无人机系统组成及工作流程

摘　要

随着信息技术及人工智能的发展，无人机在军民多个领域广泛使用，尤其在军事战争中发挥着巨大作用。然而，无人机系统作为一个完整的物理信息系统，暴露在不受控的使用环境中，其安全防护问题一直是关注的焦点。因此，基于无人机系统的组成及工作流程，依据无人机系统的典型作战任务，从信号、信息、网络及应用等层面分析无人机系统面临的主要安全威胁建立了安全防护模型；同时论述了涉及的关键技术，可为无人机安全防护整体解决方案提供借鉴。

无 人 机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）是紧紧围绕作战需求和相关技术发展而诞生且不断成长的。1917 年在英国研制成功的第一架无人机主要用于军用领域，随着无线电技术、自动控制技术、信息化技术、轻量化 / 小型化任务载荷技术、卫星通信技术、复合材料结构技术、新型能源与高效动力技术、起降技术等的迅猛发展，无人机性能不断提升，功能不断扩展，其应用领域也由原来的军用扩展到民用等领域，尤其是 20 世纪 90 年代后，国内外都出现了无人机的研制热潮，以美国、以色列两国发展最快，技术最为成熟，在此期间我国的无人机技术也取得了实质性进展，形成了比较完善的无人机系统 。 近年来，全世界已开发出高中低空、远中近程、大中小型上百种无人机，覆盖了情报 / 监视 / 侦察、电子对抗、战略 / 战术通信中继、攻击作战、排爆救援、森林防护等任务领域，随着军、民用需求对无人机性能的要求越来越高，在解决续航和载荷能力等关键技术的同时，要重点考虑在各种应用环境下如何保证系统的安全性。因此，本文首先简要介绍无人机系统的国际形势及发展趋势；其次分析当前无人机面临的主要威胁，并在此基础上提出对无人机系统的安全防护思考，同时分析其中的关键技术；最后对全文进行总结。

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无人机系统组成及工作流程

1.1　无人机系统组成   无人机系统是一个复杂的空—天—地综合化大系统，由无人飞行器、任务载荷、武器系统、通信单元、控制单元及贯穿寿命周期的后勤保障等组成，分为无人机和地面空中系统两大部分（如图 1 所示），是信息化战争中夺取信息优势、实施精确打击、完成特殊作战任务的重要手段。无人机系统的特点是机上无人驾驶，具有动力装置和导航模块，在一定范围内靠无线电遥控设备或计算机预编程序自主控制飞行。以指挥信息系统为核心，以信息为纽带，在多个功能间相互联系、相互作用，性能上相互补充的不同类型的无人机系统可以组成无人作战群，协调作战。

图 1　无人机系统组成及网络 1.2　主要工作流程 无人机工作流程如下： （1）无人机通过传感器从物理域感知环境信息，经反馈处理校正后结合 GPS 信号产生定位、航向等信息，传递给飞行控制器。 （2）地面与无人机的通信系统和飞行控制器通过无线通信手段交换信息，包括控制命令、飞行状态以及任务信息等。 （3）飞行控制器向任务系统发送控制指令，使任务系统在动力系统的辅助下按照命令执行任务。

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国际形势及趋势

2.1　国际形势

由于无人机不受人员生理与生命风险的限制，且制造和维护成本低，近年来在许多复杂而危险的任务中得到广泛应用，改变着全球反恐和其他战争的军事作战方式：2020 年的阿亚战争中，阿塞拜疆完胜亚美尼亚，无人机起着举足轻重的作用；近期的俄乌冲突中，双方都频繁大量地投入无人机装备，进行侦察监视和目标指示，实施精确打击，达到引导电子战、认知战、舆论战等目的，是一次高强度无人机攻防对抗战例。美国防部发布《国防部反小型无人机战略》文件，认为小型无人机将呈指数级增长。

