由于報告的攻擊事件越來越多，GPS欺騙是一個受到越來越多關(guān)注的問題。許多關(guān)于檢測GPS欺騙攻擊存在的結(jié)果已經(jīng)被報道。然而，目前對欺騙攻擊者的定位研究還很少，而欺騙攻擊者的定位是對抗GPS攻擊的關(guān)鍵。在本文中，我們提出利用車輛對車輛的通信來檢測和定位對車輛導(dǎo)航GPS的欺騙攻擊。其關(guān)鍵思想是將大多數(shù)商業(yè)GPS接收機報道的多普勒頻移測量結(jié)果關(guān)聯(lián)起來。該方法不需要額外的專用設(shè)備，而且很容易部署在配備了車對車通信設(shè)備的現(xiàn)代車輛上。它能夠定位固定欺騙器和移動欺騙器，例如，可以安裝在車輛上。通過數(shù)值模擬和實驗驗證了該方法的有效性。

引用

全球定位系統(tǒng)（GPS）已成為從飛機到輪船再到汽車，甚至在行人電話上的各種運輸系統(tǒng)的重要導(dǎo)航系統(tǒng)。此外，GPS還可以用于精確的時間獲取，這對于電力系統(tǒng)，銀行系統(tǒng)和證券交易所的運營至關(guān)重要。不幸的是，盡管GPS在現(xiàn)代社會中無處不在且至關(guān)重要，但由于多種原因，GPS也容易受到攻擊。首先，商用GPS接收器無法使用來自GPS衛(wèi)星的加密信號，而不得不依賴未加密的消息，這對于攻擊者而言很容易復(fù)制。而且，由于GPS衛(wèi)星與地面GPS接收器之間的距離很長，到達(dá)接收器的信號非常微弱。實際上，地球上接收到的GPS信號的功率低至10-16瓦。因此，攻擊者可以輕松發(fā)送更強的信號并淹沒真實信號。

GPS接收器主要有兩種攻擊類型：干擾和欺騙。干擾是兩種形式中比較簡單的一種，僅涉及通過GPS頻率傳輸噪聲以破壞合法信號。這樣可以防止接收器計算其位置。幸運的是，干擾攻擊通常很容易檢測到，因為它們會導(dǎo)致接收者丟失鎖，從而向接收者揭示它們的存在。另一方面，欺騙攻擊是攻擊者生成并發(fā)送虛假信號以欺騙GPS接收器的過程。由于攻擊者可以迫使接收者相信它所在的位置與實際位置不同，因此欺騙可以使攻擊者將受害者帶離目標(biāo)。

本文提出了通過將多輛車輛的多普勒測量值與車對車通信相聯(lián)系的方法，將欺騙性攻擊者定位在車輛GPS上。鑒于車對車通信無線電設(shè)備已經(jīng)上市，并且商用GPS接收器具有測量輸入信號頻率的能力，因此該方法不需要專用硬件。數(shù)值模擬和硬件測試都被執(zhí)行以確認(rèn)所提出方法的有效性。

攻擊者模型

本文考慮攻擊者使用向天線發(fā)送欺騙信號。攻擊者可以使用包括欺騙在內(nèi)的任何類型的欺騙。在這種情況下，如果多個目標(biāo)被欺騙，它們將鎖定在相同的欺騙信號上，并基于欺騙信號，將計算出完全相同的位置。因此，如果網(wǎng)絡(luò)中的多個車輛開始報告確切的相同位置，則表明存在欺騙攻擊。一旦檢測到欺騙，就可以開始嘗試定位攻擊者。

本文考慮了兩種主要情況：固定攻擊者和移動攻擊者。請注意，大多數(shù)現(xiàn)有結(jié)果都考慮到了平穩(wěn)的攻擊者。我們還考慮了移動攻擊者，攻擊者可以將其發(fā)射器放置在例如移動車輛中。

