Vulnerabilidades de los drones a ataques GPS
Las investigaciones muestran cómo se puede engañar a los drones para que tomen rutas de vuelo peligrosas.
― 7 minilectura
Tabla de contenidos
Los vehículos aéreos no tripulados (VANT), o Drones, se han vuelto herramientas importantes en varios campos como fotografía, búsqueda y rescate, operaciones militares, agricultura y entrega de paquetes. A medida que su uso crece, mantenerlos a salvo de Ataques es una gran preocupación. Una de las herramientas más importantes que usan los drones es el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para encontrar su ubicación y navegar. Sin embargo, los sistemas GPS pueden ser engañados o bloqueados, lo que puede llevar a situaciones peligrosas.
El Problema con el GPS
Los sistemas GPS son a menudo vulnerables a ataques. Una forma común de ataque se conoce como spoofing, donde un atacante envía señales GPS falsas para tomar control de un dron sin necesidad de alterar su software. Esto significa que pueden manipular su posición sin interferir directamente con su funcionamiento interno.
Muchos estudios han mostrado cómo estos ataques GPS pueden afectar a los VANT. En la mayoría de los casos, los ataques son fáciles de detectar, lo que permite tomar acciones de recuperación para garantizar la seguridad. Por ejemplo, si un detector de anomalías nota que algo está mal, el dron puede aterrizar de forma segura.
Sin embargo, algunos ataques son sigilosos, lo que significa que pasan desapercibidos por los sistemas normales. Esto hace que sea mucho más difícil implementar contramedidas, ya que la detección suele ser el primer paso para protegerse contra tales ataques.
¿Cómo Funcionan los Ataques Sigilosos?
En el mundo de los VANT, un ataque sigiloso es aquel que no activa ninguna alarma o alerta. La investigación actual a menudo se centra en ataques que son más fáciles de detectar y no considera situaciones en las que un atacante puede permanecer oculto de todas las formas de Detección de Anomalías.
La sigilosidad en los ataques implica permanecer indetectado mientras se causan impactos significativos en el rendimiento del sistema. Estudios anteriores han examinado principalmente sistemas de control lineales, pero los VANT utilizan sistemas no lineales más complejos, lo que los hace diferentes y únicos.
Recientemente, algunas investigaciones han comenzado a explorar cómo los ataques sigilosos pueden afectar a sistemas no lineales como los VANT. Se ha demostrado que si un atacante conoce cierta información sobre el sistema, podría causar daño sin ser detectado.
Nuestro Enfoque
Este trabajo se centra en cómo se pueden atacar los VANT a través de sus sistemas GPS sin que el atacante necesite saber nada sobre el funcionamiento interno del dron. Encontramos que es posible hacer que un VANT se desvíe de su Trayectoria prevista solo manipulando los datos GPS, y que estos ataques pueden pasar desapercibidos.
Nuestra investigación demuestra que si el sistema del VANT es incrementalmente estable, es posible llevar a cabo ataques que se mantengan sigilosos y que provoquen cambios significativos en la trayectoria del vuelo del dron.
El Modelo del Sistema VANT
El VANT opera basado en un modelo que describe cómo se mueve y responde a las entradas. Usa su GPS y otros sensores como una Unidad de Medición Inercial (IMU) para determinar su posición y orientación en el espacio.
El movimiento del dron es guiado por un sistema de control que toma información de estos sensores y ajusta su trayectoria de vuelo en consecuencia. Las técnicas de fusión de sensores combinan los datos del GPS y la IMU para dar las lecturas más precisas posibles.
Para asegurar que el VANT opere de manera segura y correcta, es necesario controlarlo con precisión. Esto se hace con un controlador de retroalimentación que aplica continuamente ajustes basados en los datos de los sensores.
El Modelo de Ataque
Para nuestro estudio, asumimos un ataque dirigido al sensor GPS. Este tipo de ataque puede llevarse a cabo sin acceder directamente al dron. Un atacante puede introducir datos falsos en las mediciones del sensor GPS, que luego serán utilizados por el controlador en el dron.
Nuestro enfoque asume que el atacante no necesita conocer el funcionamiento interno del VANT o cómo opera el sistema de control. En cambio, pueden simplemente generar desinformación que engañe al dron haciéndole creer que está en una posición diferente.
