無人機系統(tǒng)組成及工作流程

摘　要

隨著信息技術(shù)及人工智能的發(fā)展，無人機在軍民多個領(lǐng)域廣泛使用，尤其在軍事戰(zhàn)爭中發(fā)揮著巨大作用。然而，無人機系統(tǒng)作為一個完整的物理信息系統(tǒng)，暴露在不受控的使用環(huán)境中，其安全防護問題一直是關(guān)注的焦點。因此，基于無人機系統(tǒng)的組成及工作流程，依據(jù)無人機系統(tǒng)的典型作戰(zhàn)任務(wù)，從信號、信息、網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用等層面分析無人機系統(tǒng)面臨的主要安全威脅建立了安全防護模型；同時論述了涉及的關(guān)鍵技術(shù)，可為無人機安全防護整體解決方案提供借鑒。

無 人 機（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是緊緊圍繞作戰(zhàn)需求和相關(guān)技術(shù)發(fā)展而誕生且不斷成長的。1917 年在英國研制成功的第一架無人機主要用于軍用領(lǐng)域，隨著無線電技術(shù)、自動控制技術(shù)、信息化技術(shù)、輕量化 / 小型化任務(wù)載荷技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)技術(shù)、新型能源與高效動力技術(shù)、起降技術(shù)等的迅猛發(fā)展，無人機性能不斷提升，功能不斷擴展，其應(yīng)用領(lǐng)域也由原來的軍用擴展到民用等領(lǐng)域，尤其是 20 世紀 90 年代后，國內(nèi)外都出現(xiàn)了無人機的研制熱潮，以美國、以色列兩國發(fā)展最快，技術(shù)最為成熟，在此期間我國的無人機技術(shù)也取得了實質(zhì)性進展，形成了比較完善的無人機系統(tǒng) 。 近年來，全世界已開發(fā)出高中低空、遠中近程、大中小型上百種無人機，覆蓋了情報 / 監(jiān)視 / 偵察、電子對抗、戰(zhàn)略 / 戰(zhàn)術(shù)通信中繼、攻擊作戰(zhàn)、排爆救援、森林防護等任務(wù)領(lǐng)域，隨著軍、民用需求對無人機性能的要求越來越高，在解決續(xù)航和載荷能力等關(guān)鍵技術(shù)的同時，要重點考慮在各種應(yīng)用環(huán)境下如何保證系統(tǒng)的安全性。因此，本文首先簡要介紹無人機系統(tǒng)的國際形勢及發(fā)展趨勢；其次分析當前無人機面臨的主要威脅，并在此基礎(chǔ)上提出對無人機系統(tǒng)的安全防護思考，同時分析其中的關(guān)鍵技術(shù)；最后對全文進行總結(jié)。

１

無人機系統(tǒng)組成及工作流程

1.1　無人機系統(tǒng)組成 ? 無人機系統(tǒng)是一個復(fù)雜的空—天—地綜合化大系統(tǒng)，由無人飛行器、任務(wù)載荷、武器系統(tǒng)、通信單元、控制單元及貫穿壽命周期的后勤保障等組成，分為無人機和地面空中系統(tǒng)兩大部分（如圖 1 所示），是信息化戰(zhàn)爭中奪取信息優(yōu)勢、實施精確打擊、完成特殊作戰(zhàn)任務(wù)的重要手段。無人機系統(tǒng)的特點是機上無人駕駛，具有動力裝置和導(dǎo)航模塊，在一定范圍內(nèi)靠無線電遙控設(shè)備或計算機預(yù)編程序自主控制飛行。以指揮信息系統(tǒng)為核心，以信息為紐帶，在多個功能間相互聯(lián)系、相互作用，性能上相互補充的不同類型的無人機系統(tǒng)可以組成無人作戰(zhàn)群，協(xié)調(diào)作戰(zhàn)。

