[论文解读] 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 4

一句话总结

SemperFi 是一种用于无人机的单天线 GPS 接收器，通过利用惯性传感器的稳定性与连续干扰消除技术，自主检测并消除欺骗信号，从而恢复合法的到达时间（ToA）信息。在持续长度小于 50 米的飞行机动下，该系统可在欺骗攻击发生后 10 秒内实现真实位置的恢复。

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.

研究动机与目标

• 解决无人机 GPS 面临的欺骗攻击这一关键漏洞，此类攻击可绕过传统检测与缓解技术。
• 实现在完全被强大敌对信号掩盖的情况下，自主恢复合法 GPS 信号的能力。
• 设计一种适用于单天线、商用现成（COTS）GPS 接收器的解决方案，无需密码基础设施或额外硬件。
• 克服现有欺骗检测方案在隐蔽、无缝接管攻击下失效的局限性。
• 开发一个即插即用的模块，生成无欺骗信号的 GPS 输出，可与任意 COTS GPS 接收器集成。

提出的方法

• 利用短时惯性测量单元（IMU）稳定性，将运动模式与 GPS 信号估计相关联，以检测欺骗信号。
• 实现一种欺骗峰值识别器（Adversarial Peak Identifier, API），基于 IMU 运动与 GPS 信号到达时间的相关性，区分欺骗信号与合法信号。
• 应用改进的连续干扰消除（SIC）算法，在抑制欺骗信号的同时保留合法 GPS 信号的真实到达时间（ToA）。
• 在合法信号恢复器（Legitimate Signal Retriever, LSR）中设计信号恢复机制，利用合法与欺骗信号的幅度、相位及时间估计值，重建正确的 ToA。
• 将系统集成至 GNSS-SDR（一种开源软件定义 GNSS 接收器）中，实现在 Jetson Xavier 等嵌入式平台上的实时运行。
• 在检测到欺骗攻击后，触发随机飞行机动（持续 10–20 秒，距离 <50 米），以增强信号区分能力并实现恢复。

实验结果

研究问题

• RQ1 单天线 GPS 接收器是否能在不依赖密码认证或额外硬件的前提下，检测并消除欺骗信号？
• RQ2 在动态飞行机动过程中，惯性传感器稳定性在区分欺骗信号与合法 GPS 信号方面能发挥多大作用？
• RQ3 连续干扰消除技术能否被适配，以在抑制强欺骗信号的同时保留合法 GPS 信号的到达时间（ToA）？
• RQ4 在强而隐蔽的欺骗攻击下，SemperFi 能在多短的时间内（例如 10 秒内）恢复真实 GPS 位置？
• RQ5 SemperFi 是否可作为即插即用模块部署于任意 COTS GPS 接收器上，提供无欺骗的定位服务？

主要发现

• SemperFi 成功利用长度小于 50 米的飞行机动识别敌对峰值，实现有效的欺骗检测。
• 在 Jetson Xavier 平台下，即使合法信号完全被强欺骗信号掩盖，系统仍可在 10 秒内恢复真实 GPS 位置。
• 系统对隐蔽且无缝的接管攻击具有鲁棒性，此类攻击可模拟惯性传感器误差以规避传统检测手段。
• 通过定制化的 SIC 算法，接收器在欺骗攻击期间仍能保持精确的定位，关键在于保留了合法卫星信号的到达时间（ToA）。
• 在真实无人机（如 DJI Flamewheel F450）、无人机模拟器及真实世界 GPS 数据集上的评估，证实了其在多样化场景下的稳健性能。
• 在 GNSS-SDR 中的开源实现促进了社区采纳与进一步研究，完整版本已公开发布供公众使用。