無人機(jī)巡檢避障安全防護(hù)實(shí)踐

摘 要：隨著無人機(jī)在電力巡檢中的廣泛運(yùn)用，無人機(jī)的安全問題越來越受到關(guān)注。本文通過分析電力巡檢中無人機(jī)存在的問題，對其風(fēng)險因素進(jìn)行了研究，對電力巡檢無人機(jī)安全防護(hù)技術(shù)的性質(zhì)、構(gòu)成及促成方式進(jìn)行研究，并針對其風(fēng)險因素的應(yīng)對方式做出了探討。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；安全防護(hù)；GPS反欺騙

中圖分類號：V279 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1004-7344（2018）35-0056-02

1 前 言

無人機(jī)電力巡檢是無人機(jī)行業(yè)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，隨著無人機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使無人機(jī)電力巡檢逐漸成為現(xiàn)實(shí)。如今無人機(jī)巡檢的工作效率是原來的8～10倍，電力巡檢工的工作效率得到了質(zhì)的提升，同時也降低了巡檢人員的作業(yè)風(fēng)險。盡管無人機(jī)在電力巡檢領(lǐng)域有諸多優(yōu)越性，但電力行業(yè)關(guān)系國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步，電網(wǎng)屬于國家戰(zhàn)略資源，無人機(jī)在巡檢的過程中，無人機(jī)被劫持誘騙，從而造成電力信息的泄露。因此保證國家戰(zhàn)略資源的安全，成為國家有關(guān)部門高度重視問題。

2 無人機(jī)系統(tǒng)的構(gòu)成

無人機(jī)的系統(tǒng)組成如圖1所示，包括無人機(jī)自主飛行控制系統(tǒng)，其中含有飛控系統(tǒng)、電機(jī)、電調(diào)、遙控接收機(jī)、姿態(tài)參考系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、通信系統(tǒng)和任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)，同時，還需要地面控制臺、圖傳地面顯示系統(tǒng)、遙控裝置。

3 無人機(jī)存在的安全問題

近年來無人機(jī)安全事故的不斷出現(xiàn)，不僅會泄露公司敏感數(shù)據(jù)，同時對電網(wǎng)財產(chǎn)安全造成威脅。電力巡檢專用無人機(jī)在控制流程中的每一部分都存在安全隱患，如傳感器GPS數(shù)據(jù)欺騙、數(shù)據(jù)鏈路和身份認(rèn)證、線路碰撞、無人機(jī)安全管控等風(fēng)險。

如表1為國家電網(wǎng)公司試點(diǎn)單位配備的無人機(jī)及參數(shù)列表。由表1可以看出，目前應(yīng)用于電力巡檢的無人機(jī)基本為航拍無人機(jī)小改款，缺乏安全保障功能，尤其是在信息安全和無人機(jī)防碰撞兩個方面缺乏考慮，只是完成了電力巡檢的基本功能。

4 無人機(jī)巡檢安全防護(hù)的風(fēng)險分析

4.1 防護(hù)的原則

根據(jù)專用無人機(jī)系統(tǒng)建設(shè)及實(shí)際運(yùn)營情況，采用“分區(qū)分域、安全接入、動態(tài)感知、精確管理、全方位防護(hù)”的安全策略，從物理、邊界、應(yīng)用、數(shù)據(jù)、主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、終端等方面進(jìn)行安全防護(hù)設(shè)計，促進(jìn)電力巡檢專用無人機(jī)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 風(fēng)險分析

4.2.1 無人機(jī)奪取無線電控制的風(fēng)險

隨著無人機(jī)的普及，為了保障低空領(lǐng)域安全，政府通常采用一個接收器來追蹤無人機(jī)，利用電子信號照射無人機(jī)，進(jìn)行無線電控制。政府為了被操縱，借助阻截?zé)o人機(jī)的傳輸代碼，進(jìn)而控制無人機(jī)，并引導(dǎo)其返航，回歸到操作者手中。

4.2.2 聲波干擾的風(fēng)險

陀螺儀作為無人機(jī)中的重要組成部分，具有精確飛行過程中各種數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)，通過提供精確的數(shù)據(jù)以此保持機(jī)體平衡。通過對陀螺儀進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)可聲波能夠與陀螺儀發(fā)生共振，從而擾亂無人機(jī)信號，造成信息輸出錯誤，導(dǎo)致無人機(jī)墜落。

