一种欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法

本发明涉及多无人系统，具体涉及一种欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法。

背景技术：

1、多无人系统由多个无人机、无人地面车辆、无人水下车辆以及其他类型的无人系统组成，它们协同工作以实现共同目标，例如在复杂动态环境中执行监视、侦察、搜救、救灾等任务，在民用、工业等领域具有广泛的应用前景。总的来说，多无人系统协同发展具有变革各种行业和显著影响社会的潜力。因此，有必要继续在这一领域进行研究，以促进对多无人系统协同中的挑战和机遇的理解，并开发新的解决方案来克服这些挑战。多无人系统协同控制技术即开发分布式控制策略，使无人系统之间能够通过通信协同工作以实现共同目标，是研究热点之一。

2、此外，多无人系统协同还涉及解决与系统可靠性和适应性相关的问题。这需要健壮的通信网络，但网络中不可避免出现有限带宽与安全等方面的问题，这会给系统的稳定性和目标的实现带来挑战，故提前在稳定性分析与控制器设计中考虑这些因素是十分有必要的。针对有限带宽的问题，量化是降低传输负担的一种流行而有效的方法，其优势在于需要较低的采样频率和计算能力，容易实现，并且节省成本。

3、网络安全中的研究焦点之一是网络攻击，主要包括拒绝服务攻击和欺骗攻击，欺骗攻击是当对手获得系统组件之间的通信访问权后，故意注入不准确的数据包，从而丧失了正常的网络服务，导致任务失败。

4、在具有欺骗攻击的状态下，对多无人系统进行协同安全控制，一方面应当考虑到有限带宽的问题，实现量化传输，提高传输效率，另一方面还应当考虑针对欺骗攻击进行安全控制，保证系统稳定运行，对于上述问题，目前国内外尚未有针对性的方案提出。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，能够在资源受限的通信网络中实现安全有效的数据传输、且可以在具有欺骗攻击的情况下保证系统的稳定性。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案为：欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，集群无人系统由n个无人系统组成，各无人系统之间通过一个有向图进行通信，有向图为从图中的任意一个节点出发，可达图中的任意一个节点；针对集群无人系统的自适应协同安全控制方法包括如下步骤：

3、步骤一：建立多无人系统模型。

4、步骤二：考虑欺骗攻击对网络传输的数据的影响，建立已有欺骗攻击模型。

5、步骤三：基于欺骗攻击模型，设计基于量化器的编解码机制，进而构造控制器。

6、步骤四：基于现有的标准lyapunov扩展定理，得到确保系统稳定的充分条件，在满足充分条件的基础上，采用控制器用于集群无人系统的自适应协同安全控制。

7、进一步地，步骤一中，所建立的多人系统模型具体为：

8、每个无人系统被建模如下

9、

10、其中，i＝1,,n为无人系统的个数，m＝1,,n-1为系统阶数，k为步长，为第i个无人系统的n阶系统状态，gi,m为第i个无人系统第m阶的未知增益常数，为第i个无人系统第m阶的未知非线性函数，ui(k)为第i个无人系统的第k个步长的控制输入，yi(k)为第i个无人系统第k个步长的输出。

11、进一步地，步骤二中，考虑欺骗攻击对网络传输的数据的影响，建立已有欺骗攻击模型

12、若无人系统j具备给无人系统i发送信息的能力，则无人系统j叫做无人系统i的邻居；如果无人系统(i,j)之间的网络受到欺骗攻击，则攻击者在第k步向发送方无人系统j发出的原有数据中注入一个有界的虚假数据接受方无人系统i收到的信息为

13、进一步地，步骤三中，基于欺骗攻击模型，设计基于量化器的编解码机制，进而构造控制器具体方法如下：

14、设计基于量化器的编解码机制，编码器的形式为

15、

16、其中，ξi,r(k)(r＝1,...,n)是第i个无人系统第r阶在第k步的编码器内部状态，xi,r(k)为前文的系统状态，这里作为编码器的输入，为第i个无人系统第r阶在第k步时的编码器输出，作为第i个无人系统待发出的原始数据，q定义为已有的均匀对数量化器；相应地，解码器的形式为

