Моделі та методи забезпечення кіберфізичної стійкості мереж дронів
Вантажиться...
Дата
2026
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Войцеховський А.В. Моделі та методи забезпечення кіберфізичної стійкості мереж дронів. – Кваліфікаційна праця на правах рукопису. Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії з галузі знань 12 – Інформаційні технології за спеціальністю 125 – Кібербезпека. – Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Київ, 2026.
Дисертаційна робота присвячена розробці комплексних моделей та методів захисту від кіберфізичних і кібернетичних загроз для безпечного функціонування мереж БпЛА в умовах динамічних ворожих та несприятливих впливів. В умовах сучасного поля бою мережі рухомих пристроїв БПЛА відіграють критично важливу роль, дозволяючи дистанційно виконувати поставлені завдання та суттєво зменшуючи ризики для життя військовослужбовців, проте їхня ефективність та виживання постійно перебувають під загрозою через комплексний зовнішній вплив та особливості агресивного середовища. Забезпечення безпеки таких мереж є комплексним завданням, оскільки БПЛА наповнені вбудованими системами з датчиками та передавачами, що робить їх вразливими як до кібернетичних атак у вигляді експлуатації вразливостей програмного забезпечення, так і до кіберфізичних впливів, таких як радіоелектронна протидія, підміна сигналу та робота в умовах складного рельєфу. У наявних наукових працях зазвичай розглядалися питання доступності мережі БпЛА переважно для цивільних місій, де враховувалися лише траєкторія польоту та розташування будівель, проте фактори, притаманні військовим умовам, залишалися поза увагою дослідників. До таких специфічних факторів належать: вплив потужних комплексів радіоелектронної боротьби супротивника, вплив природного рельєфу на затухання сигналу та специфічна топологія мережі БпЛА, що виникає під час реальних операцій. Водночас стрімкий розвиток інтелектуальних функцій БпЛА, включаючи машинне навчання та складну програмну складову, робить їх потенційною ціллю для атак через бездротові оновлення та використання вразливих драйверів операційних систем, що створює ризик перехоплення керування усім роєм. Критичний приклад реалізації такої загрози був продемонстрований експлойтом UniPwn у прошивках автономних роботів Unitree, які використовують бездротовий зв’язок. Найбільшу небезпеку становить те, що інфікований апарат може сканувати інші пристрої в радіусі дії мережі та автоматично cкомпрометувати їх, створюючи самопоширюваний ботнет. Метою дисертаційної роботи є вирішення науково-технічної задачі підвищення кіберфізичної стійкості мереж БпЛА шляхом розробки комплексу моделей і методів, що забезпечують збереження доступності каналів зв’язку мережі БпЛА, цілісність і конфіденційність польотних завдань, а також розширення можливостей спостережності за динамікою станів мережі в умовах впливу несприятливих та ворожих факторів. Поставлена мета досягається через розробку та вдосконалення комплексу моделей і методів керування мереж БпЛА, які, на відміну від існуючих, враховують вплив засобів радіоелектронної протидії каналам зв’язку, топологічні перешкоди та вразливості програмного забезпечення, що дозволяє забезпечити надійне керування мережею БпЛА та гарантувати виконання місій у критичних умовах. Об’єкт: мережі безпілотних літальних апаратів (БпЛА). Предмет: моделі та методи дослідження мереж БпЛА в контексті їх кібербезпеки та доступності. Для протидії цим загрозам автором запропоновано комплекс результатів, що включають моделювання стану мережі БпЛА, просторово-часову оптимізацію розміщення БпЛА та автоматизований пошук вразливостей у зразках програмного забезпечення БпЛА. Фундаментальною складовою дослідження є розроблені моделі функціонування мережі БпЛА на основі апарату звичайних та кольорових мереж Петрі, яка комплексно враховує динаміку кіберфізичних загроз, зокрема вплив пристроїв РЕП різної потужності, топологічні перешкоди та згасання сигналу залежно від відстані. Для моделювання окремого БпЛА розроблено загальну мережу Петрі, яка дозволяє відслідковувати зміну рівня якості сигналу, а для множини пристроїв побудовано кольорову мережу Петрі. У цій моделі фішки ідентифікують окремі дрони та рівень їхнього сигналу, динамічно відображаючи переходи між критичними станами, такими як стабільне підключення, втрата зв’язку, потрапляння в зону глушіння, перехід в автономний політ або успішний пошук ретранслятора. Це забезпечує можливість прогнозної аналітики станів мережі БПЛА та візуалізації динаміки зміни сигналу в умовах активного придушення. Числові показники ефективності розроблених моделей Петрі підтверджені під час симуляційного моделювання сценаріїв для групи зі 100 пристроїв протягом шести кроків. Проведений порівняльний аналіз показав, що модель здатна адекватно відображати критичну деградацію системи, коли на 4-му кроці через інтенсивний вплив РЕП кількість апаратів із нульовим рівнем сигналу досягла максимуму у 36 одиниць, а 41 пристрій перейшов у режим автономної навігації. Водночас використання цієї моделі підтвердило високу відновлюваність мережі: на фінальному кроці після виходу із зони дії перешкод 93 пристрої (93% рою) успішно відновили стабільне підключення, що підтвердило логічну коректність розроблених механізмів резервних переходів у мережі Петрі. Для вирішення задачі оптимального позиціонування мережі БпЛА під час його просування від початкової точки розгортання до цілі в умовах кіберфізичних загроз, автором