無人機(jī)測(cè)控信息系統(tǒng)安全性分析

何健輝　王梓斌　魏興云　熊剛

摘要：隨著信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的發(fā)展，無人機(jī)的應(yīng)用日益廣泛，無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)是無人機(jī)的重要“生命線”，完成對(duì)無人機(jī)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。首先介紹了主要無人機(jī)平臺(tái)的發(fā)展情況，在介紹無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)總體技術(shù)的基礎(chǔ)上，論述了無人機(jī)遙控及遙測(cè)的通信協(xié)議，然后從物理、鏈路、網(wǎng)絡(luò)、作戰(zhàn)使用等多個(gè)層次開展了無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的安全性分析。最后分別從標(biāo)準(zhǔn)制定、無人機(jī)自主決策、空中交通管制、信道抗干擾等五個(gè)方面提出了對(duì)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展建議。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)測(cè)控；遙控；遙測(cè)；安全性

一、前言

無人機(jī)（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）已成為當(dāng)今廣泛使用的高新技術(shù)武器之一，在局部戰(zhàn)爭(zhēng)中頻繁使用。目前世界上從事研究和生產(chǎn)無人機(jī)的有美國(guó)、俄羅斯、以色列、英國(guó)等近30個(gè)國(guó)家，無人機(jī)的型號(hào)已經(jīng)增加到200種以上，預(yù)計(jì)全球有3萬架以上的無人機(jī)。

無人機(jī)系統(tǒng)主要由飛機(jī)平臺(tái)、任務(wù)載荷和測(cè)控系統(tǒng)三大部分組成，而無人機(jī)測(cè)控則是無人機(jī)系統(tǒng)最重要的組成部分。無人機(jī)測(cè)控是指對(duì)無人機(jī)進(jìn)行遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和數(shù)據(jù)傳輸。遙控是指對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行控制；遙測(cè)是指對(duì)無人機(jī)飛行狀態(tài)和設(shè)備狀態(tài)參數(shù)的測(cè)量與回傳；跟蹤定位是指對(duì)無人機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤與位置測(cè)量；數(shù)據(jù)傳輸是指對(duì)無人機(jī)載任務(wù)載荷及傳感器信息的傳輸。無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)采用的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和應(yīng)用協(xié)議包括一套通信協(xié)議以及被交換信息的定義[1-2]。

二、無人機(jī)測(cè)控信息系統(tǒng)特征分析

（一）主要無人機(jī)平臺(tái)

美國(guó)無人機(jī)的主要供應(yīng)商為諾斯羅普·格魯門公司、通用原子公司、洛克希德·馬丁公司、波音公司等。根據(jù)美國(guó)《無人機(jī)系統(tǒng)路線圖2013-2038》的數(shù)據(jù)，美國(guó)還裝備了“全球鷹”“捕食者”“大烏鴉”等不同類型數(shù)量眾多的無人機(jī)。

以色列在無人機(jī)方面水平與美國(guó)相當(dāng)，研制公司主要有飛機(jī)工業(yè)公司馬拉特（MALAT）和埃爾比特（Elbit）公司，典型產(chǎn)品有“哈比”“蒼鷺”“赫爾墨斯”等。

我國(guó)研制無人機(jī)已有50多年的歷史，主要產(chǎn)品包括“翔龍”“翼龍”“利劍”“天翅”“WJ-600”等[3-4]。

（二）無人機(jī)測(cè)控技術(shù)體制分析

無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)主要完成對(duì)無人機(jī)平臺(tái)的遙控、遙測(cè)、跟蹤定位及傳感器信息傳輸。目前，針對(duì)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的主要規(guī)范包括信道通用要求、端機(jī)通用要求、信息傳輸鏈路協(xié)議、遙控遙測(cè)等，工作頻段有UHF、X、Ku等多個(gè)頻段。下行鏈路傳輸速率符合3.2×2Nkb/s和256×2Nkb/s，其中N為0—6的整數(shù)，采用了BPSK、QPSK、FSK、CPFSK等多種調(diào)制方式，可實(shí)現(xiàn)高速率的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸及組網(wǎng)分發(fā)傳輸功能。上行鏈路傳輸速率符合3.2×2Nkb/s，其中N為0—6的整數(shù)，采用了擴(kuò)頻、跳頻或擴(kuò)跳結(jié)合體制等抗干擾傳輸體制。中高空長(zhǎng)航時(shí)無人機(jī)還配置了衛(wèi)星中繼測(cè)控鏈路，選用Ku或Ka波段為主信道。在指揮控制技術(shù)方面，對(duì)無人機(jī)的操縱控制已從早期的飛行員實(shí)時(shí)操縱駕駛飛機(jī)向無人機(jī)自動(dòng)飛行控制，甚至自主決策控制方向發(fā)展。

