无人机系统的取证与分析

2022-03-17梁广俊贾镇

电子测试 2022年5期

梁广俊，贾镇

(1.江苏警官学院计算机信息与网络安全系，江苏南京，210031；2.常州市公安局巡特警支队，江苏常州，213022)

0 引言

无人驾驶飞机，是指利用无线电波或预先设定的程序，自动驾驶的飞行器。随着社会经济的发展，无人机从单一的军用无人机逐渐走进了各家各户，民用和商用无人机蓬勃发展，众多国际互联网及科技公司，例如谷歌，亚马逊，3D Robotics，Parrot等，还有例如DJI大疆，EHANG亿航等国内公司纷纷投身于无人机行业。大量的人力物力财力的投入使得无人机技术升级的同时，制造成本显著降低，目前除军事领域外，无人机普遍被应用于农业灌溉，遥感摄像，矿业勘探，新闻报道以及个人空中拍摄等多个领域。但是，科技的进步永远是一把双刃剑。无人机的发展给我们日常生活带来了更多的便利，但无人机的不合法不合规的使用也给我国传统治安管理带来困扰。无人机是利用无线电远程遥控这一特性使得并不是所有地方都适合无人机的使用。例如在机场附近，无人机的无线电信号就会干扰飞机的正常起飞，影响机场的正常管理秩序。不仅如此，部分民用无人机由于其本身较小的尺寸和重量，其飞行行为就如同鸟群一般，存在着被飞机发动机卷入或者本身撞击飞机的可能性。因此，机场等交通枢纽附近是严禁无人机飞行的，国家也在相应区域进行标识为无人机禁飞区。然而许多不知道具体规定的无人机爱好者乃至不法分子未经许可便在禁飞区飞行无人机的“黑飞”行为层出不穷。与传统飞机的驾驶相同，一些大型高性能无人机的飞行也需要通过考取相应执照来获得飞行权限，受困于普法力度和执法难度，无证飞行的现象也屡见不鲜。

1 无人机的基本架构

1.1 无人机的组成

无人机就是指驾驶员并非像传统飞行器一般在飞行器上驾驶，而是在远处利用无线电等远程数据传输手段和各式操作程序及设备操纵的不载人飞机。研究无人机的最初目的是在战争中执行高难度的任务，减轻人员伤亡，而随着科技的进步，无人机走进了百姓家中，成为了造福于人类的一种工具。

无人机并不仅有单独的一架飞机组成。单独的机体并不能实现飞行等基础功能，更不会实现拍摄，采集数据甚至抓取物品等进阶功能。这些功能的实现都依赖于远程遥控装置，控制信号以及收发信号的天线装置。如图1，广义的无人机是由无人机机身、动力系统、无人机控制器、传感器模块件、无线传输模块和地面协作系统组成，即一个由硬件和软件共同组成的无人机系统。

图1 无人机的组成

无人机机身：一般指无人机机架和螺旋桨，一般来说，机架越大，飞机越稳定。室内的旋翼机，一般不会超过 450 轴距，做的越小越难（参数难调，整体系统搭建困难）。如果会一些简单的绘图工具可以自行设计机架，这样做的好处是，可以自行留出安装孔位来安装机载电脑和传感器。市面上大部分机架没有预留机载电脑和传感器的位置，都需要自行设计和安排。

动力系统：包括飞控控制器、电池、电机和电调等。飞控控制器由单片机和对应的实时操作系统担任，要求就是实时性强，任务执行频率上百赫兹，可以快速的控制电器系统，强调响应的实时性和相对简单可靠，确保被控对象的平衡稳定。市面上的无人机主要采用锂聚合物电池作为主要动力，续航能力一般在20分钟至30分钟之间，因技术方面不同有所差别，不过大部分续航时间都是在45分钟以内，但充电时间却都超过了一小时。这是无人机发展一个致命的短板若要促进无人机市场持久的良性发展，解决无人机电池续航能力问题迫在眉睫。

无人机控制器：也叫机载电脑，由PowerPC，DSP，Arm，X86构架的CPU来担任，通常都是计算性能强大，并且运行之上的操作系统可靠如(VxWorks)等。负责运算和决策，完成复杂计算，和环境感知的工作。通常这种任务计算复杂，某些情况下也要求较高的任务执行频率。机载电脑接口并不要求有多丰富，满足自身要求即可。首先与飞控连接需要一个串口或者usb。其次要满足所搭载传感器对接口的要求。