在固定攻擊者情況和移動攻擊者情況下，都假定攻擊者能夠改變其發(fā)送偽造GPS信號的頻率。為了傳輸有效的GPS信號，攻擊者必須以標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星傳輸?shù)膸装俸掌潱s1575.42 MHz）范圍內(nèi)的頻率進(jìn)行傳輸。但是，假定在此范圍內(nèi)，攻擊者可以完全控制他們可以傳輸?shù)念l率，包括實時更改頻率的能力。攻擊者可以將所需的任何噪聲添加到該范圍內(nèi)的頻率。實際的GPS信號中也會有一些噪聲，但是只要接收器仍然可以保持鎖定，這種噪聲就無關(guān)緊要了。

幸存者模型

本文考慮了位于不同車輛上的一組移動接收器。這些車輛在同一條道路上行駛，并且可以使用V2V通信互相通信，并具有5.85-5.925 GHz GHz頻段的標(biāo)準(zhǔn)帶寬。每輛車都可以記錄輸入的GPS信號的頻率，這是大多數(shù)商用GPS接收器報告的。每輛車還完全了解其行駛的速度以及信號頻率的連續(xù)測量之間的行駛距離。這是合理的，因為車輛可以從其里程表獲取距離信息。我們不假定車輛知道其確切位置。

每輛車都使用標(biāo)準(zhǔn)的商用GPS接收器，該接收器報告輸入的信號頻率?，F(xiàn)有的大多數(shù)商用GPS接收機都報告了此類測量。由于接收器時鐘與真正的GPS時鐘之間失去同步，因此這些測量可能會出錯。我們將在計算中使用兩次連續(xù)測量之間的相對差來避免此類錯誤。此外，每個接收器都需要與所有其他接收器進(jìn)行時間同步。但是這將按照定義發(fā)生，因為所有接收器都將鎖定在攻擊者生成的同一信號上。

欺騙設(shè)備簡述


上圖顯示了我們的設(shè)置示意圖，為了簡化說明，我們考慮使用n = 2個車載GPS接收器。每個接收機在m個不同的位置進(jìn)行頻率測量，其中m是一個正整數(shù)。由于接收器之間的相對速度，接收器從接收者發(fā)送的信號中將經(jīng)歷一些多普勒頻移。因此，一個給定的接收機i在每個點上測得的頻率可以用下面的等式描述：



其中f是測得的頻率，fs是噴灑器傳輸信號的頻率，Vi是接收器相對于噴灑器的視線速度，c是光速，?是接收器中的誤差。mainly主要是由于接收器和GPS衛(wèi)星之間的時鐘差異引起的。由于它在短時間內(nèi)幾乎保持恒定，因此可以通過考慮不同樣本之間的差異來消除它。例如，第一個測量和第j個測量之間的接收機i的頻率差（其中j是介于2和n之間的某個整數(shù)）可以表示如下：



由于我們不假定欺騙信號在信號傳輸中使用的是恒定頻率，因此我們使用fs，1和fs，j表示進(jìn)行第一次和第j次測量時欺騙正在傳輸?shù)南鄳?yīng)頻率。該公式可以簡化如下：


接收者i在時間j相對于攻擊者的視線速度是未知的，可以表示為：


其中vi，j是接收器i在時間j的速度，而θi，j是接收器速度與其相對于攻擊者的方向之間的夾角，如上圖所示。方程式（3）和（4）得出 ：



此外，基于地層的幾何形狀，cos（θi，j）可以用在第一次采樣時引用接收器1的變量表示，如下所述：


其中ri，1是進(jìn)行第一次測量時從接收器i到攻擊者的距離，而di，1-j是接收器i的第一次測量和第j次測量之間的距離。然后可以將該關(guān)系代入方程式（4），得到以下方程式：




假設(shè)有n個接收器，每個接收器進(jìn)行m次測量，那么我們可以構(gòu)造n（m-1）個方程。在這些等式中，存在2n + m個未知數(shù)，即，每個接收器為θ，每個接收器為r，并且在每個時間點發(fā)送了fs。因此，當(dāng)m大于6時，我們有n（m + 1）> 2n + m，因此可以解決未知數(shù)。使用相同的參數(shù)，我們可以知道三個接收器每個接收器只需要進(jìn)行五次測量，而四個或更多接收器每個接收器只需要進(jìn)行四次測量即可。但是，任何數(shù)量的接收器都可以對每個接收器進(jìn)行其他測量，以潛在地提高準(zhǔn)確性。這樣，一旦解決了該方程式系統(tǒng)，就知道了攻擊者相對于每個接收者的位置。注意，由于一個角度的余弦可以對應(yīng)于兩個不同的角度，因此有兩種可能的解決方案。由于問題的對稱性，與接收器左側(cè)的踏板上的多普勒頻移與接收器右側(cè)的踏板上的多普勒頻移沒有區(qū)別，因此不可能將其縮小到僅一種解決方案 ，因此必須調(diào)查這兩個位置以定位攻擊者。

