Detection and Mitigation of GNSS Spoofing Attacks in Maritime Environments Using a Genetic Algorithm

كشف هجمات انتحال GNSS في البيئات البحرية والتخفيف منها باستخدام خوارزمية جينية

👤 Saravjeet Singh, Jaiteg Singh, Sukhjit Singh, S. B. Goyal, Maria Simona Raboaca, Chaman Verma, George Suciu 📄 Mathematics, 2022 · Vol. 10(21), 4097 🔗 10.3390/math10214097 ✓ CC BY 4.0

الملخص

نظرًا للاعتماد الكبير للأنشطة اليومية على النظام العالمي للملاحة بالأقمار الصناعية (GNSS)، يُعد أمنه أحد الشواغل الرئيسية للبحث والصناعة. تستخدم معظم خدمات الملاحة والخدمات القائمة على الموقع عبر الأجهزة المحمولة نظام GNSS لتقديم خدماتها. ونظرًا لضعف الطاقة وسهولة الوصول إلى إشارات GNSS، فهي عرضة للانتحال وأنواع أخرى من الهجمات. وقد حُددت مؤخرًا العديد من هجمات انتحال GNSS في بيئات الطرق والبيئات البحرية. تقدم هذه الدراسة تقنية لكشف هجوم انتحال GNSS في البيئة البحرية والتصدي له. تستخدم هذه التقنية نموذج المراقبة الذاتية لسلامة المستقبل (RAIM) مع تقدير المربعات الصغرى (LSE) والتحكم التناسبي التكاملي التفاضلي (PID) لكشف هجوم الانتحال. وتستند التقنية المقترحة إلى مفهوم الخوارزمية الجينية وأجهزة الملاحة مثل الحساسات القصورية وخيارات الربان للسفينة. وتُقدم دراسة حالة باستخدام مجموعة بيانات AIS ومحاكاة باستخدام MATLAB وNS3 للتحقق من أداء النهج المقترح. ودُرست تسع رحلات مختلفة من مجموعة بيانات AIS للتحقق من دقة الخوارزمية المقترحة وأدائها. وحُللت دقة التقنية المقترحة باستخدام الهجمات المحددة بشكل صحيح. وأظهرت النتيجة أن التقنية المقترحة تحدد هجمات الانتحال بنسبة بلغت 90٪ في المتوسط. ولتحليل النتائج، اجتُيزت المسارات التسعة المدروسة عدة مرات. واستُخدم جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) لحساب عدم تطابق الموضع (معدل الخطأ). وبناءً على تحليل النتائج المجمعة، بلغ متوسط RMSE مقدار 0.28. وفي أفضل سيناريو، يوفر النهج المقترح قيمة RMSE تبلغ 0.009.

I. المقدمة

يؤثر النقل البحري (الذي يُسمى أيضًا الاقتصاد الأزرق) تأثيرًا كبيرًا على الحياة الاقتصادية والاجتماعية، إذ لا توفر الطرق البحرية فضاءً للتجارة فحسب، بل تخلق أيضًا فرصًا للسياحة والنقل والإبحار. وتستفيد المناطق الساحلية كثيرًا في التنمية الاقتصادية ونمو الناتج المحلي الإجمالي من الاستخدام المتزايد للنقل البحري. وتعتمد السفن البحرية اعتمادًا كبيرًا على الرقمنة وتقنيات المعلومات والتشغيل لأغراض الملاحة، وهذه التقنيات الداعمة تعتمد بشدة على الإنترنت، مما يجعلها هدفًا محتملًا للهجمات السيبرانية. ووفقًا لتقرير المخاطر العالمية للمنتدى الاقتصادي العالمي لعامي 2020 و2021، تُعد المخاطر السيبرانية من بين أكبر عشرة مخاطر، واحتل أمن السفن والمخاطر المرتبطة بها المرتبة الخامسة في تقرير عام 2020. ووفقًا لتقرير Maritime Insight، زادت الهجمات السيبرانية على السفن 900 ضعف في السنوات الثلاث الماضية، ويُعد الحرمان من التكنولوجيا التشغيلية الخطر الرئيسي المرتبط بأي هجوم سيبراني يستهدف الآلات البحرية.

نظرًا لضعف إشارات GNSS، يمكن لمصدر تشويش صغير أن ينتحل إشارات GNSS بسهولة ببيانات زائفة. ويُعرف التعطيل المتعمد لإشارة GNSS باستبدالها بإشارة زائفة بالانتحال. ويُعد انتحال GNSS والتشويش عليه من هجمات التكنولوجيا التشغيلية التي واجهتها السفن لسنوات، إذ تسبب الإشارات المنتحلة تقديرًا خاطئًا للموضع وتقود سفينة الشحن لاحقًا إلى مسار خاطئ، وقد تكون لانتحال GNSS عواقب وخيمة تصل إلى خسائر اقتصادية. وقد شهدت السنوات الماضية هجمات انتحال وتشويش عديدة على النقل البحري، مثل هجومي البحر الأسود ومضيق ملقا. ومعظم تقنيات كشف الانتحال والتخفيف منه القائمة تستند إلى خصائص الإشارة والتشفير، وهي معتمدة كليًا على الأجهزة، فيرتبط أداؤها مباشرة بالأجهزة وخصائص الإشارة، وقد تصبح التقنيات المادية لكشف الانتحال عتيقة مع مرور الزمن والتطورات التقنية.

نظرًا لضعف الطاقة وسهولة الوصول إلى إشارات GNSS، فهي عرضة للانتحال وأنواع أخرى من الهجمات، وتستخدم معظم خوارزميات الكشف والتخفيف في البيئات البحرية مفاهيم التشفير وتداخل الإشارات والأجهزة، بينما تستند دراسات قليلة جدًا إلى حلول برمجية. وفي هذه الدراسة جرت محاولة لكشف هجوم انتحال GNSS والتخفيف منه باستخدام الخوارزميات الجينية، إذ يمكن للنهج البرمجي في كشف أي هجوم انتحال وتصحيحه أن يساعد في التخفيف من هجمات الانتحال، كما أن الحلول البرمجية أسهل بكثير في الترقية والضبط والتخصيص مقارنة بالأنظمة المبنية على العتاد. ونقترح نهجًا يستخدم مكونًا ملاحيًا مساعدًا مع المراقبة الذاتية لسلامة المستقبل وخوارزمية جينية لكشف هجوم انتحال GNSS والتخفيف منه. وتتمثل الإسهامات الجديدة لهذه الدراسة في: كشف انتحال GNSS باستخدام RAIM وPID، والتخفيف من انتحال GNSS باستخدام خوارزمية جينية، واستخدام خوارزمية الالتواء الزمني الديناميكي (DTW) مع قراءة الحساسات وزاوية الدفة لدالة الملاءمة.