传感器模块：主要用来感知无人机周围环境，也可感知无人机自身状态。传感器模块包含的传感器种类非常丰富，如激光定高雷达，360度旋转式激光雷达，T265双目VIO摄像头，D435I等等，这些传感器数据感知周围环境，构建出地形图，通过激光/视觉等。是无人机自主飞行控制的前提条件。

无线传输模块：通常情况下无人机会在在操控者的视野内飞行，并由操控者实时控制。采用更新技术的无人机可使用数传与地面通讯，也可通过5G或WIFI实时将飞机状态回传到地面站。最终达到的就是飞机与电脑间的通讯，电脑给飞机的任务，飞机实时飞行高度，速度等很多数据都会通过它来传输，以方便我们实时监控飞机情况，根据需要随时修改飞机航向。这也是我们在地面可以直接操控飞机的一个基础。如果飞机上搭载有摄像头等设备，需要将图像也回传到地面端时就需要加上图传设备，当然也有图数传一体的组网链路。

地面协作系统：包括遥控器、地面电脑和一些专业设备。不同于无人机的低功耗和轻算力，地面协作系统采用高速处理芯片，提供大算力的远程协作数据处理，从而配合空中的无人机更好实现作业。

1.2 无人机发展历史

技术的发展是一个由简入繁的过程。1909年，美国发明家埃尔默·安布罗斯·斯佩里(E·A·Sperry)博士成功研制出用于保持飞行稳定的陀螺仪，同年著名科学家特斯拉在无线电技术领域取得了重大突破。这两项关键部件的研发和系统重要组成部分的发现，使得无人机的概念变得具象化，引发了接下来人们对无人机的探索。

人机起源于20世纪10年代。由于战争的需要，德国西门子公司研制出一种仅由无线电远程控制航路的小型飞机，用于航行到目的区域后投放事先装备好的炸弹。这一飞行器被认为是现代可控无人机的先驱。

1917年，英国首次将传统飞机设计技术，无线电传输以及轻型发动机结合在一起，研制出“喉”式单翼无人机并成功试飞。“喉”式单翼无人机可以在无线电控制下按照预定路线和高度飞行，并可携带114千克的炸药用于轰炸目标[2]。但可惜的是，由于传输效率问题，“喉”式无人机航程距离较短，无人轰炸机并未广泛应用于当时的一战战场。这时的无人机的主要作用均在于排除飞行员牺牲的可能性，以最小的风险来实现轰炸机的工作效果。

而当代意义上的第一架无人机产生于20世纪30年代的英国。英国为了在战争中获取更多的情报，首次将无人机和摄像头等一系列传感装置相结合，利用无人机进行信息侦查和情报搜集的任务。而无人机轻巧隐蔽，能实时传输数据等独有的特点很好的契合军事侦察的相关要求，无人机行业在军事领域率先发展起来。

军事的需求推动着无人机的进一步发展。20世纪80年代前后，多用途无人机真正地在战场上得到了广泛的应用，其主要作用包括传统的照相侦查，情报搜集以及火力投放，还有雷达干扰，放空诱饵投放等现代技术以及战场形势评估和人员搜救等战后用途。无人机得到了各国的青睐，各国对无人机的投入逐渐增加，据美国最新研究报告显示，仅美国一国2019年在无人机方面的支出高达69.73亿美元。

很多科技革命都是在军事革命的背景下诞生的，随着世界战争的结束，军事无人机的发展带动着无人机向民用领域发展的脚步。与军用无人机不同的是，民用无人机主要应用于农业灌溉，气象勘探，环境监测以及大众娱乐等服务于社会民生的方面。20世纪80年代，日本雅马哈首次发明植保无人机，将无人机技术引入农业行业。欧美等国于21世纪初制定相关条例规范民用无人机的使用与发展，美国航空航天局建立无人机应用中心，推动了无人机在民用领域的研究与发展进程。我国民用无人机发展曾一度滞后于欧美等其他国家，直到2006年，大疆科技有限公司在深圳成立，随后派诺特，零度控制，亿航等企业纷纷投入到民用无人机的研究与发展之中，百度，小米，腾讯等新兴互联网企业也不甘落后，以自主研发，投资收购等不同方式加入民用无人机这一产业。目前，民用无人机行业群雄并起，传统无人机厂商在技术上不断取得突破，新型互联网企业也不断试足于无人机行业，无人机行业市场百花齐放，未来发展大有可为。

