[發(fā)明專利]一種面向混合攻擊下的信息物理系統(tǒng)可靠控制方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910835273.0
• 申請(qǐng)日: 2019-09-05
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110531621B
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-11-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭雷;谷亞培;喬建忠;許昱涵;朱玉凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué)
• 主分類號(hào): G05B13/04
• 分類號(hào): G05B13/04
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 安麗;楊學(xué)明

本發(fā)明涉及一種面向混合攻擊下的信息物理系統(tǒng)可靠控制方法，針對(duì)一類感知執(zhí)行層和數(shù)據(jù)傳輸層均受攻擊的信息物理系統(tǒng)控制問(wèn)題，首先，建立混合攻擊下信息物理系統(tǒng)面向控制的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)信息物理系統(tǒng)受到的攻擊進(jìn)行數(shù)學(xué)表征；其次，通過(guò)構(gòu)建輔助狀態(tài)變量，將系統(tǒng)量測(cè)信息擴(kuò)張為系統(tǒng)狀態(tài)變量，構(gòu)造增廣系統(tǒng)；再次，針對(duì)增廣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)攻擊觀測(cè)器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸層攻擊實(shí)時(shí)估計(jì)，并求解攻擊觀測(cè)器增益；最后，根據(jù)攻擊觀測(cè)器的輸出值設(shè)計(jì)復(fù)合控制器，并完成對(duì)控制器增益的求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合攻擊下信息物理系統(tǒng)的可靠控制。本發(fā)明具有抗攻擊能力強(qiáng)、可靠性高的特點(diǎn)，適用于感知執(zhí)行層和數(shù)據(jù)傳輸層同時(shí)受到攻擊下的信息物理系統(tǒng)的安全控制。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種面向混合攻擊下的信息物理系統(tǒng)可靠控制方法，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸層攻擊及感知執(zhí)行層攻擊的實(shí)時(shí)估計(jì)與抵消，可用于混合攻擊下的信息物理系統(tǒng)的高可靠控制。

背景技術(shù)

隨著通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及控制技術(shù)的發(fā)展及相互融合，信息物理系統(tǒng)、應(yīng)運(yùn)而生。目前大多數(shù)信息物理系統(tǒng)，如智能電網(wǎng)、航天領(lǐng)域，都是關(guān)系到國(guó)家安全及民生領(lǐng)域的重要設(shè)施，這些系統(tǒng)的安全性及可靠性往往會(huì)受到攻擊者的的威脅。信息物理系統(tǒng)的一個(gè)典型特征是控制層與感知執(zhí)行層之間需要通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸層進(jìn)行通信，因此針對(duì)信息物理系統(tǒng)的攻擊，攻擊者通過(guò)獲取通信鏈路中傳感器信息，并對(duì)其進(jìn)行篡改，從而實(shí)現(xiàn)欺騙控制層的目的，最終導(dǎo)致系統(tǒng)控制性能下降甚至崩潰。

目前，針對(duì)信息物理系統(tǒng)抗攻擊控制問(wèn)題，中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01810225313.5提出了一種測(cè)控鏈路受回放攻擊的航天器抗干擾姿控方法，該專利是將水印信號(hào)疊加在控制信號(hào)中，用以檢測(cè)通信鏈路中的重放攻擊，但并未對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行抗攻擊控制，且疊加的水印信號(hào)會(huì)降低系統(tǒng)的控制性能；中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?01810436189.7提出了一種空間對(duì)抗環(huán)境下傳感器受攻擊的航天器姿控方法，該專利結(jié)合輸出濾波器和學(xué)習(xí)觀測(cè)器對(duì)傳感器攻擊進(jìn)行估計(jì)，但該方法一方面無(wú)法明確傳感器攻擊的時(shí)變特性；另一方面學(xué)習(xí)觀測(cè)器的估計(jì)精度依賴于學(xué)習(xí)時(shí)間間隔。綜上所述，目前針對(duì)信息物理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸層及感知執(zhí)行層抗攻擊控制的研究較少，因此亟需解決信息物理系統(tǒng)中混合攻擊下的高可靠性控制問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是針對(duì)對(duì)抗環(huán)境下，信息物理系統(tǒng)的感知執(zhí)行層受到范數(shù)有界干擾的攻擊和數(shù)據(jù)傳輸層受可建模干擾的攻擊問(wèn)題，提供一種面向混合攻擊下的信息物理系統(tǒng)可靠控制方法，具有抗攻擊能力強(qiáng)、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明及技術(shù)解決方案為：針對(duì)一類感知執(zhí)行層和數(shù)據(jù)傳輸層均受攻擊的信息物理系統(tǒng)控制問(wèn)題，首先，建立混合攻擊下信息物理系統(tǒng)面向控制的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)信息物理系統(tǒng)受到的攻擊進(jìn)行數(shù)學(xué)表征；其次，通過(guò)構(gòu)建輔助狀態(tài)變量，將量測(cè)信息擴(kuò)張為系統(tǒng)狀態(tài)變量，構(gòu)造增廣系統(tǒng)；再次，針對(duì)增廣系統(tǒng)，設(shè)計(jì)攻擊觀測(cè)器對(duì)數(shù)據(jù)傳輸層攻擊實(shí)時(shí)估計(jì)，并求解攻擊觀測(cè)器增益；最后，根據(jù)攻擊觀測(cè)器的輸出值設(shè)計(jì)復(fù)合控制器，并完成對(duì)控制器增益的求解，實(shí)現(xiàn)對(duì)混合攻擊下信息物理系統(tǒng)的可靠控制。具體實(shí)施步驟如下：

第一步，建立混合攻擊下信息物理系統(tǒng)面向控制的動(dòng)力學(xué)模型，并對(duì)信息物理系統(tǒng)受到的攻擊進(jìn)行數(shù)學(xué)表征：

建立混合攻擊下信息物理系統(tǒng)面向控制的動(dòng)力學(xué)模型∑₁為：

其中，t表示時(shí)間，x(t)為信息物理系統(tǒng)狀態(tài)變量，為系統(tǒng)狀態(tài)變量的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，y(t)為信息物理系統(tǒng)量測(cè)信息，u(t)為控制輸入；ξ(t)為信息物理系統(tǒng)感知執(zhí)行層攻擊，為范數(shù)有界攻擊，η(t)為信息物理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸層攻擊，由外部模型描述；A、B、B₁為適維的已知常值系數(shù)矩陣；

信息物理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸層攻擊η(t)由如下外部模型描述∑₂：

其中，ω(t)為外部模型的狀態(tài)，為外部模型狀態(tài)的時(shí)間導(dǎo)數(shù)，系數(shù)矩陣V為適維已知常值矩陣，ω₀為已知常數(shù)。