[논문 리뷰] SemperFi: A Spoofer Eliminating GPS Receiver for UAVs

Harshad Sathaye, Gerald LaMountain외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 05.

GNSS positioning and interference참고 문헌 47인용 수 4

한 줄 요약

SemperFi는 UAV용 단일 안테나 GPS 수신기로, 관성 센서의 안정성과 차수 간섭 제거(SIC)를 활용하여 스푸핑 신호를 자동으로 탐지하고 제거함으로써 정상적인 도착 시간(ToA) 정보를 복구한다. 50m 이내의 비행 동작을 통해 스푸핑 공격 발생 후 10초 이내에 진짜 위치를 복구한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존 탐지 및 완화 기법을 우회하는 스푸핑 공격으로부터 UAV의 GPS에 대한 임계적인 취약성을 해결한다.
• 강력한 적대적 신호에 의해 완전히 가려져 있어도 정상 GPS 신호를 자율적으로 복구할 수 있도록 한다.
• 암호화 인fra구조나 추가 하드웨어 없이도 단일 안테나, 일반 유통 제품(COTS) GPS 수신기에서 작동하는 솔루션을 설계한다.
• 은밀하고 스텔스 방식의 탈취 공격을 피하는 기존 스푸핑 탐지 기법의 한계를 극복한다.
• 모든 COTS GPS 수신기에 통합 가능한 플러그인 모듈을 개발하여 스푸퍼 없는 GPS 신호를 생성한다.

제안 방법

• 단기적인 관성 측정 장치(IMU) 안정성을 활용해 운동 패턴과 GPS 신호 추정치 간의 상관관계를 분석하여 스푸핑 신호를 탐지한다.
• IMU 운동과 GPS 신호 타이밍 간 상관관계를 기반으로 스푸핑 신호와 정상 신호를 구분하는 악성 피크 식별기(API)를 구현한다.
• 정상 GPS 신호의 진짜 도착 시간(ToA)을 유지하면서 스푸핑 신호를 억제하기 위해 수정된 차수 간섭 제거(SIC) 알고리즘을 적용한다.
• 정상 신호 복구기(Legitimate Signal Retriever, LSR)에 신호 복구 메커니즘을 설계하여 정상 및 스푸핑 신호의 진폭, 위상, 타이밍 추정치를 이용해 정확한 ToA를 재구성한다.
• 실시간 임베디드 플랫폼(예: Jetson Xavier)에서 작동할 수 있도록 GNSS-SDR(오픈소스 소프트웨어 정의 GNSS 수신기)에 시스템을 통합한다.
• 스푸핑 탐지 시 10~20초 이내, 50m 이내의 랜덤 비행 동작을 유도하여 신호 식별 능력을 향상시키고 복구를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 암호화 인증이나 추가 하드웨어 없이도 단일 안테나 GPS 수신기가 스푸핑 신호를 탐지하고 제거할 수 있는가?
• RQ2 동적 비행 동작 중 관성 센서 안정성을 얼마나 효과적으로 활용하여 스푸핑 신호와 정상 GPS 신호를 구분할 수 있는가?
• RQ3 차수 간섭 제거(SIC)를 어떻게 수정하여 강력한 스푸핑 신호를 억제하면서도 정상 GPS 신호의 도착 시간(ToA)을 유지할 수 있는가?
• RQ4 강력하고 은밀한 스푸핑 공격 조건에서도 SemperFi가 짧은 시간(예: 10초 이내) 안에 진짜 GPS 위치를 얼마나 잘 복구할 수 있는가?
• RQ5 SemperFi가 모든 COTS GPS 수신기에 플러그인 모듈로 배포되어 스푸퍼 없는 위치 측정을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• SemperFi는 50m 이내의 비행 동작을 통해 악성 피크를 성공적으로 식별하여 효과적인 스푸핑 탐지가 가능하다.
• Jetson Xavier 플랫폼에서 정상 신호가 강력한 스푸핑 신호에 완전히 묻혀 있더라도 SemperFi는 10초 이내로 진짜 GPS 위치를 복구한다.
• SemperFi는 기존 탐지 기법이 관성 센서 오류를 모방함으로써 회피하는 은밀하고 스텔스 방식의 탈취 공격에 대비해 뛰어난 내성성을 보인다.
• 맞춤형 SIC를 통해 정상 위성 신호의 도착 시간(ToA)을 유지함으로써 스푸핑 공격 중에도 정확한 위치 측정을 유지한다.
• 실제 드론(DJI Flamewheel F450 등), UAV 시뮬레이터, 실제 GPS 데이터셋에서의 평가를 통해 다양한 시나리오에서 뛰어난 성능을 입증했다.
• GNSS-SDR에 구현된 오픈소스 버전은 커뮤니티의 보급과 향후 연구를 가능하게 하며, 공개적으로 사용 가능한 완전한 릴리스가 제공된다.