基于QualNet的無人機(jī)信息攻擊半實物測試架構(gòu)設(shè)計與實現(xiàn)

李思琪, 龔鵬, 單丹,2, 李劍鋒, 劉宇, 高翔*

(1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院, 北京 100081; 2.沈陽建筑大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110168)

0 引言

無人機(jī)的誕生可以追溯到1914年,隨后其憑借性能良好、行動靈活等特點(diǎn),在軍事領(lǐng)域中被廣泛使用。軍用無人機(jī)作為現(xiàn)代空中軍事力量中的一員,具有使用限制少、隱蔽性好、效費(fèi)比高等特點(diǎn),在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的地位和作用日漸突出。隨著戰(zhàn)爭信息化加快,軍用無人機(jī)進(jìn)一步發(fā)展出無人機(jī)群協(xié)同作戰(zhàn)路線,對其組網(wǎng)和通信能力提出更高的要求[1-4]。盡管無人機(jī)在軍事領(lǐng)域發(fā)展迅速,但工作中其數(shù)據(jù)鏈路易受到干擾,導(dǎo)致無法正常執(zhí)行任務(wù)[5-7]。因此,無人機(jī)干擾與反干擾技術(shù)成為無人機(jī)技術(shù)研究中的熱點(diǎn)問題,對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路及干擾攻擊效果的仿真模擬可以為該技術(shù)的研究提供重要支撐。

在對無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的干擾攻擊研究中,首先會考慮到理論分析和實物測試。但當(dāng)無人機(jī)組網(wǎng)規(guī)模大、執(zhí)行任務(wù)復(fù)雜度高時,理論分析存在計算量大、研制周期長等問題;實物測試存在投入較多、環(huán)境不穩(wěn)定等問題,從而導(dǎo)致這兩種方法難以投入使用。計算機(jī)仿真憑借其工作高效、成本可控和受環(huán)境影響少等優(yōu)點(diǎn),可以解決大規(guī)模仿真中理論分析和實物測試出現(xiàn)的部分問題。目前,主要有OPNET[8]、NS-2[9]、QualNet[10]等主流仿真軟件,可完成不同規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的模擬仿真。但在無人機(jī)大規(guī)模仿真過程中存在部分組件難以構(gòu)建數(shù)學(xué)模型且易受環(huán)境變化等的影響,導(dǎo)致計算機(jī)仿真難以滿足測試需求。這時,利用半實物仿真可以將其中不易建模的部件以外部模型或?qū)嵨锾娲?可以提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性[11]。因此,大部分無人機(jī)相關(guān)技術(shù)研究過程中均利用半實物仿真作為驗證手段。

20世紀(jì)60年代,Klaus Capple等開發(fā)了無人機(jī)半實物仿真方法,無人機(jī)仿真從理論轉(zhuǎn)為現(xiàn)實。20世紀(jì)70年代,美國和日本等國陸續(xù)建設(shè)大批半實物仿真實驗室,開展了多項飛行器研制相關(guān)的仿真測試,縮短了飛行器的研制周期[12-13]。隨著微機(jī)電系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的提升,無人機(jī)開始向小型化發(fā)展,無人機(jī)半實物仿真技術(shù)也隨之受到科研人員更多關(guān)注。斯坦福大學(xué)Tomlin團(tuán)隊在半實物仿真平臺下進(jìn)行無人機(jī)控制算法驗證,提高了對無人機(jī)姿態(tài)和位置的控制能力[14]。Prochazka等提出用于驗證混合無人機(jī)容錯控制方法的半實物仿真平臺,驗證飛行控制器在目標(biāo)硬件上實現(xiàn)方法的正確性以及所用算法的實時性,減少了研制的成本,提高了控制算法的可行性[15]。

20世紀(jì)80年代初,我國建設(shè)了一批大型半實物仿真實驗室,開始對飛行器半實物仿真測試方面進(jìn)行研究,雖然研究開始較晚,但進(jìn)步較快[11,16]。航天科工海鷹仿真中心研制開發(fā)出基于Windows NT+RTX的半實物仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)實時性高,人機(jī)界面友好,易于擴(kuò)展[17]。南京航空航天大學(xué)仿真模擬實驗室提出了綜合復(fù)雜傳播環(huán)境下的無人機(jī)通信信道理論模型,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)了無人機(jī)通信干擾電磁環(huán)境半實物仿真系統(tǒng),可用于無人機(jī)通信鏈路抗干擾性能的分析、測試和評估[18]。西北工業(yè)大學(xué)飛行控制與仿真技術(shù)重點(diǎn)實驗室結(jié)合準(zhǔn)確的無人機(jī)6自由度非線性數(shù)學(xué)模型和xPC實時系統(tǒng)模塊研發(fā)了無人機(jī)飛控半實物仿真系統(tǒng),該系統(tǒng)可模擬生成無人機(jī)在不同指令控制下的飛行狀態(tài)信息,為無人機(jī)飛控系統(tǒng)開發(fā)提供了支撐[19]。

