一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法与流程

本发明涉及一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法，可以解决干扰环境下航天器测控链路受到回放攻击的姿态系统高精度、高可靠控制。

背景技术：

随着航天技术的发展，越来越多精密的航天任务都需要航天器姿态控制系统具有较高的控制精度。然而，一方面由于空间环境复杂，航天器受到来自太阳辐射力矩、重力梯度力矩及磁干扰力矩等外部环境的干扰，这些干扰力矩都会使航天器姿态产生扰动；另一方面，随着外层空间逐渐成为当今世界各国维护国家安全和切身利益的战略制高点，空间对抗已经成为国家重要战略手段，航天器作为空间对抗中主要的攻击对象，其与地面系统之间的测控链路易受到敌方的回放攻击，使得地面系统接收到错误的量测信息，从而使地面系统做出错误的控制决策，进而导致航天器任务失败甚至坠毁。回放攻击的攻击过程主要分为三个步骤，第一步，使用网络监听的方法记录已往的量测信息的历史值；第二步，截获并擦除当前的量测信息；第三步，使用量测信息的历史值来代替其当前值。因此，研究回放攻击下的航天器抗干扰姿态控制方法具有重要意义。

传统的虚假信息检测技术中最大误差检测广泛的应用于静态模型系统中。中国专利申请号201310237995.9和中国专利申请号201410059572.7都采用了滤波器残差—卡方检测方法来检测最大误差。然而，当攻击者对系统的结构具有一定先验知识时，攻击方就可以将特定方向的偏差注入到系统中，并且不引起误差的变化。同样地，如果攻击者向我方回放量测信息的历史值，在一定条件下，误差不会改变，系统也就无法检测出攻击。中国专利申请号201510652179.3提出了一种卫星导航转发式欺骗攻击防御方法和装置，但转发式欺骗攻击与回放攻击不同的是，转发式欺骗攻击虽然向我方注入了量测信息的历史值，但并未将真实信号擦除，该专利选择信号发射世间最大的信号为真实信号，而回放攻击中，敌方不仅向我方回放量测信息的历史值，还擦除了真实的量测信息，使得系统无法获得真实的量测信息；中国专利申请号201010042089.x提出一种用于工业无线网络的防重放攻击系统，但该专利引入第三方检测模块，此种方法不仅增加了控制系统的复杂性，还会影响控制系统的快速性。综上所述，现有方法无法针对干扰环境下受到回放攻击的系统的控制问题，实现航天器姿态的高精度、高可靠控制。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：针对现有控制系统难以做到干扰环境下航天器测控链路受到回放攻击的姿态系统高精度控制，设计了一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法，具有抗干扰性强、自主性高的优点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法，针对航天器与地面系统之间测控链路受到回放攻击并且含有环境干扰的航天器姿态控制问题；首先，建立测控链路受回放攻击及平台受环境干扰的航天器姿态控制系统模型；其次，设计全阶观测器对航天器姿态控制系统状态与干扰所组成的增广系统进行观测，并利用观测器信息构造复合控制器；再次，为提供统一的框架分析回放攻击，针对上述增广系统构造虚拟系统及虚拟控制输入，进而检验航天器姿态控制系统是否可检测回放攻击；最后，在航天器姿态控制系统无法检测到回放攻击情况下，设计含有水印标记的控制器，构造出一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法。具体实施步骤如下：

第一步，建立测控链路受回放攻击及平台受环境干扰的航天器姿态控制系统模型σ1：

其中，x＝[x1x2]^t为系统状态，为系统状态的时间导数，θ、ψ分别为航天器的滚转角、俯仰角及偏航角，分别为滚转角速度、俯仰角速度及偏航角速度，y为量测输出，u＝[u1u2...un]^t为控制输入，ui为第i个控制输入，i＝1,2,3，y′为回放攻击信号，d为可建模环境干扰，满足α为正常值，c0为适当维数的系数矩阵，系数矩阵j为航天器转动惯量，j^-1为转动惯量矩阵j的逆矩阵，03×3和i3×3分别表示3阶零矩阵和3阶单位矩阵，非线性矩阵为已知的非线性函数，为非线性矩阵的关于时间t导数，ω为姿态绝对角速度，ω＝[ωxωyωz]^t，ωx、ωy、ωz分别为滚转通道、俯仰通道及偏航通道的绝对角速度，