圖 1　無人機系統(tǒng)組成及網(wǎng)絡(luò) 1.2　主要工作流程 無人機工作流程如下： （1）無人機通過傳感器從物理域感知環(huán)境信息，經(jīng)反饋處理校正后結(jié)合 GPS 信號產(chǎn)生定位、航向等信息，傳遞給飛行控制器。 （2）地面與無人機的通信系統(tǒng)和飛行控制器通過無線通信手段交換信息，包括控制命令、飛行狀態(tài)以及任務(wù)信息等。 （3）飛行控制器向任務(wù)系統(tǒng)發(fā)送控制指令，使任務(wù)系統(tǒng)在動力系統(tǒng)的輔助下按照命令執(zhí)行任務(wù)。

２

國際形勢及趨勢

2.1　國際形勢

由于無人機不受人員生理與生命風險的限制，且制造和維護成本低，近年來在許多復(fù)雜而危險的任務(wù)中得到廣泛應(yīng)用，改變著全球反恐和其他戰(zhàn)爭的軍事作戰(zhàn)方式：2020 年的阿亞戰(zhàn)爭中，阿塞拜疆完勝亞美尼亞，無人機起著舉足輕重的作用；近期的俄烏沖突中，雙方都頻繁大量地投入無人機裝備，進行偵察監(jiān)視和目標指示，實施精確打擊，達到引導(dǎo)電子戰(zhàn)、認知戰(zhàn)、輿論戰(zhàn)等目的，是一次高強度無人機攻防對抗戰(zhàn)例。美國防部發(fā)布《國防部反小型無人機戰(zhàn)略》文件，認為小型無人機將呈指數(shù)級增長。

2.2　美國無人機發(fā)展政策

美國占據(jù)無人機發(fā)展的制高點，引領(lǐng)著無人機的發(fā)展潮流，從《2017—2042 財年無人機系統(tǒng)綜合路線圖》可以看出美國無人機系統(tǒng)的發(fā)展政策。 （1）加快通用開放體系架構(gòu)、部件模塊化等進程，提升無人機系統(tǒng)的互用性及體系作戰(zhàn)的融入。 （2）基于人工智能發(fā)展不斷增強自主作戰(zhàn)能力，提高無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)效率和效能。 （3）強化賽博防御、信息保障和電子戰(zhàn)防護建設(shè)，確保無人機系統(tǒng)作戰(zhàn)的網(wǎng)絡(luò)安全。 在此總體發(fā)展政策下，陸海空各軍種根據(jù)自身作戰(zhàn)的特點，確定了自身的重點發(fā)展領(lǐng)域：美陸軍無人裝備傾向于人機智能融合交互領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，通過運用 5G/6G 技術(shù)，增強戰(zhàn)場實時感知能力，無人機可實現(xiàn)信號中繼、通信壓制等戰(zhàn)術(shù)想定；美海軍無人裝備傾向于超長巡航及獨立自主領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，為適應(yīng)極端海戰(zhàn)環(huán)境，以集群編隊的態(tài)勢，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對復(fù)雜海底進行深度學(xué)習，構(gòu)建強健的“機械大腦”；美空軍無人裝備傾向于偵察勤務(wù)、智能集群層面發(fā)展，實施空中打擊，強化戰(zhàn)場情報搜集能力。總之，無人裝備發(fā)展大致呈現(xiàn) 7 大趨勢：小型化、高度智能化、綜合集成化、滯空長時化、察打一體化、使用協(xié)同化、作戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)化 。

