本发明涉及一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法，针对期望轨迹信号在传输过程中受虚假信息注入攻击的无人机安全控制问题，首先，对注入到期望轨迹信号中的虚假信息按特性进行分类建模；其次，通过分析期望轨迹信号作用到无人机控制通道中的传递机理，建立虚假信息注入攻击影响下的无人机控制系统模型；再次，根据作用到无人机控制通道中虚假信息的模型特征，分别设计攻击观测器，对虚假信息进行估计，并求解观测器增益；最后，根据攻击观测器输出值，设计复合期望轨迹信号。本发明具有抗攻击能力强、可靠性高的特点，适用于无人机期望轨迹信号被攻击情形下的安全控制。
1.一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法，其特征在于包括以下步骤：第一步，对注入到期望轨迹信号中的虚假信息按特性进行分类建模；
第二步，通过分析期望轨迹信号作用到无人机控制通道中的传递机理，建立虚假信息注入攻击影响下的无人机控制系统模型；
第三步，根据作用到无人机控制通道中虚假信息的模型特征，分别设计攻击观测器，对虚假信息进行估计，并求解观测器增益；
第四步，根据攻击观测器输出值，设计复合期望轨迹信号；
无人机期望轨迹信号在通过通信链路传输过程中，受到攻击者发动的虚假信息注入攻击时，无人机接收到的被攻击的期望轨迹信号pa描述为pa＝pd+xa+γa；其中pd表示期望的期望轨迹信号，χa和γa分别表示可建模未知攻击及偏置攻击，其攻击模型由如下外部模型描述：
其中，ωa为外部模型∑1的状态， 为ωa的一阶时间导数，系数矩阵 Va为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数；γ∞表示偏置攻击稳态值， 为γa的一阶时间导数，为已知常数；
其中，ep＝pd‑p表示无人机位置状态p＝[px，py，pz]与期望轨迹信号pd之间的误差，px，T
py，pz分别表示无人机在x，y，z方向的位置状态，m表示无人机的质量，G＝[0，0，mg] ，g表示重力加速度，Kp和Kv表示控制器增益； 表示期望轨迹的二阶导数， 表示无人机速度状态v与期望速度 之间的误差；期望轨迹信号受攻击后，攻击影响下的控制器表示为：其中， 表示映射在控制器的攻击影响，偏置攻击影响和可建模未知攻击影响 可以表示为：其中， 为χa的一阶时间导数， 和 分别表示γa和xa的二阶时间导数，分别表示偏置攻击在x，y，z方向的影响， 分别表示可建模未知攻击在x，y，z方向的影响；
结合外部模型∑1和攻击影响∑3，可建模未知攻击影响 重新表示为：2
其中，Θ＝m(KpVa+KvVaWa+VaWa)，偏置攻击影响 满足：其中||·||表示·的范数；
其中，v＝[vx，vy，vz]表示无人机速度状态；vx，vy，vz分别表示无人机在x，y，z三个方向的速度分量，和 分别表示p和v的一阶时间导数。
2.根据权利要求1所述的一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法，其特征在于：所述第三步具体实现如下：针对攻击影响下的无人机控制系统模型∑5，为实现可建模未知攻击影响Fχa的估计，设计如下形式的攻击观测器∑6：其中 以及 分别表示 ωa以及 的估计值；La和zχa表示攻击观测器∑6的观测增益及辅助变量， 表示zχa的一阶时间导数；
为实现偏置攻击影响 的估计，设计如下形式的攻击观测器∑7：其中Ha和zγa表示攻击观测器∑7的观测增益及辅助变量， 表示zγa的一阶时间导数；
攻击观测器增益La和Ha的求解取遵循如下不等式：T
其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置X之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素， 参数α＞0和β＞0均为待选取常数；P和Q为待求取适T ‑1
维矩阵，攻击观测器增益La和Ha的选取原则为[La Ha]＝P Q。
3.根据权利要求1所述的一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法，其特征在于：