2.2　美国无人机发展政策

美国占据无人机发展的制高点，引领着无人机的发展潮流，从《2017—2042 财年无人机系统综合路线图》可以看出美国无人机系统的发展政策。 （1）加快通用开放体系架构、部件模块化等进程，提升无人机系统的互用性及体系作战的融入。 （2）基于人工智能发展不断增强自主作战能力，提高无人机系统作战效率和效能。 （3）强化赛博防御、信息保障和电子战防护建设，确保无人机系统作战的网络安全。 在此总体发展政策下，陆海空各军种根据自身作战的特点，确定了自身的重点发展领域：美陆军无人装备倾向于人机智能融合交互领域的持续发展，通过运用 5G/6G 技术，增强战场实时感知能力，无人机可实现信号中继、通信压制等战术想定；美海军无人装备倾向于超长巡航及独立自主领域的持续发展，为适应极端海战环境，以集群编队的态势，通过神经网络技术对复杂海底进行深度学习，构建强健的“机械大脑”；美空军无人装备倾向于侦察勤务、智能集群层面发展，实施空中打击，强化战场情报搜集能力。总之，无人装备发展大致呈现 7 大趋势：小型化、高度智能化、综合集成化、滞空长时化、察打一体化、使用协同化、作战网络化 。

2.3　无人机系统发展趋势

纵观国内外，无人机经历了全谱系全面发展、型号系列化、任务牵引平台核心发展的过程，随着小型化技术、系统集成技术及自动化技术等的提高，无人机的发展呈现“3大变化”，如下文所述。 （1）作战能力：从技术简单、用途单一的靶机向侦察监视、探测、预警、火力攻击、电子战等综合集成化、高度智能化的无人平台转变，以深入各维空间，遍布整个战场。 （2）使命任务：从作为靶机执行侦察、监视、目标定位、资料收集等辅助作战功能向实施电子战、精确火力摧毁等主要作战行动转变。 （3）作战地位：从执行单一特定任务，向决定甚至主导作战胜负的作用转变；在云计算、边缘计算、大数据、人工智能等新兴技术的加持下，以集群自主的工作模式，把协同性好、智能化高、隐蔽性强、反应快、能力强的作战特点发挥得淋漓尽致。

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主要威胁分析

3.1　典型无人机作战任务

无人机的典型作战任务是空中、海上、地面综合化大系统协同完成遂行战斗的保障。空中执行战场火力侦察、边境巡逻、军力调动监视、定位校射、运输救援、毁伤评估、中继通信、电子对抗、防空制空及精确打击等任务，靶机可作为火炮、导弹的靶标；海上涉及情报侦察、海域巡逻、物资运输、核心通信、电子战、反水雷、反潜、布雷、防空反导、潜伏攻击、水面战及特种作战等多领域；地面上完成侦察监视、后勤支援、布雷扫雷、排爆救援、火力打击、敌后渗透等多种任务，但由于地面环境的复杂性远高于空中和海上，其应用进展远落后于空中和海上。

3.2　反无人机系统情况

近年来，性能和功能兼备的无人机商业化程度也越来越高，其对军事目标、民用设施的威胁也越来越大，无人机袭击事件更是层出不穷。为有效管控和应对无人机扩散带来的威胁，各国正在采取各种措施，加强反无人机能力建设，典型的反无人机类型有 3 种：一是通过运用光电对抗、控制信息干扰和数据链干扰等，使无人机的控制、通信、动力等系统失效的干扰阻断，如俄罗斯在 2020 年研制的 REX-1 反无人机电磁枪；二是使用光电 / 红外传感器、人工智能和机器学习来快速探测、识别和打击正在接近的无人机或“蜂群”，进而实现监测控制，如美国 Citadel Defense 公司基于人工智能的 Titan 系统；三是利用微波短脉冲使无人机上的电子控制系统失效，如美国空军正在同 Ver us Research和 BAE 系统公司合作开发的 THOR 系统 。

3.3　面临的主要威胁

因为无人机系统由无人机和地面系统组成，其无线通信和网络直接暴露在不安全的外部环境中，很容易受到攻击，使系统面临“致盲”“致乱”“致瘫”的风险。其主要攻击手段包括： （1）通过干扰、压制信号，强制阻网、断网，使通信质量下降或通信双方连接中断。 （2）通过信息窃听，探取情报、指挥信息，伪造、篡改、重放信息及遥控指令，进行数据投毒，影响情报、态势及决策信息的准确性，进而诱捕或控制无人平台。 （3）利用无人平台的安全漏洞，基于无线注入等方式控制平台，攻击网络；利用地面系统的网络漏洞，非法接入网络，使网络阻塞，通信瘫痪，从而获得无人平台的控制权。 （4）通过侦听分析信号，追踪关键节点、重点目标，反向实施精准打击。 （5）通过能量武器等手段直接摧毁无人平台，对平台进行捕获、剖析、利用，或者摧毁地面系统的测控车辆，进行拆解、破译，进而在无授权的情况下控制无人平台。