2.3　無人機系統(tǒng)發(fā)展趨勢

縱觀國內(nèi)外，無人機經(jīng)歷了全譜系全面發(fā)展、型號系列化、任務(wù)牽引平臺核心發(fā)展的過程，隨著小型化技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)及自動化技術(shù)等的提高，無人機的發(fā)展呈現(xiàn)“3大變化”，如下文所述。 （1）作戰(zhàn)能力：從技術(shù)簡單、用途單一的靶機向偵察監(jiān)視、探測、預(yù)警、火力攻擊、電子戰(zhàn)等綜合集成化、高度智能化的無人平臺轉(zhuǎn)變，以深入各維空間，遍布整個戰(zhàn)場。 （2）使命任務(wù)：從作為靶機執(zhí)行偵察、監(jiān)視、目標定位、資料收集等輔助作戰(zhàn)功能向?qū)嵤╇娮討?zhàn)、精確火力摧毀等主要作戰(zhàn)行動轉(zhuǎn)變。 （3）作戰(zhàn)地位：從執(zhí)行單一特定任務(wù)，向決定甚至主導(dǎo)作戰(zhàn)勝負的作用轉(zhuǎn)變；在云計算、邊緣計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)的加持下，以集群自主的工作模式，把協(xié)同性好、智能化高、隱蔽性強、反應(yīng)快、能力強的作戰(zhàn)特點發(fā)揮得淋漓盡致。

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主要威脅分析

3.1　典型無人機作戰(zhàn)任務(wù)

無人機的典型作戰(zhàn)任務(wù)是空中、海上、地面綜合化大系統(tǒng)協(xié)同完成遂行戰(zhàn)斗的保障。空中執(zhí)行戰(zhàn)場火力偵察、邊境巡邏、軍力調(diào)動監(jiān)視、定位校射、運輸救援、毀傷評估、中繼通信、電子對抗、防空制空及精確打擊等任務(wù)，靶機可作為火炮、導(dǎo)彈的靶標；海上涉及情報偵察、海域巡邏、物資運輸、核心通信、電子戰(zhàn)、反水雷、反潛、布雷、防空反導(dǎo)、潛伏攻擊、水面戰(zhàn)及特種作戰(zhàn)等多領(lǐng)域；地面上完成偵察監(jiān)視、后勤支援、布雷掃雷、排爆救援、火力打擊、敵后滲透等多種任務(wù)，但由于地面環(huán)境的復(fù)雜性遠高于空中和海上，其應(yīng)用進展遠落后于空中和海上。

3.2　反無人機系統(tǒng)情況

近年來，性能和功能兼?zhèn)涞臒o人機商業(yè)化程度也越來越高，其對軍事目標、民用設(shè)施的威脅也越來越大，無人機襲擊事件更是層出不窮。為有效管控和應(yīng)對無人機擴散帶來的威脅，各國正在采取各種措施，加強反無人機能力建設(shè)，典型的反無人機類型有 3 種：一是通過運用光電對抗、控制信息干擾和數(shù)據(jù)鏈干擾等，使無人機的控制、通信、動力等系統(tǒng)失效的干擾阻斷，如俄羅斯在 2020 年研制的 REX-1 反無人機電磁槍；二是使用光電 / 紅外傳感器、人工智能和機器學(xué)習來快速探測、識別和打擊正在接近的無人機或“蜂群”，進而實現(xiàn)監(jiān)測控制，如美國 Citadel Defense 公司基于人工智能的 Titan 系統(tǒng)；三是利用微波短脈沖使無人機上的電子控制系統(tǒng)失效，如美國空軍正在同 Ver us Research和 BAE 系統(tǒng)公司合作開發(fā)的 THOR 系統(tǒng) 。

3.3　面臨的主要威脅

因為無人機系統(tǒng)由無人機和地面系統(tǒng)組成，其無線通信和網(wǎng)絡(luò)直接暴露在不安全的外部環(huán)境中，很容易受到攻擊，使系統(tǒng)面臨“致盲”“致亂”“致癱”的風險。其主要攻擊手段包括： （1）通過干擾、壓制信號，強制阻網(wǎng)、斷網(wǎng)，使通信質(zhì)量下降或通信雙方連接中斷。 （2）通過信息竊聽，探取情報、指揮信息，偽造、篡改、重放信息及遙控指令，進行數(shù)據(jù)投毒，影響情報、態(tài)勢及決策信息的準確性，進而誘捕或控制無人平臺。 （3）利用無人平臺的安全漏洞，基于無線注入等方式控制平臺，攻擊網(wǎng)絡(luò)；利用地面系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)漏洞，非法接入網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)阻塞，通信癱瘓，從而獲得無人平臺的控制權(quán)。 （4）通過偵聽分析信號，追蹤關(guān)鍵節(jié)點、重點目標，反向?qū)嵤┚珳蚀驌簟?（5）通過能量武器等手段直接摧毀無人平臺，對平臺進行捕獲、剖析、利用，或者摧毀地面系統(tǒng)的測控車輛，進行拆解、破譯，進而在無授權(quán)的情況下控制無人平臺。

