利用软件定义无线电技术，通过评估和基于遥测的数据来检测GPS欺骗对无人机导航的影响

《Scientific Reports》：Evaluation and telemetry-based detection of GPS spoofing effects on UAV navigation using software-defined radio

　　

摘要

本文通过实验研究了在GPS欺骗攻击下自主无人机导航系统的脆弱性，这些攻击使用了软件定义无线电（SDR）技术。研究人员使用HackRF One和GPS-SDR-SIM实现了一个低成本的欺骗框架，用于操控配备Pixhawk 4飞行控制器和Ublox NEO-M8N GPS模块的F450四轴飞行器的导航信号。在受控的户外环境中进行了静态和动态欺骗测试。在正常的自主飞行任务中，无人机表现出稳定的传感器输出和精确的轨迹跟踪能力。然而，在GPS信号被欺骗的情况下，无人机偏离了预定路径，突破了地理围栏的限制，并出现了不稳定的行为，最终导致失控下降和紧急着陆，而未能执行预定的返回起飞（RTL）操作。通过对气压高度、偏航角、磁力计数据以及GPS指标（如卫星数量和HDOP）的详细分析，发现欺骗飞行过程中存在显著异常。为了提高检测的可解释性，研究人员引入了一种基于遥测数据的检测方法，通过计算GPS、惯性测量单元（IMU）和气压读数之间的偏差阈值来进行判断。这些统计相关性使得欺骗引起的异常能够以超过90%的可靠性被检测出来，从而提供了一种低成本、平台无关的无人机欺骗检测方法。这些结果表明，依赖GPS的无人机系统容易受到欺骗攻击的影响。研究还表明，无需额外硬件即可实现跨传感器异常检测，这是一种有效的实时欺骗检测策略。本研究提出了一种轻量级、平台无关的方法，通过基于遥测数据的传感器融合分析来增强无人机对GPS欺骗威胁的抵御能力。