II. مسح الأدبيات

حظي انتحال GNSS وأمنه بالاهتمام نظرًا لتزايد اعتماد الأنشطة البشرية على GNSS، إذ إن ضعف الطاقة والتوافر العام وسهولة استخدام إشارات GNSS يمكّن أجهزة التداخل منخفضة الطاقة من تشويش إشارات GNSS أو انتحالها بسهولة. وأجرى وارنر وجونسون أول تجربة لكشف انتحال GNSS باستخدام القمر الصناعي GS720 في الملاحة البرية [13]، ثم صُممت تقنيات عديدة لكشف هجمات الانتحال والتصدي لها. وتُصنف تقنيات كشف الانتحال في أربعة أقسام: النهج التشفيرية التي تستخدم الشيفرة الضوضائية الزائفة (PRN) والمفاتيح السرية [14–16]، والنهج القائمة على سمات الإشارة مثل قوة الإشارة والمكونات والمحاذاة الطورية والتصفير المكاني ودالة الارتباط مع انحياز الساعة أو قيمة التحكم التلقائي في الكسب (AGC) [17–19]، والنهج القائمة على الملاحة المساعدة التي تستخدم الموضع والسرعة والزمن (PVT) مع Wi-Fi والحساسات القصورية والأنظمة الخلوية [20–23]، والنهج القائمة على الخصائص المكانية والهندسية مثل عدد الأقمار واتجاه الإشارة وعددها وزاوية الوصول [24–26]. وإلى جانب الأجهزة الإضافية وتشفير الإشارات وأساليب أمن الطيف والمصادقة، حُدد تداخل إشارات GNSS باستخدام قوة الإشارة ومصفوفة ارتباط المسافة وتقنيات التضمين الترددي [15, 16]، وكلها تقنيات معتمدة على الأجهزة وترددات الإشارات وأنماط الانتقال.

حُددت شذوذات حركة السفن باستخدام بيانات المسارات وأنماطها، إذ عُدّت مسارات السفن مؤشرًا تنبؤيًا بالحركة الشاذة للسفن وسُجلت الشذوذات في المسارات التي تختارها السفن [24]، واستُخدم نوع السفينة وعدد التوقفات والسرعة ونمط الحركة أيضًا لتحديد شذوذات المسار [28]. وتستخدم السلطات البحرية نظام AIS لإدارة حركة السفن والمساعدة في تحديد الموقع بناءً على المعلومات المنقولة (كالسرعة والنوع والعدد)، وبسبب طبيعة AIS المفتوحة ذاتية الإبلاغ، استهدفت أنشطة انتحال عديدة السفن عبر استغلال نظام AIS، فطوّر المجتمع البحثي تقنيات عديدة لكشف الانتحال القائم على AIS تستند إلى بيانات الرادار وطرق حساب المسافة وتقدير موضع AIS والسرعة وأنماط انبعاث بيانات AIS [29–34]. وتتمثل التحديات والفجوات البحثية الرئيسية في: صعوبة التمييز بين هجوم انتحال GNSS الحقيقي والانحراف عن المسار الفعلي بسبب أخطاء الحسابات، واعتماد معظم التقنيات على سلوكيات الإشارات والسمات الهندسية والمكانية والتشفير، ووجود نهج الملاحة المساعدة الذي يستخدم أجهزة ملاحية إضافية كالشبكة الخلوية وWi-Fi والحساس القصوري. وفي هذه التجربة، أُنجز كشف انتحال GNSS والتخفيف منه بإجراءين مختلفين: الكشف باستخدام RAIM والحساسات القصورية، والتخفيف باستخدام بيانات AIS وحالة النظام الراهنة وخوارزمية جينية.

III. النهج المقترح

يستخدم النهج المقترح مكونًا ملاحيًا مساعدًا مع المراقبة الذاتية لسلامة المستقبل (RAIM) وخوارزمية جينية لكشف هجوم انتحال GNSS والتخفيف منه. وتبدأ الخطوات بإعداد البيانات: بيانات نظام التعريف الآلي (AIS) وقراءات الحساسات وبيانات السفينة ونقطتا المصدر والوجهة. وتوفر بيانات AIS تفاصيل مسارات السفن المتاحة في البيئات البحرية، وتمتلك السفن أنظمة جسر متكاملة للملاحة والتوجيه والمراقبة في البحر، ويتألف نظام الجسر هذا من خيارات الربان ومصادر البيانات والحساسات ومصادر البيانات القصورية. وتشمل مصادر البيانات عناصر مكانية مثل GPS ونظام ARPA ونظام AIS، إذ يوفر GPS الموقع الآني للسفينة، ويعالج ARPA بيانات الرادار لتفادي التصادم، ويوفر AIS خريطة للسفينة ويسمح لها بضبط السرعة والاتجاه وزاوية الدفة. وتشمل بيانات الحساسات البوصلة والجيروسكوب والحساس القصوري والملاحة التقديرية، إذ تُستخدم البوصلة والجيروسكوب لتحديد الاتجاه والموضع المقابل لمعلومات خطي الطول والعرض، وتُستخدم الحساسات القصورية والملاحة التقديرية لتحديد الموضع النسبي للسفينة وتوفير تقدير الموضع عند غياب GPS، بينما توفر حساسات المناخ معلومات الطقس والمناخ.

