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    反無人機關鍵技術
    作者:張樂 來源:張江評論

    撰文 | 張樂

     

    面對快速發展的無人機可能帶來的安全隱患,如何利用信息技術對其進行反制?

     

    2017年10月某天深夜,國內某大城市監獄上空出現無人機盤旋,存在實施投放危險物品、拍攝監管設施等不法行為的可能,值班戰士經請示后,迅速拿起單位新采購的高科技電子槍,瞄準無人機并扣動扳機,無人機應聲而落,安全隱患迅速被消除了。

     

    上面的故事不是科幻小說,而是未來可能出現的場景。近年來,經過大疆、Parrot、3D Robotics等公司不斷的努力,具有強大功能的消費級無人機價格不斷降低,操作簡便性不斷提高,無人機正快速地從尖端的軍用設備轉入大眾市場,成為普通民眾手中的玩具。然而,隨著消費級無人機市場的快速增長,功能越來越先進的新式無人機的不斷涌現,也帶來了安全和隱私方面的憂患,如無人機偷窺侵犯隱私權,在國家機關和軍隊駐地等敏感區域飛行危害國家安全,以及無人機操作不當引發安全事故,等等。美國曾發生過業余無人機操作員操作無人機飛入白宮引發恐慌;英國也發生過不法分子通過無人機為監獄內的囚犯運送毒品、槍支等事件。由于無人機的負面影響逐漸顯現,相應的反無人機產業正在悄然興起。全球第二大市場研究咨詢公司Markets and Markets預測,到2022年,全球反無人機市場的規模將達到11億美元。

     

     

     

    反無人機關鍵技術

     

     

     

    當前,各國反無人機技術主要分為三類。一是干擾阻斷類,主要通過信號干擾、聲波干擾等技術來實現。二是直接摧毀類,包括使用激光武器、用無人機反制無人機等。三是監測控制類,主要通過劫持無線電控制等方式實現。第二類技術主要應用于軍事領域,下面針對第一類和第三類反無人機技術討論,談談如何利用信息技術手段對消費級無人機進行反制。

     

    ?信號干擾

     

    目前,對無人機的控制多使用無線電通信技術,通過向目標無人機發射大功率干擾信號,對控制信號進行壓制,就可以迫使無人機自行降落或返航。

     

    美國Battelle公司推出的用于迫降無人機的Drone Defender電子槍就是利用了這個原理。這款槍把一個電子干擾器安裝在步槍的框架上,一旦扣動扳機,干擾器會向無人機發射全頻段的干擾信號,使無人機脫離操作者的控制,接收不到控制信號而自動降落到地面。Battelle公司發言人凱迪•德蘭尼(Katy Delaney)表示,一旦無人機的信號處于混亂狀態,它通常有3種選擇:跌落到地面、返回操作者身邊或平穩下降。這種步槍的有效射程為400米。

     

    國內也有很多公司在這方面進行研發,并取得了顯著的成果,如廈門美亞柏科、上海后洪電子等高科技公司都推出了便攜式反無人機電子槍,在某些技術指標上甚至超過了Drone Defender電子槍。例如,在有效干擾距離方面,上海后洪電子的產品達到了500~2 000米。

    ? GPS欺騙

     

    目前,在正常情況下絕大多數消費級無人機都會首選GPS導航來進行飛行控制,而民用GPS信號是非加密的,這就留下了可利用的空間。

     

    GPS欺騙的主要原理就是向無人機的控制系統發送虛假的地理位置坐標,從而控制導航系統,誘導無人機飛向錯誤的地點。GPS信號可以由發生器來產生,也可以是事先錄制然后重放。由于無人機接收GPS信號總是以信號最強的信號源為準,因此在地面人造的GPS信號只要強度足夠大,就可以覆蓋真正的從太空中傳來的GPS信號,從而欺騙無人機的GPS接收模塊。當前,各個國家都在核心區域設置了禁飛區,許多無人機制造廠商在無人機內置固件中進行了設置,在禁飛區內無人機無法起飛,即使到達了禁飛區也會自動降落。因此,只要地面人造的GPS信號將地理位置模擬為禁飛區的坐標,就可以迫使無人機自行降落。在2015年世界黑客大會DEFCON 23上,來自360公司的安全團隊演示了對無人機的GPS欺騙,成功地使一架正在飛行的無人機降落在地面上。

     

    ?無線電劫持

     

    現在,無人機使用的控制信號大多在1.2GHz、2.4GHz、5.8GHz等常規民用頻段,隨著Arduino和樹莓派等開源硬件的快速發展和軟件無線電(SDR)技術的流行,普通愛好者也可以利用從網絡買到的硬件和從論壇獲得的軟件源碼模擬遙控器向無人機發送控制信號,并覆蓋真正遙控器的信號,從而獲得無人機的控制權。2015年,GeekPwn智能設備安全大賽的開場項目中,來自騰訊公司的安全團隊就通過這種方法成功劫持了一架正在飛行的大疆精靈3無人機,次年中央電視臺的“3.15晚會”也對此次演示進行了報道,受到廣泛關注。隨后,大疆公司在官方網站上公開承認了這一漏洞,并對相關產品進行了升級修復。

