一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法，本发明专利技术通过无人机集群在特定的频率下每架子机向集群局域内广播当前时刻自身GPS接收器收到的位置信息，集群内部采用AdHoc网络通过洪泛广播模式实现子机间的通信，使集群内的每架子机在广播的有效距离内共享其余所有子机的广播信息；当有至少两架的飞机广播了相同的位置，可以判定任务环境中至少存在一个GPS欺骗信源；触发相对安全机最优标定机制，锁定集群中相对安全的子机，进而定位出受欺骗攻击的子机。本发明专利技术计算量级轻、实时性强、且打破了前人的条件约束，在创新的前提下同样具有很强的应用价值。的前提下同样具有很强的应用价值。的前提下同样具有很强的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法


[0001]本专利技术属于无人机导航信息安全领域，具体涉及一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法。

技术介绍

[0002]无人机(unmanned aerial vehicle，简称UAV)，是指利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，可以在人为难以到达的地点提供服务。近年来随着传感、遥感、飞控、云台、计算式视觉、图像传输等相关技术的快速完善，无人机的发展也进入了快车道，尤其自2015年以来，随着民用无人机技术的不断完善，其在农林植保、电力巡检、地理测绘、航拍等方面的应用越来越常态化，无人机行业在民用无人机市场的占比份额正在逐年上升。2019年之后，无人机自主控制及应用技术又取得长足发展，呈现出一些新的发展态势，由于单架无人机所能携带的任务载荷相对单一，执行任务能力有限，而通过多架无人机的能力互补和行动协调，可实现整个系统效能的提升，因此无人机的应用正逐步从单平台向多平台方向发展。
[0003]无人机集群，指借鉴自然界的自组织机制，使具备有限自主能力的多架无人机在没有集中指挥控制的情况下，通过相互间信息通信产生整体效应，实现较高程度的自主协作，从而能在尽量少的人员干预下完成预期的任务目标。无人机集群智能作为一项颠覆性技术和作战理念，已经成为未来无人机研究发展的重要方向。
[0004]无人机个体及集群在不同领域中的广泛应用使其暴漏了过多的安全威胁，比如网络攻击，信道攻击，信号攻击。在这些攻击中，最为紧迫的威胁当数类属于信号攻击的GPS欺骗。现代无人机的控制系统在对卫星导航信号的依赖性极高，从主要的电信服务到定位和导航系统，都依赖于GPS信号。如果对无人机所使用的定位导航信息进行欺骗，则有可能干扰无人机的正常飞行路径，迫使其在事先不知情的情况下偏离正常的飞行路线并出现在不应出现的区域，从而起到接管无人机的效果,或者直接导致无人机坠毁。所以在无人机飞速发展的今天,针对于GPS信号而引发的安全问题的解决刻不容缓。
[0005]针对于强自主性的无人机在GPS欺骗环境下对于欺骗信号的检测和保障任务安全这一单元，现有的工作多是在单机任务场景下展开的。AbdelRahman Eldosouky等基于博弈对策提出了一种模型，第一次集群任务下用上了协同思想，但是模型的设计约束过于理想，虽然有着一定的指导意义，但是难以实现，应用价值不大。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提供一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法。
[0007]本专利技术的目的通过如下技术方案来实现：
[0008]步骤1：无人机集群在特定的频率下每架子机向集群局域内广播当前时刻自身GPS接收器收到的位置信息，集群内部采用AdHoc网络通过洪泛广播模式实现子机间的通信，使集群内的每架子机在广播的有效距离内共享其余所有子机的广播信息；
[0009]步骤2：根据步骤1，在无人机集群进入稳定的任务状态，即开启基于集群协同定位的GPS欺骗信号检测机制；
[0010]步骤3：在步骤2无法精准定位所有受到GPS欺骗攻击的子机时，触发相对安全机最优标定机制。
[0011]进一步地，步骤2的具体步骤如下：
[0012]步骤2.1：在每一个子机向集群局域内广播的时刻，当有至少两架的飞机广播了相同的位置，可以判定任务环境中至少存在一个GPS欺骗信源；
[0013]步骤2.2：在每一个子机向集群局域内广播的时刻，初步无异常，随机挑选一架子机X，其余子机都根据队形设计的机间既定几何关系，计算基于自身位置估计的X
′
，再广播计算结果，通过结果对比，集群内只有一架子机受到了欺骗攻击，即可精准识别。