無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)采用“X合一”技術(shù)體制，常用的有“三合一”和“四合一”體制[5]?！叭弦弧毙诺荔w制是指遙控、遙測(cè)和跟蹤定位統(tǒng)一的載波體制，即利用遙控和遙測(cè)實(shí)現(xiàn)測(cè)距，利用遙測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)角，而利用另外單獨(dú)的下行傳輸任務(wù)載荷信息。“四合一”信道體制是指遙控、遙測(cè)、跟蹤定位和任務(wù)載荷信息傳輸?shù)慕y(tǒng)一載波體制，即任務(wù)載荷信息與遙測(cè)共用信道傳輸，利用遙控和遙控實(shí)現(xiàn)測(cè)距，利用任務(wù)載荷與遙測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)角。

（三）無人機(jī)測(cè)控通信協(xié)議分析

1.遙控

無人機(jī)遙控信息的處理分為多個(gè)層次，從源控制端發(fā)出的遙控?cái)?shù)據(jù)經(jīng)過5個(gè)層次的處理送往無人機(jī)相應(yīng)的遙控信號(hào)接收機(jī)，如圖1所示。

遙控應(yīng)用數(shù)據(jù)在包裝層加上包頭后，形成遙控包。遙控包是遙控用戶數(shù)據(jù)單元的一種主要形式。遙控包在分段層被分段或被集裝后，加上段頭形成遙控段。遙控段是遙控幀數(shù)據(jù)單元的一種主要形式。遙控用戶數(shù)據(jù)單元和遙控幀數(shù)據(jù)單元還可以是外來的由用戶自定義的數(shù)據(jù)單元。在傳送層，遙控幀數(shù)據(jù)單元放入遙控傳送幀的數(shù)據(jù)域，在它的前面有幀頭，后面可選擇差錯(cuò)控制碼作幀尾。一個(gè)傳送幀被分組編碼為一系列有固定長(zhǎng)度的短碼組，這些分組碼有糾檢錯(cuò)能力。把分組碼序列再包裝成一個(gè)遙控信道傳輸單元，每個(gè)單元可以包含一個(gè)或多個(gè)傳送幀。最后把這些遙控信道傳輸單元調(diào)制到物理信道上，往無人機(jī)遙控信號(hào)接收機(jī)發(fā)送，在無人機(jī)上完成上述過程的逆過程。

2.遙測(cè)

遙測(cè)數(shù)據(jù)流用于表示在遙測(cè)系統(tǒng)中，遙測(cè)數(shù)據(jù)從無人機(jī)數(shù)據(jù)源點(diǎn)傳送到控制中心的數(shù)據(jù)終點(diǎn)所經(jīng)歷的全部過程。源包中包含了待傳送到地面的無人機(jī)上應(yīng)用數(shù)據(jù)塊和為地面捕獲、存儲(chǔ)、分配這些遙測(cè)數(shù)據(jù)所需的基本信息。源包依次由主導(dǎo)頭和數(shù)據(jù)域二部分組成，其最小長(zhǎng)度為7字節(jié)，最大長(zhǎng)度為65542字節(jié)。傳送幀規(guī)定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)用于傳送源包、空閑數(shù)據(jù)和自定義的數(shù)據(jù)。自定義的數(shù)據(jù)可以是專門的高速率數(shù)據(jù)或其它不符合源包結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)。傳送幀由幀主導(dǎo)頭、幀副導(dǎo)頭、幀數(shù)據(jù)域、操作控制域和幀差錯(cuò)控制域組成。在一特定任務(wù)階段，傳送幀的長(zhǎng)度應(yīng)固定不變，幀的最大長(zhǎng)度為16384比特。

三、無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)安全性分析

（一）物理層安全性分析

無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)上行遙控信道在物理層提供由地面控制站到無人機(jī)的射頻信道及其相應(yīng)的操作，以支持遙控?cái)?shù)據(jù)的傳輸。物理層數(shù)據(jù)是由捕獲序列、遙控信道傳輸單元和空閑序列組成[5-6]。

捕獲序列是一個(gè)“1”和“0”交替的序列，起始可以是“1”，也可以是“0”。它的長(zhǎng)度至少是16個(gè)字節(jié)，其作用是獲取初始比特同步。在連續(xù)傳送n1和n2個(gè)遙控信道傳輸單元之間可以用空閑序列連接，空閑序列是當(dāng)遙控信道傳輸單元不存在時(shí)，用來維持比特同步的，它也是“1”和“0”交替的序列，長(zhǎng)度不限。

無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)上行鏈路采用具有抗干擾能力的擴(kuò)頻、跳頻或擴(kuò)跳結(jié)合體制，數(shù)字調(diào)制方式以PSK為主，編碼主要包括卷積編碼、交織和RS編碼。下行鏈路采用抗多徑、抗衰弱、頻帶利用率較好、適應(yīng)地空低仰角信道和高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼{(diào)制體制。

