無人機系統的取證與分析

梁廣俊，賈鎮

(1.江蘇警官學院計算機信息與網絡安全系，江蘇南京，210031；2.常州市公安局巡特警支隊，江蘇常州，213022)

0 引言

無人駕駛飛機，是指利用無線電波或預先設定的程序，自動駕駛的飛行器。隨著社會經濟的發展，無人機從單一的軍用無人機逐漸走進了各家各戶，民用和商用無人機蓬勃發展，眾多國際互聯網及科技公司，例如谷歌，亞馬遜，3D Robotics，Parrot等，還有例如DJI大疆，EHANG億航等國內公司紛紛投身于無人機行業。大量的人力物力財力的投入使得無人機技術升級的同時，制造成本顯著降低，目前除軍事領域外，無人機普遍被應用于農業灌溉，遙感攝像，礦業勘探，新聞報道以及個人空中拍攝等多個領域。但是，科技的進步永遠是一把雙刃劍。無人機的發展給我們日常生活帶來了更多的便利，但無人機的不合法不合規的使用也給我國傳統治安管理帶來困擾。無人機是利用無線電遠程遙控這一特性使得并不是所有地方都適合無人機的使用。例如在機場附近，無人機的無線電信號就會干擾飛機的正常起飛，影響機場的正常管理秩序。不僅如此，部分民用無人機由于其本身較小的尺寸和重量，其飛行行為就如同鳥群一般，存在著被飛機發動機卷入或者本身撞擊飛機的可能性。因此，機場等交通樞紐附近是嚴禁無人機飛行的，國家也在相應區域進行標識為無人機禁飛區。然而許多不知道具體規定的無人機愛好者乃至不法分子未經許可便在禁飛區飛行無人機的“黑飛”行為層出不窮。與傳統飛機的駕駛相同，一些大型高性能無人機的飛行也需要通過考取相應執照來獲得飛行權限，受困于普法力度和執法難度，無證飛行的現象也屢見不鮮。

1 無人機的基本架構

1.1 無人機的組成

無人機就是指駕駛員并非像傳統飛行器一般在飛行器上駕駛，而是在遠處利用無線電等遠程數據傳輸手段和各式操作程序及設備操縱的不載人飛機。研究無人機的最初目的是在戰爭中執行高難度的任務，減輕人員傷亡，而隨著科技的進步，無人機走進了百姓家中，成為了造福于人類的一種工具。

無人機并不僅有單獨的一架飛機組成。單獨的機體并不能實現飛行等基礎功能，更不會實現拍攝，采集數據甚至抓取物品等進階功能。這些功能的實現都依賴于遠程遙控裝置，控制信號以及收發信號的天線裝置。如圖1，廣義的無人機是由無人機機身、動力系統、無人機控制器、傳感器模塊件、無線傳輸模塊和地面協作系統組成，即一個由硬件和軟件共同組成的無人機系統。

圖1 無人機的組成

無人機機身：一般指無人機機架和螺旋槳，一般來說，機架越大，飛機越穩定。室內的旋翼機，一般不會超過 450 軸距，做的越小越難（參數難調，整體系統搭建困難）。如果會一些簡單的繪圖工具可以自行設計機架，這樣做的好處是，可以自行留出安裝孔位來安裝機載電腦和傳感器。市面上大部分機架沒有預留機載電腦和傳感器的位置，都需要自行設計和安排。

動力系統：包括飛控控制器、電池、電機和電調等。飛控控制器由單片機和對應的實時操作系統擔任，要求就是實時性強，任務執行頻率上百赫茲，可以快速的控制電器系統，強調響應的實時性和相對簡單可靠，確保被控對象的平衡穩定。市面上的無人機主要采用鋰聚合物電池作為主要動力，續航能力一般在20分鐘至30分鐘之間，因技術方面不同有所差別，不過大部分續航時間都是在45分鐘以內，但充電時間卻都超過了一小時。這是無人機發展一個致命的短板若要促進無人機市場持久的良性發展，解決無人機電池續航能力問題迫在眉睫。

無人機控制器：也叫機載電腦，由PowerPC，DSP，Arm，X86構架的CPU來擔任，通常都是計算性能強大，并且運行之上的操作系統可靠如(VxWorks)等。負責運算和決策，完成復雜計算，和環境感知的工作。通常這種任務計算復雜，某些情況下也要求較高的任務執行頻率。機載電腦接口并不要求有多豐富，滿足自身要求即可。首先與飛控連接需要一個串口或者usb。其次要滿足所搭載傳感器對接口的要求。

