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自动驾驶汽车隐蔽性GPS导航欺骗算法

2021-12-14 20:24:21·  来源：轩辕实验室  
　
本文来自实验室张诚的研究成果和学习笔记概述许多GPS欺骗方法简单地随机设置受害者的位置坐标，使得GPS导航数据与现实的环境矛盾，例如在车辆导航中，欺骗坐标很

本文来自实验室张诚的研究成果和学习笔记

概述

许多GPS欺骗方法简单地随机设置受害者的位置坐标，使得GPS导航数据与现实的环境矛盾，例如在车辆导航中，欺骗坐标很可能偏离车道，或者指向一个不存在的道路，这种欺骗方式容易被导航系统和用户察觉。
本文提出一种隐蔽的GPS导航欺骗算法，目标是让受害者进入错误的目的地，并且在欺骗过程中尽可能不被系统和用户发现。

欺骗模型

基本思路

本文的攻击对象是依赖GPS进行导航的车辆系统，包括有人驾驶和无人驾驶。可以实现如下的攻击目标：
（1）偏移攻击。让受害者进入错误路线，目的地不定，如让警车、救护车到达错误的目的地。
（2）有目的地的偏移攻击。如对受害者实施抢劫，或盗窃一辆自动驾驶车辆。
（3）危险攻击。让受害者进入一个危险的环境。
本文的基本思路是让车辆的GPS坐标发生一个小的偏移，导航系统会重新进行道路规划，车辆会沿着新的导航路线前进，此时车辆在现实中会形成一个新的行驶路线。本文通过设计特定的偏移坐标，使得新的行驶路线依旧在现实中是可行的。
以下图为例，原始的导航路线是 ，行驶到的时候，攻击者让车辆的GPS坐标发生一个偏移，新的坐标是。此时导航系统生成新的导航路线 ，如图 (c) 中蓝色线条所示。而车辆按照新的导航路线的形状继续行驶，实际的行驶路线是 ，最终会到达错误的目的地 。



欺骗隐蔽性

（1）对于车辆，由于车辆在受欺骗之后的行驶路线依旧满足道路限制，因此不容易被其他传感器发现（如基于摄像头的道路检测系统）。
（2）对于驾驶员，在现实世界中大多数的导航软件会向驾驶员提供“第一人称”的导航视角，这使得驾驶员往往只关注于当前的道路和下一个转向，因此只要导航的道路形状、长度、转向和现实一致，驾驶员往往就不易察觉。
此外，在进行第一次坐标偏移时，导航系统往往会报出“重新规划路线”的提示，但由于在正常情况下导航系统常常也会发出这种提示，因此这类提示也不容易引起驾驶员的注意。

GPS欺骗设置

本文可以两种欺骗方式：
（1）Same-Car Setting。将GPS欺骗设备放置在受害车辆上，通过网络远程连接到欺骗设备，从而获取到受害车辆的实际位置，并进行GPS欺骗。平均的GPS接管时间为48秒（放置在后备箱中）和35秒（放置于后座）。
（2）Two-Car Setting。通过尾随的方式，攻击者以一个恒定距离d尾随受害者，如下表所示，比较有效的欺骗距离d是40-50米。

对于第二种欺骗方式，本文尝试在两辆车中放置障碍物，平均接管时间依旧可以达到41.2秒。

形式化描述

形式化的关键记号如下表：
（1）道路模型
包括上表中的、、、。其中 φππ，φ 代表左转，反正代表右转。如下图所示：

（2）导航路线
一个导航路线通过多个路段的连接表示：。通常，导航系统会让驾驶员沿着路段前进，仅当需要转弯时才提醒用户。因此本文将邻接的路段合并，若两个路段之间的转角小于一个阈值（30度），就进行合并。合并之后表示为：。
Ghost路线表示偏移坐标到目的地的路线，受害路线表示受欺骗后车辆实际行驶的路线。
（3）攻击目标
对于一个车辆当前位置和目的地，攻击者旨在设置合适的偏移位置，搜索生成受害路线，使得 与 相匹配。表示为：
如果攻击者需要让受害者进入预期的目的区域，则攻击者仅需要搜索经过的路径。
（4）约束
约束包括两个部分：
  • 偏移位置的距离 ， 。
  • 速度缩放限制 ，这限制了在和之间的速度差别要在合理的范围的内，。

攻击假设

（1）攻击者要获取到受害者的当前实际位置 。这可以通过上述的GPS欺骗设置实现。
（2）攻击者要获取到受害者的目的地 。这可以通过用户的社交媒体等现实方式获取到；此外攻击者也可以将目的地设置为一些必经的地点，如隧道、桥梁、高速路检查站等。
（3）给定两个位置，攻击者能够计算出二者之间的行驶路径 。这一步攻击者可以通过使用与被害者车辆相同的导航系统（如 Google Maps）的API来获取。

欺骗攻击算法

（1）基础攻击算法
选取所有满足的偏移坐标，进而生成欺骗路径 。接着通过m层的广度优先遍历，从实际位置 开始搜索所有满足以下条件的路段，合并路段生成：
  • 转向匹配：欺骗路径和实际受骗路径的转向要一致，即 φ和φ要一致。
  • 路段长度匹配：对于一个路段，在欺骗路径中的行驶距离和实际的行驶距离要相似，即 。

（2）迭代攻击算法
在上述基础算法的基础上，提出了迭代攻击算法。基础算法仅在最开始进行一次GPS偏移操作，而迭代算法在不同的位置都可重新应用基础算法。这样可以使得满足限制的欺骗路径数量增大，提高算法的能力。
总结
本文提出的攻击方法可以分为两个阶段：
（1）初始的GPS位置偏移
（2）后续的GPS欺骗保持
由于本文设计了合适的欺骗路径，使得（2）中的欺骗过程不易被察觉，对于一些反欺骗算法，比如简单地比较IMU和GPS的行进距离来判断欺骗的算法，在（2）阶段可能会失效。
此外，可以看出即使仅通过一次短暂的显著的GPS欺骗（即（1）阶段），攻击者仍然可以达到预期的攻击目标。这对反欺骗算法的实时性提出了一定的要求，有些反欺骗算法的决策时间较长，短暂的一次GPS异常可能会被当成环境噪声等因素的影响而被忽略，这种算法在检测本文的欺骗攻击时也会失效。
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