所述第四步中根据攻击观测器的输出，复合期望轨迹信号：其中p′d表示复合期望轨迹信号， 表示攻击信号xa的估计值，表示攻击信号γa的估计值。
一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法，可以实现对注入到期望轨迹信号中的虚假信息攻击按特性进行攻击建模分析与估计补偿，可用于期望轨迹信
号被攻击情形下的无人机安全控制。
背景技术
[0002] 近些年，随着信息、控制、通信等领域的不断发展及相互融合，带动了无人机产业的飞速发展，使得无人机在军事和民用领域都发挥着巨大的作用。然而，由于无人机系统开
放的通信机制，使得无人机在通过通信链路传输信息过程中容易受到恶意攻击。2011年伊
朗通过干扰美国RQ‑170的GPS信号，成功捕获该无人机。无人机系统在接收地面控制站期望
轨迹信号、卫星导航信号以及与其他无人机通信时均需通过通信链路来传输信号。与此同
时，攻击者可以发动以破坏信息可用性或完整性为目的的不同类型的攻击。因此，无人机系
统的安全问题得到了越来越多的关注。
[0003] 目前，针对期望轨迹信号在通过通信链路传输过程中受到虚假信息注入攻击的无人机安全问题，中国专利申请号201811453386.6提出了一种虚假信息注入时的最优跟踪控
制器设计方法。该专利采用博弈论和Q‑学习的自适应动态规划算法实现无人机最优跟踪控
制。但该方法仅能通过最优算法抑制虚假信息注入攻击的影响，不具备攻击影响补偿能力。
中国专利申请号201810261712.7提出了一种执行机构受损下的航天器抗干扰姿控方法。该
专利设计学习观测器对执行机构攻击进行估计与补偿，但该专利一方面没有分析攻击映射
到执行机构的传递机理及对攻击影响建模；另一方面学习观测器的估计精度依赖于学习时
间间隔。综上所述，通信链路受到攻击后的无人机安全问题亟待解决。然而，通信链路攻击
映射到控制系统的传递机理及对控制系统的影响对无人机安全控制带来挑战，需对不同模
式的攻击进行建模并分析攻击影响，实现对不同模式攻击影响的精确估计与补偿，从而提
升无人机系统的安全性。
发明内容
[0004] 本发明的技术解决问题是针对一类期望轨迹信号在传输过程中受虚假信息注入攻击的无人机安全控制问题，设计了一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法，具
有抗攻击能力强、可靠性高的优点。
[0005] 本发明及技术解决方案为：针对期望轨迹信号在传输过程中受虚假信息注入攻击的无人机安全控制问题，首先，对注入到期望轨迹信号中的虚假信息按特性进行分类建模；
其次，通过分析期望轨迹信号作用到无人机控制通道中的传递机理，建立虚假信息注入攻
击影响下的无人机控制系统模型；再次，根据作用到无人机控制通道中虚假信息的模型特
征，分别设计攻击观测器，对虚假信息进行估计，并求解观测器增益；最后，根据攻击观测器
输出值，设计复合期望轨迹信号。具体实施步骤如下：
[0006] 第一步，对注入到期望轨迹信号中的虚假信息按特性进行分类建模：
[0007] 无人机期望轨迹信号(是指发送给无人机的，用于导航的轨迹数据信号)在通过通信链路传输过程中，易受到攻击者发动的虚假信息注入攻击(这种注入攻击是指期望轨迹
信息被攻击信号更改)。无人机接收到的被攻击的期望轨迹信号pa可以描述为pa＝pd+χa+
γa。其中pd表示期望的期望轨迹信号，χa和γa分别表示可建模未知攻击及偏置攻击，所述
偏置攻击是指在期望轨迹信号的基础上叠加一个常值信号，造成期望轨迹信号改变，其攻
击模型由如下外部模型描述：
[0008]
[0009]
[0010] 其中，ωa为外部模型Σ1的状态， 为ωa的一阶时间导数，系数矩阵Va为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数。γ∞表示偏置攻击稳态值， 为γa的一阶时间导
数， 为已知常数。
[0011] 第二步，通过分析期望轨迹信号作用到无人机控制通道中的传递机理，建立虚假信息注入攻击影响下的无人机控制系统模型：
[0012] 为了实现无人机的稳定控制，设计如下标称控制器：
[0013]
[0014] 其中，ep＝pd‑p表示无人机位置状态p＝[px,py,pz]T与期望轨迹信号pd之间的误T
差，px，py，pz分别表示无人机在x，y，z方向的位置状态，m表示无人机的质量，G＝[0,0,mg] ，
