梁廣俊，賈鎮(zhèn)

(1.江蘇警官學(xué)院計算機(jī)信息與網(wǎng)絡(luò)安全系，江蘇南京，210031；2.常州市公安局巡特警支隊，江蘇常州，213022)

0 引言

無人駕駛飛機(jī)，是指利用無線電波或預(yù)先設(shè)定的程序，自動駕駛的飛行器。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，無人機(jī)從單一的軍用無人機(jī)逐漸走進(jìn)了各家各戶，民用和商用無人機(jī)蓬勃發(fā)展，眾多國際互聯(lián)網(wǎng)及科技公司，例如谷歌，亞馬遜，3D Robotics，Parrot等，還有例如DJI大疆，EHANG億航等國內(nèi)公司紛紛投身于無人機(jī)行業(yè)。大量的人力物力財力的投入使得無人機(jī)技術(shù)升級的同時，制造成本顯著降低，目前除軍事領(lǐng)域外，無人機(jī)普遍被應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，遙感攝像，礦業(yè)勘探，新聞報道以及個人空中拍攝等多個領(lǐng)域。但是，科技的進(jìn)步永遠(yuǎn)是一把雙刃劍。無人機(jī)的發(fā)展給我們?nèi)粘Ｉ顜砹烁嗟谋憷?，但無人機(jī)的不合法不合規(guī)的使用也給我國傳統(tǒng)治安管理帶來困擾。無人機(jī)是利用無線電遠(yuǎn)程遙控這一特性使得并不是所有地方都適合無人機(jī)的使用。例如在機(jī)場附近，無人機(jī)的無線電信號就會干擾飛機(jī)的正常起飛，影響機(jī)場的正常管理秩序。不僅如此，部分民用無人機(jī)由于其本身較小的尺寸和重量，其飛行行為就如同鳥群一般，存在著被飛機(jī)發(fā)動機(jī)卷入或者本身撞擊飛機(jī)的可能性。因此，機(jī)場等交通樞紐附近是嚴(yán)禁無人機(jī)飛行的，國家也在相應(yīng)區(qū)域進(jìn)行標(biāo)識為無人機(jī)禁飛區(qū)。然而許多不知道具體規(guī)定的無人機(jī)愛好者乃至不法分子未經(jīng)許可便在禁飛區(qū)飛行無人機(jī)的“黑飛”行為層出不窮。與傳統(tǒng)飛機(jī)的駕駛相同，一些大型高性能無人機(jī)的飛行也需要通過考取相應(yīng)執(zhí)照來獲得飛行權(quán)限，受困于普法力度和執(zhí)法難度，無證飛行的現(xiàn)象也屢見不鮮。

1 無人機(jī)的基本架構(gòu)

1.1 無人機(jī)的組成

無人機(jī)就是指駕駛員并非像傳統(tǒng)飛行器一般在飛行器上駕駛，而是在遠(yuǎn)處利用無線電等遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸手段和各式操作程序及設(shè)備操縱的不載人飛機(jī)。研究無人機(jī)的最初目的是在戰(zhàn)爭中執(zhí)行高難度的任務(wù)，減輕人員傷亡，而隨著科技的進(jìn)步，無人機(jī)走進(jìn)了百姓家中，成為了造福于人類的一種工具。

無人機(jī)并不僅有單獨的一架飛機(jī)組成。單獨的機(jī)體并不能實現(xiàn)飛行等基礎(chǔ)功能，更不會實現(xiàn)拍攝，采集數(shù)據(jù)甚至抓取物品等進(jìn)階功能。這些功能的實現(xiàn)都依賴于遠(yuǎn)程遙控裝置，控制信號以及收發(fā)信號的天線裝置。如圖1，廣義的無人機(jī)是由無人機(jī)機(jī)身、動力系統(tǒng)、無人機(jī)控制器、傳感器模塊件、無線傳輸模塊和地面協(xié)作系統(tǒng)組成，即一個由硬件和軟件共同組成的無人機(jī)系統(tǒng)。

圖1 無人機(jī)的組成

無人機(jī)機(jī)身：一般指無人機(jī)機(jī)架和螺旋槳，一般來說，機(jī)架越大，飛機(jī)越穩(wěn)定。室內(nèi)的旋翼機(jī)，一般不會超過 450 軸距，做的越小越難（參數(shù)難調(diào)，整體系統(tǒng)搭建困難）。如果會一些簡單的繪圖工具可以自行設(shè)計機(jī)架，這樣做的好處是，可以自行留出安裝孔位來安裝機(jī)載電腦和傳感器。市面上大部分機(jī)架沒有預(yù)留機(jī)載電腦和傳感器的位置，都需要自行設(shè)計和安排。

