在连接混合式网络攻击环境下，针对无人水面船舶的综合故障估计与容错跟踪控制

《Journal of Cyber Security and Mobility》：Integrated Fault Estimation and Fault-Tolerant Tracking Control for Unmanned Surface Vessels Under Connectivity-Hybrid Cyber-Attacks

多无人水面舰艇（USVs）跟踪控制研究考虑网络层混合攻击和水动力扰动及物理层舵角故障，建立含执行器故障和网络攻击的USV模型，提出增强估计器分布式故障估计（FE）与领导-跟随一致性分布式故障容忍跟踪控制（FTTC）协议，通过双约束限制实现指数跟踪，仿真验证其优越性。

　　

摘要：

本研究旨在解决多艘无人水面船（USVs）的跟踪控制问题。它考虑了网络层面上的连接混合式网络攻击的影响，以及物理层面上的波浪引起的干扰和严重或非严重的舵角故障。为此，研究建立了考虑执行器故障和网络攻击建模的USV模型。然后提出了基于增强估计器的分布式故障估计（FE）和基于领导者-跟随者共识的分布式容错跟踪控制（FTTC）协议。这些技术被整合到一个综合结构中，以确保估计误差的稳健渐近收敛性和多艘USVs的优异跟踪性能。最后，研究提出了在网络攻击下对具有复合故障的多艘USVs进行指数级跟踪的标准，这些标准使用了双重约束限制（攻击频率和激励率）。对比仿真结果证实了所开发的集成FE和FTTC方案的优势。

引言

随着全球对与复杂水环境相关的军事、科学和商业领域的兴趣日益增加，对可靠性更高的无人水面船（USVs）的需求也在不断增长，以显著扩展USVs的任务执行范围[1]、[2]、[3]。关于多艘USVs跟踪控制的众多文献涵盖了编队跟踪[4]、[5]、路径跟随[6]、[7]和轨迹跟踪[8]、[9]。配备了先进计算和数字平台的高级USVs更容易受到轻微技术故障和由于网络攻击及虚拟/物理设备缺陷导致的严重故障的影响。多艘USVs的安全跟踪性能需要各个USVs之间更准确的信息交互，而在网络攻击下理想的网络拓扑结构却受到了破坏。具体来说，提出了一种基于自适应神经网络的更新法则，以实现自主USVs在时变状态依赖的恶意网络攻击下的同步性和韧性[10]。此外，还分别研究了在控制站和执行器之间的拒绝服务（DoS）攻击[11]、网络层中的非周期性DoS攻击[12]以及多源对抗性样本攻击[13]下的网络化USVs的安全跟踪问题。然而，在平衡的网络拓扑结构或多样化的互连拓扑结构[14]、[15]情况下，现有的基于拓扑结构的抗攻击技术无法直接解决带有攻击的多艘USVs的跟踪控制问题。因此，为受到攻击的多艘USVs开发新的领导者-跟随者跟踪控制策略至关重要，但同时也面临重大挑战。