綜上,無人機(jī)半實物仿真在國內(nèi)外均取得了很大進(jìn)展,但上述半實物仿真系統(tǒng)更多關(guān)注的是協(xié)同工作流程,對于其無線通信網(wǎng)絡(luò),未考慮或簡化了數(shù)據(jù)傳輸鏈路的傳輸性能對無人機(jī)協(xié)同工作的影響,缺少“信息維”和“網(wǎng)絡(luò)維”的深層次仿真。同時大部分半實物平臺存在仿真進(jìn)程不可動態(tài)實時更改的問題。

為更精確地驗證無人機(jī)被加載信息干擾攻擊后對其通信網(wǎng)絡(luò)效能的影響,本文提出了一種針對無人機(jī)信息攻擊的半實物測試方法,關(guān)注“信息維”和“網(wǎng)絡(luò)維”,以典型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路為目標(biāo),對其體系結(jié)構(gòu)、工作機(jī)制等方面進(jìn)行建模仿真,實現(xiàn)仿真進(jìn)程動態(tài)實時可更改。該半實物測試方法基于QualNet仿真軟件,通過分析典型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路,構(gòu)建目標(biāo)仿真環(huán)境,設(shè)計了半實物接入模塊和與系統(tǒng)相匹配的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口,實現(xiàn)在仿真過程中根據(jù)實際攻擊手段和效果實時動態(tài)地以指令控制的形式對無人機(jī)干擾攻擊進(jìn)行仿真模擬。該無人機(jī)信息攻擊半實物測試方法對于改進(jìn)現(xiàn)有的無人機(jī)信息攻擊策略及相應(yīng)的防御方法具有重要的意義,可支撐無人機(jī)及反無人機(jī)關(guān)鍵技術(shù)驗證。

1 無人機(jī)信息攻擊半實物測試架構(gòu)

在無人機(jī)信息攻擊半實物測試中模擬的3種干擾攻擊加載效果分別為:

1)無人機(jī)遙測鏈路干擾:信息攻擊啟動后,地面站無法接收任務(wù)機(jī)的遙測信息;攻擊結(jié)束后,地面站重新接收任務(wù)機(jī)的遙測信息。

2)無人機(jī)遙控鏈路干擾:信息攻擊啟動后,地面站可以接收任務(wù)機(jī)的遙測信息,但失去對任務(wù)無人機(jī)的控制;攻擊結(jié)束后,地面站重新獲得對任務(wù)無人機(jī)的控制。

3)無人機(jī)接管控制攻擊:信息攻擊啟動后,干擾機(jī)發(fā)送某種控制指令,任務(wù)無人機(jī)依照該指令執(zhí)行相應(yīng)的操作。相反地,地面站失去對任務(wù)無人機(jī)的控制,但可以觀察到任務(wù)機(jī)被操控并接收其遙測信息。

同時,本文無人機(jī)信息攻擊的半實物測試架構(gòu)在整個設(shè)計過程中應(yīng)貫徹以下原則:

1)該測試架構(gòu)要具有一定的靈活性和高度的開放性,便于網(wǎng)絡(luò)模型、無人機(jī)模型、對抗模型的不斷發(fā)展和擴(kuò)充,及時適應(yīng)使用需求變化。

2)該測試架構(gòu)應(yīng)能夠為數(shù)字仿真和半實物設(shè)備模型定義接口,并實現(xiàn)相互間數(shù)據(jù)交互,通過真實設(shè)備環(huán)境與模擬環(huán)境互為補(bǔ)充、互為驗證,提高對抗仿真驗證能力。

3)該測試架構(gòu)作為一個綜合性的無人機(jī)信息攻擊半實物測試架構(gòu),內(nèi)容豐富、接口多樣,設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)遵循階段性原則。首先完成測試架構(gòu)本身的設(shè)計規(guī)劃,以及典型模型的設(shè)計實現(xiàn),解決急需。然后根據(jù)實際需求逐步增加網(wǎng)絡(luò)模型、半實物接口以及半實物接入模型。

4)該測試架構(gòu)設(shè)計采用新一代面向服務(wù)架構(gòu),系統(tǒng)功能可重構(gòu),資源可動態(tài)分配。

5)該測試架構(gòu)設(shè)計圍繞系統(tǒng)集成和人機(jī)交互操作實現(xiàn),加強(qiáng)通用設(shè)計,提高產(chǎn)品的成熟度和穩(wěn)定性。

在無人機(jī)信息攻擊半實物測試中,需要實現(xiàn)干擾攻擊的動態(tài)加載、三維態(tài)勢中攻擊效果的實時展示、對無人機(jī)的實時控制以及無人機(jī)自身遙測信息的實時顯示。針對上述需求,本文設(shè)計了一種無人機(jī)信息攻擊半實物測試架構(gòu)[20],如圖1所示。