أما كشف الانتحال فيتم بنموذج RAIM مع التحكم PID. ويُستخدم نموذج RAIM لتقييم سلامة إشارة GNSS في البيئات البحرية والجوية، إذ يستخدم قياسات المدى الزائف لإشارات GNSS المستقبلة من أقمار مختلفة لتحديد الأعطال فيها. ويحسب النموذج حلول موضع متعددة مقابلة لإشارات GNSS المتاحة، وبناءً على حلول الموضع هذه والمدى الزائف يحدد إشارات GNSS المعيبة، ويحتاج النموذج إلى خمس إشارات قمرية على الأقل للتحقق من سلامة إشارة GNSS. والتحكم PID آلية تحكم قائمة على مفهوم الحلقة والتغذية الراجعة، تُستخدم لتحديد معدل الخطأ عبر المراقبة المستمرة للقيمة المقاسة والقيمة المرغوبة للمعاملات، وبناءً على معدل الخطأ المحدد يضبط PID معدل الخطأ ويُجري تغييرات في النظام باستخدام الكسب التناسبي والتفاضلي والتكاملي.

وأما التخفيف من الانتحال فخوارزميته المقترحة قائمة على مفهوم الخوارزميات الجينية، وتستخدم دالة الملاءمة معلومات موقع نقطة كشف الانتحال، وموقع أحدث نقطة ضبط لمستقبل GNSS، ومعلومات المسار، وخوارزمية الالتواء الزمني الديناميكي (DTW)، ومعلومات الدفة والاتجاه. وقد طُورت الخوارزمية الجينية أصلًا لمسائل الأمثلية، لكن تبين أنها قادرة على توفير المسار الصحيح بعد كشف هجوم الانتحال. وDTW تقنية لمقارنة سلسلتين زمنيتين من البيانات، تجد المسافة بين جميع نقاط السلسلتين، وتُستخدم دالة تكلفة لتحديد التشابه بين نقطتين، ومصفوفة تراكمية لحساب التكلفة الشاملة للسلسلتين الزمنيتين، فانخفاض قيمة التكلفة الشاملة يدل على تشابه أكبر بين السلسلتين. وفي سيناريو الانتحال المدروس، يعمل مسار السفينة والمسار المخطط سلسلتي بيانات، ويعمل كل موقع في السلسلتين نقطة بيانات لخوارزمية DTW.

IV. وصف النظام والمنهجية

تمتلك السفن أنظمة جسر متكاملة للملاحة والتوجيه والمراقبة في البيئات البحرية، ويتألف نظام الجسر هذا من خيارات الربان ومصادر البيانات (مثل GPS وARPA وAIS) والحساسات (البوصلة والجيروسكوب وحساس المناخ والحساس القصوري والملاحة التقديرية) ومصادر البيانات القصورية. ويُعد نموذج ديناميكية السفينة ومعلومات المسار مهمين جدًا لكشف الانتحال، واعتُمد نموذج نوماتو لنمذجة ديناميكية السفينة لتقدير الموضع وكشف الشذوذ. ووفقًا لنموذج نوماتو البسيط، يمكن وصف ديناميكية السفينة (المعادلة 1) باستخدام متغيرات مختلفة مثل: الثابت الزمني للسفينة المختارة (Sc)، ومعدل الدوران بالراديان في الثانية (Tr)، وكسب الدفة (Rg)، وزاوية الدفة (θ)، والاضطرابات البيئية (EN). وتصف المعادلة 2 الاضطرابات البيئية بدلالة عملية بواسون، حيث n متغير عشوائي للأحداث في الفترة الزمنية T، وλ معامل المعدل لعملية بواسون. ويمكن تعريف اتجاهات السفينة باستخدام كينماتيكا السفينة كما في المعادلات 3–5، حيث h اتجاه السفينة بالراديان، وTr معدل الدوران، وN وM موضعا الشمال والشرق للسفينة، وV سرعة السفينة بالمتر في الثانية، وEN وEM أخطاء الانجراف بسبب الظروف البيئية وتدفق المياه والاضطرابات الأخرى. وتُوجَّه السفينة باستخدام وضع الطيار الآلي للتحكم في الاتجاه والمسار، وللتحكم في اتجاه السفينة h يستخدم الطيار الآلي قانون PID ويحافظ على زاوية الاتجاه المطلوبة (hr)، وتُستخدم المعادلة 6 لقمع أثر الضوضاء والتحكم في زاوية الدفة θt عند الزمن t. وباعتبار ηc ثابت نوماتو وη التردد الطبيعي وξ نسبة التخميد النسبية وSc الثابت الزمني، تُستخدم المعادلات 7–9 لحساب الكسب التكاملي Ai والتناسبي Ap والتفاضلي Ad لحركة السفينة.

يمكن إدارة المسار باستخدام الطرق البشرية المباشرة أو الميكانيكية عبر الطيار الآلي للمسار في حلقة التحكم الخارجية. ويمكن تقدير موضع السفينة في البحر بالنسبة للموضع العالمي باستخدام زاوية الاتجاه وموضع البداية والمسافة المقطوعة، ويمكن استخدام المعادلتين 10 و11 لحساب الموضع على المسار (ATP) أو عبر المسار (CTP)، حيث N0 وM0 موضع البداية العالمي، وM وN الموضع الراهن للسفينة، وθ0 زاوية الدفة بالنسبة إلى N0 وM0. وتُضاف قراءات CTP مع قراءات GNSS إلى آلية التغذية الراجعة لـ PID لتقدير الموضع. وباستخدام المعادلة 12 يمكن تحسين زاوية الاتجاه المطلوبة (hr) بمساعدة PID وGNSS وCTP(t) عند الزمن t، حيث hr(t) زاوية الاتجاه المطلوبة المحسّنة عند الزمن t، وAi′ الكسب التكاملي، وe(τ) قراءات GNSS، وd(τ) المتغير التفاضلي، وA′p الكسب التناسبي لـ PID. ووفقًا لخوارزمية تقدير المربعات الصغرى، يعتمد متجه الحالة وتحديد موضع GNSS المعيَّن على CTP(t)، ومن ثم تُستخدم CTP(t) أيضًا لتحديد كشف الانتحال.