4.2.3 信號干擾的風(fēng)險

為了使無人機(jī)精確坐標(biāo)數(shù)據(jù)，對無人機(jī)的操作控制采用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的方法。為了保證無人機(jī)在照相時精確自己的準(zhǔn)確位置，便安裝了GPS信號接收機(jī)。正是如此，無人機(jī)的信號接收機(jī)容易受到干擾，導(dǎo)致只能根據(jù)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)對無人機(jī)進(jìn)行導(dǎo)航，無法獲得精確的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，從而使無人機(jī)失去巡檢的價值。

4.2.4 黑客滲透攻擊的風(fēng)險

攻擊者通過無人機(jī)自身設(shè)置的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程端口，對無人機(jī)的實(shí)時操作系統(tǒng)進(jìn)行不斷地攻擊。通過Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，攻擊者可以解除無人機(jī)的FreeFlight控制應(yīng)用并與自己進(jìn)行匹配，然后對無人機(jī)進(jìn)行管理和控制。甚至，黑客們還能通過Bebop模型，與目標(biāo)無人機(jī)進(jìn)行連接和控制，獲得訪問權(quán)限，從而進(jìn)行破壞，使無人機(jī)受到損壞。

除了上述所說的無人機(jī)遭受的風(fēng)險外，還有被專用的無人機(jī)子彈攻擊，激光炮攻擊和綜合無人機(jī)攻擊等風(fēng)險。

5 無人機(jī)系統(tǒng)安全防護(hù)的方式淺析

5.1 無人機(jī)航跡規(guī)劃與避撞

隨著無人機(jī)的發(fā)展，各種避撞、航跡規(guī)劃算法不斷出現(xiàn)。而采用動態(tài)航跡規(guī)劃是能夠根據(jù)飛行器的位置、任務(wù)要求和周圍環(huán)境，確定無人機(jī)的飛行路徑，確保正常飛行并完成指定任務(wù)。通過研究通用優(yōu)化算法，設(shè)計出一種適用于低空空域的動態(tài)避撞算法。在具體應(yīng)用中應(yīng)考慮到計算復(fù)雜度和實(shí)用性，采用結(jié)合勢能函數(shù)和增強(qiáng)學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行航跡規(guī)劃。結(jié)合勢能函數(shù)和增強(qiáng)學(xué)習(xí)的方法，能夠利用增強(qiáng)學(xué)習(xí)的優(yōu)點(diǎn)來避免勢能函數(shù)法的缺點(diǎn)，兩者相輔相成，達(dá)到取長補(bǔ)短的目的。

而智能體學(xué)習(xí)由于具有適應(yīng)性反應(yīng)性和自學(xué)習(xí)性等特點(diǎn)，在路徑規(guī)劃應(yīng)用中主要有幾個優(yōu)點(diǎn)，不需要精確的環(huán)境模型，也能夠?qū)⒈茏?，航跡規(guī)劃和進(jìn)行結(jié)合考慮，適用于未知環(huán)境下路徑規(guī)劃。但是目前存在一些不足之處，如獎賞函數(shù)的設(shè)計和環(huán)境信息的不完整性，探索與利用的平衡問題等有待解決。

5.2 基于TPM的可信計算

為了從根本上解決問題，無人機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)TMP的管理，以實(shí)現(xiàn)信息安全，防止攻擊，從根本上提高無人機(jī)整體的安全性。TPM作為可信計算技術(shù)的中心，被業(yè)內(nèi)人員稱為“信任原點(diǎn)”，可見其安全可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，TPM安全芯片主要應(yīng)用于PC主板。

TPM安全芯片的主要功能包括：

（1）完整性度量

通過完整性度量，保證PC從運(yùn)行開始，所運(yùn)行的各個硬件、操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件都是安全可信的，從而減少計算病毒、木馬等的危害。

（2）敏感數(shù)據(jù)的加密存儲

TPM將部分敏感數(shù)據(jù)存儲在芯片內(nèi)部的隱蔽區(qū)域，其它敏感數(shù)據(jù)加密后存儲到外部的存儲設(shè)備。通過其他軟件的保護(hù)，很難利用傳統(tǒng)的竊取方式竊取數(shù)據(jù)，更大限度上提高了敏感數(shù)據(jù)的保密性，實(shí)現(xiàn)信息安全，防止攻擊。

（3）身份驗(yàn)證功能

TPM所具備身份認(rèn)證功能是由可信計算平臺頒發(fā)的唯一的身份證明書，當(dāng)用戶進(jìn)行訪問時，需要對身份進(jìn)行驗(yàn)證，身份驗(yàn)證功能不僅促進(jìn)了電子商務(wù)等類似的系統(tǒng)的發(fā)展，提高了信用程度，而且還促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷進(jìn)步。

