[发明专利]一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法

说明书

本发明涉及一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，针对一类感知执行层和数据传输层均受攻击的信息物理系统控制问题，首先，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征；其次，通过构建辅助状态变量，将系统量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统；再次，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益；最后，根据攻击观测器的输出值设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制。本发明具有抗攻击能力强、可靠性高的特点，适用于感知执行层和数据传输层同时受到攻击下的信息物理系统的安全控制。

技术领域

本发明涉及一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，可以同时实现数据传输层攻击及感知执行层攻击的实时估计与抵消，可用于混合攻击下的信息物理系统的高可靠控制。

背景技术

随着通信技术、计算机技术及控制技术的发展及相互融合，信息物理系统、应运而生。目前大多数信息物理系统，如智能电网、航天领域，都是关系到国家安全及民生领域的重要设施，这些系统的安全性及可靠性往往会受到攻击者的的威胁。信息物理系统的一个典型特征是控制层与感知执行层之间需要通过数据传输层进行通信，因此针对信息物理系统的攻击，攻击者通过获取通信链路中传感器信息，并对其进行篡改，从而实现欺骗控制层的目的，最终导致系统控制性能下降甚至崩溃。

目前，针对信息物理系统抗攻击控制问题，中国专利申请号201810225313.5提出了一种测控链路受回放攻击的航天器抗干扰姿控方法，该专利是将水印信号叠加在控制信号中，用以检测通信链路中的重放攻击，但并未对系统进行抗攻击控制，且叠加的水印信号会降低系统的控制性能；中国专利申请号201810436189.7提出了一种空间对抗环境下传感器受攻击的航天器姿控方法，该专利结合输出滤波器和学习观测器对传感器攻击进行估计，但该方法一方面无法明确传感器攻击的时变特性；另一方面学习观测器的估计精度依赖于学习时间间隔。综上所述，目前针对信息物理系统的数据传输层及感知执行层抗攻击控制的研究较少，因此亟需解决信息物理系统中混合攻击下的高可靠性控制问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是针对对抗环境下，信息物理系统的感知执行层受到范数有界干扰的攻击和数据传输层受可建模干扰的攻击问题，提供一种面向混合攻击下的信息物理系统可靠控制方法，具有抗攻击能力强、可靠性高的优点。

本发明及技术解决方案为：针对一类感知执行层和数据传输层均受攻击的信息物理系统控制问题，首先，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征；其次，通过构建辅助状态变量，将量测信息扩张为系统状态变量，构造增广系统；再次，针对增广系统，设计攻击观测器对数据传输层攻击实时估计，并求解攻击观测器增益；最后，根据攻击观测器的输出值设计复合控制器，并完成对控制器增益的求解，实现对混合攻击下信息物理系统的可靠控制。具体实施步骤如下：

第一步，建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型，并对信息物理系统受到的攻击进行数学表征：

建立混合攻击下信息物理系统面向控制的动力学模型∑₁为：

其中，t表示时间，x(t)为信息物理系统状态变量，为系统状态变量的时间导数，y(t)为信息物理系统量测信息，u(t)为控制输入；ξ(t)为信息物理系统感知执行层攻击，为范数有界攻击，η(t)为信息物理系统数据传输层攻击，由外部模型描述；A、B、B₁为适维的已知常值系数矩阵；

信息物理系统数据传输层攻击η(t)由如下外部模型描述∑₂：

其中，ω(t)为外部模型的状态，为外部模型状态的时间导数，系数矩阵V为适维已知常值矩阵，ω₀为已知常数。