弗吉尼亚理工大学和大学合作伙伴旨在保护、加强和增强交通导航系统

我们没有意识到我们在汽车导航系统、基于位置的智能手机应用程序、访问手机信号塔的时间中对 GPS 的依赖程度有多高——直到该技术遇到干扰和故障。

全球导航卫星系统（GNSS）信号干扰可能是意外的，也可能是故意的，有可能在紧张的供应链中造成广泛的延迟，并在基于GPS授时的网络上造成级联故障。当 GPS 信号在本地被其他射频信号压倒，导致接收器无法再工作时，就会发生干扰。欺骗可能更加危险，因为接收者被诱骗计算出错误位置。

虽然这对某些人来说可能是一个轻微的烦恼，但干扰或欺骗信号可能会对多种交通方式的基础设施造成严重破坏，包括商船、火车和运输卡车。仅在 2021 年，一家大型飞机制造商就报告了 10,000 多起 GNSS 干扰事件。

为了提高交通基础设施对此类网络物理威胁的抵御能力，并制定针对GPS干扰和欺骗的先进对策，交通部已授予多所大学合作伙伴关系1000万美元的联邦资金和500万美元的成本分摊，以创建一个新的一级大学交通中心。

新的先进交通系统保证和弹性导航中心（CARNATIONS）将由伊利诺伊理工学院领导，包括大学合作伙伴：

• 弗吉尼亚理工大学
• 斯坦福大学
• 芝加哥州立大学
• 加州大学河滨分校

目标

该大学合作伙伴联盟旨在提高交通基础设施对网络物理威胁的抵御能力，并针对GPS干扰和欺骗制定先进的对策。

“GPS是我们拥有的最精确的时钟，精确到纳秒，”Kevin T. Crofton航空航天和海洋工程系助理教授Mathieu Joerger说。“如果计时的准确性受到损害，它可能会改变手机信号塔和电网监控系统的性能。不止一次，导航精度下降产生了代价高昂的级联效应，包括跑道关闭、空中交通管理系统压力和客户旅行延误。至关重要的是，我们必须保持GNSS的准确性，并保护其免受欺骗和干扰事件的影响。

弗吉尼亚理工大学的声音

这项研究汇集了来自工程学院和大学的一组 GNSS、通信、网络弹性和交通专家，他们的专长在于定位、导航和授时方面的高完整性弹性。

虽然弗吉尼亚理工大学的GNSS研究通常面向航空和军事领域，但该团队的目标是利用方法来保护、加强和增强地面车辆应用中的位置、导航和授时技术。教师专家团队包括

• Joerger，一位专注于研究自主运输系统的多感官定位安全性的专家，包括基于高完整性GNSS的飞机垂直制导
• Mark Psiaki，其专业知识涵盖 GPS/GNSS 信号处理、安全、估计和卡尔曼滤波以及惯性导航
• 劳拉·弗里曼（Laura Freeman），她的研究将网络物理系统、数据科学、人工智能和机器学习结合在一起，以应对国家安全方面的关键挑战
• Hesham Rakha，交通基础设施和系统工程方面的专家，特别是大规模交通优化、建模和评估
• 瓦利德·萨阿德（Walid Saad），其研究兴趣包括无线网络、机器学习、安全和弹性、无人驾驶汽车、语义通信和网络物理系统

根据Joerger的说法，该小组计划从多个角度解决GNSS干扰问题，包括开发复杂的算法，可以区分真实或欺骗性的GPS信号，并通过将它们与其他类型的传感器相结合来改进GPS接收器，这些传感器不受干扰和欺骗。

“我们的团队正在寻求加强、增强和保护 GPS 系统，”Joerger 说。“我们将通过新的GNSS天线和接收器信号处理来加强定位、导航和授时，通过多传感器系统和天基射频信标进行增强，并通过机器学习和车辆协作进行保护。

康乃馨合作伙伴将在多个大学研究机构中完成对弹性系统的全面测试和评估。在弗吉尼亚理工大学，该小组将使用弗吉尼亚智能道路，这是弗吉尼亚理工大学交通研究所最先进的封闭式测试台研究设施，用一辆或两辆车和一个射频测试台完成现场测试。

然后，现场测试的结果将被实施到弗吉尼亚理工大学的基于多模态智能体的模拟软件INTEGRATION中，用于“战争游戏”演习。在虚拟环境中，教师和学生将对干扰和欺骗攻击进行建模，以评估对交通系统系统性能的影响，并执行防御措施以解决这些网络攻击造成的问题。该团队将制定缓解策略，以发现弱点并加强运输和通信网络免受信号干扰的影响。它旨在防止全网络中断，并研究使交通系统更能抵御此类攻击的方法。

该团队还将为当前和未来的运输专业人员做好准备，以应对此类干扰挑战。在弗吉尼亚理工大学国家安全研究所现有网络安全计划的基础上，将为本科生、研究生和专业人士提供培训，以应对当前的网络物理威胁，并预测未来对交通系统中的位置、导航和时间的攻击。