圖1 無人機(jī)信息攻擊的半實物測試架構(gòu)

該半實物測試架構(gòu)將整個無人機(jī)信息攻擊半實物測試系統(tǒng)劃分為6個模塊,各模塊功能介紹如下:

1)通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊:該模塊利用QualNet對無人機(jī)信息攻擊網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行建模,是無人機(jī)系統(tǒng)仿真的基礎(chǔ)。在仿真過程中,該模塊能夠提供信號衰減模型、信噪干擾模型、移動模型和無線傳播模型,同時支持通信協(xié)議的開發(fā),并且能夠通過對各層協(xié)議的設(shè)計開發(fā)定制數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)絡(luò)模型。

2)想定規(guī)劃模塊:該模塊主要完成仿真場景設(shè)計,明確仿真模塊部署、節(jié)點(diǎn)信息關(guān)系、仿真運(yùn)行時間、仿真流程、通信網(wǎng)絡(luò)的配置和業(yè)務(wù)應(yīng)用,并細(xì)化各無人機(jī)的性能參數(shù)、運(yùn)動軌跡以及隨時間變化情況,形成想定腳本,下發(fā)給仿真參與模塊。

3)干擾攻擊模擬加載模塊:該模塊主要負(fù)責(zé)模擬對無人機(jī)干擾攻擊的動態(tài)加載。在無人機(jī)信息攻擊半實物測試過程中,該模塊能夠以指令控制的方式對遙測干擾、遙控干擾和接管控制攻擊的干擾攻擊手段和效果進(jìn)行仿真模擬。無人機(jī)仿真系統(tǒng)能實時對模塊所加載的干擾攻擊指令進(jìn)行響應(yīng),并能通過三維態(tài)勢展示模塊進(jìn)行實時展示。

4)三維態(tài)勢展示模塊:該模塊通過三維態(tài)勢及模型實現(xiàn)對仿真中無人機(jī)態(tài)勢的展示和標(biāo)繪,可實時展示攻擊加載效果。三維態(tài)勢展示模塊主要包括地形模型、環(huán)境模型和軌跡模型等,可以動態(tài)展示無人機(jī)的飛行軌跡,具備目標(biāo)坐標(biāo)、高度和速度等參數(shù)的計算功能。

5)動態(tài)控制模塊:該模塊主要負(fù)責(zé)模擬地面站對任務(wù)機(jī)的實時控制與狀態(tài)監(jiān)視。該模塊將人在界面進(jìn)行的操作構(gòu)造成指定類型的數(shù)據(jù)包并發(fā)送至通信仿真模塊的仿真場景中,實現(xiàn)對無人機(jī)飛行仿真的干預(yù)。干預(yù)的手段包括使無人機(jī)進(jìn)行左盤旋、降落和爬升等,模擬地面監(jiān)控系統(tǒng)對目標(biāo)無人機(jī)的實時控制。同時無人機(jī)自身的狀態(tài)信息,如實時坐標(biāo)、姿態(tài)和速度等,將通過通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊回傳給動態(tài)控制模塊,模擬地面監(jiān)控系統(tǒng)對目標(biāo)無人機(jī)的狀態(tài)監(jiān)視。

6)數(shù)據(jù)傳輸接口模塊:該模塊主要負(fù)責(zé)無人機(jī)信息攻擊半實物測試中各模塊間的數(shù)據(jù)傳輸。通過此接口,三維態(tài)勢展示模塊可接收通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊發(fā)送的場景數(shù)據(jù)和模型狀態(tài)數(shù)據(jù)并作出實時響應(yīng),干擾攻擊加載模塊依托該接口將指令傳送到仿真通信網(wǎng)絡(luò),然后對網(wǎng)絡(luò)中的虛擬無人機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行作用。同時,動態(tài)控制模塊也通過此接口將控制指令傳送到仿真通信網(wǎng)絡(luò)對虛擬無人機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動態(tài)實時控制,并依托此接口從虛擬通信網(wǎng)絡(luò)中接收虛擬無人機(jī)節(jié)點(diǎn)自身遙測信息。