以上計算ri，1和θi，1從而獲得踏板的位置的方法僅適用于無噪聲的測量。鑒于測量始終受到噪聲的影響，我們選擇通過解決以下優(yōu)化問題來估計踏板的位置：



其中Ei,j是car i在樣本j處的誤差，是測量到的多普勒頻移和根據(jù)所選參數(shù)計算出的多普勒頻移之間的差值:



基于實驗的評價

為了在更現(xiàn)實的情況下評估此方法的有效性，還進(jìn)行了硬件實驗。不幸的是，由于法律禁止在露天進(jìn)行欺騙，因此我們將防盜器和GPS接收器進(jìn)行了硬連線，并使用了鋁質(zhì)屏蔽層來防止任何信號泄漏。為了模擬由于接收器和spoofer之間的相對運動引起的多普勒頻移的影響，我們將計算出的多普勒頻移硬編碼為spoofer信號。

Ettus Research的USRP B210用作欺騙設(shè)備，可以同時在兩個通道上傳輸信號。欺騙是使用gps-sdr-sim欺騙庫[38]完成的，該庫可在網(wǎng)上公開找到。該庫可用于將欺騙信號傳輸?shù)饺魏晤A(yù)定位置。在本實驗中，它只是簡單地以總頻率偏移進(jìn)行傳輸，以表示多普勒頻移。

在每個測量點獲得頻率后，使用Matlab對其進(jìn)行處理。

我們首先評估垂直距離（A）和接收器相對距離（D）對定位性能的影響，結(jié)果如圖所示。在本實驗中，所有車輛以20 m / s的速度行駛且平行距離為h 150米。



從圖中可以看出，定位誤差首先隨著與踏板的距離（A）的增加而減小，然后隨A的增加而增加。這與圖中的數(shù)值模擬結(jié)果一致。

我們還評估了車輛之間的相對距離D對定位性能的影響。結(jié)果在圖中給出。這演示了在接收器之間的距離變化中發(fā)現(xiàn)的模式?？梢钥闯觯傮w趨勢是相當(dāng)一致的，而不管與攻擊者的距離如何。更具體地說，定位誤差首先隨著相對距離的增加而減小然后增加。




總結(jié)

在本文中，我們建議使用協(xié)作車輛網(wǎng)絡(luò)通過使用各自的多普勒頻移來定位欺騙攻擊者。據(jù)我們所知，這是首次將GPS定位器定位用于汽車導(dǎo)航GPS。使用硬件實驗評估了結(jié)果的有效性。

這種方法可以通過幾種方式推廣。首先，在本文中，假設(shè)所有車輛均以完美的直線運動。這是合理的，因為車輛行駛方向在短采樣時間內(nèi)不會發(fā)生明顯變化。在接收機不斷采樣的現(xiàn)實世界中，攻擊者會以這種方式移動的采樣周期很多。因此，只要接收器在多個周期內(nèi)繼續(xù)采樣，定位就仍然可能。將來，我們計劃考慮在彎道上行駛的車輛，這些彎道的轉(zhuǎn)彎角可讓單個車輛進(jìn)入。在這種情況下，由于多普勒頻移會隨更多通用模式而變化，因此我們可能能夠獲得改進(jìn)的定位性能。

此外，攻擊者可以通過在交通擁擠的地區(qū)進(jìn)行欺騙或使用定向天線來減少受其信號影響的汽車數(shù)量。但是，這仍不能完全排除檢測和定位的可能性。他們也可以通過欺騙多個天線來規(guī)避這種方法，盡管對移動中的受害者這樣做可能非常困難。