БПЛА. Це дало змогу провести дослідження розробленого методу. Результати експерименту для двох сценаріїв спуфінгу показали ефективність оцінки положень не менше двох з трьох показників в умовах використання ковзаючих вікон розміром від 15 і вище, з годинною затримкою, що становить половину розміру вікна. К л ю ч о в і с л о в а : спуфінг; БПЛА; ковзаюче вікно; оптичний потік; дескріптор. Постановка проблеми У сучасних умовах використання безпілотних літальних апаратів (БПЛА) в більшості випадків їхнє управління виконується з використанням глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS), а також з використанням глобальної системи позиціонування (GPS). Однак, в умовах зон підвищеного ризику, використанні системи навігації піддаються ряду ризиків. Наприклад, з деяких джерел [1, 2] відомо, що GPS схильна до ризику навмисних і ненавмисних атак і перешкод. Серед навмисних атак можна відзначити глушіння і різноманітні підміни. Оскільки підміни виконуються, як правило, непомітно, а також викликають найбільші втрати саме вони є найбільш серйозною загрозою. Проведений аналіз частіших випадків кібератак на БПЛА дозволив зробити висновок про підвищення числа зловмисних підмін шляхом спуфінгу GPS. Пов'язано це з тим, що за допомогою спуфінгу GPS можна успішно перехопити БПЛА, змінивши траєкторію польоту і пункт призначення без сповіщення користувачів БПЛА. Ряд результатів досліджень показав успішність проведення подібних атак на БПЛА. Так, наприклад, у роботі [3] представлені результати експерименту з успішного спуфінгу GPS, змінами розташування БПЛА і прив'язки до часу. В [4] аргументовано описані можливі умови успішного спуфінгу та практичні рекомендації. В [5] описані результати практичного експерименту перехоплення БПЛА та його проведення у зазначену точку. У [6] представлені результати дослідження методу прихованого спуфінгу БПЛА, що забезпечують аргументоване теоретичне обґрунтування задач спуфінгу в інтегрованих середовищах глобальної системи GPS-позиціонування та інерційної навігаційної системи INS. Слід зазначити, що наведені приклади є лише незначною частиною 88 доказів зростання популярності атак спуфінгу БПЛА, а також активного використання кібератак спуфінгу GPS БПЛА. Проведені дослідження дозволили класифікувати основні технології спуфінгу GPS БПЛА та виділити з них основні методи: імітатори сигналів GPS, спуфери на основі простих приймачів, а також спуфери на основі складних приймачів. До першої категорії можна віднести види імітаторів GPS сигналу, об'єднані інтерфейсом різної частоти. Цей вид спуфінгу дає змогу імітувати справжній сигнал GPS. Синхронізація помилкових сигналів із реальними у цьому методі не потрібна. Цей метод спуфінгу не складний у реалізації. Проте такі атаки виявляються штатними засобами захисту. Другий вид спуфінгу складніший. Вимагає, щоб GPS-приймач був пов'язаний з передавачем підробки. Це дозволяє виявити показники розташування, часу та координат супутників та синхронізує підроблені сигнали GPS із реальними. Цей вид спуфінгу порівняно з першим (імітатором сигналу GPS) виявити складніше. Третя категорія передбачає, що положення та швидкість фазового центру приймальної антени БПЛА-жертви точно відомі. І саме цей тип спуфінгу найнебезпечніший з погляду його виявлення. Для виявлення цього виду кіберзлочинів необхідно проведення додаткових досліджень та удосконалення методів захисту БПЛА від спуфінгу GSM. Аналіз літератури [7-13] показав, що в даний час методи захисту від спуфінгу GSM можна розділити на методи автономного приймача глобальної супутникової навігаційної системи (GRS) і методи гібридного приймача позиціонування (HPR). У методах GRS отриманий сигнал обробляється для визначення справжності (автентичності). Ці методи засновані на просторовій [7] та часовій [8] обробці, аналізі розподілу вихідних сигналів корелятора [9], захисті © Волошин Д. Г., Бульба С. С., 2022 ISSN 2522-9052 від вторинних сигналів [10] та автономному контролі цілісності [11]. Одним із основних недоліків перерахованих методів є велика ймовірність помилки результуючого рішення у випадках використання зловмисниками сучасних методів обробки та обфускації сигналів, а також використання сучаснішого обладнання. У методах HPR для виявлення і запобігання спуфінгу GPS використовуються допоміжні дані про місцезнаходження БПЛА від додаткових систем і служб, таких як інерціальна навігаційна система (INS) [11], система стільникового зв'язку або Wi-Fi [11], а також систем позиціонування на основі візуальної одометрії [12]. Незважаючи на перспективність перелічених підходів та методів захисту, недоліки пов'язані з необхідністю постійного калібрування в інерційних навігаційних системах, складністю оцінки підроблених фреймів на об'єднаних виходах GPS/INS, а також можливою відсутністю засобів стільникового зв'язку та Wi-Fi у віддалених або важкодоступних місцях істотно знижують точність оцінки ситуації при виявленні спуфінгу. Крім того, зазначені допоміжні системи позиціонування синхронізуються за часом з використанням GPS, що також потребує резервування даних про час. Окремо слід зазначити методи, які використовують у комплексі додаткові дані від засобів у системах позиціонування на основі візуальної одометрії та засобів візуальної картографії. У роботі [13] детально описані можливості використання даного підходу при отриманні даних від вимірювальних блоків, висотоміра і радара при навігації БПЛА. Водночас високі вимоги до обчислювальної потужності та вартості значною мірою звужують область використ (...truncated)