تستند تقنية كشف انتحال GNSS إلى المصطلحات المذكورة والقيم التراكمية للحساسات القصورية وخيارات الربان ومخرجات استقبال GNSS لتحديد هجوم الانتحال. فالانحراف عن المسار الفعلي ليس بالضرورة هجوم انتحال دائمًا، إذ قد يعود إلى خطأ في الحساب والمعالجة. ويقوم نهج الكشف على فرضيتين: الفرضية الصفرية H0 وتعني العمل الطبيعي لخوارزميات التوجيه، إذ قد يعود الانحراف الطفيف في المسار إلى خطأ في تقدير الموضع؛ والفرضية البديلة H1 وتعني أن ظروف عمل التوجيه مختلفة جدًا عن ظروف التشغيل العادية، فالانحراف عن المسار الفعلي لا يعود إلى خطأ في تقدير الموضع بل إلى أسباب أخرى، وتُعد هذه الحالة هجوم انتحال. ويُفترض أن المهاجم سيحرف السفينة عن المسار بإزاحة CTP طفيفة، وسيغيّر مسار السفينة بسرعة وزاوية دفة محدودتين لمحاولة تضليل السفينة. وبعد الزمن t يُجرى اختبار كشف الانتحال بناءً على قراءات نموذج LSE RAIM. ففي البداية (الزمن t = 0) تكون الفرضية الصفرية صحيحة، لكن مع مرور الزمن قد يشن المهاجم الهجوم فتنتقل الحالة من H0 إلى H1. ووفقًا لـ LSE RAIM، يمكن تحديد الانتحال في إشارات GNSS باستخدام متجه البواقي (RV) وإحصائية الهجوم q كما في المعادلتين 13 و14. ويعتمد RV على قراءات الحساسات القصورية وGNSS، ويستخدم تقدير الموضع الموزون قراءة CTP لتقدير الموضع. فإذا كانت Tδ القيمة العتبية لتحديد هجوم الانتحال بالنسبة للإحصائية q، فإذا كانت Tδ أصغر من q تكون H0 صحيحة، وإذا كانت Tδ أكبر من أو تساوي q تكون H1 صحيحة. وسيوفر مستقبل GNSS باستمرار قراءة الموقع ومعلومات الحالة عبر الفترة الزمنية t، فتكون H0 موزعة توزيع مربع كاي المركزي في ظروف عدم الانتحال، وتكون H1 موزعة توزيع مربع كاي غير المركزي المعكوس في ظل ظروف الانتحال وعدم الانتحال معًا.

V. المحاكاة وتحليل النتائج

يقدم هذا القسم التفاصيل التجريبية لخوارزمية كشف انتحال GNSS والتخفيف منه المقترحة. استُخدمت أداتا MATLAB ومحاكي الشبكات (NS-3) لمحاكاة انتحال GNSS والحركة البحرية والتوجيه. واستُخدمت أداة Simulink مع MATLAB لنمذجة بيئة السفينة، بالإضافة إلى Sensor Fusion and Tracking Toolbox في MATLAB لنمذجة الحساسات القصورية وGNSS. وأُضيفت محاكاة تشويش سطح البحر (Sea Clutter) لضبط المتغير البيئي الفيزيائي للبحر، وتشمل هذه المتغيرات البيئية سرعة الموج وانحداره وارتفاعه وسرعة الرياح وغيرها. وحُوكيت حسابات هجوم الانتحال وكشفه باستخدام محاكاة مونت كارلو. واعتُبرت الترددات الحاملة للإشارات والنطاق الأساسي 2.4 غيغاهرتز، مع انحياز 400 هرتز و1.5 كيلوهرتز على الترتيب. وحُفظت سرعة السفينة في نطاق 1–15 عقدة. ووُلدت الاضطرابات البحرية باستخدام محاكاة مونت كارلو على توزيع بواسون في نطاق 3 كم/س إلى 100 كم/س. واعتُبرت قراءات الحساسات وقراءات GNSS لإنشاء نموذج حركة سفينة نوماتو وبيئة RAIM وهجوم الانتحال عبر المسار. ودُمجت بيئة MATLAB المحاكاة كاملة مع NS-3 لإنشاء حركة السفن. وفي هذه التجربة، أُنشئ مسار سفينة باستخدام مجموعة بيانات AIS، واستندت عقد المسار إلى بيانات مسار AIS. وقُرئت بيانات البيئة البحرية المنتجة في MATLAB كملفات بيانات في NS-3 لتمثيل ظروف البحر ومعلومات الموقع. واعتُبرت تسع رحلات مختلفة (تفاصيلها في الجدول 3) من مجموعة بيانات AIS للتحقق من أداء الخوارزمية المقترحة. وعُولجت تفاصيل AIS باستخدام أداة JOSM لضبط متغيرات الخريطة.

تعتمد دقة النهج المقترح على عوامل مختلفة مثل الدقة الموضعية لحساب موضع السفينة، وتحديد الخطأ الناتج عن الظروف الطبيعية أو ظروف الانتحال، وخطأ الانحراف عن المسار المحدد مسبقًا، وكشف الانتحال، والتخفيف منه. ولتحليل هجمات انتحال GNSS المحددة بشكل صحيح والتخفيف منها، اعتُبرت المقاييس التالية لتحليل الدقة: نسبة الكشف الصحيح (RCD) وهي نسبة هجمات انتحال GNSS المحددة بشكل صحيح إلى إجمالي هجمات انتحال GNSS المطلقة (المعادلة 15)، حيث I عدد الهجمات المحددة بشكل صحيح وN إجمالي الهجمات المطلقة؛ ومتوسط الخطأ الموضعي (APE) الذي يحدد متوسط الفرق بين المسار المقترح والمسار الفعلي المتحصل عليه بعد التخفيف من هجوم الانتحال (المعادلة 16)، حيث SV نقاط موضعية على المسار المقترح وOP نقاط على المسار المتحصل عليه؛ والدقة الموضعية التي يمكن حسابها باستخدام جذر متوسط مربع الخطأ (RMSE) ومتوسط مربع الخطأ المعياري (NMSE) ومتوسط الخطأ (ME) والخطأ الموضعي لكل نقطة (PPPE)؛ وPPPE وهو الفرق بين الموضع المتحصل عليه للسفينة والموضع الفعلي لها بالنسبة للمسار المختار (المعادلة 17)؛ وME وRMSE وNMSE للمسار T (المعادلات 18–20)؛ ومصفوفة التغاير التي توفر التغاير بين متغيرين عشوائيين، وتُستخدم هنا لتحديد الخطأ الحقيقي والخطأ المنتحل.

