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摘 要：随着无人机在电力巡检中的广泛运用，无人机的安全问题越来越受到关注。本文通过分析电力巡检中无人机存在的问题，对其风险因素进行了研究，对电力巡检无人机安全防护技术的性质、构成及促成方式进行研究，并针对其风险因素的应对方式做出了探讨。
关键词：无人机；安全防护；GPS反欺骗
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0056-02
1 前 言
无人机电力巡检是无人机行业的重要应用领域，随着无人机技术的不断发展，使无人机电力巡检逐渐成为现实。如今无人机巡检的工作效率是原来的8～10倍，电力巡检工的工作效率得到了质的提升，同时也降低了巡检人员的作业风险。尽管无人机在电力巡检领域有诸多优越性，但电力行业关系国家经济发展和社会进步，电网属于国家战略资源，无人机在巡检的过程中，无人机被劫持诱骗，从而造成电力信息的泄露。因此保证国家战略资源的安全，成为国家有关部门高度重视问题。
2 无人机系统的构成
无人机的系统组成如图1所示，包括无人机自主飞行控制系统，其中含有飞控系统、电机、电调、遥控接收机、姿态参考系统、导航定位系统、通信系统和任务执行系统，同时，还需要地面控制台、图传地面显示系统、遥控装置。
3 无人机存在的安全问题
近年来无人机安全事故的不断出现，不仅会泄露公司敏感数据，同时对电网财产安全造成威胁。电力巡检专用无人机在控制流程中的每一部分都存在安全隐患，如传感器GPS数据欺骗、数据链路和身份认证、线路碰撞、无人机安全管控等风险。
如表1为国家电网公司试点单位配备的无人机及参数列表。由表1可以看出，目前应用于电力巡检的无人机基本为航拍无人机小改款，缺乏安全保障功能，尤其是在信息安全和无人机防碰撞两个方面缺乏考虑，只是完成了电力巡检的基本功能。
4 无人機巡检安全防护的风险分析
4.1 防护的原则
根据专用无人机系统建设及实际运营情况，采用“分区分域、安全接入、动态感知、精确管理、全方位防护”的安全策略，从物理、边界、应用、数据、主机、网络、终端等方面进行安全防护设计，促进电力巡检专用无人机的安全和稳定运行。
4.2 风险分析
4.2.1 无人机夺取无线电控制的风险
随着无人机的普及，为了保障低空领域安全，政府通常采用一个接收器来追踪无人机，利用电子信号照射无人机，进行无线电控制。政府为了被操纵，借助阻截无人机的传输代码，进而控制无人机，并引导其返航，回归到操作者手中。
4.2.2 声波干扰的风险
陀螺仪作为无人机中的重要组成部分，具有精确飞行过程中各种数据的优点，通过提供精确的数据以此保持机体平衡。通过对陀螺仪进行测试，发现可声波能够与陀螺仪发生共振，从而扰乱无人机信号，造成信息输出错误，导致无人机坠落。
4.2.3 信号干扰的风险
为了使无人机精确坐标数据，对无人机的操作控制采用GPS卫星导航与惯性导航相结合的方法。为了保证无人机在照相时精确自己的准确位置，便安装了GPS信号接收机。正是如此，无人机的信号接收机容易受到干扰，导致只能根据惯性导航系统对无人机进行导航，无法获得精确的坐标数据，从而使无人机失去巡检的价值。
4.2.4 黑客渗透攻击的风险
攻击者通过无人机自身设置的Wi-Fi网络和远程端口，对无人机的实时操作系统进行不断地攻击。通过Wi-Fi网络，攻击者可以解除无人机的FreeFlight控制应用并与自己进行匹配，然后对无人机进行管理和控制。甚至，黑客们还能通过Bebop模型，与目标无人机进行连接和控制，获得访问权限，从而进行破坏，使无人机受到损坏。
除了上述所说的无人机遭受的风险外，还有被专用的无人机子弹攻击，激光炮攻击和综合无人机攻击等风险。
5 无人机系统安全防护的方式浅析
5.1 无人机航迹规划与避撞
