[论文解读] Secure Platooning of Autonomous Vehicles Under Attacked GPS Data

Xingkang He, Ehsan Hashemi+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2020

Traffic control and management参考文献 18被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种在GPS欺骗攻击下保护自动驾驶车辆队列安全的协同编队框架，利用摄像头/雷达的相对测量值和本地创新检测被攻陷的车辆。基于饱和的的状态观测器与分布式控制器确保了估计误差和编队误差的渐近有界性，即使在未知攻击和系统不确定性下也能维持速度一致性与固定的车距。

ABSTRACT

In this paper, we study how to secure the platooning of autonomous vehicles when an unknown vehicle is under attack and bounded system uncertainties exist. For the attacked vehicle, its position and speed measurements from GPS can be manipulated arbitrarily by a malicious attacker. First, to find out which vehicle is under attack, two detectors are proposed by using the relative measurements (by camera or radar) and the local innovation obtained through measurements from neighboring vehicles. Then, based on the results of the detectors, we design a local state observer for each vehicle by applying a saturation method to the measurement innovation. Moreover, based on the neighbor state estimates provided by the observer, a distributed controller is proposed to achieve the consensus in vehicle speed and keep fixed desired distance between two neighboring vehicles. The estimation error by the observer and the platooning error by the controller are shown to be asymptotically upper bounded under certain conditions. The effectiveness of the proposed methods is also evaluated in numerical simulations.

研究动机与目标

• 解决在未知车辆GPS数据遭受恶意操控时，保障车辆编队安全的关键挑战。
• 利用相邻车辆的相对测量值和本地创新检测被攻陷的车辆。
• 设计一种鲁棒的本地状态观测器，通过测量创新饱和来减轻受损GPS数据的影响。
• 开发一种分布式控制器，利用邻近车辆的状态估计实现速度一致性并保持固定间距。
• 在系统不确定性与攻击有界的情况下，确保估计误差与编队误差的渐近上界。

提出的方法

• 提出两种检测器，利用来自摄像头/雷达的相对测量值以及三辆相邻车辆的本地创新，识别被攻击的车辆。
• 在本地状态观测器中对测量创新实施饱和方法，以限制受损GPS数据的影响。
• 基于邻近车辆的状态估计构建分布式控制器，以实现速度一致性并维持固定的期望距离。
• 采用基于李雅普诺夫的分析方法，结合舒尔稳定系统模型，推导估计误差与编队误差的上界。
• 应用线性矩阵不等式（LMI）技术与矩阵范数分析，证明误差动态的稳定性和有界性。
• 利用克罗内克积与特征值性质对误差系统建模，并推导收敛条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不事先知晓攻击的情况下，如何检测车辆编队中恶意攻击者对GPS数据的操纵？
• RQ2 何种机制可确保受损GPS测量值不会导致自动驾驶车辆状态估计过程的不稳定？
• RQ3 在GPS欺骗攻击与系统不确定性存在的情况下，分布式控制器如何维持速度一致性与固定车距？
• RQ4 在何种条件下，估计误差与编队误差可实现渐近有界？
• RQ5 摄像头与雷达的相对测量在实现攻击检测与弹性控制中发挥何种作用？

主要发现

• 所提出的检测器成功利用三辆相邻车辆的相对测量值与本地创新识别出被攻击的车辆。
• 基于饱和的观测器确保在系统不确定性有界时，估计误差保持渐近有界。
• 分布式控制器实现了速度一致性，并维持了相邻车辆之间的固定期望距离。
• 在推导的条件下，编队误差被证明是渐近有界的，其上界依赖于系统参数与噪声水平。
• 数值仿真验证了所提方法在GPS欺骗攻击下维持编队稳定性的有效性。
• 理论分析表明，估计误差与编队误差均收敛至有界区域，其上界通过矩阵范数与特征值显式表征。