傳感器模塊：主要用來感知無人機周圍環境，也可感知無人機自身狀態。傳感器模塊包含的傳感器種類非常豐富，如激光定高雷達，360度旋轉式激光雷達，T265雙目VIO攝像頭，D435I等等，這些傳感器數據感知周圍環境，構建出地形圖，通過激光/視覺等。是無人機自主飛行控制的前提條件。

無線傳輸模塊：通常情況下無人機會在在操控者的視野內飛行，并由操控者實時控制。采用更新技術的無人機可使用數傳與地面通訊，也可通過5G或WIFI實時將飛機狀態回傳到地面站。最終達到的就是飛機與電腦間的通訊，電腦給飛機的任務，飛機實時飛行高度，速度等很多數據都會通過它來傳輸，以方便我們實時監控飛機情況，根據需要隨時修改飛機航向。這也是我們在地面可以直接操控飛機的一個基礎。如果飛機上搭載有攝像頭等設備，需要將圖像也回傳到地面端時就需要加上圖傳設備，當然也有圖數傳一體的組網鏈路。

地面協作系統：包括遙控器、地面電腦和一些專業設備。不同于無人機的低功耗和輕算力，地面協作系統采用高速處理芯片，提供大算力的遠程協作數據處理，從而配合空中的無人機更好實現作業。

1.2 無人機發展歷史

技術的發展是一個由簡入繁的過程。1909年，美國發明家埃爾默·安布羅斯·斯佩里(E·A·Sperry)博士成功研制出用于保持飛行穩定的陀螺儀，同年著名科學家特斯拉在無線電技術領域取得了重大突破。這兩項關鍵部件的研發和系統重要組成部分的發現，使得無人機的概念變得具象化，引發了接下來人們對無人機的探索。

人機起源于20世紀10年代。由于戰爭的需要，德國西門子公司研制出一種僅由無線電遠程控制航路的小型飛機，用于航行到目的區域后投放事先裝備好的炸彈。這一飛行器被認為是現代可控無人機的先驅。

1917年，英國首次將傳統飛機設計技術，無線電傳輸以及輕型發動機結合在一起，研制出“喉”式單翼無人機并成功試飛?！昂怼笔絾我頍o人機可以在無線電控制下按照預定路線和高度飛行，并可攜帶114千克的炸藥用于轟炸目標[2]。但可惜的是，由于傳輸效率問題，“喉”式無人機航程距離較短，無人轟炸機并未廣泛應用于當時的一戰戰場。這時的無人機的主要作用均在于排除飛行員犧牲的可能性，以最小的風險來實現轟炸機的工作效果。

而當代意義上的第一架無人機產生于20世紀30年代的英國。英國為了在戰爭中獲取更多的情報，首次將無人機和攝像頭等一系列傳感裝置相結合，利用無人機進行信息偵查和情報搜集的任務。而無人機輕巧隱蔽，能實時傳輸數據等獨有的特點很好的契合軍事偵察的相關要求，無人機行業在軍事領域率先發展起來。

軍事的需求推動著無人機的進一步發展。20世紀80年代前后，多用途無人機真正地在戰場上得到了廣泛的應用，其主要作用包括傳統的照相偵查，情報搜集以及火力投放，還有雷達干擾，放空誘餌投放等現代技術以及戰場形勢評估和人員搜救等戰后用途。無人機得到了各國的青睞，各國對無人機的投入逐漸增加，據美國最新研究報告顯示，僅美國一國2019年在無人機方面的支出高達69.73億美元。

很多科技革命都是在軍事革命的背景下誕生的，隨著世界戰爭的結束，軍事無人機的發展帶動著無人機向民用領域發展的腳步。與軍用無人機不同的是，民用無人機主要應用于農業灌溉，氣象勘探，環境監測以及大眾娛樂等服務于社會民生的方面。20世紀80年代，日本雅馬哈首次發明植保無人機，將無人機技術引入農業行業。歐美等國于21世紀初制定相關條例規范民用無人機的使用與發展，美國航空航天局建立無人機應用中心，推動了無人機在民用領域的研究與發展進程。我國民用無人機發展曾一度滯后于歐美等其他國家，直到2006年，大疆科技有限公司在深圳成立，隨后派諾特，零度控制，億航等企業紛紛投入到民用無人機的研究與發展之中，百度，小米，騰訊等新興互聯網企業也不甘落后，以自主研發，投資收購等不同方式加入民用無人機這一產業。目前，民用無人機行業群雄并起，傳統無人機廠商在技術上不斷取得突破，新型互聯網企業也不斷試足于無人機行業，無人機行業市場百花齊放，未來發展大有可為。