2 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口設(shè)計

2.1 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口框架設(shè)計

基于RTI-DDS開發(fā)的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口的框架[21]如圖2所示,其中通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊基于QualNet軟件對無人機(jī)信息攻擊網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行建模。作為域參與者的各模塊利用各自創(chuàng)建的發(fā)布者與訂閱者通過中間件RTI-DDS進(jìn)行信息與指令的交互,對于測試中每一種需要交互的數(shù)據(jù)類型,發(fā)布者和訂閱者都分別創(chuàng)建一個對應(yīng)的數(shù)據(jù)寫和數(shù)據(jù)讀來發(fā)送和接收該數(shù)據(jù)。三維態(tài)勢展示模塊的通信接口負(fù)責(zé)與通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊的數(shù)據(jù)交互,監(jiān)聽來自QualNet的虛擬節(jié)點(diǎn)態(tài)勢信息。想定規(guī)劃模塊的通信接口負(fù)責(zé)向QualNet發(fā)布仿真場景參數(shù)數(shù)據(jù)。干擾攻擊模擬加載模塊的通信接口負(fù)責(zé)向QualNet發(fā)布干擾數(shù)據(jù)和通信參數(shù)請求,同時接收QualNet的應(yīng)答。動態(tài)控制模塊的通信接口負(fù)責(zé)向QualNet發(fā)布遙控數(shù)據(jù),同時訂閱QualNet發(fā)布的遙測數(shù)據(jù)。QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真軟件的外部接口負(fù)責(zé)QualNet與外部模塊的數(shù)據(jù)交互,接收來自動態(tài)控制模塊、干擾攻擊模擬加載模塊和想定規(guī)劃模塊的數(shù)據(jù)包,并對動態(tài)控制模塊、干擾攻擊模擬加載模塊的請求發(fā)送應(yīng)答,同時向三維態(tài)勢展示模塊發(fā)布數(shù)據(jù)。

圖2 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口的框架

2.2 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口數(shù)據(jù)交互關(guān)系

在仿真過程中,基于QualNet仿真軟件構(gòu)建通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊,QualNet仿真軟件與想定規(guī)劃模塊、干擾攻擊模擬加載模塊、三維態(tài)勢展示模塊、動態(tài)控制模塊需要交互的數(shù)據(jù)分為遙控數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)、態(tài)勢數(shù)據(jù)、通信參數(shù)數(shù)據(jù)、干擾參數(shù)數(shù)據(jù)和仿真場景參數(shù)數(shù)據(jù)。其中態(tài)勢數(shù)據(jù)主要包括真實航跡數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)傳輸線數(shù)據(jù)、被干擾節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)、干擾機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)和被遙控節(jié)點(diǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)。表1為無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口數(shù)據(jù)的交互關(guān)系。

表1 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口數(shù)據(jù)交互關(guān)系

2.3 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口典型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體設(shè)計

以無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口定義的較為重要的數(shù)據(jù)類型結(jié)構(gòu)體的具體字段為例,對交互數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體設(shè)計進(jìn)行詳細(xì)說明,包括遙控數(shù)據(jù)、遙測數(shù)據(jù)和干擾參數(shù)數(shù)據(jù)。

遙控數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)體名稱為KjRemoteControl。KjRemoteControl結(jié)構(gòu)體的具體說明如表2所示。

表2 KjRemoteControl結(jié)構(gòu)體的具體說明

干擾參數(shù)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體名稱為UavJammerData。UavJammerData結(jié)構(gòu)體的具體說明如表3所示。

表3 UavJammerData結(jié)構(gòu)體的具體說明

遙測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體名稱為KjRemoteMeassure。KjRemoteMeassure結(jié)構(gòu)體的具體說明如表4所示。

表4 KjRemoteMeassure結(jié)構(gòu)體的具體說明

3 無人機(jī)信息攻擊半實物接入模塊設(shè)計

3.1 干擾攻擊模擬加載模塊設(shè)計

干擾攻擊模擬加載模塊主要分為兩部分:基于QualNet開發(fā)框架的干擾應(yīng)用模型與基于Qt應(yīng)用程序開發(fā)框架的干擾攻擊模擬加載界面。通過干擾應(yīng)用模型和干擾攻擊模擬加載界面可實現(xiàn)在半實物測試過程中對任務(wù)無人機(jī)的遙測鏈路干擾、遙控鏈路干擾、接管控制攻擊加載過程和效果的模擬。

3.1.1 干擾應(yīng)用模型設(shè)計

干擾應(yīng)用模型的工作流程如圖3所示。干擾應(yīng)用模型加載在干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)上,模擬干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)對任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)的干擾攻擊效果。經(jīng)過初始化后,干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)上接收干擾攻擊界面的指令,設(shè)置干擾參數(shù),產(chǎn)生干擾攻擊指令數(shù)據(jù)包并廣播,同時經(jīng)過接口將干擾攻擊指令發(fā)送給三維態(tài)勢展示界面。經(jīng)過初始化后任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)接收被廣播的干擾攻擊指令數(shù)據(jù)包,解析指令數(shù)據(jù)包后判斷干擾效能。如果干擾成功,則任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)根據(jù)指令修改遙控和遙測應(yīng)用中對應(yīng)標(biāo)志位或航跡信息,同時將干擾結(jié)果發(fā)送給三維態(tài)勢展示界面;否則丟棄該數(shù)據(jù)包,任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)不受到干擾攻擊。

