Artículo de revista2025

IEEE Communications Magazine

Flighter: Decentralized Federated Learning and Situational Awareness for Secure Military Aerial Reconnaissance

Mosaic warfare is a military strategy where reconnaissance missions with aerial vehicles are critical for gathering enemy information and achieving battlefield dominance. Nowadays, machine learning (ML) techniques pla...

Military aircraftReconnaissanceTrainingData modelsAtmospheric modelingAircraft navigationAdaptation modelsReliabilityVehicle dynamicsSecurityMilitary communication
Scientific overview

Flighter: Secure UAV Federated Learning Loop

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Flighter decentralized learning loopConceptual animation demonstrating collaborative learning, device-to-device model exchange, situational reliability evaluation, and decentralized aggregation in a bounded UAV reconnaissance scenario.U1U2U3U4

Flighter lens / Phase 1 of 6

Local Observation

Four UAVs scan the battlefield in formation, gathering abstract terrain and situational information via local sensors.

Defense Metrics Weights

Model Similarity30%
Flight Formation30%
Geopositioning15%
Interconnection15%
Resource Usage10%

Validation Domains

Mosaic WarfareAerial ReconnaissanceSAR Vehicle DetectionAdversarial Attacks
  1. 01

    Local Observation

  2. 02

    Local Training

  3. 03

    Decentralized Exchange

  4. 04

    Situational Defense Module

  5. 05

    Consensus & Aggregation

  6. 06

    Situational Awareness Update

Resumen científicoRQ2

Convierte una brecha de seguridad en DFL en una evaluación adversarial acotada: participantes móviles con datos SAR entrenan colaborativamente mientras indicadores del modelo, contextuales y operacionales apoyan agregación descentralizada orientada a fiabilidad.

Ver animación

95.8%

F1 en MSTAR

Escenario base de reconocimiento

97.5%

F1 en SAMPLE

Escenario base de reconocimiento

79.1%

F1 en OpenSARShip

Escenario base de reconocimiento

0.7%

pérdida de paquetes

Comportamiento de comunicación estable en el escenario base

Contribuciones científicas clave

  1. 01Escenario acotado de reconocimiento:Evalúa DFL con vehículos aéreos equipados con SAR bajo movilidad, conectividad cambiante y condiciones adversariales.
  2. 02Puntuación de fiabilidad situacional:Combina similitud de modelo, formación de vuelo, geoposicionamiento, uso de recursos e interconexión.
  3. 03Agregación orientada a fiabilidad:Pondera la agregación descentralizada para reducir la influencia de contribuciones potencialmente no fiables o maliciosas.

Conclusiones principales

  1. 01Dentro del escenario basado en SAR evaluado, los indicadores contextuales y del modelo apoyan decisiones de agregación descentralizada bajo movilidad, restricciones de comunicación y comportamiento adversarial.
  2. 02Flighter debe interpretarse como una contribución acotada a la robustez y adaptación en DFL adversarial, no como una defensa general para cualquier federación descentralizada.
  3. 03Los resultados reportados dependen de los conjuntos de datos, ataques, arquitectura de modelo, método de referencia y condiciones de simulación específicos de la publicación.

Evaluación adversarial acotada

Desviación geoposicional

Escenario

Reconocimiento aéreo SAR

Resultado reportado

91.8% F1 (MSTAR), 90.3% (SAMPLE), 72.0% (OpenSARShip)

Manipulación de trayectoria de colisión

Escenario

Perturbación operacional

Resultado reportado

92.5% F1 (MSTAR), 89.8% (SAMPLE), 70.1% (OpenSARShip)

Envenenamiento adversarial

Escenario

Ataque al entrenamiento colaborativo

Resultado reportado

52.1%-90.1% F1 según conjunto de datos y configuración de ataque

Fases metodológicas

01

Observar

Similitud de modelo, formación, posición, recursos y enlaces

02

Valorar

Fiabilidad descentralizada ante perturbaciones y ataques

03

Agregar

Reducir la influencia de nodos comprometidos o inconsistentes

Resumen

Mosaic warfare is a military strategy where reconnaissance missions with aerial vehicles are critical for gathering enemy information and achieving battlefield dominance. Nowadays, machine learning (ML) techniques play a pivotal role in this task by enabling precise detection of military vehicles. However, reconnaissance missions face challenges, particularly when enemies launch attacks targeting ML models and aerial exploration vehicles. Combining decentralized federated learning (DFL) and situational awareness could improve these challenges by facilitating collaborative, context-aware, robust, and privacy-preserving ML-based learning processes. Nevertheless, existing literature overlooks these research fields and their applicability to military reconnaissance missions. Thus, this work introduces Flighter, a novel framework that trains DFL models for enemy detection while safeguarding model integrity using a situational awareness-based defense module. Flighter considers model similarity, flight formations, geopositioning, resource usage, and interconnection rate between aerial vehicles to defend against adversarial attacks targeting reconnaissance tasks. A simulated military scenario using synthetic aperture radar (SAR) data of military vehicles has been deployed to evaluate the framework performance. The evaluation involved four military aircraft operating in two flight formations under adversarial attacks affecting aircraft geopositioning and collaborative training. Extensive experimentation with different attacks demonstrated that Flighter enhances literature detection accuracy and time without compromising privacy.

Autores

Enrique Tomás Martínez BeltránPedro Miguel Sánchez SánchezGérôme BovetBurkhard StillerGregorio Martínez PérezAlberto Huertas Celdrán

Palabras clave

Military aircraftReconnaissanceTrainingData modelsAtmospheric modelingAircraft navigationAdaptation modelsReliabilityVehicle dynamicsSecurityMilitary communication

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