2 無人機系統數據的提取與分析

本文將以大疆御Mavic2pro為例，通過手機APP，內置SD卡，大疆DJI Assistant2軟件三種不同的方式進行無人機系統數據的提取與分析。

2.1 利用手機APP分析

DJI御Mavic 2 pro系列無人機需要利用DJI GO 4APP連接手機、遙控器和無人機，而手機APP 取證也是目前電子數據取證最成熟的方式之一。

DJI GO 4APP內置了數據存儲功能，如圖2所示，通過APP直觀的了解飛行總時間，飛行總距離，飛行次數的無人機總體數據。該功能直觀，便捷，界面通俗易懂，將復雜的電子數據轉化為顯而易見的表格化數據，極大地便利于消費者及相關取證人員提取飛行數據等無人機淺層數據。

圖2 無人機 DJI GO 4 APP 界面

而如果我們登陸DJI大疆賬號，如圖3所示，單擊右上角同步按鈕，同步無人機飛行數據之后詳細了解某次無人機飛行的距離，時長，最大高度等信息。

圖3 無人機 DJI GO 4 APP 飛行數據

以最近一次南京市內飛行為例，單擊該次飛行記錄，可以詳細展現了該次飛行的飛行路徑、時間和距離。不同于之前的靜態數據，以秒為單位，可展示在該飛行過程中，每一時刻該無人機所處的狀態情況。通過分析可知，該無人機目前處于GPS信號連接中，信號強度為強，目前無人機電量為56%。在該次飛行時間為2分33秒時，該次無人機已經飛行了211米的距離，目前高度為18米，距離操縱者實際直線距離為89米。在這一時刻，該無人機的水平速度為9.1m/s,方向為東南方向，垂直速度為0.2m/s，方向為垂直向上。通過該組數據，我們可以得知目前無人機飛行方向為東南方向，速度較快且處于緩慢上升的狀態。在飛行過程中段拍攝了一張照片，在飛行結束時也拍攝了一張照片，提取后可以很清晰直觀的看到畫面。

2.2 利用DJl Assistant2 軟件提取飛行記錄分析

DJI Assistant2軟件能有效地連接無人機和電腦等終端設備，可用于升級固件，矯正飛行器以及提取飛行日志的功能。使用USB-A to type-c接口數據線連接電腦與無人機，打開DJI Assistant2 軟件，單擊日志導出功能，會出現該無人機每次飛行的次數、時間，以及該次無人機飛行日志的大小。單擊右上角高級模式進入更有針對性的導出飛行記錄與飛行時感知的障礙物數據，導航數據，云臺和相機的操縱數據。單擊保存到本地按鈕，導出一條名為“DJI_ASSISTANT_EXPORT_FILE_2021-04-26_10-27-34”的TXT文件，該 TXT文件記錄內容為2021年4月25日18時42分該無人機的飛行記錄，即上文所述圖示的無人機飛行記錄。該文件為二進制文件，可以使用CsvView軟件加載并查看該飛行日志文件。打開該文件，如圖4可以看見該無人機的電池，照相機和飛行器的唯一SN標志編碼，多維度的唯一性標志碼可以幫助我們更好的確認無人機的真實性和準確性。

圖4 無人機日志分析數據

使用CsvView的GeoPlayer程序可以將飛行記錄作可視化展示，飛行記錄中的飛行軌跡更加詳細，不僅有無人機大致的方向和路線，還清晰標明了無人機的飛行路徑（紅色），也標明了無人機控制終端的移動路徑（藍色）。除此以外，無人機細小的迂回，停滯等行為也更好的通過重復線條加粗的方式體現，如圖5所示。

圖5 無人機飛行軌跡

除此以外，我們還可以從飛行日志中提取包含了電池溫度、電壓、剩余電量；距離和速度；使用距離和時間和飛行動力等飛行數據。

以電壓和電池剩余電量為例，單擊‘Battery Voltage and Percent Remaining’，會得到圖 6。可以發現在飛行時無人機電池電量為65%（紅線），且隨著無人機的使用電量成階梯式下滑，電池電壓也因無人機起飛而達到峰值16V左右，隨后緩慢下降，且略有波動。電池容量和電壓數據可以從一定程度上判斷無人機該段時間飛行是否持續，是否進行某種例如起飛，降落的行為導致電量的迅速下滑和電壓波動。

圖6 無人機電池數據

3 結論

科技的發展必然是一把雙刃劍。伴隨著無人機在各行各業乃至日常生活中的普及，越來越多的普通人也能用得起，用得好無人機。但無人機行業的發展也不可避免的給社會帶來各式各樣的治安問題。如何預防這些治安問題，出現問題后如何及時處置，如何依法處理，這些都是我們將來要考慮的問題。