17、

18、其中，为无人系统i收到的邻居j的第r阶第k步时的信息，若无欺骗攻击，无人系统i收到的邻居j第r阶在第k步时的信息对欺骗攻击在第k步的补偿率若有欺骗攻击，无人系统i收到的邻居j第r阶在第k步的信息对欺骗攻击在第k步的补偿率其中，li为0到1之间的常数，ki为大于0的常数，为第i个无人系统的编码器对所有邻居j的解码器的误差，ai,j为无人系统i与j之间的通信权重，当无人系统i可以收到j的信息时，ai,j为0，否则不为0。ξi,1(k-1)为前文中第i个无人系统第1阶第k-1步的编码器状态，为第i个无人系统对无人系统j的第1阶第k-1步的解码器状态；

19、依赖以上的编解码机制，构造第i个无人系统的控制器

20、

21、其中，为第i个无人系统第n阶在k步时的更新率，φi,n(k)为第i个无人系统第n阶k步时的一个已知高斯非线性函数，li,n为0到1的参数，ki,n第i个无人系统中第n阶控制器参数，zi,n(k-1)＝ξi,n(k-1)-αi,n-1(k-1)，其中，ξi,n(k-1)为上述第i个无人系统编码器第n阶k-1步的状态，为中间变量，……依此递推，中间变量为第i个无人系统第1阶第k步的更新率为

22、其中

23、进一步地，步骤四中，基于现有的标准lyapunov扩展定理，得到确保系统稳定的充分条件，具体为：

24、0＜ri,m＜2,0＜li,m＜1,m＝1,...,n,0＜li＜1

25、

26、

27、

28、其中，ri,m,li,m，m＝1,...,n为满足上述条件的第i个无人系统第m阶的设计参数，ki,1,ki,β,ki,n，β＝2,...,n-1分别为满足上述条件的第i个无人系统第1,β,n阶的设计参数，分别为第i个无人系统未知增益gi,1,gi,β,gi,n的上界。

29、有益效果：

30、本发明提供的欺骗攻击下多无人系统的自适应协同安全控制器设计方法，首先利用基于量化的编解码技术，可以在资源受限的通信网络中实现安全高效的数据传输。而且，针对欺骗攻击，本发明构造的分布式自适应协同安全控制器，结合backstepping框架与标准lyapunov扩展定理，获得了确保系统稳定的充分条件，即，只要参数满足给出的充分条件，所设计的控制方案就可以保证系统的稳定性。

技术特征：

1.一种欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，其特征在于，所述集群无人系统由n个无人系统组成，各无人系统之间通过一个有向图进行通信，所述有向图为从图中的任意一个节点出发，可达图中的任意一个节点；针对所述集群无人系统的自适应协同安全控制方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，其特征在于，所述步骤一中，所建立的多人系统模型具体为：

3.如权利要求2所述的欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，其特征在于，所述步骤二中，考虑欺骗攻击对网络传输的数据的影响，建立已有欺骗攻击模型

4.如权利要求3所述的欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，其特征在于，所述步骤三中，基于所述欺骗攻击模型，设计基于量化器的编解码机制，进而构造控制器具体方法如下：

5.如权利要求4所述的欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，其特征在于，所述步骤四中，基于现有的标准lyapunov扩展定理，得到确保系统稳定的充分条件，具体为：

技术总结
本发明公开了一种欺骗攻击下集群无人系统的自适应协同安全控制方法，涉及多无人系统技术领域，能够在资源受限的通信网络中实现安全有效的数据传输、且可以在具有欺骗攻击的情况下保证系统的稳定性。其中集群无人系统由N个无人系统组成，各无人系统之间通过一个有向图进行通信；针对集群无人系统的自适应协同安全控制方法包括如下步骤：建立多无人系统模型。考虑欺骗攻击对网络传输的数据的影响，建立已有欺骗攻击模型。基于欺骗攻击模型，设计基于量化器的编解码机制，进而构造控制器。基于现有的标准Lyapunov扩展定理，得到确保系统稳定的充分条件，在满足充分条件的基础上，采用控制器用于集群无人系统的自适应协同安全控制。

技术研发人员：徐勇,张砚晖,孙健,窦丽华
受保护的技术使用者：北京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15