随着无人机的发展，各种避撞、航迹规划算法不断出现。而采用动态航迹规划是能够根据飞行器的位置、任务要求和周围环境，确定无人机的飞行路径，确保正常飞行并完成指定任务。通过研究通用优化算法，设计出一种适用于低空空域的动态避撞算法。在具体应用中应考虑到计算复杂度和实用性，采用结合势能函数和增强学习的方法进行航迹规划。结合势能函数和增强学习的方法，能够利用增强学习的优点来避免势能函数法的缺点，两者相辅相成，达到取长补短的目的。
而智能体学习由于具有适应性反应性和自学习性等特点，在路径规划应用中主要有几个优点，不需要精确的环境模型，也能够将避撞，航迹规划和进行结合考虑，适用于未知环境下路径规划。但是目前存在一些不足之处，如奖赏函数的设计和环境信息的不完整性，探索与利用的平衡问题等有待解决。
5.2 基于TPM的可信计算
为了从根本上解决问题，无人机系统中实现TMP的管理，以实现信息安全，防止攻击，从根本上提高无人机整体的安全性。TPM作为可信计算技术的中心，被业内人员称为“信任原点”，可见其安全可靠性。在实际应用中，TPM安全芯片主要应用于PC主板。
TPM安全芯片的主要功能包括：
（1）完整性度量
通过完整性度量，保证PC从运行开始，所运行的各个硬件、操作系统以及应用软件都是安全可信的，从而减少计算病毒、木马等的危害。
（2）敏感数据的加密存储
TPM将部分敏感数据存储在芯片内部的隐蔽区域，其它敏感数据加密后存储到外部的存储设备。通过其他软件的保护，很难利用传统的窃取方式窃取数据，更大限度上提高了敏感数据的保密性，实现信息安全，防止攻击。 （3）身份验证功能
TPM所具备身份认证功能是由可信计算平台颁发的唯一的身份证明书，当用户进行访问时，需要对身份进行验证，身份验证功能不仅促进了电子商务等类似的系统的发展，提高了信用程度，而且还促进互联网技术的不断进步。
（4）授权敏感资源，设置特殊访问“防火墙”
当访问TPM授权的内部资源时，由于需要TPM的授权协议来进行访问，只有通过TPM的授权才能正常访问敏感数据，TPM的内部资源授权访问在很大程度上保护了敏感数据，，保证信息安全。
（5）数据的加密传输，打造全程安全保护通道
当TPM在与外部存储设备进行交换数据时，不仅要验证用户的信息，还要对传递的数据进行加密处理，防止信息泄露，保证了信息的安全。
5.3 GPS反欺骗
卫星导航在防欺骗方面存在一些缺点，专业技术研究人员提出不同的防欺骗技术，按照立足点的不同，可将防欺骗技术其分为信号体制、终端技术及外部辅助三部分。
5.3.1 信号体制
采用鉴别数据的方式在信号传输中插入对方无法预测的信号信息，用户通过校验信息的真实性，来计算所跟踪的信息是否有效。主要采用扩频码加密和电文加密的方法。
5.3.2 终端技术
单模卫星导航接收终端防欺骗可从信号处理层、信息校验层、信息解算层三个层次入手处理。双模卫星导航接收终端还可根据卫星无线电导航服务和卫星无线电定位服务定位不同原理进行校验，判断信号的完整性。
5.3.3 外部辅助
将卫星导航接收的计算结果与其他导航系统接收的结果进行记录和比较，如果定位偏差超出规定范围，则是可能存在被利用的行为。接收机利用互操作技术接收所有导航信号，对导航系统定位结果进行计算比较。与惯性导航单元组合：惯性导航设备不依赖外部环境，可单独地提供精确的导航参数，将惯导和卫星导航组合：能够正确地判断导航结果是否正确。与其他无线电导航系统组合：通过与卫星导航接收机接收的结果和地面无线电导航系统接收的结果进行对比和记录，来判断信号是否得到干扰。与其他传感器组合：通过一些传感器可为接收机提参考性信息。
6 结束语
随着国家社会的进步，对电量的需求也在不断地上升，国家能源局等对电力安全可靠性提出新要求，电力巡检关系电力安全可靠性与国计民生，战略地位与实际刚性需求突出。随着无人机巡检应用的广泛深入，保护战略资源的安全，开展各种防干扰手段对其的影响研究以及干扰监测设备的研究都变得越来越紧迫。另外无人机电力巡检是一种具有创新性的系统工程，不断将无人机电力巡检应用到实际中，更有效的开展电力巡检工作，提高工作效率，不断致力于无人机的电力巡检工作，电力巡检工作和电力企业的稳定发展奠定坚实的基础。
收稿日期：2018-11-6
