淺析無人機系統漏洞入侵與防范措施

楊海 于亞南 李春光 楊恒 鄧軍

無人機可以滿足多種任務需求，在農藥噴灑、航拍、應急救援、醫療救護、大氣探測、電力線巡檢、測繪、公共空間消毒等領域大量運用，獲得廣泛關注。無人機的用途遠不止于此，開發人員正在不斷研制新型無人機，為應用領域提供更高效的服務。但是，無人機系統具有許多漏洞，且比有人機的漏洞多，這些漏洞會遭攻擊，引發安全問題。本文研究和評估無人機的脆弱性，并提出解決漏洞的措施，以期提高無人機的安全性。

智能無人機與物聯網的融合形成了一個新術語，即無人機物聯網。無人機物聯網是一種設計好的架構，該架構模型起源于無人機聯結的物聯網，并支持分層網絡控制。無人機是一種特殊的物聯網終端，研究人員基于許多不同的用途設計了不同類型的無人機。無人機具有機動靈活性高，可廣泛用于各種物聯網的擴展服務。通過地面控制站遠程控制，無人機執行多種任務，而傳感器、飛行控制硬件和軟件、通信等重要分系統必須協同工作。無人機攜帶了多種傳感器，每種傳感器承擔一個確定的任務，以感知無人機的內部和外部狀態。例如全球定位系統（GPS）中的傳感器可提供無人機位置信息。

無人機的應用領域

無人機系統為多種應用領域提供了快速、新的解決方案。

第一，無人機應用于應急救援領域，可有效防止人員傷亡。例如，無人機在災區上空飛行，從安裝在消防員夾克上的系統收集數據，監測消防員的健康狀況，并將監測信息傳給控制中心。

第二，無人機集群可實時監視無法進入的區域和受災現場。集群無人機利用粒子群優化（PSO）算法規劃航線，以飛抵不同的火災區域監視森林火災。

第三，作為智能城市的物聯網基礎設施，無人機提供無線網絡、中繼網絡和實時數據傳輸，在智能城市智能交通領域的應用具有非常大的潛力。

第四，在航拍領域，無人機以全景視角獲取創意性畫面。

第五，無人機可執行農藥噴灑、植物病理檢測、土地測繪等任務。在精準農業作業中，無人機記錄農作物生長的全過程。

第六，在交通領域，無人機實時收集道路交通信息。目前，多架無人機組成的系統可執行交通管理任務，檢查道路上的車輛、駕駛員行為、車輛檢驗情況。

隨著技術的飛速發展，無人機將執行越來越重要和復雜的任務。但是，無人機系統面臨許多安全問題，可能遭受毀滅性攻擊。入侵行為可控制無人機飛行或竊取重要數據，目前越來越多的黑客工具攻擊無人機系統，加強無人機的安全性迫在眉睫。

漏洞入侵的類型和方法

本文分析物聯網無人機的安全漏洞，旨在防止黑客控制無人機飛行、篡改和竊取數據。黑客攻擊無人機造成的危害包括數據攔截、數據操縱、拒絕服務、劫持攻擊等威脅。

對基礎軟件的攻擊

為實現自主飛行，無人機的主控制器安裝了傳感器。然而，大部分控制系統的控制端均存在一定的軟件安全漏洞，而這些漏洞容易被黑客利用。比如，Maldrone無人機軟件漏洞被黑客利用后，成為一種攻擊程序，該攻擊程序進入無人機后，在控制系統內部安裝后門程序，竊取無人機傳感器的數據或者對無人機進行遠程控制。Zigbee、鍵盤木馬等威脅也是針對無人機系統軟件的一種攻擊。

對傳感器的攻擊

無人機主控制器根據各種傳感器采集的數據，向動力系統下達相應的指令，保持無人機正常飛行。如果傳感器采集的信息有誤，無人機飛行則受到影響甚至墜機。目前，針對無人機傳感器的攻擊包括超聲波干擾陀螺儀、磁力計等手段。

對通信鏈路的攻擊

無人機與地面控制站之間通過通信鏈路進行控制命令和數據交互，以完成飛行任務。無人機通信鏈路面臨著網絡監聽、欺騙攻擊、拒絕服務、信號干擾等威脅。當無人機與通信網絡設備建立聯系時，無人機會建立一個WiFi熱點，通信網絡設備聯結該熱點后即與無人機進行通信。一個評估WiFi網絡安全的工具可攻擊WiFi網絡，泄露無人機的圖像、視頻等數據。目前，很多無人機直接使用WiFi網絡，非常方便地與手機進行交互。而WiFi網絡大都無密碼或者僅采用弱口令密碼，所以很容易被黑客攻擊。無人機通常使用普通射頻模塊，因此信號干擾器可對控制信號進行壓制。無人機一旦無法接受控制信號，一般會在原地降落，返回返航點或按軌跡繼續飛行。其他攻擊手段包括無線電遙控信號欺騙、廣播式自動相關監視系統（ADS-B）信息壓制等。在特定場景下，多無人機協同執行任務，無人機之間的信息通道搭建至關重要，以形成一個無人機Ad hoc網絡。Ad hoc網絡是Ad hoc移動網絡的一個分支，面臨蟲洞攻擊、Rushing攻擊、聯合攻擊、Sybil攻擊、拒絕服務攻擊、竊聽攻擊等安全威脅。由無人機組成的每個移動節點基本處于開放環境且具有獨特的動態拓撲結構，很容易遭受攻擊。一旦無人機遭受攻擊，惡意節點發布虛假信息，其他節點也可能不自覺地傳播虛假信息。由此可見，無人機網絡安全防范能力十分脆弱。

