无人机 GPS 欺骗与定位完整性监测

本项目面向低空无人机 GNSS 定位受跳变、欺骗和协方差异常影响的情况。模块同时检查位置差分速度、GPS 上报速度、IMU 速度一致性和水平精度，输出 VALID / SUSPECT / REJECTED 以及导航源建议。

与仓库已有模块的区别：

  • AirLib 传感器消息回归 检查传感器消息字段和契约；
  • 普通导航/轨迹模块直接使用定位结果；
  • 本模块只评估 GPS 是否可信，并提供切换到 IMU 航位推算的明确建议。

1. 判定方法

位置差分速度：

风险由四部分组成：

  • 速度残差：位置差分速度与 GPS 上报速度之差；
  • IMU 残差：GPS 上报速度与 IMU 速度之差；
  • 精度风险：水平精度的归一化值；
  • 跳变风险：位置速度明显超过 IMU 速度时触发。

状态阈值为 SUSPECT=0.35、REJECTED=0.68。超过 6 m 水平精度或检测到异常跳变时立即拒绝。

2. ROS 2 接口

话题 类型 方向 说明
/uav_gps/integrity_sample std_msgs/String 输入 GPS 位置、速度、精度和 IMU 速度
/uav_gps/integrity_assessment std_msgs/String 输出 风险、状态和各项残差
/uav_gps/integrity_advice std_msgs/String 输出 USE_GPS / CROSS_CHECK / REJECT_GPS_USE_DEADRECKONING

模块不直接切换导航源，也不向飞控发送模式切换命令。

3. 构建与运行

source /opt/ros/humble/setup.bash
colcon build --symlink-install --packages-select uav_gps_integrity_guard
source install/setup.bash
ros2 launch uav_gps_integrity_guard main.launch.py duration:=15

CSV 默认写入 /tmp/uav_gps_integrity_runtime.csv。

当 duration 大于 0 时，模拟器结束后 launch 会通过进程退出事件自动关闭两个节点。默认 duration:=0.0 表示持续运行，此时使用 Ctrl+C 手动停止。

4. Humble 虚拟机实测

在 Ubuntu 22.04.5 / ROS 2 Humble / Python 3.10.12 中实际构建，VM 内 16 项 unittest 全部通过。ros2 launch ... duration:=15 启动两个节点并自动退出，本次截图对应的 CSV 共 76 行（1 行表头和 75 条有效状态）。

实际状态迁移：

VALID → SUSPECT → REJECTED → VALID

进入 SUSPECT 后风险约为 0.41–0.46；进入 SUSPECT 前仍有低于 0.35 的过渡样本。水平精度从约 4.8 m 增至 7.5 m，恢复后风险回到 0.23 以下。

VM 内实际终端截图同时记录了 Ubuntu 22.04.5、ROS 2 Humble、colcon build、16 项单元测试、两个节点启动、状态迁移、自动退出和实际 CSV 尾部：

ROS 2 Humble 虚拟机实际终端截图

根据同一轮 15 秒 ROS 2 CSV 生成的完整性曲线：

ROS 2 Humble 实际 GPS 完整性状态

5. 限制

  1. GPS、IMU 和欺骗轨迹均为确定性仿真，不是射频或飞行实测。
  2. 当前使用二维位置和速度一致性，尚未融合多星座、卫星几何、原始伪距和载噪比。
  3. IMU 速度被假设为短期可信；IMU 同时故障时无法保证检测结论。
  4. 没有实现 RAIM、接收机自主完好性监测或真实卡尔曼新息协方差。
  5. 输出是告警与建议，不能替代飞控导航源选择和失效降级逻辑。

6. 大模型使用声明

使用 OpenAI Codex 辅助完成代码、测试、文档和运行图生成；作者已逐项复核代码、参数和结果，并对提交内容、数据真实性和后续维护负责。