作者简介：吕 磊（1974-），男，高级工程师，研究生，主要从事信息通信管理工作。
罗 晨（1990-），男，助理工程师，研究生，主要从事信息运维工作。
朱 敏（1992-），男，助理工程師，本科，主要从事信息安全工作。
关键词：无人机；安全防护；GPS反欺骗
中图分类号：V279 文献标识码：A 文章编号：1004-7344（2018）35-0056-02
1 前 言
无人机电力巡检是无人机行业的重要应用领域，随着无人机技术的不断发展，使无人机电力巡检逐渐成为现实。如今无人机巡检的工作效率是原来的8～10倍，电力巡检工的工作效率得到了质的提升，同时也降低了巡检人员的作业风险。尽管无人机在电力巡检领域有诸多优越性，但电力行业关系国家经济发展和社会进步，电网属于国家战略资源，无人机在巡检的过程中，无人机被劫持诱骗，从而造成电力信息的泄露。因此保证国家战略资源的安全，成为国家有关部门高度重视问题。
2 无人机系统的构成
无人机的系统组成如图1所示，包括无人机自主飞行控制系统，其中含有飞控系统、电机、电调、遥控接收机、姿态参考系统、导航定位系统、通信系统和任务执行系统，同时，还需要地面控制台、图传地面显示系统、遥控装置。
3 无人机存在的安全问题
近年来无人机安全事故的不断出现，不仅会泄露公司敏感数据，同时对电网财产安全造成威胁。电力巡检专用无人机在控制流程中的每一部分都存在安全隐患，如传感器GPS数据欺骗、数据链路和身份认证、线路碰撞、无人机安全管控等风险。
如表1为国家电网公司试点单位配备的无人机及参数列表。由表1可以看出，目前应用于电力巡检的无人机基本为航拍无人机小改款，缺乏安全保障功能，尤其是在信息安全和无人机防碰撞两个方面缺乏考虑，只是完成了电力巡检的基本功能。
4 无人機巡检安全防护的风险分析
4.1 防护的原则
根据专用无人机系统建设及实际运营情况，采用“分区分域、安全接入、动态感知、精确管理、全方位防护”的安全策略，从物理、边界、应用、数据、主机、网络、终端等方面进行安全防护设计，促进电力巡检专用无人机的安全和稳定运行。
4.2 风险分析
4.2.1 无人机夺取无线电控制的风险
随着无人机的普及，为了保障低空领域安全，政府通常采用一个接收器来追踪无人机，利用电子信号照射无人机，进行无线电控制。政府为了被操纵，借助阻截无人机的传输代码，进而控制无人机，并引导其返航，回归到操作者手中。
4.2.2 声波干扰的风险
陀螺仪作为无人机中的重要组成部分，具有精确飞行过程中各种数据的优点，通过提供精确的数据以此保持机体平衡。通过对陀螺仪进行测试，发现可声波能够与陀螺仪发生共振，从而扰乱无人机信号，造成信息输出错误，导致无人机坠落。
4.2.3 信号干扰的风险
为了使无人机精确坐标数据，对无人机的操作控制采用GPS卫星导航与惯性导航相结合的方法。为了保证无人机在照相时精确自己的准确位置，便安装了GPS信号接收机。正是如此，无人机的信号接收机容易受到干扰，导致只能根据惯性导航系统对无人机进行导航，无法获得精确的坐标数据，从而使无人机失去巡检的价值。
4.2.4 黑客渗透攻击的风险
攻击者通过无人机自身设置的Wi-Fi网络和远程端口，对无人机的实时操作系统进行不断地攻击。通过Wi-Fi网络，攻击者可以解除无人机的FreeFlight控制应用并与自己进行匹配，然后对无人机进行管理和控制。甚至，黑客们还能通过Bebop模型，与目标无人机进行连接和控制，获得访问权限，从而进行破坏，使无人机受到损坏。
除了上述所说的无人机遭受的风险外，还有被专用的无人机子弹攻击，激光炮攻击和综合无人机攻击等风险。
5 无人机系统安全防护的方式浅析
5.1 无人机航迹规划与避撞
随着无人机的发展，各种避撞、航迹规划算法不断出现。而采用动态航迹规划是能够根据飞行器的位置、任务要求和周围环境，确定无人机的飞行路径，确保正常飞行并完成指定任务。通过研究通用优化算法，设计出一种适用于低空空域的动态避撞算法。在具体应用中应考虑到计算复杂度和实用性，采用结合势能函数和增强学习的方法进行航迹规划。结合势能函数和增强学习的方法，能够利用增强学习的优点来避免势能函数法的缺点，两者相辅相成，达到取长补短的目的。