اعتُبرت تسعة مسارات مختلفة بناءً على بيانات AIS للتحقق من دقة النهج المقترح. وأُطلقت هجمات الانتحال بتقنية مونت كارلو وحُوكيت النهج المقترح باستخدام أداتي NS-3 وMATLAB. وحُسبت درجات RCD وAPE لكل مسار (الجدول 4). وتوفر درجة RCD كفاءة كشف هجمات الانتحال الحقيقية، فالقيمة العظمى لـ RCD هي 1 وتدل على كفاءة 100 بالمائة في كشف هجمات الانتحال. وعلى المسارات التسعة المختارة، أُجري الاجتياز بالمحاكاة وأُطلقت هجمات عشوائية، وبناءً على درجة RCD كانت القيمة الدنيا 0.75 والمتوسط 0.90، أي أن 90 بالمائة من الهجمات في المتوسط حُددت بشكل صحيح بالنهج المقترح. وتحدد درجة APE الفرق بين المسار الفعلي والمسار المتحصل عليه بعد التخفيف من هجوم الانتحال، ويوفر النهج القائم على الخوارزمية الجينية أفضل مسار بمتوسط خطأ 1605.3 م مع مراعاة الحركة الحالية والبيئة البحرية، وفي أسوأ سيناريو كان الانحراف عن المسار 3816 م. وللتحقق من الدقة الموضعية، حُلل إسقاط موقع السفينة على خريطة رقمية باستخدام متوسط الخطأ وRMSE وNMSE. وكان أقصى RMSE محدد بقيمة 0.7، وأدناه 0.009، ومتوسط RMSE التراكمي 0.28، وحُددت ذروة الخطأ الموضعي أثناء حجم كبير من الاضطرابات البيئية. وأظهر NMSE أن الاجتياز المتكرر لا يقدم أثرًا كبيرًا في تحسين معدل الخطأ، فمعدلات الخطأ مستقلة عن زمن الاجتياز وتعتمد كليًا على المعاملات الموضعية. واستُخدمت مصفوفة التغاير لتحديد الانحراف عن المسار الفعلي بسبب وجود هجوم انتحال، إذ تميز بسهولة بين خطأ الانتحال والخطأ الموضعي الحقيقي باستخدام معامل حد الخطأ لمصفوفة التغاير (المعادلة 21) في هجمات عالية الكثافة ومنخفضة الكثافة. ويقارن الجدول 5 التقنية المقترحة مع أحدث التقنيات: مستقبل MFMC (RMSE في أفضل وأسوأ الحالات 0.5 م و13.27 م)، والمطاردة المتعامدة (أقصى RMSE لتقدير DOA درجة واحدة)، وMUSIC المعدلة (لا مقاييس نوعية لدقة الكشف)، وطريقة DOA وزاوية الارتفاع وزاوية السمت (قادرة على التحديد لكن زمن الكشف مرتفع)، والتقنية المقترحة القائمة على الخوارزمية الجينية (RMSE تراكمي 0.28، وفي أفضل الحالات 0.009). أما القيد الرئيسي للتجربة فهو غياب المتغيرات البيئية وظروف الطقس الفعلية، فعلى الرغم من إضافة المتغيرات البيئية باستخدام عملية ماركوف، فهي لا تزال مختلفة جدًا عن الوضع الفعلي.

VI. الخاتمة

قدمنا تقنية لكشف انتحال GNSS والتخفيف منه باستخدام مفهوم البرمجة الجينية. وتستخدم التقنية المقترحة مكونًا ملاحيًا مساعدًا مع المراقبة الذاتية لسلامة المستقبل وخوارزمية جينية لكشف هجوم انتحال GNSS والتخفيف منه. ويُكشف انتحال GNSS باستخدام RAIM والحساسات القصورية. واعتُبرت نقاط على المسار وخارجه للتحقق من الانحراف عن المسار الفعلي. وتتبع التقنيات المقترحة أيضًا مفهوم PID للتمييز بين حالة الانتحال وحالة الانحراف الطبيعي. وتستخدم تقنية التصدي هذه بيانات AIS وحالة النظام الراهنة وخوارزمية جينية لتوفير المسار الصحيح. واستُخدمت الخوارزميات الجينية لحل مسألة الأمثلية، وفي هذه التقنية استُخدِمت الخوارزمية الجينية لاختيار المسار الأمثل الكامل. وللتحقق من التقنية المقترحة، استُخدمت أداتا MATLAB ومحاكي الشبكات (NS-3) لمحاكاة حالة انتحال GNSS. واستُخدمت أداتا Sea Clutter (تشويش سطح البحر) وSimulink مع MATLAB لنمذجة بيئة السفينة. وفي التجربة، أُنشئ مسار سفينة باستخدام مجموعة بيانات AIS. واعتُبرت تسعة مسارات مختلفة للتحقق من أداء الخوارزمية المقترحة. ووفقًا للتجربة وتحليل النتائج، توفر التقنية المقترحة في الحالة المتوسطة دقة 90 بالمائة لكشف هجمات الانتحال. وحُسب خطأ إسقاط المسار باستخدام RMSE وكان متوسط RMSE مقدار 0.28. وفي أفضل سيناريو، يوفر النهج المقترح قيمة RMSE تبلغ 0.009. وكان متوسط الخطأ الموضعي المحدد 1605.3 م. وحُلل أيضًا أثر شدة هجوم الانتحال باستخدام مصفوفة التغاير، ولوحظ أن النهج المقترح قادر على التعامل مع الهجمات منخفضة وعالية الشدة. ووفقًا للتجربة، لوحظ أن الخوارزمية الجينية مع بيانات الحساسات يمكن استخدامها للتخفيف من هجمات انتحال GNSS في البيئة البحرية.

في المستقبل، يمكن تنفيذ هذه التقنية في مواقف آنية. بالإضافة إلى ذلك، يمكن تحسين تقنية الكشف باستخدام نقاط على المسار فقط.