圖3 干擾應(yīng)用模型工作流程

3.1.2 干擾攻擊模擬加載界面設(shè)計與實現(xiàn)

通過所開發(fā)的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口,干擾攻擊模擬加載模塊界面可對網(wǎng)絡(luò)仿真場景中干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行干擾參數(shù)的獲取、顯示和修改,可對被干擾攻擊節(jié)點(diǎn)的航跡進(jìn)行修改,同時可對場景中節(jié)點(diǎn)的通信參數(shù)進(jìn)行獲取、顯示和修改。干擾攻擊模擬加載模塊主要是為了模擬實際攻擊策略和攻擊效果,主要可模擬對任務(wù)機(jī)的遙測鏈路干擾、遙控鏈路干擾和接管控制攻擊。

根據(jù)功能需求和設(shè)計原則,干擾攻擊模擬加載模塊界面組成如圖4所示,可以劃分為4個對話框。

圖4 干擾攻擊模擬加載模塊的界面框架圖

各對話框功能如下:

1)干擾機(jī)參數(shù)設(shè)置對話框:功能分為干擾機(jī)參數(shù)查看和動態(tài)修改干擾參數(shù)數(shù)據(jù)兩部分。干擾機(jī)參數(shù)查看功能可向QualNet端請求干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)的干擾參數(shù)數(shù)據(jù),并在面板上顯示,幫助判斷是否應(yīng)該調(diào)整某些參數(shù)以獲得更好的干擾效果;動態(tài)修改干擾參數(shù)功能可實現(xiàn)為干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)配置新的干擾參數(shù),并發(fā)送給QualNet端進(jìn)行配置。

2)節(jié)點(diǎn)通信參數(shù)管理對話框:功能分為通信參數(shù)查看和動態(tài)修改節(jié)點(diǎn)通信參數(shù)數(shù)據(jù)兩部分。通信參數(shù)查看功能可根據(jù)節(jié)點(diǎn)號向QualNet端請求節(jié)點(diǎn)通信參數(shù)數(shù)據(jù),并在面板上顯示;動態(tài)修改節(jié)點(diǎn)參數(shù)數(shù)據(jù)功能可在對話框中配置選定節(jié)點(diǎn)的新的通信參數(shù),發(fā)送給QualNet端進(jìn)行配置。

3)攻擊節(jié)點(diǎn)管理對話框:功能為選擇即將攻擊的節(jié)點(diǎn)號后重新配置該節(jié)點(diǎn)的航跡。實現(xiàn)方法為讀入外部已經(jīng)配置好的航跡文件,然后將節(jié)點(diǎn)移動軌跡數(shù)據(jù)發(fā)送到QualNet仿真程序中對該節(jié)點(diǎn)預(yù)置的運(yùn)動軌跡進(jìn)行替換,以達(dá)到重新配置節(jié)點(diǎn)航跡的效果。

4)干擾效果顯示對話框:功能為顯示干擾機(jī)是否干擾成功,顯示當(dāng)前場景被攻擊節(jié)點(diǎn)號以及控制狀態(tài)。

根據(jù)干擾攻擊模擬加載模塊界面的框架圖和各個對話框的功能,在Windows10操作系統(tǒng)下使用Visual Studio 2015和Qt 5.0對該模塊界面進(jìn)行了編程實現(xiàn)。干擾攻擊模擬加載模塊界面效果如圖5所示。

圖5 干擾攻擊模擬加載模塊的界面效果圖

3.2 動態(tài)控制模塊設(shè)計

動態(tài)控制模塊同樣主要分為兩部分:基于QualNet開發(fā)框架的遙控和遙測應(yīng)用模型與基于Qt應(yīng)用程序開發(fā)框架的動態(tài)控制界面。通過遙控、遙測應(yīng)用和動態(tài)控制界面可實現(xiàn)在半實物測試過程中地面站對無人機(jī)的實時控制以及對無人機(jī)自身遙測信息的實時顯示的模擬。

