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        無人機(jī)巡檢避障安全防護(hù)實(shí)踐

        2018-12-31 00:00:00呂磊羅晨朱敏
        大科技·C版 2018年12期

        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(xiǎn)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(xiǎn)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(shí)也降低了巡檢人員的作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)。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(huì)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(shí),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(huì)泄露公司敏感數(shù)據(jù),同時(shí)對電網(wǎng)財(cái)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(xiǎn)。

        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(gè)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(xiǎn)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(dòng)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(jì),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(xiǎn)分析

        4.2.1 無人機(jī)奪取無線電控制的風(fēng)險(xiǎn)

        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(gè)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(xiǎn)

        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(cuò)誤,導(dǎo)致無人機(jī)墜落。

        4.2.3 信號干擾的風(fēng)險(xiǎn)

        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(shí)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(jià)值。

        4.2.4 黑客滲透攻擊的風(fēng)險(xiǎn)

        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(shí)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(xiǎn)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(xiǎn)。

        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(dòng)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(jì)出一種適用于低空空域的動(dòng)態(tài)避撞算法。在具體應(yīng)用中應(yīng)考慮到計(jì)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(gè)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(jiǎng)賞函數(shù)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(gè)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(jì)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(jì)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(shí),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(shí),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(shí),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(jì)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(gè)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(jì)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(jì)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(huì)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(jì)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(jiān)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。

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