Abstract

Due to the high reliance of daily activities on the Global Navigation Satellite System (GNSS), its security is one of the major concerns for research and industry. Most navigation and mobile-driven location-based services use GNSS to render services. Due to the low power and easy access of GNSS signals, these signals are vulnerable to spoofing and other types of attacks. Recently many GNSS spoofing attacks have been identified in road- and maritime-based environments. This study provides a technique to detect and counter the GNSS spoofing attack in the maritime environment. This technique uses the Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) model with Least Square Estimation (LSE) and Proportional Integral Derivative (PID) Control to detect the spoofing attack. The proposed technique is based on the concept of a genetic algorithm and navigation devices, such as inertial sensors and pilot options for the ship. A case study using the AIS dataset and simulation using MATLAB and NS3 is provided to validate the performance of the proposed approach. Nine different voyages from the AIS dataset were considered to check the accuracy and performance of the proposed algorithm. The accuracy of the proposed technique was analyzed using the correctly identified attack. The result shows that the proposed technique identifies spoofing attacks with an average value of 90 percent. For result analysis the considered nine routes were traversed multiple times. Root mean square error is used to calculate the positional mismatch (error rate). Based on the combined results analysis, the average value of RMSE is 0.28. In a best-case scenario, the proposed approach provides an RMSE value of 0.009.

I. Introduction

Maritime transport (also termed a blue economy) has a huge impact on economic and social life: sea routes not only provide space for trade but also create opportunities for tourism, transport, and sailing. Coastal regions benefit greatly in economic development and Gross Domestic Product (GDP) growth from the increasing use of maritime transport. Maritime ships highly depend on digitization and informational and operational technologies for navigation purposes, and these supporting technologies are highly dependent on the internet, which makes them a potential target for cyber-attacks. According to the World Economic Forum's Global Risks Report 2020 and 2021, cyber risk is among the top ten risks, and the security of ships and associated risks ranked fifth in the 2020 report. According to a Maritime Insight report, cyber-attacks on ships increased 900 times in the last three years, and denial of operational technology is the primary risk associated with any cyber-attack intended for maritime machinery.

Due to weak GNSS signals, a small interference source can easily spoof GNSS signals with false data. Deliberate failure of the GNSS signal by replacing it with a false signal is known as spoofing. GNSS spoofing and jamming are among the operational technology attacks that ships have faced for years: spoofed signals cause the wrong estimation of position and subsequently take the shipping vessel onto the wrong path, and GNSS spoofing can have severe consequences, even economic losses. In recent years there have been many spoofing and jamming attacks on maritime transport, such as the Black Sea and Malacca Strait attacks. Most existing spoofing detection and mitigation techniques are based on signal characteristics and cryptography, which are totally based on hardware devices, so their performance was directly dependent on the associated hardware and signal characteristics, and hardware-based spoofing detection techniques may become obsolete with time and technological upgrades.

Due to the low power and easy access of GNSS signals, these signals are vulnerable to spoofing and other types of attacks, and most detection and mitigation algorithms in maritime environments use the concept of cryptography, signal interference, and hardware devices, while very few studies are based on software-based solutions. In this study, an attempt was made to detect and mitigate a GNSS spoofing attack using genetic algorithms: a software-based approach to detect and correct any spoofing attack could potentially help in mitigating spoofing attacks, and software-based solutions are much easier to upgrade, fine-tune, and customize than any hardwired system. We propose an approach that uses an auxiliary navigation component with Receiver Autonomous Integrity Monitoring and a genetic algorithm to detect and mitigate the GNSS spoofing attack. The novel contributions of this study are: GNSS spoofing detection using RAIM and PID, GNSS spoofing mitigation using a genetic algorithm, and use of the Dynamic Time Warping (DTW) algorithm with sensor reading and rudder angle for the fitness function.

II. Literature Survey

GNSS spoofing and security gained attention due to the increased dependence of human activities on GNSS: low power, public accessibility, and easy usage of GNSS signals make it possible for low-power interface devices to easily jam or spoof GNSS signals. Warner and Johnson undertook the first experiment to detect GNSS spoofing using the GS720 satellite in on-road navigation [13], and subsequently many techniques were designed to detect and counter spoofing attacks. Spoofing detection techniques are categorized into four parts: cryptographic approaches using the Pseudo-Random Noise (PRN) code and secret keys [14–16], signal-feature-based approaches such as signal strength, components, phase alignment, nulling, and the correlation function with clock bias or Automatic Gain Control (AGC) values [17–19], auxiliary-navigation-based approaches using Position, Velocity and Time (PVT) with Wi-Fi, inertial sensors, and cellular systems [20–23], and spatial- and geometrical-based approaches such as the number of satellites, signal direction and count, or angle of arrival [24–26]. Alongside additional hardware, signal encryption, spectrum security, and authentication methods, GNSS signal interference was identified using signal strength, distance correlation matrix, and frequency modulation techniques [15, 16] — all hardware-, frequency-, and transition-mode-based techniques.

Anomalies in ship movement were identified using trajectory data and patterns: ship trajectories were considered a predictor of wrong vessel movement and anomalies in ship-selected routes were recorded [24], and ship type, number of stoppages, speed, and movement pattern were also used to identify trajectory anomalies [28]. Maritime authorities use AIS to manage ship movements and identify locations based on transmitted information (such as speed, type, and number), and due to the open, self-reporting nature of AIS, many ship spoofing activities were based on the AIS system, so the research community developed many AIS-based spoofing detection techniques based on RADAR data, distance calculation, AIS position estimation, speed, and AIS data emission patterns [29–34]. The key challenges and research gaps are: differentiating a true GNSS spoofing attack from diversion from the actual path due to calculation errors, the reliance of most techniques on signal behaviors, geometrical/spatial features, and cryptography, and the auxiliary-navigation-component approach using additional navigation devices such as cellular networks, Wi-Fi, and inertial sensors. In this experiment, GNSS spoofing detection and mitigation were done with two procedures: detection using RAIM and inertial sensors, and mitigation using AIS data, the current system state, and a genetic algorithm.