3.2.1 無人機(jī)遙控和遙測應(yīng)用模型設(shè)計

無人機(jī)遙控應(yīng)用模型的工作流程如圖6所示。遙控應(yīng)用加載在地面站節(jié)點(diǎn)、任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)和中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)上。在地面站節(jié)點(diǎn)上,經(jīng)過初始化,通過接口獲取動態(tài)控制界面的指令,將該指令數(shù)據(jù)包解析重構(gòu)為遙控指令數(shù)據(jù)包后在子網(wǎng)內(nèi)廣播。在中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)上,經(jīng)過初始化,接收子網(wǎng)內(nèi)廣播的遙控指令數(shù)據(jù)包,解析該數(shù)據(jù)包提取遙控目標(biāo)類型標(biāo)志位,并對其進(jìn)行判斷。如果遙控目標(biāo)為中繼機(jī),則執(zhí)行控制命令,并通過接口將遙控指令數(shù)據(jù)包重構(gòu)后發(fā)送給三維態(tài)勢展示界面;如果遙控目標(biāo)為任務(wù)機(jī),則由該中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)。在任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)上,經(jīng)過初始化,接收廣播的遙控指令數(shù)據(jù)包,并首先判斷是否被接管和遙控干擾。如果被干擾,則丟棄數(shù)據(jù)包,任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)不被控制;如果沒有被接管和遙控干擾,則解析該數(shù)據(jù)包并提取遙控目標(biāo)類型標(biāo)志位,對其進(jìn)行判斷。當(dāng)遙控目標(biāo)為任務(wù)機(jī)時,則執(zhí)行指令,任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)被控制,并通過接口將遙控指令發(fā)送到三維態(tài)勢展示界面;否則丟棄該數(shù)據(jù)包,任務(wù)機(jī)沒有接收到目標(biāo)為自身的遙控指令。

圖6 遙控應(yīng)用模型工作流程

無人機(jī)遙測應(yīng)用模型的工作流程如圖7所示。遙測應(yīng)用模型加載在地面站節(jié)點(diǎn)、任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)和中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)上。在任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)上,經(jīng)過初始化后,周期性產(chǎn)生遙測數(shù)據(jù)包并廣播,并通過接口將遙測數(shù)據(jù)發(fā)送到三維態(tài)勢展示界面。同樣地,在中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)上,經(jīng)過初始化后,周期性產(chǎn)生遙測數(shù)據(jù)包并廣播,并通過接口將數(shù)據(jù)包發(fā)送給三維態(tài)勢展示界面。同時,接收任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)廣播的遙測數(shù)據(jù)包,解析數(shù)據(jù)包并判斷任務(wù)機(jī)是否被遙測干擾,如果沒有被遙測干擾,則將中繼轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志位置為已被中繼機(jī)轉(zhuǎn)發(fā),再將接收到的遙測數(shù)據(jù)包廣播;否則丟棄該任務(wù)機(jī)遙測數(shù)據(jù)包,并將該節(jié)點(diǎn)被遙測干擾發(fā)送給三維態(tài)勢展示模塊。經(jīng)過初始化后,地面站節(jié)點(diǎn)接收廣播的遙測數(shù)據(jù)包,提取遙測數(shù)據(jù)包類型標(biāo)志位進(jìn)行判斷。如果類型為中繼機(jī),則通過接口發(fā)送到動態(tài)控制界面顯示;如果類型為任務(wù)機(jī),則提取中繼轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)志位,判斷是否經(jīng)中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā),經(jīng)中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)遙測數(shù)據(jù)包通過接口發(fā)送到動態(tài)控制界面顯示,其余數(shù)據(jù)包丟棄。

圖7 遙測應(yīng)用模型工作流程

3.2.2 動態(tài)控制界面設(shè)計與實現(xiàn)

動態(tài)控制模塊可模擬地面站對目標(biāo)無人機(jī)的實時控制與監(jiān)視。通過所開發(fā)的無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口,動態(tài)控制模塊可發(fā)送控制指令到網(wǎng)絡(luò)仿真場景中的無人機(jī)節(jié)點(diǎn),即任務(wù)機(jī)和中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)。同時動態(tài)控制界面可實時接收無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的遙測信息和無人機(jī)探測到的目標(biāo)位置信息。進(jìn)一步,可獲取與顯示地面站節(jié)點(diǎn)和無人機(jī)節(jié)點(diǎn)的通信參數(shù)。

根據(jù)功能需求和設(shè)計原則,動態(tài)控制模塊界面組成如圖8所示,可以劃分為遙控面板和遙測面板共2個面板,同時包含6個對話框。

各對話框功能如下:

1)無人機(jī)控制參數(shù)對話框:功能為選擇指定的無人機(jī)節(jié)點(diǎn),發(fā)送無人機(jī)的控制指令。實現(xiàn)方法為界面將無人機(jī)控制指令數(shù)據(jù)包發(fā)送到QualNet端,QualNet端解析數(shù)據(jù)包后更改相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動軌跡,模擬對無人機(jī)的控制。無人機(jī)控制參數(shù)主要包括無人機(jī)編號、水平飛行方式和垂直飛行方式等。

2)地面站通信參數(shù):功能為對地面站進(jìn)行通信參數(shù)查看。通信參數(shù)查看功能可根據(jù)節(jié)點(diǎn)號向QualNet端請求節(jié)點(diǎn)通信參數(shù)數(shù)據(jù),并在面板上顯示。

3)路徑配置對話框:功能為為目標(biāo)節(jié)點(diǎn)重新配置航跡。實現(xiàn)方法為讀入外部已經(jīng)配置好的航跡文件,再將帶有節(jié)點(diǎn)號的移動軌跡數(shù)據(jù)發(fā)送到QualNet仿真程序中對該節(jié)點(diǎn)預(yù)置的運(yùn)動軌跡進(jìn)行替換,以達(dá)到控制無人機(jī)飛行軌跡的目的。