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安全防護思考

在無人機系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的多維空間戰(zhàn)場中，隨著信息技術(shù)、人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算以及無人機系統(tǒng)的發(fā)展，其戰(zhàn)場態(tài)勢更加全面清晰，可視化程度也越來越高，因軍事信息缺乏產(chǎn)生的傳統(tǒng)“戰(zhàn)爭迷霧”不斷減少，代之以“數(shù)據(jù)迷霧”“認知迷霧”“決策迷霧”“信任迷霧”等新形勢貫穿于戰(zhàn)爭全過程。如何利用數(shù)據(jù)收集、挖掘、分析及可視化技術(shù)，對無人戰(zhàn)場的偵察情報信息、指揮控制信息、導(dǎo)航制導(dǎo)信息、體系支援信息以及綜合保障信息等海量態(tài)勢情報信息進行感知，并進行去偽存真、去繁存簡的辨識處理，對有用、關(guān)鍵數(shù)據(jù)進行高效的分析研判，通過各種安全防護手段，在無人對抗的前方戰(zhàn)場與有人決策的后方控制系統(tǒng)之間構(gòu)建一條安全、可靠的信息通道和一個可視化平臺，由人在后方進行科學(xué)決策及精準指揮控制，實施適時干預(yù)和精準打擊，洞穿各種戰(zhàn)爭迷霧，實現(xiàn)“偵察—指揮—打擊—評估”鏈路可控，是無人作戰(zhàn)制勝的關(guān)鍵。 ? 4.1　無人機系統(tǒng)安全防護需求 根據(jù)無人機系統(tǒng)工作流程，通過以上無人機的安全威脅分析，建立無人平臺的安全防護模型，如圖 2 所示。

圖 2　無人平臺安全防護模型

4.1.1　平臺層面防護需求

安全可信的無人機軟硬件平臺是無人機系統(tǒng)安全可靠執(zhí)行任務(wù)的基礎(chǔ)，需要通過認證、授權(quán)、指令加固等身份管理手段保障平臺控制安全，采取計算環(huán)境病毒防護、訪問控制、可信度量與運行、區(qū)域隔離等可信管理手段阻止網(wǎng)絡(luò)投毒和預(yù)置攻擊，保障計算環(huán)境安全，實現(xiàn)平臺內(nèi)生安全。

4.1.2　信號層面防護需求

無人機的通信鏈路隨時切換，無線信號的可靠傳輸也是保證無人機系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵，因此通信信號需要具有抗干擾、抗截獲、防分析、防跟蹤能力，防止通信壓制，保護重要時域、頻域和關(guān)鍵節(jié)點，獲取電子對抗優(yōu)勢，實現(xiàn)“擾中通”；無人機系統(tǒng)各組成部分具有攻防聯(lián)動能力，實現(xiàn)“敵癱我通”。

4.1.3　網(wǎng)絡(luò)層面防護需求

無人機通信網(wǎng)絡(luò)直接暴露在無線空間，很容易被攻擊，因此需要采取可信度量與運行、區(qū)域隔離、統(tǒng)一認證、統(tǒng)一授權(quán)、統(tǒng)一接入等手段，對計算環(huán)境進行病毒防護、訪問控制，阻止網(wǎng)絡(luò)投毒、網(wǎng)絡(luò)入侵和預(yù)置攻擊，建立可信路由，實現(xiàn)安全組網(wǎng)，保障平臺飛控、動力控制、火力控制安全，提高網(wǎng)絡(luò)健壯性和網(wǎng)絡(luò)防毀癱、可持續(xù)服務(wù)能力。