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安全防护思考

在无人机系统广泛应用的多维空间战场中，随着信息技术、人工智能、大数据、云计算以及无人机系统的发展，其战场态势更加全面清晰，可视化程度也越来越高，因军事信息缺乏产生的传统“战争迷雾”不断减少，代之以“数据迷雾”“认知迷雾”“决策迷雾”“信任迷雾”等新形势贯穿于战争全过程。如何利用数据收集、挖掘、分析及可视化技术，对无人战场的侦察情报信息、指挥控制信息、导航制导信息、体系支援信息以及综合保障信息等海量态势情报信息进行感知，并进行去伪存真、去繁存简的辨识处理，对有用、关键数据进行高效的分析研判，通过各种安全防护手段，在无人对抗的前方战场与有人决策的后方控制系统之间构建一条安全、可靠的信息通道和一个可视化平台，由人在后方进行科学决策及精准指挥控制，实施适时干预和精准打击，洞穿各种战争迷雾，实现“侦察—指挥—打击—评估”链路可控，是无人作战制胜的关键。   4.1　无人机系统安全防护需求 根据无人机系统工作流程，通过以上无人机的安全威胁分析，建立无人平台的安全防护模型，如图 2 所示。

图 2　无人平台安全防护模型

4.1.1　平台层面防护需求

安全可信的无人机软硬件平台是无人机系统安全可靠执行任务的基础，需要通过认证、授权、指令加固等身份管理手段保障平台控制安全，采取计算环境病毒防护、访问控制、可信度量与运行、区域隔离等可信管理手段阻止网络投毒和预置攻击，保障计算环境安全，实现平台内生安全。

4.1.2　信号层面防护需求

无人机的通信链路随时切换，无线信号的可靠传输也是保证无人机系统正常工作的关键，因此通信信号需要具有抗干扰、抗截获、防分析、防跟踪能力，防止通信压制，保护重要时域、频域和关键节点，获取电子对抗优势，实现“扰中通”；无人机系统各组成部分具有攻防联动能力，实现“敌瘫我通”。

4.1.3　网络层面防护需求

无人机通信网络直接暴露在无线空间，很容易被攻击，因此需要采取可信度量与运行、区域隔离、统一认证、统一授权、统一接入等手段，对计算环境进行病毒防护、访问控制，阻止网络投毒、网络入侵和预置攻击，建立可信路由，实现安全组网，保障平台飞控、动力控制、火力控制安全，提高网络健壮性和网络防毁瘫、可持续服务能力。

4.1.4　应用层面防护需求

无人机机动灵活，任务环境多为比较危险的场合，因此需要无人机能够按照安全域最小化分割原则实现密码按需通联，轻量保障，多链路保障快速开通；能够具有任务体系联动、现场临机规划能力，保障任务敏捷高效，同时具备装备失控感知、关键资源自主销毁，实现系统全域管控可达、抗毁顽存的目标。

4.1.5　信息层面防护需求

要保证无人机系统安全可靠地执行任务，首先必须保证所采集的各种信息的正确性，这就需要对通信载荷、指挥信息、控制指令、情报态势进行完整性、新鲜性、真实性和机密性保护，防止数据投毒，确保基于大数据学习、推理的精准态势研判和指挥决策，防止信息被污染、窃听，使信息跨网跨域安全交换和传输。

4.2　关键技术
4.2.1　“侦—攻—通—防”体系协同防护技术

无人机系统因无人控制的特点，需要侦察系统、电子战系统、通信系统、任务系统等多系统联合，基于低截获、低探测和抗干扰技术，探测敌方信号，采用协议、流程、体制的一体化融合设计，侦察、干扰敌方信号，感知、识别敌方干扰，通过安全纠错编码、信道均衡、时频同步及跳频扩频等安全信道调制技术，提升无人机平台隐蔽行动及智能抗干扰能力，支持统一调度、随机接入与越区切换链路自适应等功能，达到轻量化监测、精准评估和敏捷控制，建立动态防护体系，最终实现多维多层次的“侦—攻—通—防”联动，保障高效可靠的密码服务和任务的敏捷响应，增强无人机系统在未来信息化战场的适应性与作战效能。