запропоновано метод на основі генетичного алгоритму та багатокомпонентної цільової функції. Цей метод відрізняється від існуючих рішень врахуванням загроз підміни геолокаційних даних, радіолокаційних перешкод та особливостей рельєфу на основі відкритих наборів даних. Запропонована цільова функція ефективно вирішує проблему балансування впливу ключових конкуруючих факторів: вона одночасно забезпечує мінімізацію відстані до цілі, максимізацію зв’язності комунікаційного ланцюга (уникаючи як ізоляції вузлів, так і їх надмірного скупчення), а також стратегічний обхід зон дії ворожих засобів радіоелектронної боротьби. Проведений обчислювальний експеримент підтвердив, що генетичний алгоритм забезпечує необхідний баланс між просуванням мережі до цілі та збереженням комунікаційного ланцюга, дозволяючи зменшити значення цільової функції майже в десять разів за сто ітерацій. Проведений порівняльний аналіз показав, що метод градієнтного спуску демонструє найгірші результати через залежність від початкової точки та застрягання в локальних мінімумах складного рельєфу, внаслідок чого значення цільової функції не вдалося істотно зменшити, а дистанційна похибка становила понад сорок один кілометр. Жадібний послідовний алгоритм показав швидший результат спрацювання в середньому в 0.01 секунди, проте він не здатний правильно корегувати позиції вже розміщених дронів, що призводить до посередніх результатів. Найвищу ефективність продемонстрував генетичний алгоритм, який одночасно оптимізує всю конфігурацію рою протягом ста поколінь. Застосування генетичного алгоритму дозволило істотно зменшити значення цільової функції, що за показником точності є в середньому у 16 разів кращим за жадібний алгоритм та майже у 330 разів перевершує результати градієнтного спуску. Крім того, цей метод дозволив скоротити підсумкову дистанцію маршруту у 56 разів порівняно з жадібним алгоритмом та у понад 500 разів порівняно з градієнтним спуском, забезпечуючи оптимальний баланс між просуванням до цілі та збереженням зв’язку за 0.82 секунди обчислень. Паралельно з цим було вдосконалено алгоритм генерації безпечних траєкторій за допомогою великих мовних моделей. Модель інтерпретує контекст місії, генерує адаптивні рішення та здатна запропонувати альтернативні маршрути з поясненням тактичних компромісів. Використання спеціалізованих структурованих шаблонів запитів, які динамічно заповнюються даними цифрових карт висот Copernicus DEM, характеристиками ворожих засобів РЕП та параметрами місії, дозволяє системі уникати зон виявлення та підтримувати можливість передачі сигналу між вузлами мережі. Результати експериментів із моделлю Claude Sonnet підтвердили здатність таких моделей генерувати маршрути, що успішно оминають населені пункти та висотні перешкоди, мінімізуючи ризики переривання зв’язку. Окрему увагу в роботі приділено безпеці програмного забезпечення БПЛА через розробку моделі комунікаційної архітектури та методу автоматизованого статичного аналізу бінарних прошивок на наявність недокументованих можливостей. Запропоноване рішення базується на інтеграції можливостей LLM із професійними інструментами бінарного аналізу, такими як декомпілятори IDA Pro та Binary Ninja, через стандартизований протокол MCP. Розроблена система структурованих шаблонів запитів мінімізує ризики генерації помилкових висновків моделлю та формалізує звітність, що значно знижує вимоги до професійної підготовки експерта. Автоматизований аналіз модулів польотного контролера PX4 та бібліотеки muparser продемонстрував високу швидкодію, яка в 4 рази перевищує показники класичних методів динамічного аналізу, при цьому точність істинно позитивних виявлень досягла 94,7%. Практичне значення отриманих результатів полягає у створенні програмної реалізації розроблених методів, що може бути використана для прогнозування та планування місій БПЛА в умовах воєнних дій, а також для оперативного виявлення вразливостей та генерації виправлень програмного забезпечення. Розроблений інструментарій дозволяє підвищити ситуаційну обізнаність операторів та забезпечити швидке реагування на поширення шкідливого програмного забезпечення в мережах типу mesh. Розроблені моделі та методи були успішно використані під час виконання грантового проєкту “Towards Networked Airborne Computing in Uncertain Airspace: A Control and Networking Facilitated Distributed Computing Framework”, а також впроваджені у навчальний процес в курсах “Методи штучного інтелекту в кібербезпеці”, “Кіберзахист об’єктів критичної інфраструктури”, “Аналіз бінарних вразливостей”. За матеріалами дисертації опубліковано 10 робіт, з яких 5 - це статті у журналах, що входять до переліку фахових видань затверджених МОН України за спеціальністю дисертації, 1 стаття в виданні Scopus та 4 - публікації у матеріалах конференцій (у тому числі, міжнародних).
Опис
Ключові слова
Кібербезпека, інформаційна безпека, цілісність, доступність, конфіденційність, кіберфізичні системи, мережі Петрі, пошук вразливостей в ПЗ БпЛА, оптимізація прокладання маршруту, великі мовні моделі, БпЛА роторного типу, Cybersecurity, information security, integrity, availability, confidentiality, cyber-physical systems, Petri nets, UAV software vulnerability analysis, optimization route planning, LLM, rotary-wing UAVs
Бібліографічний опис
Войцеховський, А. В. Моделі та методи забезпечення кіберфізичної стійкості мереж дронів : дис. … д-ра філософії : 125 Кібербезпека / Войцеховський Андрій Валерійович. – Київ, 2026. – 137 с.