4)目標(biāo)信息展示對話框:功能分為無人機(jī)自身狀態(tài)信息顯示和無人機(jī)探測目標(biāo)顯示兩部分。無人機(jī)自身狀態(tài)信息顯示主要為解析接收到的QualNet端返回的無人機(jī)信息并顯示。無人機(jī)探測目標(biāo)顯示功能模擬無人機(jī)對周圍目標(biāo)的探測,在雷達(dá)圖中顯示所探測到的目標(biāo)的大致位置。

5)無人機(jī)通信參數(shù)對話框:功能為對無人機(jī)進(jìn)行通信參數(shù)查看。無人機(jī)通信參數(shù)查看功能可根據(jù)節(jié)點(diǎn)號向QualNet端請求節(jié)點(diǎn)通信參數(shù)數(shù)據(jù),并在面板上顯示。

6)狀態(tài)信息打印對話框:功能為顯示無人機(jī)所有探測到的目標(biāo)的經(jīng)緯度、干擾狀態(tài)和無人機(jī)控制狀態(tài)。

根據(jù)動態(tài)控制模塊界面的框架圖和各個對話框的功能,在Windows10操作系統(tǒng)下使用Visual Studio 2015和Qt 5.0對該模塊界面進(jìn)行了編程實現(xiàn)。動態(tài)控制模塊界面效果如圖9所示。

圖9 動態(tài)控制模塊的界面效果圖

4 實驗與測試

4.1 仿真實驗測試場景

按照無人機(jī)信息攻擊的半實物測試需求,仿真場景中至少包含一個地面站節(jié)點(diǎn)、一個任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)、一個中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)和兩個干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)。在實際應(yīng)用中,數(shù)據(jù)的傳輸距離有限,中繼機(jī)起到在地面站和任務(wù)機(jī)之間轉(zhuǎn)發(fā)遙控數(shù)據(jù)和遙測數(shù)據(jù)的作用,這樣可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確和高效。同時為了確保干擾攻擊的范圍足夠廣,在仿真場景中設(shè)置了兩個有一定距離并且分布在任務(wù)機(jī)和中繼機(jī)飛行軌跡兩側(cè)的干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)。在仿真過程中,任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)、中繼機(jī)節(jié)點(diǎn)和地面站節(jié)點(diǎn)之間要進(jìn)行遙測、遙控信息的交互,組成一個子網(wǎng);兩個干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)組成另一個子網(wǎng)。利用QualNet 12.04設(shè)計的無人機(jī)仿真場景如圖10所示,其中3號節(jié)點(diǎn)為地面站節(jié)點(diǎn),1號節(jié)點(diǎn)為中繼機(jī)節(jié)點(diǎn),2號節(jié)點(diǎn)為任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn),4號和5號節(jié)點(diǎn)均為干擾機(jī)節(jié)點(diǎn);小紅旗代表仿真場景中預(yù)設(shè)的各節(jié)點(diǎn)初始移動軌跡;云朵代表仿真場景中的無線網(wǎng)絡(luò)。

在想定規(guī)劃模塊中仿真測試采用的想定場景如圖11所示,選取內(nèi)蒙古阿拉善地區(qū)作為仿真場景區(qū)域。

4.2 功能與性能測試

4.2.1 遙測鏈路干擾測試

仿真開始后,如圖12(a)和圖12(b)所示,動態(tài)控制界面遙測面板目標(biāo)信息展示窗口中更新任務(wù)機(jī)遙測信息,狀態(tài)信息打印窗口顯示探測到的目標(biāo)信息。同時,如圖13所示,三維態(tài)勢展示界面中顯示路徑為2號任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)-1號中繼節(jié)點(diǎn)-3號地面站節(jié)點(diǎn)的綠色遙測數(shù)據(jù)線。

圖12 遙測干擾開啟前動態(tài)控制界面顯示

圖13 遙測干擾開啟前三維態(tài)勢界面顯示

干擾攻擊模擬加載模塊界面開啟遙測干擾,如圖14所示。遙測鏈路干擾啟動后,如圖15(a)和圖15(b) 所示,動態(tài)控制界面中的遙測面板不再更新任務(wù)機(jī)回傳的遙測信息,狀態(tài)信息打印窗口顯示遙測干擾,同時三維態(tài)勢展示界面中紅色區(qū)域顯示干擾節(jié)點(diǎn)干擾范圍,在干擾范圍內(nèi)的1號中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送給3號地面站節(jié)點(diǎn)的綠色遙測數(shù)據(jù)傳輸線消失,如圖16所示。因此,該測試可以驗證在對任務(wù)機(jī)開啟遙測鏈路干擾后,任務(wù)機(jī)無法將遙測數(shù)據(jù)包經(jīng)中繼機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)給地面站節(jié)點(diǎn),即地面站節(jié)點(diǎn)失去對任務(wù)機(jī)的監(jiān)視能力。

