GPS-dependent localization, tracking and navigation applications have a significant impact on the modern aviation industry. However, the lack of encryption and authentication makes GPS vulnerable for spoofing attacks with the purpose of hijacking aircrafts or threatening air safety. In this paper, we propose GPS-Probe, a GPS spoofing detection algorithm which leverages the air traffic control (ATC) messages periodically broadcasted by aircrafts. By exploiting the received signal strength indicator (RSSI) and the timestamps at server (TSS) of the ATC messages monitored by multiple ground sensors, GPS-Probe constructs a machine learning enabled framework which can estimate the real position of the target aircraft and then detect whether GPS is spoofed or not. Unlike existing techniques, GPS-Probe neither requires any updates of the GPS infrastructure nor of the GPS receivers. It also releases the requirement on the time synchronization of the ground sensors distributed around the world. We further present GPS-Probe-Plus by incorporating a flight height estimation module and a calibration method for RSSI and TSS values, which performs better on both target localization and spoofing detection than GPS-Probe. Using the real-world ATC data crowdsourced by OpenSky Network, our experiment results show that GPS-Probe (resp. GPS-Probe-Plus) can achieve an average detection accuracy and precision, of 81.7% (resp. 86.8%) and 85.3% (resp. 91.2%), respectively, significantly outperforming the state-of-the-arts.

中文翻译：

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GPS欺骗与否？在众包空中交通管制数据中利用 RSSI 和 TSS

依赖 GPS 的定位、跟踪和导航应用对现代航空业产生了重大影响。然而，由于缺乏加密和身份验证，GPS 容易受到以劫持飞机或威胁空中安全为目的的欺骗攻击。在本文中，我们提出了 GPS-Probe，一种利用飞机定期广播的空中交通管制 (ATC) 消息的 GPS 欺骗检测算法。通过利用接收信号强度指标 (RSSI) 和由多个地面传感器监测的 ATC 消息的服务器时间戳 (TSS)，GPS-Probe 构建了一个支持机器学习的框架，该框架可以估计目标飞机的真实位置，然后检测GPS是否被欺骗。与现有技术不同，GPS-Probe 既不需要 GPS 基础设施的任何更新，也不需要 GPS 接收器的任何更新。它还发布了对分布在世界各地的地面传感器时间同步的要求。我们通过结合飞行高度估计模块和 RSSI 和 TSS 值的校准方法进一步提出 GPS-Probe-Plus，其在目标定位和欺骗检测方面的性能都优于 GPS-Probe。使用 OpenSky Network 众包的真实世界 ATC 数据，我们的实验结果表明 GPS-Probe (resp. GPS-Probe-Plus) 可以达到平均检测准确度和精度，分别为 81.7% (resp. 86.8%) 和 85.3% （分别为 91.2%），分别显着优于最先进的技术。它还发布了对分布在世界各地的地面传感器时间同步的要求。我们通过结合飞行高度估计模块和 RSSI 和 TSS 值的校准方法进一步提出 GPS-Probe-Plus，其在目标定位和欺骗检测方面的性能都优于 GPS-Probe。使用 OpenSky Network 众包的真实世界 ATC 数据，我们的实验结果表明 GPS-Probe (resp. GPS-Probe-Plus) 可以达到平均检测准确度和精度，分别为 81.7% (resp. 86.8%) 和 85.3% （分别为 91.2%），分别显着优于最先进的技术。它还发布了对分布在世界各地的地面传感器时间同步的要求。我们通过结合飞行高度估计模块和 RSSI 和 TSS 值的校准方法进一步提出 GPS-Probe-Plus，其在目标定位和欺骗检测方面的性能都优于 GPS-Probe。使用 OpenSky Network 众包的真实世界 ATC 数据，我们的实验结果表明 GPS-Probe (resp. GPS-Probe-Plus) 可以达到平均检测准确度和精度，分别为 81.7% (resp. 86.8%) 和 85.3% （分别为 91.2%），分别显着优于最先进的技术。与 GPS-Probe 相比，它在目标定位和欺骗检测方面的表现都更好。使用 OpenSky Network 众包的真实世界 ATC 数据，我们的实验结果表明 GPS-Probe (resp. GPS-Probe-Plus) 可以达到平均检测准确度和精度，分别为 81.7% (resp. 86.8%) 和 85.3% （分别为 91.2%），分别显着优于最先进的技术。与 GPS-Probe 相比，它在目标定位和欺骗检测方面的表现都更好。使用 OpenSky Network 众包的真实世界 ATC 数据，我们的实验结果表明 GPS-Probe (resp. GPS-Probe-Plus) 可以达到平均检测准确度和精度，分别为 81.7% (resp. 86.8%) 和 85.3% （分别为 91.2%），分别显着优于最先进的技术。