Al enviar señales GPS falsas, el atacante busca influir en la posición del dron mientras asegura que cualquier contramedida en marcha no detecte el ataque.
Detección de Anomalías
Un detector de anomalías es un sistema que analiza datos de sensores para identificar comportamientos o ataques inusuales. Observa los datos de los sensores GPS e IMU para determinar si la aeronave está funcionando correctamente.
El detector utiliza un método de prueba de hipótesis para averiguar si las mediciones recibidas son normales o si hay algo mal. Si encuentra algo inusual, puede activar acciones para proteger el dron, como aterrizarlo de forma segura.
Para que un ataque sigiloso tenga éxito, el atacante debe asegurarse de que los datos enviados parezcan lo suficientemente normales como para que el sistema de detección de anomalías no note nada raro.
El Objetivo del Ataque
El objetivo de un atacante es interrumpir la trayectoria normal de vuelo del VANT engañándolo para que cambie su trayectoria. Buscan hacer que el dron se desvíe significativamente de su curso previsto sin ser detectados por los sistemas de seguridad.
Para considerarse exitoso, el ataque tiene que ser sigiloso, lo que significa que el sistema de detección no reconoce los datos falsos que se están alimentando al dron. Si el atacante puede lograr esto, puede controlar el VANT sin llamar la atención.
Condiciones para Ataques Exitosos
Para que un VANT sea vulnerable a estos ataques sigilosos, ciertas condiciones deben cumplirse. El sistema de bucle cerrado que gobierna el vuelo del dron debe asegurar que incluso desviaciones leves puedan llevar a discrepancias mayores con el tiempo.
Si el sistema está configurado de tal manera que permite una estabilidad incremental, esto significa que la amenaza de un ataque sigiloso se vuelve aún más significativa. La combinación del diseño del VANT y la naturaleza de los ataques puede crear un escenario en el que surjan problemas de control significativos sin ninguna advertencia.
Simulación de Escenarios de Ataque
En nuestro estudio, realizamos simulaciones para ver qué sucedería en un escenario del mundo real. Modelamos cómo operaría el VANT bajo diferentes condiciones, ilustrando su trayectoria de vuelo con y sin ataques.
Los resultados muestran que cuando ocurre un ataque, el dron se desvía significativamente de su plan de vuelo previsto. Mientras tanto, los datos de la fusión de sensores aún indican una operación normal, lo que demuestra la sigilosidad del ataque.
Conclusión
En resumen, nuestra investigación revela las vulnerabilidades de los VANT ante ataques sigilosos enfocados en el GPS. Ilustramos cómo los atacantes pueden manipular la trayectoria de un dron mientras permanecen ocultos de los sistemas de detección de anomalías. Al centrarse solo en el sensor GPS, el ataque puede pasar desapercibido mientras causa interrupciones significativas en el vuelo del dron.
Mientras la tecnología de los VANT continúa avanzando, asegurar la seguridad de estos sistemas contra varios tipos de ataques debe ser una prioridad. Entender cómo pueden ocurrir estos ataques y desarrollar mejores métodos de detección y prevención es vital para mejorar la seguridad y la fiabilidad de las operaciones de los VANT.
Título: Black-box Stealthy GPS Attacks on Unmanned Aerial Vehicles
Resumen: This work focuses on analyzing the vulnerability of unmanned aerial vehicles (UAVs) to stealthy black-box false data injection attacks on GPS measurements. We assume that the quadcopter is equipped with IMU and GPS sensors, and an arbitrary sensor fusion and controller are used to estimate and regulate the system's states, respectively. We consider the notion of stealthiness in the most general form, where the attack is defined to be stealthy if it cannot be detected by any existing anomaly detector. Then, we show that if the closed-loop control system is incrementally exponentially stable, the attacker can cause arbitrarily large deviation in the position trajectory by compromising only the GPS measurements. We also show that to conduct such stealthy impactfull attack values, the attacker does not need to have access to the model of the system. Finally, we illustrate our results in a UAV case study.
Autores: Amir Khazraei, Haocheng Meng, Miroslav Pajic
Última actualización: Sep 17, 2024
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2409.11405
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2409.11405
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Cambios: Este resumen se ha elaborado con la ayuda de AI y puede contener imprecisiones. Para obtener información precisa, consulte los documentos originales enlazados aquí.
Gracias a arxiv por el uso de su interoperabilidad de acceso abierto.