III. Proposed Approach

The proposed approach uses an auxiliary navigation component with Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) and a genetic algorithm to detect and mitigate the GNSS spoofing attack. The steps begin with data preparation: Automatic Identification System (AIS) data, sensor readings, ship data, and source and destination points. AIS data provides the details of available ship tracks in maritime environments, and ships have integrated bridge systems for navigation, routing, and surveillance at sea, comprising pilot options, data sources, sensors, and inertial data sources. Data sources comprise spatial elements like GPS, Automatic Radar Plotting Aid (ARPA), and AIS: GPS provides the real-time location of the ship, ARPA processes radar data to avoid collisions, and AIS provides a map to the ship and lets it adjust speed, heading, and rudder angle. Sensor data includes the compass, gyroscope, inertial sensor, and dead reckoning: compass and gyroscope identify direction and position from longitude and latitude information, inertial sensors and dead reckoning identify the ship's relative position and provide position estimation in the absence of GPS, while climate sensors provide weather and climate information.

Spoofing detection uses the RAIM model with PID control. The RAIM model assesses the integrity of the GNSS signal in maritime and aviation environments, using the pseudo-range measurement of GNSS signals received from different satellites to identify faults. The model computes various position fixes corresponding to available GNSS signals and, based on these fixes and the pseudo-range, identifies faulty GNSS signals; it needs a minimum of five satellite signals to check GNSS signal integrity. PID is a loop- and feedback-based control mechanism used to identify the error rate by continuously monitoring the measured and desired values of the parameters, and based on the identified error rate it controls the error and changes the system using proportional, derivative, and integral gain.

Spoofing mitigation uses the proposed algorithm based on the concept of genetic algorithms, whose core is the fitness function: it uses the location of the spoofing detection point, the location of the recent GNSS receiver set point, route information, the Dynamic Time Warping (DTW) algorithm, and rudder and heading information. The genetic algorithm was originally developed for optimality problems, but it can provide the correct route after detecting the spoofing attack. DTW compares two time-variant data series, finding the distance between all points of the two series; a cost function identifies the similarity between two points, and an accumulative matrix calculates the global cost of the two time series, where a lower global cost signifies greater similarity. For the spoofing scenario, the ship trajectory and the planned route act as the data series, with each location in both series acting as data points for the DTW.

IV. System Description and Methodology

Ships have integrated bridge systems for navigation, routing, and surveillance in maritime environments, comprising pilot options, data sources (GPS, ARPA, AIS), sensors (compass, gyroscope, climate sensor, inertial sensor, dead reckoning), and inertial data sources. Ship dynamic model and track information are very important for spoofing detection, and the Nomoto model was considered to model the ship's dynamics for position estimation and anomaly detection. According to the simple Nomoto model, ship dynamics (Equation 1) are described with variables such as the ship time constant (Sc), turn rate in radians per second (Tr), helm rudder gain (Rg), rudder angle (θ), and environmental disturbances (EN). Equation (2) describes environmental disturbances as a Poisson process, where n is a random variable for events in time interval T and λ is the rate parameter. Ship headings follow the kinematics in Equations (3)–(5), where h is the heading in radians, Tr the turn rate, N and M the north and east positions, V the velocity in meters per second, and EN, EM the drift errors from environmental conditions, water flow, and other disturbances. The ship is directed in autopilot mode to control heading and course: autopilot uses the PID law to maintain the required heading angle (hr), and Equation (6) suppresses noise and controls the rudder angle θt at time t. With ηc as the Nomoto constant, η the natural frequency, ξ the relative damping ratio, and Sc the ship time constant, Equations (7)–(9) calculate the integral (Ai), proportional (Ap), and derivative (Ad) gains for ship motion.

Course and track can be managed by direct human or mechanical methods using the course autopilot in the outer control loop. The ship's position at sea relative to the global position is estimated from heading angle, start position, and distance covered, and Equations (10) and (11) calculate the along-track (ATP) and cross-track (CTP) positions, where N0 and M0 are the global start position, M and N the ship's current position, and θ0 the rudder angle with respect to N0 and M0. CTP readings together with GNSS readings feed the PID feedback mechanism for position estimation. Using Equation (12), the required heading angle (hr) is optimized with PID, GNSS, and CTP(t) at time t, where hr(t) is the optimized required heading angle, Ai′ the integral gain, e(τ) the GNSS readings, d(τ) the derivative variable, and A′p the PID proportional gain. Under the least square estimation algorithm, the state vector and mapped GNSS fix depend on CTP(t), so CTP(t) is further used to identify spoofing detection.

The GNSS spoofing detection technique uses the stated terms and cumulative values of inertial sensors, pilot options, and GNSS receiver output to identify the spoofing attack. Deviation from the actual route cannot always be a spoofing attack — it may stem from calculation and processing errors. Detection rests on two hypotheses: H0 (null) means normal operation of the routing algorithms, where minor path deviation may come from position estimation error; H1 (alternate) means routing behavior differs strongly from normal operating conditions, where deviation is not due to position estimation error but to other causes — considered a spoofing attack. The attacker is assumed to divert the ship with a minor CTP shift at limited speed and rudder angle to mislead it. After time t, a spoofing detection test runs on LSE RAIM readings: at t = 0 the null hypothesis holds, but over time an attacker may launch the attack and shift the situation from H0 to H1. Under LSE RAIM, spoofing is identified with the residual vector (RV) and attack statistic q (Equations 13–14). RV depends on inertial sensor and GNSS readings, and the weighted position estimate uses CTP readings. If Tδ is the threshold for identifying the spoofing attack against q, then Tδ < q keeps H0 true and Tδ ≥ q makes H1 true. The GNSS receiver continuously provides location readings and state information over time interval t: H0 is centrally chi-square distributed under non-spoofing conditions, while H1 is inverse non-centrally chi-square distributed under both spoofing and non-spoofing conditions.

V. Simulation and Result Analysis

This section gives the experimental details of the proposed GNSS spoofing detection and mitigation algorithm. MATLAB and the Network Simulator (NS-3) simulated GNSS spoofing, maritime traffic, and routing. The Simulink tool with MATLAB modeled the ship's environment, plus MATLAB's Sensor Fusion and Tracking Toolbox for inertial sensors and GNSS. Sea Clutter Simulation set the physical sea environment variables, including wave speed, slope and height, wind speed, and more. Spoofing attack and detection calculations were simulated with Monte Carlo simulations. Signal carrier and baseband frequencies were 2.4 GHz with biases of 400 Hz and 1.5 kHz respectively. Ship speed was kept at 1–15 knots. Sea disturbances were generated by Monte Carlo simulation on a Poisson distribution from 3 km/h to 100 km/h. Sensor and GNSS readings established the Nomoto ship movement model, RAIM environment, and cross-track spoofing attack. The complete MATLAB simulated environment was integrated with NS-3 for ship movement. A ship course was created using the AIS dataset, with route nodes based on AIS course data. MATLAB-produced sea environment data was read as data files in NS-3 for sea conditions and location information. Nine different voyages (Table 3) from the AIS dataset tested the proposed algorithm. AIS details were processed with the JOSM tool to set map-specific variables.