4.1.4　應(yīng)用層面防護需求

無人機機動靈活，任務(wù)環(huán)境多為比較危險的場合，因此需要無人機能夠按照安全域最小化分割原則實現(xiàn)密碼按需通聯(lián)，輕量保障，多鏈路保障快速開通；能夠具有任務(wù)體系聯(lián)動、現(xiàn)場臨機規(guī)劃能力，保障任務(wù)敏捷高效，同時具備裝備失控感知、關(guān)鍵資源自主銷毀，實現(xiàn)系統(tǒng)全域管控可達、抗毀頑存的目標。

4.1.5　信息層面防護需求

要保證無人機系統(tǒng)安全可靠地執(zhí)行任務(wù)，首先必須保證所采集的各種信息的正確性，這就需要對通信載荷、指揮信息、控制指令、情報態(tài)勢進行完整性、新鮮性、真實性和機密性保護，防止數(shù)據(jù)投毒，確?；诖髷?shù)據(jù)學(xué)習、推理的精準態(tài)勢研判和指揮決策，防止信息被污染、竊聽，使信息跨網(wǎng)跨域安全交換和傳輸。

4.2　關(guān)鍵技術(shù)
4.2.1　“偵—攻—通—防”體系協(xié)同防護技術(shù)

無人機系統(tǒng)因無人控制的特點，需要偵察系統(tǒng)、電子戰(zhàn)系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)等多系統(tǒng)聯(lián)合，基于低截獲、低探測和抗干擾技術(shù)，探測敵方信號，采用協(xié)議、流程、體制的一體化融合設(shè)計，偵察、干擾敵方信號，感知、識別敵方干擾，通過安全糾錯編碼、信道均衡、時頻同步及跳頻擴頻等安全信道調(diào)制技術(shù)，提升無人機平臺隱蔽行動及智能抗干擾能力，支持統(tǒng)一調(diào)度、隨機接入與越區(qū)切換鏈路自適應(yīng)等功能，達到輕量化監(jiān)測、精準評估和敏捷控制，建立動態(tài)防護體系，最終實現(xiàn)多維多層次的“偵—攻—通—防”聯(lián)動，保障高效可靠的密碼服務(wù)和任務(wù)的敏捷響應(yīng)，增強無人機系統(tǒng)在未來信息化戰(zhàn)場的適應(yīng)性與作戰(zhàn)效能。

4.2.2　“認證—接入—授權(quán)”綜合安全組網(wǎng)技術(shù)

隨著各種技術(shù)尤其是人工智能的發(fā)展，無人平臺從設(shè)備操控向任務(wù)驅(qū)動、從多人控制一臺設(shè)備向一人控制不同地域和網(wǎng)系的系列設(shè)備、從單一鏈路接入向多鏈路協(xié)同通信、從被動控制向自主決策行動方向發(fā)展，安全組網(wǎng)是保證無人機系統(tǒng)成功執(zhí)行任務(wù)的關(guān)鍵，綜合運用基于網(wǎng)絡(luò)接入控制、隔離交換、可信路由、網(wǎng)絡(luò)入侵檢測等技術(shù)，進行統(tǒng)一認證、統(tǒng)一授權(quán)、統(tǒng)一接入，實現(xiàn)安全組網(wǎng)；對無人機操控員使用控制系統(tǒng)進行基于生物特征的用戶身份認證，防止非法用戶遠程操控無人機；通過主機綜合安全防護軟件對無人機操控臺終端提供資源管控、網(wǎng)絡(luò)訪問控制等安全防護功能，防止用戶進行非法信息交換；對無人機、指揮所、控制站之間的多種鏈（測控鏈、起降引導(dǎo)鏈等）進行無線通信，同時在指揮所、控制站和無人機平臺部署無線安全接入控制設(shè)備和一體化信任服務(wù)系統(tǒng)，實現(xiàn)接入認證、訪問控制、攻擊防御、安全隔離等安全功能；對指揮所進行分域防護，提供安全隔離、訪問控制、入侵檢測等安全防護功能，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)與作戰(zhàn)指揮系統(tǒng)之間的信息安全受控交換。