動力系統(tǒng)：包括飛控控制器、電池、電機(jī)和電調(diào)等。飛控控制器由單片機(jī)和對應(yīng)的實時操作系統(tǒng)擔(dān)任，要求就是實時性強(qiáng)，任務(wù)執(zhí)行頻率上百赫茲，可以快速的控制電器系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)響應(yīng)的實時性和相對簡單可靠，確保被控對象的平衡穩(wěn)定。市面上的無人機(jī)主要采用鋰聚合物電池作為主要動力，續(xù)航能力一般在20分鐘至30分鐘之間，因技術(shù)方面不同有所差別，不過大部分續(xù)航時間都是在45分鐘以內(nèi)，但充電時間卻都超過了一小時。這是無人機(jī)發(fā)展一個致命的短板若要促進(jìn)無人機(jī)市場持久的良性發(fā)展，解決無人機(jī)電池續(xù)航能力問題迫在眉睫。

無人機(jī)控制器：也叫機(jī)載電腦，由PowerPC，DSP，Arm，X86構(gòu)架的CPU來擔(dān)任，通常都是計算性能強(qiáng)大，并且運行之上的操作系統(tǒng)可靠如(VxWorks)等。負(fù)責(zé)運算和決策，完成復(fù)雜計算，和環(huán)境感知的工作。通常這種任務(wù)計算復(fù)雜，某些情況下也要求較高的任務(wù)執(zhí)行頻率。機(jī)載電腦接口并不要求有多豐富，滿足自身要求即可。首先與飛控連接需要一個串口或者usb。其次要滿足所搭載傳感器對接口的要求。

傳感器模塊：主要用來感知無人機(jī)周圍環(huán)境，也可感知無人機(jī)自身狀態(tài)。傳感器模塊包含的傳感器種類非常豐富，如激光定高雷達(dá)，360度旋轉(zhuǎn)式激光雷達(dá)，T265雙目VIO攝像頭，D435I等等，這些傳感器數(shù)據(jù)感知周圍環(huán)境，構(gòu)建出地形圖，通過激光/視覺等。是無人機(jī)自主飛行控制的前提條件。

無線傳輸模塊：通常情況下無人機(jī)會在在操控者的視野內(nèi)飛行，并由操控者實時控制。采用更新技術(shù)的無人機(jī)可使用數(shù)傳與地面通訊，也可通過5G或WIFI實時將飛機(jī)狀態(tài)回傳到地面站。最終達(dá)到的就是飛機(jī)與電腦間的通訊，電腦給飛機(jī)的任務(wù)，飛機(jī)實時飛行高度，速度等很多數(shù)據(jù)都會通過它來傳輸，以方便我們實時監(jiān)控飛機(jī)情況，根據(jù)需要隨時修改飛機(jī)航向。這也是我們在地面可以直接操控飛機(jī)的一個基礎(chǔ)。如果飛機(jī)上搭載有攝像頭等設(shè)備，需要將圖像也回傳到地面端時就需要加上圖傳設(shè)備，當(dāng)然也有圖數(shù)傳一體的組網(wǎng)鏈路。

地面協(xié)作系統(tǒng)：包括遙控器、地面電腦和一些專業(yè)設(shè)備。不同于無人機(jī)的低功耗和輕算力，地面協(xié)作系統(tǒng)采用高速處理芯片，提供大算力的遠(yuǎn)程協(xié)作數(shù)據(jù)處理，從而配合空中的無人機(jī)更好實現(xiàn)作業(yè)。

1.2 無人機(jī)發(fā)展歷史

技術(shù)的發(fā)展是一個由簡入繁的過程。1909年，美國發(fā)明家埃爾默·安布羅斯·斯佩里(E·A·Sperry)博士成功研制出用于保持飛行穩(wěn)定的陀螺儀，同年著名科學(xué)家特斯拉在無線電技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破。這兩項關(guān)鍵部件的研發(fā)和系統(tǒng)重要組成部分的發(fā)現(xiàn)，使得無人機(jī)的概念變得具象化，引發(fā)了接下來人們對無人機(jī)的探索。

人機(jī)起源于20世紀(jì)10年代。由于戰(zhàn)爭的需要，德國西門子公司研制出一種僅由無線電遠(yuǎn)程控制航路的小型飛機(jī)，用于航行到目的區(qū)域后投放事先裝備好的炸彈。這一飛行器被認(rèn)為是現(xiàn)代可控?zé)o人機(jī)的先驅(qū)。