基于對(duì)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)物理層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及信道傳輸特征進(jìn)行分析，得到其在物理層存在如下安全性問題：（1）下行鏈路主要用于遙測(cè)及數(shù)據(jù)回傳，該鏈路未采用擴(kuò)頻、跳頻等抗干擾通信方式，抗干擾能力較弱；（2）上行鏈路物理層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中捕獲序列位置及長(zhǎng)度固定，易受到瞄準(zhǔn)式擾亂，使得遙控信息解析失敗，遙控功能喪失。

（二）鏈路層安全性分析

傳送層是無人機(jī)遙控的核心層，它提供了可靠傳送遙控?cái)?shù)據(jù)所需要的最重要的操作。傳送幀的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式包含主導(dǎo)頭、幀數(shù)據(jù)域和可選的幀的差錯(cuò)控制碼三部分。在信道編碼層為了降低物理信道上噪聲對(duì)所傳輸?shù)倪b控?cái)?shù)據(jù)的影響，采用分組碼進(jìn)行差錯(cuò)控制。分組碼與遙控?cái)?shù)據(jù)的同步關(guān)系由遙控信道傳輸單元的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)來保證。在接收端，對(duì)碼元“1”和“0”的模糊度可以通過物理層選擇調(diào)制體制來解決，也可以通過辨識(shí)遙控信道傳輸單元起始序列來解決。把傳送幀按分組碼要求進(jìn)行分組和編碼后，形成一系列碼塊，每m個(gè)碼塊串接起來，再加上起始序列和結(jié)尾序列的包裝，構(gòu)成遙控信息傳輸單元。起始序列（16bit）用于同步用，結(jié)尾序列是一個(gè)不符合信道編碼規(guī)則的序列，用以停止接收譯碼器的工作。

遙測(cè)信息傳送幀的幀主導(dǎo)頭由幀版本號(hào)、幀識(shí)別、主信道幀計(jì)數(shù)、虛擬信道幀計(jì)數(shù)和幀數(shù)據(jù)域狀態(tài)五個(gè)域組成。其主要功能是：識(shí)別出數(shù)據(jù)單元是否為傳送幀；識(shí)別出發(fā)送遙測(cè)數(shù)據(jù)的無人機(jī)；將多路虛擬信道組成一路主信道；對(duì)主信道和虛擬信道進(jìn)行計(jì)數(shù)；提供指針和其它信息用來從傳送幀數(shù)據(jù)域中提取可變長(zhǎng)度的源包。

基于以上對(duì)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)遙控及遙測(cè)信道的傳送層和信道編碼層進(jìn)行分析，得到其在鏈路層存在如下安全性問題：（1）遙控信道在編碼層之后的遙控信息傳輸單元存在長(zhǎng)度和位置固定的起始序列和結(jié)尾序列，其中起始序列用于比特同步，在信號(hào)解調(diào)的基礎(chǔ)上該字段易受擾亂，使得比特同步失??；（2）遙測(cè)信道的傳送幀在完成信道編碼之后形成了格式固定的碼塊結(jié)構(gòu)，且編碼碼塊的識(shí)別是基于同步標(biāo)識(shí)位完成的，因此對(duì)信息的譯碼首先取決于對(duì)同步標(biāo)識(shí)位的準(zhǔn)確識(shí)別，在同步標(biāo)識(shí)為被擾亂的情況下難以進(jìn)行正常的遙測(cè)信息的譯碼。

（三） 網(wǎng)絡(luò)層安全性分析

多類型無人機(jī)的最優(yōu)組網(wǎng)，需要具備快速為各無人機(jī)平臺(tái)分配任務(wù)、手動(dòng)控制無人機(jī)及其載荷和在不同指揮級(jí)別快速分發(fā)結(jié)果信息的能力，這就要求部署的無人機(jī)系統(tǒng)是可以互操作的。

目前的無人機(jī)系統(tǒng)大多是“煙囪式”系統(tǒng)，它們使用專用測(cè)控系統(tǒng)、通信協(xié)議和消息格式來完成與其它無人機(jī)以及外部通信系統(tǒng)之間的通信，從而導(dǎo)致傳感器數(shù)據(jù)分發(fā)大多是通過間接方式，也就是從無人機(jī)到應(yīng)用系統(tǒng)再到目的端的流程。同樣地，來自外部通信系統(tǒng)的無人機(jī)系統(tǒng)任務(wù)分配也要通過間接方式實(shí)現(xiàn)。