而智能体学习由于具有适应性反应性和自学习性等特点，在路径规划应用中主要有几个优点，不需要精确的环境模型，也能够将避撞，航迹规划和进行结合考虑，适用于未知环境下路径规划。但是目前存在一些不足之处，如奖赏函数的设计和环境信息的不完整性，探索与利用的平衡问题等有待解决。
5.2 基于TPM的可信计算
为了从根本上解决问题，无人机系统中实现TMP的管理，以实现信息安全，防止攻击，从根本上提高无人机整体的安全性。TPM作为可信计算技术的中心，被业内人员称为“信任原点”，可见其安全可靠性。在实际应用中，TPM安全芯片主要应用于PC主板。
TPM安全芯片的主要功能包括：
（1）完整性度量
通过完整性度量，保证PC从运行开始，所运行的各个硬件、操作系统以及应用软件都是安全可信的，从而减少计算病毒、木马等的危害。
（2）敏感数据的加密存储
TPM将部分敏感数据存储在芯片内部的隐蔽区域，其它敏感数据加密后存储到外部的存储设备。通过其他软件的保护，很难利用传统的窃取方式窃取数据，更大限度上提高了敏感数据的保密性，实现信息安全，防止攻击。 （3）身份验证功能
TPM所具备身份认证功能是由可信计算平台颁发的唯一的身份证明书，当用户进行访问时，需要对身份进行验证，身份验证功能不仅促进了电子商务等类似的系统的发展，提高了信用程度，而且还促进互联网技术的不断进步。
（4）授权敏感资源，设置特殊访问“防火墙”
当访问TPM授权的内部资源时，由于需要TPM的授权协议来进行访问，只有通过TPM的授权才能正常访问敏感数据，TPM的内部资源授权访问在很大程度上保护了敏感数据，，保证信息安全。
（5）数据的加密传输，打造全程安全保护通道
当TPM在与外部存储设备进行交换数据时，不仅要验证用户的信息，还要对传递的数据进行加密处理，防止信息泄露，保证了信息的安全。
5.3 GPS反欺骗
卫星导航在防欺骗方面存在一些缺点，专业技术研究人员提出不同的防欺骗技术，按照立足点的不同，可将防欺骗技术其分为信号体制、终端技术及外部辅助三部分。
5.3.1 信号体制
采用鉴别数据的方式在信号传输中插入对方无法预测的信号信息，用户通过校验信息的真实性，来计算所跟踪的信息是否有效。主要采用扩频码加密和电文加密的方法。
5.3.2 终端技术
单模卫星导航接收终端防欺骗可从信号处理层、信息校验层、信息解算层三个层次入手处理。双模卫星导航接收终端还可根据卫星无线电导航服务和卫星无线电定位服务定位不同原理进行校验，判断信号的完整性。
5.3.3 外部辅助
将卫星导航接收的计算结果与其他导航系统接收的结果进行记录和比较，如果定位偏差超出规定范围，则是可能存在被利用的行为。接收机利用互操作技术接收所有导航信号，对导航系统定位结果进行计算比较。与惯性导航单元组合：惯性导航设备不依赖外部环境，可单独地提供精确的导航参数，将惯导和卫星导航组合：能够正确地判断导航结果是否正确。与其他无线电导航系统组合：通过与卫星导航接收机接收的结果和地面无线电导航系统接收的结果进行对比和记录，来判断信号是否得到干扰。与其他传感器组合：通过一些传感器可为接收机提参考性信息。
6 结束语
随着国家社会的进步，对电量的需求也在不断地上升，国家能源局等对电力安全可靠性提出新要求，电力巡检关系电力安全可靠性与国计民生，战略地位与实际刚性需求突出。随着无人机巡检应用的广泛深入，保护战略资源的安全，开展各种防干扰手段对其的影响研究以及干扰监测设备的研究都变得越来越紧迫。另外无人机电力巡检是一种具有创新性的系统工程，不断将无人机电力巡检应用到实际中，更有效的开展电力巡检工作，提高工作效率，不断致力于无人机的电力巡检工作，电力巡检工作和电力企业的稳定发展奠定坚实的基础。
收稿日期：2018-11-6
作者简介：吕 磊（1974-），男，高级工程师，研究生，主要从事信息通信管理工作。
罗 晨（1990-），男，助理工程师，研究生，主要从事信息运维工作。
朱 敏（1992-），男，助理工程師，本科，主要从事信息安全工作。