外部环境干扰d可由如下外部模型描述σ2：

其中，ω为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵v为适维已知常值矩阵，ω0为已知常数。

第二步，设计全阶观测器对系统状态与干扰所组成的增广系统进行观测，并利用观测器信息构造复合控制器，具体实现如下：

定义增广状态z＝[xω]^t，则系统σ1可以转化成如下增广系统σ3的形式：

其中，为增广状态z的时间导数，系数矩阵e＝[i3×303×3]^t；

基于增广系统σ3设计的全阶观测器σ4为：

其中，l为全阶观测器的增益，为增广状态z的估计值，为系统状态x的估计值，为外部模型σ2状态ω的估计值，为的时间导数，为量测输出y的估计值。

根据全阶观测器σ4对增广状态z的估计值设计航天器抗干扰姿态控制器σ5为：

其中k为待设计的控制器增益，为外部可建模干扰d的估计值，k1＝[k03×2]，v1＝[03×6v]。

基于线性系统分离原理，全阶观测器的增益l及控制器增益k分别通过极点配置求解：

|si-(a-lc)|＝(s+ω1)ⁿ⁺²

|si-(a0+b0k)|＝(s+ω2)ⁿ

其中，s为复变量，i为适当维数的单位矩阵，n＞0为系统的阶次，|*|表示求解方阵的行列式，ω1、ω2为给定的常数，表示系统的带宽。

将航天器抗干扰姿态控制器σ5带入到全阶观测器σ4中，可得增广状态估计值的动态方程为：

第三步，为提供统一的框架分析回放攻击，针对上述增广系统构造虚拟系统及虚拟控制输入，进而检验系统是否可检测回放攻击，具体实现如下：

为了提供一个统一的框架来分析回放干扰y′，将回放干扰y′看作是如下虚拟系统σ6的输出：

其中，z′为虚拟系统σ4的增广状态，为z′的时间导数，u′为虚拟系统σ4的控制输入。

对构造出的虚拟系统σ6的设计全阶观测器为σ7：

其中，为虚拟系统增广状态z′的估计值，为虚拟系统量测输出y′的估计值，u′为虚拟系统的控制输入。

根据全阶观测器σ7对虚拟系统状态的估计，设计虚拟系统控制输入u′σ8为：

其中为虚拟系统状态x′的估计值，为虚拟系统中外部环境干扰d′的估计值，为虚拟系统中外部环境干扰模型状态ω′估计值。

将虚拟系统控制输入σ8带入到全阶观测器σ7中，可得虚拟系统增广状态估计值的动态方程为：

结合增广状态估计值及虚拟系统增广状态估计值的动态方程可得：

由式σ9可知，当矩阵a1＝a+b(k1-v1)+lc的特征根均具有负实部时，系统无法检测出回放攻击。

第四步在系统无法检测到回放攻击情况下，设计含有水印标记的控制器为：

其中，k为控制器增益，为系统状态x的估计值，为外部环境干扰d的估计值，ζ表示水印标志，为常值。

定义残差信号残差评估函数l定义如下：

当系统未受到回放攻击时，则γ表示阈值，为已知常数。

因此，可通过如下逻辑判断系统是否受到回放攻击：

一旦检测到系统的测控链路受到回放攻击，则航天器切换到自身姿态控制系统进行调姿。同时继续检测回放攻击，待敌方停止回放攻击后再使用地面系统进行姿态控制。

本发明与现有技术相比的优点在于：

本发明的一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法，针对现有航天器姿态控制系统无法做到航天器与地面控制系统之间测控链路受到回放攻击情况下航天器姿态系统的高精度抗干扰及高可靠性控制问题，设计全阶观测器对外部环境干扰进行估计和补偿，并针对航天器姿态控制系统无法检测到回放攻击的情况下，设计含有水印标志的控制器用以检测回放攻击，构造出一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法，使得控制系统不仅具有抗干扰性强、自主性高的特点还可实时检测系统是否受到回放攻击，从而实现航天器姿态的高精度、高可靠控制。

附图说明

图1为本发明一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

本发明所述的一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法设计步骤为：首先，建立测控链路受回放攻击及平台受环境干扰的航天器姿态控制系统模型；其次，设计全阶观测器对航天器姿态控制系统状态与干扰所组成的增广系统进行观测，并利用观测器信息构造复合控制器；再次，为提供统一的框架分析回放攻击，针对上述增广系统构造虚拟系统及虚拟控制输入，进而检验航天器姿态控制系统是否可检测回放攻击；最后，在航天器姿态控制系统无法检测到回放攻击情况下，设计含有水印标记的控制器，构造出一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法。具体实施步骤如下：