g表示重力加速度，Kp和Kv表示控制器增益； 表示期望轨迹的二阶导数， 表示无
人机速度状态v与期望速度 之间的误差。
[0015] 期望轨迹信号受攻击后，攻击影响下的控制器可以表示为：
[0016]
[0017] 其中，Fa＝Fγa+Fχa表示映射在控制器的攻击影响，偏置攻击影响和可建模未知攻击影响 可以表示为：
[0018]
[0019] 其中， 为χa的一阶时间导数， 和 分别表示γa和χa的二阶时间导数，分别表示偏置攻击在x，y，z方向的影响， 分别表示可建模未知
攻击在x，y，z方向的影响；
[0020] 结合外部模型Σ1和攻击影响Σ3，可建模未知攻击影响 可以重新表示为：
[0021]
[0022] 其中，Θ＝m(KpVa+KvVaWa+VaWa2)。偏置攻击影响Fγa满足：
[0023]
[0024] 其中||·||表示·的范数。
[0025] 攻击影响下的无人机控制系统模型表示为：
[0026]
[0027] 其中，v＝[vx,vy,vz]T表示无人机速度状态；vx，vy，vz分别表示无人机在x，y，z三个方向的速度分量， 和 分别表示p和v的一阶时间导数。
[0028] 第三步，根据作用到无人机控制通道中虚假信息的模型特征，分别设计攻击观测器，对虚假信息进行估计，并求解观测器增益：
[0029] 针对攻击影响下的无人机控制系统模型Σ5，为实现可建模未知攻击影响Fχa的估计，设计如下形式的攻击观测器Σ6：
[0030]
[0031] 其中 以及 分别表示 ωa以及 的估计值。La和zχa表示攻击观测器Σ6的观测增益及辅助变量， 表示zχa的一阶时间导数。
[0032] 为实现偏置攻击影响 的估计，设计如下形式的攻击观测器Σ7：
[0033]
[0034] 其中Ha和zγa表示攻击观测器Σ7的观测增益及辅助变量， 表示zγa的一阶时间导数。
[0035] 攻击观测器增益La和Ha的求解取遵循如下不等式：
[0036]
[0037] 其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素， 参数α＞0和β＞0均为待选取常数。P和Q为
T ‑1
待求取适维矩阵，攻击观测器增益La和Ha的选取原则为[La Ha]＝P Q。
[0038] 第四步，根据攻击观测器的输出，复合期望轨迹信号：
[0039]
[0040] 其中p′d表示复合期望轨迹信号， 表示攻击信号χa的估计值，表示攻击信号γa的估计值。
[0041] 本发明与现有技术相比的优点在于：
[0042] 本发明针对无人机期望轨迹信号在传输过程中受到虚假信息注入攻击的安全控制问题，通过对注入在期望轨迹信号中的攻击按其特性进行分类建模，分析攻击作用在控
制系统中的传递机理，并利用攻击观测器和复合期望轨迹信号完成对攻击影响的估计及补
偿，实现无人机系统的安全控制，适用于期望轨迹信号被攻击下的无人机系统安全控制。
附图说明
[0043] 图1为本发明一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法的设计流程图。
具体实施方式
[0044] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于
本发明中的实施例，本领域的普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其
他实施例，都属于本发明的保护范围。
[0045] 如图1所示，本发明所述的一种期望轨迹信号攻击下的无人机安全控制方法设计步骤为：首先，对注入到期望轨迹信号中的虚假信息按特性进行分类建模；其次，通过分析
期望轨迹信号作用到无人机控制通道中的传递机理，建立虚假信息注入攻击影响下的无人
机控制系统模型；再次，根据作用到无人机控制通道中虚假信息的模型特征，分别设计攻击
观测器，对虚假信息进行估计，并求解观测器增益；最后，根据攻击观测器输出值，设计复合
期望轨迹信号。
[0046] 具体实施步骤如下：
[0047] 第一步，对注入到期望轨迹信号中的虚假信息按特性进行分类建模：
[0048] 无人机期望轨迹信号在通过通信链路传输过程中，易受到攻击者发动的虚假信息注入攻击。无人机接收到的被攻击的期望轨迹信号pa可以描述为pa＝pd+χa+γa。其中pd表示
