[論文レビュー] SemperFi: A Spoofer Eliminating GPS Receiver for UAVs

Harshad Sathaye, Gerald LaMountain+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2021

GNSS positioning and interference参考文献 47被引用数 4

ひとこと要約

SemperFi は、慣性計測装置の安定性と逐次干渉キャンセレーションを活用して、UAV におけるスプーフィング信号を自動的に検出し、排除する単一アンテナ GPS 受信機である。10 秒以内に、50 m 未塔の飛行マニューバーを用いて真正の位置を回復する。

ABSTRACT

It is well-known that GPS is vulnerable to signal spoofing attacks. Although several spoofing detection techniques exist, they are incapable of mitigation and recovery from stealthy attackers. In this work, we present SemperFi, a single antenna GPS receiver capable of tracking legitimate GPS satellite signals and estimating the true location even during a spoofing attack. The main challenge in building SemperFi is, unlike most wireless systems where \emph{the data} contained in the wireless signals is important, GPS relies on the time of arrival (ToA) of satellite signals. SemperFi is capable of distinguishing spoofing signals and recovering legitimate GPS signals that are even completely overshadowed by a strong adversary. We exploit the short-term stability of inertial sensors to identify the spoofing signal and extend the successive interference cancellation algorithm to preserve the legitimate signal's ToA. We implement SemperFi in GNSS-SDR, an open-source software-defined GNSS receiver, and evaluate its performance using UAV simulators, real drones, a variety of real-world GPS datasets, and various embedded platforms. Our evaluation results indicate that in many scenarios, SemperFi can identify adversarial peaks by executing flight patterns that are less than 50 m long and recover the true location within 10 seconds (Jetson Xavier). We show that our receiver is secure against stealthy attackers who exploit inertial sensor errors and execute seamless takeover attacks. We design SemperFi as a pluggable module capable of generating a spoofer-free GPS signal for processing on any commercial-off-the-shelf GPS receiver available today. Finally, we release our implementation to the community for usage and further research.

研究の動機と目的

• 従来の検出および緩和手法を回避するスプーフィング攻撃に対して、UAV の GPS の深刻な脆弱性に対処すること。
• 完全に強力な敵対信号に覆い隠された状態でも、真正の GPS 信号の自律的回復を可能にすること。
• 暗号基盤や追加ハードウェアを必要とせず、単一アンテナの市販品（COTS）GPS 受信機で動作するソリューションを設計すること。
• 静かで一貫した乗っ取り攻撃に対して失敗する既存のスプーフィング検出方式の限界を克服すること。
• 任意の市販 GPS 受信機に統合可能な、スプーファーなしの GPS 信号を出力するプラグインモジュールを開発すること。

提案手法

• 短時間の慣性計測装置（IMU）の安定性を活用し、運動パターンと GPS 信号推定値の相関関係を用いてスプーフィング信号を検出する。
• IMU 動作と GPS 信号タイミングの相関に基づき、スプーフィング信号と真正信号を区別するアドバーシャルピーク識別子（API）を実装する。
• 真正の GPS 信号の到着時刻（ToA）を保持しながらスプーフィング信号を抑制するように、変更を加えた逐次干渉キャンセレーション（SIC）アルゴリズムを適用する。
• 真正信号再構築装置（LSR）に、真正信号とスプーフィング信号の両方の振幅、位相、タイミング推定値を用いて正しい ToA を再構築する信号回復メカニズムを設計する。
• GNSS-SDR（オープンソースのソフトウェア定義 GNSS 受信機）にシステムを統合し、Jetson Xavier などの組み込みプラットフォームでもリアルタイム動作を可能にする。
• スプーフィング検出時に、ランダムな飛行マニューバー（10～20 秒、50 m 未塔）をトリガーして信号識別能を向上させ、回復を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一アンテナ GPS 受信機は、暗号認証や追加ハードウェアに依存せずに、スプーフィング信号を検出し、排除できるか？
• RQ2 動的飛行マニューバー中において、慣性センサの安定性をどれほど効果的に活用してスプーフィング信号と真正 GPS 信号を区別できるか？
• RQ3 逐次干渉キャンセレーションを、強力なスプーフィング信号を抑制しながら真正 GPS 信号の到着時刻（ToA）を保持できるように適応できるか？
• RQ4 強力で静かで一貫したスプーフィング攻撃下でも、SemperFi は短時間（例：10 秒）で真正 GPS 位置をどの程度回復できるか？
• RQ5 SemperFi は任意の市販 GPS 受信機にプラグインモジュールとして展開可能で、スプーファーなしの位置決めを提供できるか？

主な発見

• SemperFi は 50 m 未塔の飛行マニューバーを用いて、敵対的ピークを効果的に同定し、スプーフィング検出を可能にした。
• Jetson Xavier プラットフォーム上でも、真正信号が強力なスプーフィング信号に完全に埋もれていても、10 秒以内に真正 GPS 位置を回復した。
• 慣性センサ誤差を模倣することで従来の検出手法を回避する静かで一貫した乗っ取り攻撃に対しても、SemperFi は耐性がある。
• カスタマイズされた SIC を通じて、真正衛星信号の到着時刻（ToA）を保持することで、スプーフィング攻撃中でも正確な位置決めを維持した。
• 実ドローン（例：DJI Flamewheel F450）、UAV シミュレータ、実世界の GPS データセットを用いた評価により、多様なシナリオで堅牢な性能を確認した。
• GNSS-SDR におけるオープンソース実装により、コミュニティの採用とさらなる研究が可能となり、完全なリリースが公開利用可能である。