1917年，英國首次將傳統(tǒng)飛機(jī)設(shè)計技術(shù)，無線電傳輸以及輕型發(fā)動機(jī)結(jié)合在一起，研制出“喉”式單翼無人機(jī)并成功試飛?！昂怼笔絾我頍o人機(jī)可以在無線電控制下按照預(yù)定路線和高度飛行，并可攜帶114千克的炸藥用于轟炸目標(biāo)[2]。但可惜的是，由于傳輸效率問題，“喉”式無人機(jī)航程距離較短，無人轟炸機(jī)并未廣泛應(yīng)用于當(dāng)時的一戰(zhàn)戰(zhàn)場。這時的無人機(jī)的主要作用均在于排除飛行員犧牲的可能性，以最小的風(fēng)險來實現(xiàn)轟炸機(jī)的工作效果。

而當(dāng)代意義上的第一架無人機(jī)產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代的英國。英國為了在戰(zhàn)爭中獲取更多的情報，首次將無人機(jī)和攝像頭等一系列傳感裝置相結(jié)合，利用無人機(jī)進(jìn)行信息偵查和情報搜集的任務(wù)。而無人機(jī)輕巧隱蔽，能實時傳輸數(shù)據(jù)等獨有的特點很好的契合軍事偵察的相關(guān)要求，無人機(jī)行業(yè)在軍事領(lǐng)域率先發(fā)展起來。

軍事的需求推動著無人機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展。20世紀(jì)80年代前后，多用途無人機(jī)真正地在戰(zhàn)場上得到了廣泛的應(yīng)用，其主要作用包括傳統(tǒng)的照相偵查，情報搜集以及火力投放，還有雷達(dá)干擾，放空誘餌投放等現(xiàn)代技術(shù)以及戰(zhàn)場形勢評估和人員搜救等戰(zhàn)后用途。無人機(jī)得到了各國的青睞，各國對無人機(jī)的投入逐漸增加，據(jù)美國最新研究報告顯示，僅美國一國2019年在無人機(jī)方面的支出高達(dá)69.73億美元。

很多科技革命都是在軍事革命的背景下誕生的，隨著世界戰(zhàn)爭的結(jié)束，軍事無人機(jī)的發(fā)展帶動著無人機(jī)向民用領(lǐng)域發(fā)展的腳步。與軍用無人機(jī)不同的是，民用無人機(jī)主要應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉，氣象勘探，環(huán)境監(jiān)測以及大眾娛樂等服務(wù)于社會民生的方面。20世紀(jì)80年代，日本雅馬哈首次發(fā)明植保無人機(jī)，將無人機(jī)技術(shù)引入農(nóng)業(yè)行業(yè)。歐美等國于21世紀(jì)初制定相關(guān)條例規(guī)范民用無人機(jī)的使用與發(fā)展，美國航空航天局建立無人機(jī)應(yīng)用中心，推動了無人機(jī)在民用領(lǐng)域的研究與發(fā)展進(jìn)程。我國民用無人機(jī)發(fā)展曾一度滯后于歐美等其他國家，直到2006年，大疆科技有限公司在深圳成立，隨后派諾特，零度控制，億航等企業(yè)紛紛投入到民用無人機(jī)的研究與發(fā)展之中，百度，小米，騰訊等新興互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也不甘落后，以自主研發(fā)，投資收購等不同方式加入民用無人機(jī)這一產(chǎn)業(yè)。目前，民用無人機(jī)行業(yè)群雄并起，傳統(tǒng)無人機(jī)廠商在技術(shù)上不斷取得突破，新型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)也不斷試足于無人機(jī)行業(yè)，無人機(jī)行業(yè)市場百花齊放，未來發(fā)展大有可為。

2 無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的提取與分析

本文將以大疆御Mavic2pro為例，通過手機(jī)APP，內(nèi)置SD卡，大疆DJI Assistant2軟件三種不同的方式進(jìn)行無人機(jī)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的提取與分析。

2.1 利用手機(jī)APP分析

DJI御Mavic 2 pro系列無人機(jī)需要利用DJI GO 4APP連接手機(jī)、遙控器和無人機(jī)，而手機(jī)APP 取證也是目前電子數(shù)據(jù)取證最成熟的方式之一。

DJI GO 4APP內(nèi)置了數(shù)據(jù)存儲功能，如圖2所示，通過APP直觀的了解飛行總時間，飛行總距離，飛行次數(shù)的無人機(jī)總體數(shù)據(jù)。該功能直觀，便捷，界面通俗易懂，將復(fù)雜的電子數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為顯而易見的表格化數(shù)據(jù)，極大地便利于消費者及相關(guān)取證人員提取飛行數(shù)據(jù)等無人機(jī)淺層數(shù)據(jù)。

圖2 無人機(jī) DJI GO 4 APP 界面

而如果我們登陸DJI大疆賬號，如圖3所示，單擊右上角同步按鈕，同步無人機(jī)飛行數(shù)據(jù)之后詳細(xì)了解某次無人機(jī)飛行的距離，時長，最大高度等信息。