     

    ? 黑客技術

     

    很多無人機為方便用戶使用手機和平板電腦等移動設備進行操控,直接使用Wi-Fi進行交互。這樣一來,一些在互聯網中已經很成熟的黑客技術就可以直接應用在無人機上。例如,通過無人機控制系統中開放的端口或密碼猜解等手段,進入控制系統實現對無人機的控制。開發出“薩米蠕蟲病毒”的傳奇黑客薩米•卡姆卡爾(Samy Kamkar)就利用這個原理編寫了一個名為“SkyJack”的無人機劫持軟件,并將軟件安裝到經過特殊配置的無人機中,SkyJack在空中飛行并尋找Wi-Fi范圍內的其他無人機,然后入侵該無人機并取得控制權。 

     

    業內從事反無人機應用的專業人士、上海后洪電子技術總監汪東表示,當前國內的反無人機技術還處在摸索階段,無線電劫持技術由于各無人機廠家對無線電信號進行了加密處理很難實現,而黑客技術由于門檻較高不易商業化,因此當前所采用的技術主要以干擾阻斷為主。汪東在談到未來反無人機技術的發展方向時表示,其公司將在無人機主動探測方面加大投入,開發類似預警雷達系統的產品,努力形成集預警、控制、捕捉于一體的無人機防御控制系統。

     

     

     

    嚴控才能健康發展

     

     

     

    信息技術是反無人機系統中的重要手段,所需成本易于接受,且不會對無人機硬件造成損害,具有一定的安全性,因此非常適合應用于消費級無人機的反制。由于無人機系統自身的固有特點,必然存在一定的漏洞,正是通過這些漏洞輔以一定的信息技術手段,才能實現對其反制。對于政府執法機構和安全保衛部門來說,這些技術方法提供了更多維護社會安全的手段。但是,凡事皆有兩面性,一旦使用不當或被不法分子惡意使用,這些技術也會存在很大的危害。例如,用于信號干擾的反無人機電子槍也可能對其他電子設備造成影響,偽造GPS信號會嚴重擾亂定位系統的準確度,劫持無線電信號和侵入他人計算機信息系統更是違法行為,《無線電管理條例》和《信息安全法》對此都有明文規定,必須嚴格限制和規范這些技術手段的應用。

     

    未來,對于無人機系統的管控,廠商在設計和生產的過程中就要對已經存在和可能存在的惡意使用情況有所估計,并采取措施加以防范。

     

    ◎ 在信號受到干擾的情況下,有其他備選的安全措施。

    ◎ 為防止受到GPS欺騙,在定位導航過程中可以對位移情況和能源消耗情況進行校驗。

    ◎ 對無線電劫持,可以通過復雜的跳頻和信號加密進行防范。

    ◎ 對常規的網絡攻擊,必須采取相應的預防措施。

     

    通過在設計和生產階段對無人機系統進行安全防范,可以有效避免無人機被不法分子利用各種信息技術來控制。政府執法機構對無人機飛行的管控,未來應該在立法和具體的技術標準上加以規范。目前,各國政府正在加緊這一方面的相關研究,并推出初步的法律法規。澳大利亞最近修改了無人機相關的法規,規定質量低于2千克的小型無人機在飛行前需要通知澳大利亞民航安全局(CASA)對飛行計劃進行備案。美國則規定無人機必須在美國聯邦航空局(FAA)注冊,以獲取一個唯一的編號以備核查。深圳近期正式發布了3項有關無人機的規范,《民用無人機系統二維條碼標識技術規范》《民用無人機系統身份識別通用要求》和《民用無人機系統性能測試方法》,實施后將推動實現無人機“一機一碼”,為無人機身份識別、飛行監管及質量管控提供有力支持。在完成對無人機的身份標識之后,更為大膽的設想則是在每架無人機內都預留應急控制后門指令,政府監管部門可以在緊急情況下直接控制無人機。

     

    無人機是一種新興事物,在快速發展時必然帶來一些新的問題,利用信息技術實現對無人機的管控和反制一方面可以讓生產和設計廠家發現自身產品的不足從而加以改進,另一方面也促進了政府監管部門更好地對無人機這一新興事物進行有效的管理,為無人機產業健康發展提供良好的環境。

     

    注:本文轉載自《張江評論》(生物醫藥專輯)?!稄埥u論》系上??茖W技術出版社出版的一本全新科技評論雜志。

     

     

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