基于以上對(duì)現(xiàn)有無人機(jī)互操作網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到其在網(wǎng)絡(luò)存在如下安全性問題：（1）無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)層缺乏統(tǒng)一的通信協(xié)議、消息格式等標(biāo)準(zhǔn)，使得各種無人機(jī)之間缺乏協(xié)同作戰(zhàn)的實(shí)時(shí)性能力，也會(huì)給協(xié)同作戰(zhàn)帶來安全隱患；（2）現(xiàn)有的無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)互操作能力過渡的依賴地面通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的支撐，從而使得在通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)一旦出現(xiàn)故障或被破壞，則無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的互操作性將喪失。

（四）使用方式安全性分析

1.測(cè)控系統(tǒng)地面操作

在測(cè)控站地面操作方面，目前存在以下兩點(diǎn)安全性隱患：（1）地面指揮站針對(duì)不同的無人機(jī)采用相同或相似的操作方式，使得針對(duì)不同類型無人機(jī)的遙控?zé)o法做到最優(yōu)化，使得無人機(jī)地面遙控存在安全隱患；（2）無人機(jī)操作員培訓(xùn)過程中，缺乏對(duì)情景意識(shí)、自身安全擔(dān)憂、所欲湍流身體感受、嚴(yán)重程度評(píng)估等訓(xùn)練，使得在戰(zhàn)時(shí)無人機(jī)遙控操作存在很大的安全隱患。

2.衛(wèi)星測(cè)控鏈路

當(dāng)無人機(jī)執(zhí)行超視距長(zhǎng)航作戰(zhàn)任務(wù)時(shí)，測(cè)控系統(tǒng)需要采用中繼的方式完成遙控遙測(cè)，其中常用的中繼方式為衛(wèi)星中繼，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星中繼測(cè)控一般選用Ku或Ka波段為主信道[6]。結(jié)合衛(wèi)星中繼一般選用地球同步衛(wèi)星的特點(diǎn)，分析無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)衛(wèi)星鏈路存在如下安全性隱患：（1）中繼衛(wèi)星采用軍事衛(wèi)星或租用商用衛(wèi)星進(jìn)行無人機(jī)遙控遙測(cè)，其波束覆蓋范圍很廣，可以輕易在我國(guó)領(lǐng)土范圍外接受到無人機(jī)的遙控遙測(cè)信號(hào)；且衛(wèi)星中繼轉(zhuǎn)發(fā)采用透明轉(zhuǎn)發(fā)的方式，使得無人機(jī)遙控遙測(cè)信號(hào)易被解析；（2）同樣無人機(jī)測(cè)控鏈路容易在衛(wèi)星的波束范圍內(nèi)受到有意和無意的干擾；（3）一旦用于無人機(jī)測(cè)控中繼轉(zhuǎn)發(fā)的衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器受到阻塞干擾，則無人機(jī)將失去遙控遙測(cè)功能，存在失控的危險(xiǎn)。

四、結(jié)語

本文在介紹無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)總體技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)技術(shù)體制、遙控和遙測(cè)通信協(xié)議，探索無人機(jī)測(cè)控信息系統(tǒng)的特征，并且分別從物理、鏈路、網(wǎng)絡(luò)、使用方式等多個(gè)層次開展了無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)安全性的具體分析。

下面從標(biāo)準(zhǔn)制定、無人機(jī)自主決策、信道抗干擾等三個(gè)方面提出對(duì)我國(guó)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的發(fā)展建議。

（1）健全無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)制訂

針對(duì)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)在互操作網(wǎng)絡(luò)層次方面存在的安全性問題，建議重點(diǎn)針對(duì)無人機(jī)未來的發(fā)展戰(zhàn)略，充分利用國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的有利資源，結(jié)合國(guó)內(nèi)型號(hào)研制的需求，研究和搭建我國(guó)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系框架，制修訂急需的無人機(jī)互操作標(biāo)準(zhǔn)，以滿足無人機(jī)各型號(hào)研制與互聯(lián)互通的需求。。

（2）推進(jìn)無人機(jī)自主決策化

由于無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的安全性問題，特別是在超視距作戰(zhàn)時(shí)的安全性問題突出，因此建議著力推進(jìn)無人機(jī)自主決策、航跡規(guī)劃、自主巡航等技術(shù)的研究與應(yīng)用，提高無人機(jī)在戰(zhàn)時(shí)及遠(yuǎn)程戰(zhàn)略偵察時(shí)的存活率。

（3）提升信道抗干擾措施

建議采用智能天線自適應(yīng)技術(shù)，提升目前測(cè)控系統(tǒng)衛(wèi)星中繼鏈路的抗干擾能力了；建議對(duì)無人機(jī)測(cè)控系統(tǒng)返向數(shù)傳鏈路采用數(shù)據(jù)加密或擴(kuò)頻等技術(shù)手段，防止返現(xiàn)數(shù)傳信息被敵方偵測(cè)；建議采用測(cè)控鏈路冗余手段，特別是在衛(wèi)星中繼測(cè)控情況下，以防止由于測(cè)控鏈路失效造成無人機(jī)失控。H

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