第一步，建立测控链路受回放攻击及平台受环境干扰的航天器姿态控制系统模型σ1：

其中，x＝[x1x2]^t为系统状态，为系统状态的时间导数，θ、ψ分别为航天器的滚转角、俯仰角及偏航角，取初值分别为0.003rad，0.01rad及0.03rad，分别为滚转角速度、俯仰角速度及偏航角速，初值均为0rad/s，y为量测输出，u＝[u1u2...un]^t为控制输入，ui为第i个控制输入，i＝1,2,3，y′为回放攻击信号，d为可建模环境干扰，取值为系数矩阵系数矩阵j为航天器转动惯量，取值为j^-1为转动惯量矩阵j的逆矩阵，03×3和i3×3分别表示3阶零矩阵和3阶单位矩阵，非线性矩阵为已知的非线性函数，具体表达式为：

ω3为常值的轨道角速度，取值为0.0012rad/s，lbo表示挠性航天器轨道坐标系到本体坐标系的坐标变换矩阵，具体表达式为：

为非线性矩阵的关于时间t导数，ω为姿态绝对角速度，ω＝[ωxωyωz]^t，ωx、ωy、ωz分别为滚转通道、俯仰通道及偏航通道的绝对角速度，

外部环境干扰d可由如下外部模型描述σ2：

其中，ω为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵

第二步，将上述控制系统模型转化成增广系统并构造虚拟系统，为分析回放攻击提供统一的框架，具体实现如下：

定义增广状态z＝[xω]^t，则系统σ1可以转化成如下增广系统σ3的形式：

其中，为增广状态z的时间导数，系数矩阵e＝[i3×303×3]^t；

基于增广系统σ3设计的全阶观测器σ4为：

其中，l为全阶观测器的增益，为增广状态z的估计值，为系统状态x的估计值，为外部模型σ2状态ω的估计值，为的时间导数，为量测输出y的估计值。

根据全阶观测器σ4对增广状态z的估计值设计航天器抗干扰姿态控制器σ5为：

其中k为待设计的控制器增益，为外部可建模干扰d的估计值，k1＝[k03×2]，v1＝[03×6v]。

全阶观测器的增益l及控制器增益k分别取值为：

将航天器抗干扰姿态控制器σ5带入到全阶观测器σ4中，可得增广状态估计值的动态方程为：

第三步，为提供统一的框架分析回放攻击，针对上述增广系统构造虚拟系统及虚拟控制输入，进而检验系统是否可检测回放攻击，具体实现如下：

为了提供一个统一的框架来分析回放干扰y′，将回放干扰y′看作是如下虚拟系统σ6的输出：

其中，z′为虚拟系统σ4的增广状态，为z′的时间导数，u′为虚拟系统σ4的控制输入。

对构造出的虚拟系统σ6的设计全阶观测器为σ7：

其中，为虚拟系统增广状态z′的估计值，为虚拟系统量测输出y′的估计值，u′为虚拟系统的控制输入。

根据全阶观测器σ7对虚拟系统状态的估计，设计虚拟系统控制输入u′σ8为：

其中为虚拟系统状态x′的估计值，为虚拟系统中外部环境干扰d′的估计值，为虚拟系统中外部环境干扰模型状态ω′估计值。

将虚拟系统控制输入σ8带入到全阶观测器σ7中，可得虚拟系统增广状态估计值的动态方程为：

结合增广状态估计值及虚拟系统增广状态估计值的动态方程可得：

由式σ9可知，当矩阵a1＝a+b(k1-v1)+lc的特征根均具有负实部时，系统无法检测出回放攻击。

第四步在系统无法检测到回放攻击情况下，设计含有水印标记的控制器为：

其中，k为控制器增益，为系统状态x的估计值，为外部环境干扰d的估计值，ζ表示水印标志，根据本实施案例的仿真取值为ζ＝[0.020.020.02]^t。

定义残差信号残差评估函数l定义如下：

当系统未受到回放攻击时，则γ表示阈值，本次实施案例取值为γ＝6×10^-6。

因此，可通过如下逻辑判断系统是否受到回放攻击：

一旦检测到系统的测控链路受到回放攻击，则航天器切换到自身姿态控制系统进行调姿。同时继续检测回放攻击，待敌方停止回放攻击后再使用地面系统进行姿态控制。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。