4.2.2　“认证—接入—授权”综合安全组网技术

随着各种技术尤其是人工智能的发展，无人平台从设备操控向任务驱动、从多人控制一台设备向一人控制不同地域和网系的系列设备、从单一链路接入向多链路协同通信、从被动控制向自主决策行动方向发展，安全组网是保证无人机系统成功执行任务的关键，综合运用基于网络接入控制、隔离交换、可信路由、网络入侵检测等技术，进行统一认证、统一授权、统一接入，实现安全组网；对无人机操控员使用控制系统进行基于生物特征的用户身份认证，防止非法用户远程操控无人机；通过主机综合安全防护软件对无人机操控台终端提供资源管控、网络访问控制等安全防护功能，防止用户进行非法信息交换；对无人机、指挥所、控制站之间的多种链（测控链、起降引导链等）进行无线通信，同时在指挥所、控制站和无人机平台部署无线安全接入控制设备和一体化信任服务系统，实现接入认证、访问控制、攻击防御、安全隔离等安全功能；对指挥所进行分域防护，提供安全隔离、访问控制、入侵检测等安全防护功能，实现无人机系统与作战指挥系统之间的信息安全受控交换。

4.2.3　多链路信息高效可靠防护技术

面向多样化的无人机系统，利用多种无线电频段及传输协议，构建多条通信链路，根据所处环境特点和链路信噪比参数，智能选择最佳通信链路，提高通信的可靠性和互通性；通过数字签名技术、生物特征识别、MAC 地址认证等多级认证技术，及对通信链路的安全检测机制，降低非授权攻击的发生概率，实现原始数据的完整性和真实性保护，提高无人机系统的抗干扰和抗攻击能力；采用时空基准、自同步密码技术，进行计算资源动态编排、服务能力按需定义、安保资源统一保障，实现无人机系统指挥通信、情报侦察、机间协同、火力控制、遥控遥测、导航识别等多链路信息的灵活运用、一体防护，保障侦察情报的真实性、控制信息的可认证性和新鲜性，进而达到动态赋能。

4.2.4　智能对抗技术

智能对抗技术的核心是人工智能，新兴人工智能技术推动了无人机系统对抗博弈 [ 深度学习、抗拒绝服务攻击（Denial of Service，DoS）]和高精准防御决策的发展。利用深度学习、强化学习等技术，建立用于防御和侦察攻击的智能自适应系统，增强无人机系统的环境感知和干扰能力；采取智能算法进行更精准的态势感知，根据环境变化和攻击类型，自动识别和预测可能存在的威胁，防范干扰，对不同种类的攻击进行及时响应和反击，在强干扰环境中保持稳定的通信和信号传输，提高无人机系统的安全性、鲁棒性和应对威胁、反击敌方攻击的能力；通过应用安全措施，加密和认证指令和数据，防止未经授权的使用和篡改，并对样本数据进行清洗、真伪鉴别和安全维护，保证指令和数据的安全性和完整性；通过跨网跨域安全交换，实现信息共享，达到更可信的战局研判、更迅速的指挥控制和更优化的作战流程，保障智能决策的准确性，大幅提升作战效能。

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结　语

随着无线电技术及人工智能等新兴技术的发展，以及无人机系统在军用和民用领域的广泛使用，其安全防护受到了越来越多的关注。本文分析了无人机系统面临的安全风险，提出了无人平台的安全防护模型，并简要梳理了其涉及的关键技术，以期为无人机安全防护系统的建立及实现提供助益。  

引用格式：徐贵贤 , 罗敏 , 吴圣能 . 无人机系统安全防护思考 [J]. 信息安全与通信保密 ,2023(6):21-28.

作者简介 >>>    

徐贵贤，女，硕士，高级工程师，主要研究方向为嵌入式密码设备研发；

罗　敏，男，硕士，高级工程师，主要研究方向为移动通信；

吴圣能，男，学士，工程师，主要研究方向为北斗卫星通信。

选自《信息安全与通信保密》2023年第６期（为便于排版，已省去原文参考文献）

编辑：黄飞