圖3 無人機(jī) DJI GO 4 APP 飛行數(shù)據(jù)

以最近一次南京市內(nèi)飛行為例，單擊該次飛行記錄，可以詳細(xì)展現(xiàn)了該次飛行的飛行路徑、時間和距離。不同于之前的靜態(tài)數(shù)據(jù)，以秒為單位，可展示在該飛行過程中，每一時刻該無人機(jī)所處的狀態(tài)情況。通過分析可知，該無人機(jī)目前處于GPS信號連接中，信號強(qiáng)度為強(qiáng)，目前無人機(jī)電量為56%。在該次飛行時間為2分33秒時，該次無人機(jī)已經(jīng)飛行了211米的距離，目前高度為18米，距離操縱者實際直線距離為89米。在這一時刻，該無人機(jī)的水平速度為9.1m/s,方向為東南方向，垂直速度為0.2m/s，方向為垂直向上。通過該組數(shù)據(jù)，我們可以得知目前無人機(jī)飛行方向為東南方向，速度較快且處于緩慢上升的狀態(tài)。在飛行過程中段拍攝了一張照片，在飛行結(jié)束時也拍攝了一張照片，提取后可以很清晰直觀的看到畫面。

2.2 利用DJl Assistant2 軟件提取飛行記錄分析

DJI Assistant2軟件能有效地連接無人機(jī)和電腦等終端設(shè)備，可用于升級固件，矯正飛行器以及提取飛行日志的功能。使用USB-A to type-c接口數(shù)據(jù)線連接電腦與無人機(jī)，打開DJI Assistant2 軟件，單擊日志導(dǎo)出功能，會出現(xiàn)該無人機(jī)每次飛行的次數(shù)、時間，以及該次無人機(jī)飛行日志的大小。單擊右上角高級模式進(jìn)入更有針對性的導(dǎo)出飛行記錄與飛行時感知的障礙物數(shù)據(jù)，導(dǎo)航數(shù)據(jù)，云臺和相機(jī)的操縱數(shù)據(jù)。單擊保存到本地按鈕，導(dǎo)出一條名為“DJI_ASSISTANT_EXPORT_FILE_2021-04-26_10-27-34”的TXT文件，該 TXT文件記錄內(nèi)容為2021年4月25日18時42分該無人機(jī)的飛行記錄，即上文所述圖示的無人機(jī)飛行記錄。該文件為二進(jìn)制文件，可以使用CsvView軟件加載并查看該飛行日志文件。打開該文件，如圖4可以看見該無人機(jī)的電池，照相機(jī)和飛行器的唯一SN標(biāo)志編碼，多維度的唯一性標(biāo)志碼可以幫助我們更好的確認(rèn)無人機(jī)的真實性和準(zhǔn)確性。

圖4 無人機(jī)日志分析數(shù)據(jù)

使用CsvView的GeoPlayer程序可以將飛行記錄作可視化展示，飛行記錄中的飛行軌跡更加詳細(xì)，不僅有無人機(jī)大致的方向和路線，還清晰標(biāo)明了無人機(jī)的飛行路徑（紅色），也標(biāo)明了無人機(jī)控制終端的移動路徑（藍(lán)色）。除此以外，無人機(jī)細(xì)小的迂回，停滯等行為也更好的通過重復(fù)線條加粗的方式體現(xiàn)，如圖5所示。

圖5 無人機(jī)飛行軌跡

除此以外，我們還可以從飛行日志中提取包含了電池溫度、電壓、剩余電量；距離和速度；使用距離和時間和飛行動力等飛行數(shù)據(jù)。

以電壓和電池剩余電量為例，單擊‘Battery Voltage and Percent Remaining’，會得到圖 6?？梢园l(fā)現(xiàn)在飛行時無人機(jī)電池電量為65%（紅線），且隨著無人機(jī)的使用電量成階梯式下滑，電池電壓也因無人機(jī)起飛而達(dá)到峰值16V左右，隨后緩慢下降，且略有波動。電池容量和電壓數(shù)據(jù)可以從一定程度上判斷無人機(jī)該段時間飛行是否持續(xù)，是否進(jìn)行某種例如起飛，降落的行為導(dǎo)致電量的迅速下滑和電壓波動。

圖6 無人機(jī)電池數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

科技的發(fā)展必然是一把雙刃劍。伴隨著無人機(jī)在各行各業(yè)乃至日常生活中的普及，越來越多的普通人也能用得起，用得好無人機(jī)。但無人機(jī)行業(yè)的發(fā)展也不可避免的給社會帶來各式各樣的治安問題。如何預(yù)防這些治安問題，出現(xiàn)問題后如何及時處置，如何依法處理，這些都是我們將來要考慮的問題。