4.2.3　多鏈路信息高效可靠防護技術(shù)

面向多樣化的無人機系統(tǒng)，利用多種無線電頻段及傳輸協(xié)議，構(gòu)建多條通信鏈路，根據(jù)所處環(huán)境特點和鏈路信噪比參數(shù)，智能選擇最佳通信鏈路，提高通信的可靠性和互通性；通過數(shù)字簽名技術(shù)、生物特征識別、MAC 地址認證等多級認證技術(shù)，及對通信鏈路的安全檢測機制，降低非授權(quán)攻擊的發(fā)生概率，實現(xiàn)原始數(shù)據(jù)的完整性和真實性保護，提高無人機系統(tǒng)的抗干擾和抗攻擊能力；采用時空基準、自同步密碼技術(shù)，進行計算資源動態(tài)編排、服務(wù)能力按需定義、安保資源統(tǒng)一保障，實現(xiàn)無人機系統(tǒng)指揮通信、情報偵察、機間協(xié)同、火力控制、遙控遙測、導(dǎo)航識別等多鏈路信息的靈活運用、一體防護，保障偵察情報的真實性、控制信息的可認證性和新鮮性，進而達到動態(tài)賦能。

4.2.4　智能對抗技術(shù)

智能對抗技術(shù)的核心是人工智能，新興人工智能技術(shù)推動了無人機系統(tǒng)對抗博弈 [ 深度學(xué)習、抗拒絕服務(wù)攻擊（Denial of Service，DoS）]和高精準防御決策的發(fā)展。利用深度學(xué)習、強化學(xué)習等技術(shù)，建立用于防御和偵察攻擊的智能自適應(yīng)系統(tǒng)，增強無人機系統(tǒng)的環(huán)境感知和干擾能力；采取智能算法進行更精準的態(tài)勢感知，根據(jù)環(huán)境變化和攻擊類型，自動識別和預(yù)測可能存在的威脅，防范干擾，對不同種類的攻擊進行及時響應(yīng)和反擊，在強干擾環(huán)境中保持穩(wěn)定的通信和信號傳輸，提高無人機系統(tǒng)的安全性、魯棒性和應(yīng)對威脅、反擊敵方攻擊的能力；通過應(yīng)用安全措施，加密和認證指令和數(shù)據(jù)，防止未經(jīng)授權(quán)的使用和篡改，并對樣本數(shù)據(jù)進行清洗、真?zhèn)舞b別和安全維護，保證指令和數(shù)據(jù)的安全性和完整性；通過跨網(wǎng)跨域安全交換，實現(xiàn)信息共享，達到更可信的戰(zhàn)局研判、更迅速的指揮控制和更優(yōu)化的作戰(zhàn)流程，保障智能決策的準確性，大幅提升作戰(zhàn)效能。

５

結(jié)　語

隨著無線電技術(shù)及人工智能等新興技術(shù)的發(fā)展，以及無人機系統(tǒng)在軍用和民用領(lǐng)域的廣泛使用，其安全防護受到了越來越多的關(guān)注。本文分析了無人機系統(tǒng)面臨的安全風險，提出了無人平臺的安全防護模型，并簡要梳理了其涉及的關(guān)鍵技術(shù)，以期為無人機安全防護系統(tǒng)的建立及實現(xiàn)提供助益。 ?

引用格式：徐貴賢 , 羅敏 , 吳圣能 . 無人機系統(tǒng)安全防護思考 [J]. 信息安全與通信保密 ,2023(6):21-28.

作者簡介 >>> ? ?

徐貴賢，女，碩士，高級工程師，主要研究方向為嵌入式密碼設(shè)備研發(fā)；

羅　敏，男，碩士，高級工程師，主要研究方向為移動通信；

吳圣能，男，學(xué)士，工程師，主要研究方向為北斗衛(wèi)星通信。

選自《信息安全與通信保密》2023年第６期（為便于排版，已省去原文參考文獻）

編輯：黃飛

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