期望的期望轨迹信号，χa和γa分别表示可建模未知攻击及偏置攻击，其攻击模型由如下外
部模型描述：
[0049]
[0050]
[0051] 其中，ωa为外部模型Σ1的状态， 为ωa的一阶时间导数，系数矩阵Va为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数。γ∞表示偏置攻击稳态值， 为γa的一阶时间导
数， 为已知常数。
[0052] 在本实施案例，期望位置期望轨迹信号pd＝[0.75sin(t) 0.75cos(t) 0]T，可建模未知攻击χa的系数矩阵取值为 偏置攻击γa的系数矩阵
T
取值为 γ∞＝[0.5 0.5 0.5]。
[0053] 第二步，通过分析期望轨迹信号作用到无人机控制通道中的传递机理，建立虚假信息注入攻击影响下的无人机控制系统模型：
[0054] 为了实现无人机的稳定控制，设计如下标称控制器：
[0055]
[0056] 其中，ep＝pd‑p表示无人机位置状态p＝[px,py,pz]T与期望轨迹信号pd之间的误T
差，px，py，pz分别表示无人机在x，y，z方向的位置状态，m表示无人机的质量，G＝[0,0,mg] ，
g表示重力加速度，Kp和Kv表示控制器增益； 表示期望轨迹的二阶导数， 表示无
人机速度状态v与期望速度 之间的误差。
[0057] 期望轨迹信号受攻击后，攻击影响下的控制器可以表示为：
[0058]
[0059] 其中， 表示映射在控制器的攻击影响，偏置攻击影响和可建模未知攻击影响 可以表示为：
[0060]
[0061] 其中， 为χa的一阶时间导数， 和 分别表示γa和χa的二阶时间导数，分别表示偏置攻击在x，y，z方向的影响， 分别表示可建模未
知攻击在x，y，z方向的影响；
[0062] 结合外部模型Σ1和攻击影响Σ3，可建模未知攻击影响 可以重新表示为：
[0063]
[0064] 其中，Θ＝m(KpVa+KvVaWa+VaWa2)。偏置攻击影响Fγa满足：
[0065]
[0066] 其中||·||表示·的范数。
[0067] 攻击影响下的无人机控制系统模型表示为：
[0068]
[0069] 其中，v＝[vx,vy,vz]T表示无人机速度状态；vx，vy，vz分别表示无人机在x，y，z三个方向的速度分量，和 分别表示p和v的一阶时间导数。
[0070] 在本次实施方案中，选取 m＝1.121Kg。
[0071] 第三步，根据作用到无人机控制通道中虚假信息的模型特征，分别设计攻击观测器，对虚假信息进行估计，并求解观测器增益：
[0072] 针对攻击影响下的无人机控制系统模型Σ5，为实现可建模未知攻击影响Fχa的估计，设计如下形式的攻击观测器Σ6：
[0073]
[0074] 其中 以及 分别表示 ωa以及 的估计值。La和zχa表示攻击观测器Σ6的观测增益及辅助变量， 表示zχa的一阶时间导数。
[0075] 为实现偏置攻击影响 的估计，设计如下形式的攻击观测器Σ7：
[0076]
[0077] 其中Ha和zγa表示攻击观测器Σ7的观测增益及辅助变量， 表示zγa的一阶时间导数。
[0078] 攻击观测器增益La和Ha的求解取遵循如下不等式：
[0079]
[0080] 其中，sym(X)表示矩阵X与其自身转置XT之和，符号*表示上式对称矩阵中相应的对称元素， 参数α＞0和β＞0均为待选取常数。P和Q为
T ‑1
待求取适维矩阵，攻击观测器增益La和Ha的选取原则为[La Ha]＝P Q。
[0081] 在本次实施方案中，选取α＝0.1，β＝1，
[0082] 第四步，根据攻击观测器的输出，复合期望轨迹信号：
[0083]
[0084] 其中p′d表示复合期望轨迹信号， 表示攻击信号χa的估计值，表示攻击信号γa的估计值。
[0085] 尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，且应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技
术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些
变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