2 无人机系统数据的提取与分析

本文将以大疆御Mavic2pro为例，通过手机APP，内置SD卡，大疆DJI Assistant2软件三种不同的方式进行无人机系统数据的提取与分析。

2.1 利用手机APP分析

DJI御Mavic 2 pro系列无人机需要利用DJI GO 4APP连接手机、遥控器和无人机，而手机APP 取证也是目前电子数据取证最成熟的方式之一。

DJI GO 4APP内置了数据存储功能，如图2所示，通过APP直观的了解飞行总时间，飞行总距离，飞行次数的无人机总体数据。该功能直观，便捷，界面通俗易懂，将复杂的电子数据转化为显而易见的表格化数据，极大地便利于消费者及相关取证人员提取飞行数据等无人机浅层数据。

图2 无人机 DJI GO 4 APP 界面

而如果我们登陆DJI大疆账号，如图3所示，单击右上角同步按钮，同步无人机飞行数据之后详细了解某次无人机飞行的距离，时长，最大高度等信息。

图3 无人机 DJI GO 4 APP 飞行数据

以最近一次南京市内飞行为例，单击该次飞行记录，可以详细展现了该次飞行的飞行路径、时间和距离。不同于之前的静态数据，以秒为单位，可展示在该飞行过程中，每一时刻该无人机所处的状态情况。通过分析可知，该无人机目前处于GPS信号连接中，信号强度为强，目前无人机电量为56%。在该次飞行时间为2分33秒时，该次无人机已经飞行了211米的距离，目前高度为18米，距离操纵者实际直线距离为89米。在这一时刻，该无人机的水平速度为9.1m/s,方向为东南方向，垂直速度为0.2m/s，方向为垂直向上。通过该组数据，我们可以得知目前无人机飞行方向为东南方向，速度较快且处于缓慢上升的状态。在飞行过程中段拍摄了一张照片，在飞行结束时也拍摄了一张照片，提取后可以很清晰直观的看到画面。

2.2 利用DJl Assistant2 软件提取飞行记录分析

DJI Assistant2软件能有效地连接无人机和电脑等终端设备，可用于升级固件，矫正飞行器以及提取飞行日志的功能。使用USB-A to type-c接口数据线连接电脑与无人机，打开DJI Assistant2 软件，单击日志导出功能，会出现该无人机每次飞行的次数、时间，以及该次无人机飞行日志的大小。单击右上角高级模式进入更有针对性的导出飞行记录与飞行时感知的障碍物数据，导航数据，云台和相机的操纵数据。单击保存到本地按钮，导出一条名为“DJI_ASSISTANT_EXPORT_FILE_2021-04-26_10-27-34”的TXT文件，该 TXT文件记录内容为2021年4月25日18时42分该无人机的飞行记录，即上文所述图示的无人机飞行记录。该文件为二进制文件，可以使用CsvView软件加载并查看该飞行日志文件。打开该文件，如图4可以看见该无人机的电池，照相机和飞行器的唯一SN标志编码，多维度的唯一性标志码可以帮助我们更好的确认无人机的真实性和准确性。

图4 无人机日志分析数据

使用CsvView的GeoPlayer程序可以将飞行记录作可视化展示，飞行记录中的飞行轨迹更加详细，不仅有无人机大致的方向和路线，还清晰标明了无人机的飞行路径（红色），也标明了无人机控制终端的移动路径（蓝色）。除此以外，无人机细小的迂回，停滞等行为也更好的通过重复线条加粗的方式体现，如图5所示。

图5 无人机飞行轨迹

除此以外，我们还可以从飞行日志中提取包含了电池温度、电压、剩余电量；距离和速度；使用距离和时间和飞行动力等飞行数据。

以电压和电池剩余电量为例，单击‘Battery Voltage and Percent Remaining’，会得到图 6。可以发现在飞行时无人机电池电量为65%（红线），且随着无人机的使用电量成阶梯式下滑，电池电压也因无人机起飞而达到峰值16V左右，随后缓慢下降，且略有波动。电池容量和电压数据可以从一定程度上判断无人机该段时间飞行是否持续，是否进行某种例如起飞，降落的行为导致电量的迅速下滑和电压波动。