[0014]进一步地，根据步骤2.1中任务环境中至少存在一个GPS欺骗信源，步骤3的具体步骤如下：
[0015]步骤3.1：子机偏航独立模型ψ
[0016]每架子机偏航角由GPS接收机和磁力计提供，分别表示为和偏航独立模型由两者加权获得，公式为：
[0017][0018]其中为加权因；
[0019]分别获得和
[0020]已知广播的GPS接收机的A、B两个时刻的位置信息(lonA,latA)和(lonB,atB)；其中，东和北方向为正，西和南方向为负；公式为：
[0021][0022]已知磁力计的测量值得到磁力计测量值在水平面上的投影：限定公式为：
[0023][0024]步骤3.2：虚拟中心机偏航独立模型Ψ
[0025]磁力计的测量值容易受到物理环境的影响，所以根据飞控板滤波器的输出得到k时刻每架子机的误差系数(e1,e2,e3,e4,e5)，将其通过softmax函数进行指数标准化处理得到ρ1+ρ2+ρ3+ρ4+ρ5＝1，公式为：
[0026][0027]其中ω权重系数；
[0028]步骤3.3：相对安全机最优标定模型
[0029]将每个子机的偏航结果和虚拟中心机的偏航结果做差D＝|Ψ
‑
ψ
n
|，我们取D
min
对应的子机作为相对安全机的最优估计。
[0030]本专利技术的有益效果在于：
[0031]本专利技术研究整体聚焦集群协同，面对复杂的任务对抗环境，设计了一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法。本专利技术计算量级轻，实时性强，且打破了前人的条件约束，在创新的前提下同样具有很强的应用价值。
附图说明
[0032]图1为本专利技术基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法流程图；
[0033]图2为本专利技术基于集群协同定位的GPS欺骗信号检测机制工作流程图；
[0034]图3为本专利技术的相对安全机最优标定机制流程图；
[0035]图4为无人机集群现机间洪泛有效通信示意图。
具体实施方式
[0036]下面结合附图对本专利技术做进一步描述。
[0037]本专利技术是两套具有串行关系的检测机制：基于集群协同定位的GPS欺骗信号检测机制和相对安全机最优标定机制。具体技术方案包括以下步骤：
[0038]步骤1：无人机集群在特定的频率下每架子机向集群局域内广播当前时刻自身GPS接收器收到的位置信息，集群内部采用Ad Hoc网络通过洪泛广播模式实现子机间的通信，使得集群内的每架子机在广播的有效距离内共享其余所有子机的广播信息。
[0039]步骤2：作为优先级，在无人机集群进入稳定的任务状态，即开启基于集群协同定位的GPS欺骗信号检测机制，具体步骤如下：
[0040]步骤2.1：在每一个子机向集群局域内广播的时刻，当有至少两架的飞机广播了相同的位置，可以判定任务环境中至少存在一个GPS欺骗信源；
[0041]步骤2.2：在每一个子机向集群局域内广播的时刻，初步无异常，那么随机挑选一架子机X，然后其余子机都根据队形设计的机间既定几何关系，计算基于自身位置估计的X
′
，然后广播计算结本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法，其特征在于：步骤如下：步骤1：无人机集群在特定的频率下每架子机向集群局域内广播当前时刻自身GPS接收器收到的位置信息，集群内部采用AdHoc网络通过洪泛广播模式实现子机间的通信，使集群内的每架子机在广播的有效距离内共享其余所有子机的广播信息；步骤2：根据步骤1，在无人机集群进入稳定的任务状态，即开启基于集群协同定位的GPS欺骗信号检测机制；步骤3：在步骤2无法精准定位所有受到GPS欺骗攻击的子机时，触发相对安全机最优标定机制。2.根据权利要求1所述的一种基于多无人机协同定位的GPS欺骗自适应检测方法，其特征在于：步骤2的具体步骤如下：步骤2.1：在每一个子机向集群局域内广播的时刻，当有至少两架的飞机广播了相同的位置，可以判定任务环境中至少存在一个GPS欺骗信源；步骤2.2：在每一个子机向集群局域内广播的时刻，初步无异常，随机挑选一架子机X，其余子机都根据队形设计的机间既定几何关系，计算基于自身位置估计的X
′
，再广播计算结果，通过结果对比，集群内只有一架子机受到了欺骗攻击，即可精准识别。3.根据权利要求1或2所述的一种基于多无人机协同...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨武，孟涟肖，苘大鹏，吕继光，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：