[发明专利]一种电力巡线无人机遥控指令加密通信方法

说明书

针对输电线路巡线无人机遥控通信机制遭攻击破解后、无人机容易被伪造的遥控终端劫持的问题，提出一种电力巡线无人机遥控指令加密通信方法。该方法在遥控终端侧采用FPGA对遥控指令进行硬件加密，再在无人机端采用嵌入式安全芯片对接收到的加密控制指令进行硬件解密，从而实现基于硬件加/解密的无人机遥控通信。为适应巡线班组有多台无人机、而无人机可能更换遥控终端的需求，在每次无人机起飞前与遥控终端进行配对时，将无人机嵌入式安全芯片对应的密钥存入遥控终端侧FPGA中，使得遥控终端可以与无人机保持采用相同密钥进行硬件对称加密通信，保障无人机遥控通信的实时性和安全性。

技术领域

本发明涉及一种无人机加密通信方法，具体涉及一种电力巡线无人机遥控指令加密通信方法。

背景技术

输电线路跨越荒郊野外，定期进行线路巡检是保障电网安全的重要基础。架空输电线路传统上由人工巡检，巡线人员借助望远镜和红外热像仪等设备对线路和通道环境进行近距巡视和检测。随着电网规模快速扩张，人均运维长度持续增长。人工巡检方式巡线距离长、工作量大、效率低，难以发现杆塔上部设备缺陷，无法保证巡线质量，难以满足现代电网高效运维需求。无人机携带方便、操作简单、载荷丰富。采用无人机进行输电线路巡查，不但提高了输电线路运维的效率和质量，还可降低劳动强度和成本，保障巡线作业人员人身安全。各电网公司均制定了短期内实现机巡为主，人巡为辅的协同巡检工作目标。

为满足大规模应用无人机开展专业化巡线的需要，电网公司在研究提升无人机载荷能力、通过搭载激光雷达等方式拓展巡线业务范围之外，还提出要加速发展无人操控的无人机巡线业务，通过无人机自主巡航降低对飞手的要求、提高无人机巡检效率和质量。巡线无人机载荷能力提升后，一方面，配置有完整巡线装备的无人机系统价格可能接近20万，遭劫持或失控可能直接导致较大的经济损失；另一方面，无人机携带设备从高空失控跌落，将危及周边行人人身安全。

电力部门目前主要采用大疆民用无人机进行巡线。无人机每次起飞前需要与遥控终端进行配对识别，一方面由无人机和遥控终端约定共同采用的跳频通信频率组合和跳频规则，另一方面，在无人机中记录标识遥控终端身份的特征码。遥控终端每隔一定周期发送遥控指令，其中，包含遥控终端的特征码，末尾CRC校验码，以及三个方向上的各种控制指令。无人机接收到遥控指令后，先用末尾的CRC校验码检验接收的遥控指令是否有误，如果有误就丢弃该控制指令；然后核对是不是配对时确认的遥控终端特征码，如果有误则丢弃该控制指令，均符合才执行其控制指令。

大疆等无人机与遥控终端的通信安全主要依靠跳频通信技术进行保障，作为民用产品，存在安全防护等级不高的缺陷。由于跳频频谱隐蔽性不强，容易被识别和跟踪，破译频谱变化规律后按破解的跳频变化规律发送较强的伪造跳频无线信号，即可夺取无人机控制权，在实践中也确实曾发生过利用跳频模块缺陷破解大疆无人机跳频控制系统、夺取无人机控制权的案例。未来电力行业巡线无人机作为工业级产品，所带载荷总重量可达3千克，配置完整的无人机巡线系统总造价可能达到20万，遭攻击的风险及攻击后果明显放大，很难再用民用级产品的安全防护措施进行工业级巡线无人机的网络安全保障。

与一般的通信应用不同的是，电力巡线无人机一般在地形多变的山区使用，遥控信号容易受输电线路强电磁环境干扰和山地树木遮蔽影响，信号微弱，无人机飞行时短时失控即可能碰树、碰触高压导线造成失控坠毁，因此对通信时延有很高要求。通信安全保障常用加密技术保障数据完整性，加密分为对称加密和不对称加密，其中不对称加密需要在线获得公钥，对通信条件要求较高，主要应用于在线传输对称密钥时的安全防护。网络环境恶劣的无人机只能采用相同密钥的对称加/解密技术。对于电力巡线无人机而言，如果所有的无人机与遥控终端都采用相同的密钥，将失去保护价值，如每台巡线无人机采用不同的密钥并配置配套的专用遥控终端，对于有多台巡线无人机应用的场景又将带来管理上的难题。采用软件或者硬件方式均可实现通信加/解密，使用软件加/解密很容易解决无人机与遥控终端之间的对称密钥匹配问题，但软件加/解密的计算时延往往显著高于硬件加/解密，难以满足恶劣通信环境下无人机飞控系统对低时延的要求。采用硬件加/解密能满足时延要求，但必须解决无人机与遥控终端之间的密钥匹配问题。