對GPS信號的攻擊

1.禁飛區位置欺騙

主要城市、機場均設置了禁飛區。大多數無人機在禁飛區不能飛行，即使到達禁飛區也會自動降落。黑客利用這一特點，將獲得重要的攻擊方式即禁飛區位置欺騙。無人機在空中飛行，接收衛星發射的GPS信號，黑客使用比衛星GPS信號更強的信號對無人機進行欺騙，誘導無人機進入禁飛區。

GPS信號欺騙分為兩類，一種是被錄制的禁飛區內GPS信號在無人機附近重放，因為無人機具有只接收最強信號的特點，而發射GPS信號的衛星距離無人機非常遠，信號衰減非常大，所以衛星發射的GPS信號強度比無人機附近被偽造的GPS信號弱。GPS信號在禁飛區重放是可行的，但前提是黑客須要進入禁飛區進行GPS信號錄制；另一種是偽造的GPS信號，偽造的GPS信號具備更好的欺騙效果，但是信號偽造須要非常好的分析研究技術。

2.返航點欺騙

眾所周知，無人機起飛后如果能定位當前的位置，該位置將被設為返航點。如果無人機本身未設定禁飛區限飛，返航點攻擊將是一種有效的方法。因為，當地面控制站與無人機失聯時，無人機會自動向返航點飛行，并降落在返航點。當黑客利用偽造的GPS信號誘騙無人機時，無人機便自認為目前已處在返航點，并自動降落，最終被誘騙到非返航點。即使黑客不知道返航點的位置，仍然可以對無人機當前所處的位置進行欺騙，改變返航的方向。

3.軌跡欺騙

目前，有些無人機支持航路點飛行。無人機先在地圖上選航路點，然后沿著選定的航路點飛行。基于GPS技術，無人機獲得這種功能。當無人機向下一個選定地點飛行時，也能被偽造的GPS信號欺騙，改變飛行軌跡，沿被欺騙的當前位置和下一個選定點的連線飛行，直至到達選定點。當無人機所在位置的信號均被欺騙，GPS功能將發生錯亂。如果被欺騙的位置離選定點較遠，那么無人機很難到達選定點。

攻擊造成的危害

黑客對無人機系統漏洞或通信網絡進行攻擊，將造成數據泄露、無人機劫持等危害。然而，無人機引發的安全威脅遠不止于此，比如無人機在起降、飛行過程中發生墜機，將造成財產損失；當無人機“黑飛”“亂飛”，一旦闖入機場禁飛區、核電站等敏感地區，將擾亂空中交通的正常秩序，危害國家安全，造成嚴重后果；無人機“偷窺”居民，將引發居民隱私侵犯等一系列危害；更有甚者利用無人機搭載危險裝置，撞擊建筑物或實施暗殺等。相關單位應加強防范。

技術的發展會帶動其他新事物的發展，比如低空網絡建設。目前，無人機地面控制中心的手持遙控器、手機、便攜式控制站等設備均為一站一機。但是，一站一機的控制方式存在建設成本高、無線電頻譜資源緊張、控制范圍受限、多機協同困難等諸多缺點，用戶迫切須要基于無線通信網絡技術的無人機。未來，無人機是一種機動性智能終端，飛行高度變化大，而且正在呼喚新型低空網絡系統出現，但該系統的容量、覆蓋范圍、智能控制、安全管理、業務類型等方面須全面創新。

漏洞入侵的防范

無人機可從以下四個方面防范漏洞入侵。

一是無人機系統軟件版本持續定期升級，及時修補漏洞并滿足性能提升，預防漏洞入侵的風險。

二是電磁敏感器件和饋線外部加裝屏蔽材料，避免系統自身的電磁干擾，并有效應對電磁波對敏感傳感器的攻擊。

三是信息采用加密模塊進行數據傳輸，有效防止通信鏈路被攻擊。但是此方法成本高。

四是無人機采用多種衛星定位系統與自身主動導航部件進行綜合誤差校準，這是有效防止GPS信號被欺騙的手段。

安全問題越來越復雜，無人機安全研究應包括傳感器安全、通信鏈路安全、軟件安全、自組網絡安全等內容。國家層面應加快無人機監管法規制定，同時加強網絡安全防范。 ■