[发明专利]一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法

说明书

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。该方法针对航天器与地面系统之间测控链路受到回放攻击且航天器受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航天器受环境干扰的航天器姿控系统模型；其次，设计全阶观测器对姿控系统状态与干扰所组成的增广系统状态进行观测，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，进而检验航天器姿控系统是否可检测回放攻击；最后，在姿控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。本发明适用于航天器姿态高精度、高可靠控制。

技术领域

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。

发明内容

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：