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自動(dòng)駕駛汽車隱蔽性GPS導(dǎo)航欺騙算法

2021-12-14 20:24:21·  來(lái)源：軒轅實(shí)驗(yàn)室  
　
本文來(lái)自實(shí)驗(yàn)室張誠(chéng)的研究成果和學(xué)習(xí)筆記概述許多GPS欺騙方法簡(jiǎn)單地隨機(jī)設(shè)置受害者的位置坐標(biāo)，使得GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)的環(huán)境矛盾，例如在車輛導(dǎo)航中，欺騙坐標(biāo)很

本文來(lái)自實(shí)驗(yàn)室張誠(chéng)的研究成果和學(xué)習(xí)筆記

概述

許多GPS欺騙方法簡(jiǎn)單地隨機(jī)設(shè)置受害者的位置坐標(biāo)，使得GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)與現(xiàn)實(shí)的環(huán)境矛盾，例如在車輛導(dǎo)航中，欺騙坐標(biāo)很可能偏離車道，或者指向一個(gè)不存在的道路，這種欺騙方式容易被導(dǎo)航系統(tǒng)和用戶察覺(jué)。
本文提出一種隱蔽的GPS導(dǎo)航欺騙算法，目標(biāo)是讓受害者進(jìn)入錯(cuò)誤的目的地，并且在欺騙過(guò)程中盡可能不被系統(tǒng)和用戶發(fā)現(xiàn)。

欺騙模型

基本思路

本文的攻擊對(duì)象是依賴GPS進(jìn)行導(dǎo)航的車輛系統(tǒng)，包括有人駕駛和無(wú)人駕駛?？梢詫?shí)現(xiàn)如下的攻擊目標(biāo)：
（1）偏移攻擊。讓受害者進(jìn)入錯(cuò)誤路線，目的地不定，如讓警車、救護(hù)車到達(dá)錯(cuò)誤的目的地。
（2）有目的地的偏移攻擊。如對(duì)受害者實(shí)施搶劫，或盜竊一輛自動(dòng)駕駛車輛。
（3）危險(xiǎn)攻擊。讓受害者進(jìn)入一個(gè)危險(xiǎn)的環(huán)境。
本文的基本思路是讓車輛的GPS坐標(biāo)發(fā)生一個(gè)小的偏移，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)重新進(jìn)行道路規(guī)劃，車輛會(huì)沿著新的導(dǎo)航路線前進(jìn)，此時(shí)車輛在現(xiàn)實(shí)中會(huì)形成一個(gè)新的行駛路線。本文通過(guò)設(shè)計(jì)特定的偏移坐標(biāo)，使得新的行駛路線依舊在現(xiàn)實(shí)中是可行的。
以下圖為例，原始的導(dǎo)航路線是 ，行駛到的時(shí)候，攻擊者讓車輛的GPS坐標(biāo)發(fā)生一個(gè)偏移，新的坐標(biāo)是。此時(shí)導(dǎo)航系統(tǒng)生成新的導(dǎo)航路線 ，如圖 (c) 中藍(lán)色線條所示。而車輛按照新的導(dǎo)航路線的形狀繼續(xù)行駛，實(shí)際的行駛路線是 ，最終會(huì)到達(dá)錯(cuò)誤的目的地 。



欺騙隱蔽性

（1）對(duì)于車輛，由于車輛在受欺騙之后的行駛路線依舊滿足道路限制，因此不容易被其他傳感器發(fā)現(xiàn)（如基于攝像頭的道路檢測(cè)系統(tǒng)）。
（2）對(duì)于駕駛員，在現(xiàn)實(shí)世界中大多數(shù)的導(dǎo)航軟件會(huì)向駕駛員提供“第一人稱”的導(dǎo)航視角，這使得駕駛員往往只關(guān)注于當(dāng)前的道路和下一個(gè)轉(zhuǎn)向，因此只要導(dǎo)航的道路形狀、長(zhǎng)度、轉(zhuǎn)向和現(xiàn)實(shí)一致，駕駛員往往就不易察覺(jué)。
此外，在進(jìn)行第一次坐標(biāo)偏移時(shí)，導(dǎo)航系統(tǒng)往往會(huì)報(bào)出“重新規(guī)劃路線”的提示，但由于在正常情況下導(dǎo)航系統(tǒng)常常也會(huì)發(fā)出這種提示，因此這類提示也不容易引起駕駛員的注意。

GPS欺騙設(shè)置

本文可以兩種欺騙方式：
（1）Same-Car Setting。將GPS欺騙設(shè)備放置在受害車輛上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程連接到欺騙設(shè)備，從而獲取到受害車輛的實(shí)際位置，并進(jìn)行GPS欺騙。平均的GPS接管時(shí)間為48秒（放置在后備箱中）和35秒（放置于后座）。
（2）Two-Car Setting。通過(guò)尾隨的方式，攻擊者以一個(gè)恒定距離d尾隨受害者，如下表所示，比較有效的欺騙距離d是40-50米。