（4）授權(quán)敏感資源，設(shè)置特殊訪問“防火墻”

當(dāng)訪問TPM授權(quán)的內(nèi)部資源時，由于需要TPM的授權(quán)協(xié)議來進(jìn)行訪問，只有通過TPM的授權(quán)才能正常訪問敏感數(shù)據(jù)，TPM的內(nèi)部資源授權(quán)訪問在很大程度上保護(hù)了敏感數(shù)據(jù)，，保證信息安全。

（5）數(shù)據(jù)的加密傳輸，打造全程安全保護(hù)通道

當(dāng)TPM在與外部存儲設(shè)備進(jìn)行交換數(shù)據(jù)時，不僅要驗(yàn)證用戶的信息，還要對傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，防止信息泄露，保證了信息的安全。

5.3 GPS反欺騙

衛(wèi)星導(dǎo)航在防欺騙方面存在一些缺點(diǎn)，專業(yè)技術(shù)研究人員提出不同的防欺騙技術(shù)，按照立足點(diǎn)的不同，可將防欺騙技術(shù)其分為信號體制、終端技術(shù)及外部輔助三部分。

5.3.1 信號體制

采用鑒別數(shù)據(jù)的方式在信號傳輸中插入對方無法預(yù)測的信號信息，用戶通過校驗(yàn)信息的真實(shí)性，來計算所跟蹤的信息是否有效。主要采用擴(kuò)頻碼加密和電文加密的方法。

5.3.2 終端技術(shù)

單模衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端防欺騙可從信號處理層、信息校驗(yàn)層、信息解算層三個層次入手處理。雙模衛(wèi)星導(dǎo)航接收終端還可根據(jù)衛(wèi)星無線電導(dǎo)航服務(wù)和衛(wèi)星無線電定位服務(wù)定位不同原理進(jìn)行校驗(yàn)，判斷信號的完整性。

5.3.3 外部輔助

將衛(wèi)星導(dǎo)航接收的計算結(jié)果與其他導(dǎo)航系統(tǒng)接收的結(jié)果進(jìn)行記錄和比較，如果定位偏差超出規(guī)定范圍，則是可能存在被利用的行為。接收機(jī)利用互操作技術(shù)接收所有導(dǎo)航信號，對導(dǎo)航系統(tǒng)定位結(jié)果進(jìn)行計算比較。與慣性導(dǎo)航單元組合：慣性導(dǎo)航設(shè)備不依賴外部環(huán)境，可單獨(dú)地提供精確的導(dǎo)航參數(shù)，將慣導(dǎo)和衛(wèi)星導(dǎo)航組合：能夠正確地判斷導(dǎo)航結(jié)果是否正確。與其他無線電導(dǎo)航系統(tǒng)組合：通過與衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)接收的結(jié)果和地面無線電導(dǎo)航系統(tǒng)接收的結(jié)果進(jìn)行對比和記錄，來判斷信號是否得到干擾。與其他傳感器組合：通過一些傳感器可為接收機(jī)提參考性信息。

6 結(jié)束語

隨著國家社會的進(jìn)步，對電量的需求也在不斷地上升，國家能源局等對電力安全可靠性提出新要求，電力巡檢關(guān)系電力安全可靠性與國計民生，戰(zhàn)略地位與實(shí)際剛性需求突出。隨著無人機(jī)巡檢應(yīng)用的廣泛深入，保護(hù)戰(zhàn)略資源的安全，開展各種防干擾手段對其的影響研究以及干擾監(jiān)測設(shè)備的研究都變得越來越緊迫。另外無人機(jī)電力巡檢是一種具有創(chuàng)新性的系統(tǒng)工程，不斷將無人機(jī)電力巡檢應(yīng)用到實(shí)際中，更有效的開展電力巡檢工作，提高工作效率，不斷致力于無人機(jī)的電力巡檢工作，電力巡檢工作和電力企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展奠定堅實(shí)的基礎(chǔ)。

收稿日期：2018-11-6

作者簡介：呂 磊（1974-），男，高級工程師，研究生，主要從事信息通信管理工作。

羅 晨（1990-），男，助理工程師，研究生，主要從事信息運(yùn)維工作。

朱 敏（1992-），男，助理工程師，本科，主要從事信息安全工作。