圖14 遙測干擾開啟

圖15 遙測干擾開啟后動態(tài)控制界面顯示

4.2.2 遙控鏈路干擾測試

在動態(tài)控制模塊界面的遙控面板向2號任務(wù)機(jī)發(fā)送左盤旋指令,如圖17所示,狀態(tài)信息打印窗口顯示對2號任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。此時,三維態(tài)勢界面顯示紅色遙控數(shù)據(jù)線及任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)航跡變化,如圖18所示。

圖17 遙控干擾開啟前動態(tài)控制界面顯示

圖18 遙控干擾開啟前三維態(tài)勢界面顯示

圖19為干擾攻擊模擬加載模塊界面開啟遙控干擾。如圖20(a)和圖20(b)所示,動態(tài)控制界面中的狀態(tài)信息打印窗口顯示遙控干擾,同時,向2號任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送左盤旋指令。三維態(tài)勢展示界面中紅色區(qū)域顯示干擾節(jié)點(diǎn)干擾范圍,在干擾范圍內(nèi)的1號中繼節(jié)點(diǎn)與2號任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)間無法產(chǎn)生紅色遙控數(shù)據(jù)傳輸線,2號任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)保持之前的飛行狀態(tài)不變,即動態(tài)控制界面失去對任務(wù)機(jī)的控制,如圖21 所示。因此,該測試可以驗證在開啟遙控干擾后,動態(tài)控制模塊失去對任務(wù)機(jī)的控制,即地面站失去對無人機(jī)的實時控制能力。

圖19 遙控干擾開啟

圖20 遙控干擾開啟后動態(tài)控制界面顯示

圖21 遙控干擾開啟后三維態(tài)勢界面顯示

4.2.3 接管控制攻擊測試

干擾攻擊模擬加載模塊界面開啟接管控制攻擊并發(fā)送左盤旋指令,如圖22所示。動態(tài)控制界面顯示任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)被接管控制執(zhí)行左盤旋指令,如圖23所示。三維態(tài)勢展示界面中紅色區(qū)域顯示干擾節(jié)點(diǎn)干擾范圍,在干擾范圍內(nèi)的任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)航跡發(fā)生相應(yīng)的改變,進(jìn)行左盤旋飛行,并產(chǎn)生干擾機(jī)節(jié)點(diǎn)到任務(wù)機(jī)節(jié)點(diǎn)的黃色數(shù)據(jù)傳輸線,如圖24所示。因此,該測試可以驗證干擾攻擊模擬加載模塊,實現(xiàn)了對任務(wù)機(jī)接管控制攻擊加載的模擬。

圖22 接管控制攻擊開啟

圖23 動態(tài)控制界面狀態(tài)信息打印窗口顯示

圖24 接管控制攻擊開啟后三維態(tài)勢界面顯示

4.2.4 數(shù)據(jù)交互接延時測試

無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口的接入延時由四個部分組成:接收數(shù)據(jù)包的時間、解析和重建數(shù)據(jù)包的時間、處理事件的時間和發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間。為了評估本文提出無人機(jī)信息攻擊接口的實時性,對接口延時進(jìn)行了100次測試,結(jié)果如圖25所示,其平均值為0.785 ms。由圖25可知,接口延時為毫秒級別,與數(shù)據(jù)流量的傳輸延時相比,可以忽略不計,保證了仿真測試中數(shù)據(jù)交互的實時性。

圖25 無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口延時測試圖

5 結(jié)論

本文針對當(dāng)前無人機(jī)及其數(shù)據(jù)鏈路干擾攻擊相關(guān)領(lǐng)域調(diào)研了大量國內(nèi)外文獻(xiàn),在分析當(dāng)前無人機(jī)系統(tǒng)仿真建模存在的不足后,提出了基于QualNet軟件的無人機(jī)信息攻擊半實物測試方法。本文的主要貢獻(xiàn)如下:

1)分析了對典型無人機(jī)數(shù)據(jù)鏈路的信息攻擊策略,并基于QualNet網(wǎng)絡(luò)仿真器提出了一種無人機(jī)信息攻擊半實物仿真測試架構(gòu)。

2)設(shè)計了無人機(jī)數(shù)據(jù)傳輸接口,實現(xiàn)外部半實物接入模塊與通信網(wǎng)絡(luò)仿真模塊的數(shù)據(jù)交互及數(shù)據(jù)的解析與處理。

3)設(shè)計了干擾攻擊模擬加載模塊和動態(tài)控制模塊,實現(xiàn)了基于指令交互的無人機(jī)遙控、遙測和接管控制干擾攻擊的實時動態(tài)模擬。