對(duì)于第二種欺騙方式，本文嘗試在兩輛車中放置障礙物，平均接管時(shí)間依舊可以達(dá)到41.2秒。

形式化描述

形式化的關(guān)鍵記號(hào)如下表：
（1）道路模型
包括上表中的、、、。其中 φππ，φ 代表左轉(zhuǎn)，反正代表右轉(zhuǎn)。如下圖所示：

（2）導(dǎo)航路線
一個(gè)導(dǎo)航路線通過(guò)多個(gè)路段的連接表示：。通常，導(dǎo)航系統(tǒng)會(huì)讓駕駛員沿著路段前進(jìn)，僅當(dāng)需要轉(zhuǎn)彎時(shí)才提醒用戶。因此本文將鄰接的路段合并，若兩個(gè)路段之間的轉(zhuǎn)角小于一個(gè)閾值（30度），就進(jìn)行合并。合并之后表示為：。
Ghost路線表示偏移坐標(biāo)到目的地的路線，受害路線表示受欺騙后車輛實(shí)際行駛的路線。
（3）攻擊目標(biāo)
對(duì)于一個(gè)車輛當(dāng)前位置和目的地，攻擊者旨在設(shè)置合適的偏移位置，搜索生成受害路線，使得 與 相匹配。表示為：
如果攻擊者需要讓受害者進(jìn)入預(yù)期的目的區(qū)域，則攻擊者僅需要搜索經(jīng)過(guò)的路徑。
（4）約束
約束包括兩個(gè)部分：
  • 偏移位置的距離 ， 。
  • 速度縮放限制 ，這限制了在和之間的速度差別要在合理的范圍的內(nèi)，。

攻擊假設(shè)

（1）攻擊者要獲取到受害者的當(dāng)前實(shí)際位置 。這可以通過(guò)上述的GPS欺騙設(shè)置實(shí)現(xiàn)。
（2）攻擊者要獲取到受害者的目的地 。這可以通過(guò)用戶的社交媒體等現(xiàn)實(shí)方式獲取到；此外攻擊者也可以將目的地設(shè)置為一些必經(jīng)的地點(diǎn)，如隧道、橋梁、高速路檢查站等。
（3）給定兩個(gè)位置，攻擊者能夠計(jì)算出二者之間的行駛路徑 。這一步攻擊者可以通過(guò)使用與被害者車輛相同的導(dǎo)航系統(tǒng)（如 Google Maps）的API來(lái)獲取。

欺騙攻擊算法

（1）基礎(chǔ)攻擊算法
選取所有滿足的偏移坐標(biāo)，進(jìn)而生成欺騙路徑 。接著通過(guò)m層的廣度優(yōu)先遍歷，從實(shí)際位置 開(kāi)始搜索所有滿足以下條件的路段，合并路段生成：
  • 轉(zhuǎn)向匹配：欺騙路徑和實(shí)際受騙路徑的轉(zhuǎn)向要一致，即 φ和φ要一致。
  • 路段長(zhǎng)度匹配：對(duì)于一個(gè)路段，在欺騙路徑中的行駛距離和實(shí)際的行駛距離要相似，即 。

（2）迭代攻擊算法
在上述基礎(chǔ)算法的基礎(chǔ)上，提出了迭代攻擊算法?；A(chǔ)算法僅在最開(kāi)始進(jìn)行一次GPS偏移操作，而迭代算法在不同的位置都可重新應(yīng)用基礎(chǔ)算法。這樣可以使得滿足限制的欺騙路徑數(shù)量增大，提高算法的能力。
總結(jié)
本文提出的攻擊方法可以分為兩個(gè)階段：
（1）初始的GPS位置偏移
（2）后續(xù)的GPS欺騙保持
由于本文設(shè)計(jì)了合適的欺騙路徑，使得（2）中的欺騙過(guò)程不易被察覺(jué)，對(duì)于一些反欺騙算法，比如簡(jiǎn)單地比較IMU和GPS的行進(jìn)距離來(lái)判斷欺騙的算法，在（2）階段可能會(huì)失效。
此外，可以看出即使僅通過(guò)一次短暫的顯著的GPS欺騙（即（1）階段），攻擊者仍然可以達(dá)到預(yù)期的攻擊目標(biāo)。這對(duì)反欺騙算法的實(shí)時(shí)性提出了一定的要求，有些反欺騙算法的決策時(shí)間較長(zhǎng)，短暫的一次GPS異常可能會(huì)被當(dāng)成環(huán)境噪聲等因素的影響而被忽略，這種算法在檢測(cè)本文的欺騙攻擊時(shí)也會(huì)失效。
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