Accuracy depends on factors like positional accuracy of ship position, error attribution to normal vs. spoofed conditions, diversion error from the predefined route, spoofing detection, and mitigation. The following metrics analyzed correctly identified attacks and mitigation: the Ratio of Correct Detection (RCD) — correctly identified attacks over total launched attacks (Equation 15), where I is correctly identified attacks and N total launched attacks; Average Positional Error (APE) — the average difference between the proposed route and the obtained route after mitigation (Equation 16), where SV are points on the proposed route and OP points on the obtained route; positional accuracy via Root Mean Square Error (RMSE), Normalized Mean Square Error (NMSE), Mean Error (ME), and Per Point Positional Error (PPPE); PPPE — the difference between the obtained and actual ship positions for the selected course (Equation 17); ME, RMSE, and NMSE for trajectory T (Equations 18–20); and the covariance matrix, giving the covariance between two random variables, here used to separate true error from spoofed error.

Nine AIS-based routes tested the proposed approach. Spoofing attacks were launched with the Monte Carlo technique and simulated with NS-3 and MATLAB; RCD and APE scores per route are in Table 4. RCD measures true-attack detection efficiency: its maximum is 1 (100 percent detection). Across the nine routes, traversal ran in simulation with random attacks launched; the minimum RCD was 0.75 and the average 0.90 — on average 90 percent of attacks were correctly identified. APE measures the difference between the actual route and the post-mitigation route, and the genetic-based approach gives the best path with an average error of 1605.3 m given traffic and sea environment, with 3816 m deviation in the worst case. For positional accuracy, mapping the ship's location on a digital map was analyzed with mean error, RMSE, and NMSE. Maximum RMSE was 0.7, minimum 0.009, and the cumulative average RMSE 0.28, with peak positional error under high environmental disturbance volumes. NMSE showed that repeated traversal barely improves the error rate — error rates are independent of traversal time and depend entirely on positional parameters. The covariance matrix identified route deviation caused by spoofing, cleanly separating spoofing error from true positional error via the error-bound parameter (Equation 21) under both high- and low-intensity attacks. Table 5 compares the technique with the state of the art: the MFMC receiver (best/worst RMSE 0.5 m and 13.27 m), orthogonal matching pursuit (maximum DOA RMSE of 1 degree), modified MUSIC (no qualitative detection-accuracy metrics), the DOA/elevation/azimuth method (identifies spoofing but with high detection time), and the proposed genetic-algorithm technique (cumulative RMSE 0.28, best-case 0.009). The main limitation is the lack of real environmental variables and weather conditions: although variables were added via a Markov process, they remain far from the real situation.

VI. Conclusions

We presented a GNSS spoofing detection and mitigation technique using the concept of genetic programming. The technique uses an auxiliary navigation component with Receiver Autonomous Integrity Monitoring and a genetic algorithm to detect and mitigate the GNSS spoofing attack. Spoofing is detected using RAIM and inertial sensors. Along-track and off-track points checked diversion from the actual route. The techniques also follow the PID concept to differentiate spoofing from normal diversion. This counter-spoofing technique uses AIS data, the current system state, and a genetic algorithm to provide the correct route. Genetic algorithms solved the optimality problem, and here the genetic algorithm optimally selects the complete optimal path. MATLAB and NS-3 validated the technique by simulating GNSS spoofing; Sea Clutter and Simulink with MATLAB modeled the ship's environment. A ship course was created with the AIS dataset, and nine different routes tested the proposed algorithm. On average the technique gives 90 percent spoofing-detection accuracy. Route mapping error via RMSE averages 0.28, with 0.009 in the best case. Average positional error was 1605.3 m. The effect of spoofing intensity was analyzed with the covariance matrix, and the approach handles both low- and high-intensity attacks. A genetic algorithm with sensor data can mitigate GNSS spoofing attacks in the maritime environment.

In the future, this technique can be implemented in real-time situations. Additionally, the detection technique can be improved by using only along-track points.

References

  1. Singh, S.; Singh, J.; Singh, S.; Goyal, S.B.; Raboaca, M.S.; Verma, C.; Suciu, G. Detection and Mitigation of GNSS Spoofing Attacks in Maritime Environments Using a Genetic Algorithm. Mathematics, 2022, 10(21), 4097. https://doi.org/10.3390/math10214097
  2. Maritime cyber risk context: WEF Global Risks Reports 2020–2021; 900× rise in ship cyber-attacks (Maritime Insight); Black Sea and Malacca Strait spoofing cases [1–8].
  3. Spoofing detection landscape: cryptographic/PRN methods [14–16]; signal-feature methods (AGC, SQM) [17–19]; auxiliary navigation (Wi-Fi, inertial, cellular) [20–23]; spatial/geometrical (DoA, satellite count) [24–26].
  4. Auxiliary and maritime trajectory methods: dual-antenna non-cryptographic detection [27]; ship trajectory anomaly prediction [24, 28]; AIS-based detection (RADAR, distance, position estimation, emission patterns) [29–34].
  5. Method basis: RAIM integrity monitoring (min. five satellites) [35]; Nomoto ship dynamics, Esso Osaka model, autopilot PID control [14, 36–38]; hostile ship control via false GPS signals [38]; AIS dataset (U.S. Coast Guard / Marine Cadastre) [39].
  6. State-of-the-art comparison: MFMC receiver PVT spoofing identification [11]; array-antenna OMP multi-PRN DoA [40]; MUSIC with antenna patterns and phase difference [41]; pitch/roll/yaw quality metric with altitude, DoA, elevation, azimuth [42].
  7. ... [full reference list available in original paper — 20 pages, CC BY 4.0]