网安职业方向讨论：无人机 (低空安全) 面临的5 大隐私要求和网络安全黑客挑战

先进、透明的通信网络对无人机集群至关重要。与前几代飞机不同，无人机可以协同工作并相互通信。该系统展示了集体智能，单个节点可以替换。无人机集群技术可以快速高效地完成任务，系统具有高生存力和分散控制的优势。无人机集群组网通信还有很大的发展空间，但首先必须解决一些关键而复杂的问题[ 11-15 ]。虽然无人机集群组网通信是克服传统蜂窝无线网络覆盖空白的有效手段，但必须谨慎选择组网模式，以考虑特定的环境和运行参数。当集群中的无人机之间通信正常时，传输的数据量急剧增加，但静态频谱分配效率较低。这损害了集群系统的整体性能。发射功率的增加可以提高通信的可靠性，但也使监听者更容易收集高质量的窃听信号，危及传输数据的安全性。此外，随着机型越来越多样化和小型化，电力供应和续航能力的限制将给无人机带来重大困难，影响其在各种角色中长期表现的可行性。所有主题——通信安全、能源可用性和频谱分配——都值得进一步研究。

本章重点讨论以下几点：

• 同行评审的无人机

• 无人机的网络攻击和网络安全措施

• 无人机的安全问题和挑战

• 无人机的弱点和威胁。

5.2 文献综述

近年来，许多科学家和工程师一直致力于提高无人机 (UAV) 的自主性和耐用性。无人机可分为两类：旋翼飞机和固定翼飞机 [ 16-18 ] 。由于无人机依赖电池供电，当需要自主飞行时，其任务范围会受到限制 [ 19,20 ]。在民用环境中，无人机最好自行飞行。在这里，值得注意的是，要进行自主飞行，航空电子设备需要更新。为了提高无人机在自主飞行方面的性能，作者提出了一种小型无人机和自动驾驶仪系统，可以串联使用。针对各种飞行条件的无人机的深入状态空间模型呈现了底层数学方程的线性化版本。在闭环环境中研究和测试了使用比例积分微分 (PID) 控制器的自动驾驶仪层次结构。图 5.3显示了文献综述的分类。

无人驾驶汽车无疑是汽车行业的未来。信息物理系统 (CPS) 通过无线通信网络连接传感器和执行器，拉近了物理世界和数字世界的距离。CPS 的日常用途之一是无人驾驶汽车 (AV)，它可以提高交通网络的安全性、效率和可持续性。引导 AV 沿着预定路径行驶的能力对其成功至关重要。为了使汽车安全舒适地沿着目标路径行驶，它会根据车辆的当前状态确定合适的方向盘角度。应使用控制装置将横向偏移和航向误差降至最低 [ 21 – 25 ]。可靠、安全地控制被跟踪的路径至关重要。图 5.4详细介绍了无人机。

应用模糊监控系统建立知识曲线，可以精确调节大范围的速度和路线[ 26–29 ]。这些技术在类似情况下产生令人满意的调节效果。但目前的大部分工作没有充分考虑车辆的非线性和恶意干扰，这可能会降低控制性能或导致不稳定[ 30–34 ] 。模型预测和主动控制（ MPC ）方法考虑了车辆模型内的非线性特征，该方法还可以在解决多约束最优问题的同时限制状态变量和控制变量以实现最高效率。扰动用于估计车身的位置和方向，这是实现 AV 路径跟踪控制所必需的。AV 使用 GPS、LiDAR、摄像头和其他传感器进行定位和感知。大多数现代导航技术[ 35–41 ]依靠多传感器融合技术来获得高精度方向数据。此外，自动驾驶汽车现在可以相互通信并与道路上的基础设施单元通信，以形成车队并提高交通效率。因此，确保车载传感器的精度对于实现无风险驾驶至关重要。虽然自动驾驶汽车有可能彻底改变交通运输，但它们的传感器可能在设计时没有考虑到安全性，导致汽车系统容易受到网络攻击。对自动驾驶汽车的恶意干扰可能会产生严重的安全问题并导致事故，对用户或乘客造成人身伤害。一些研究项目表明，传感器可用于对自动驾驶汽车发起攻击。例如，GPS 欺骗会创建或修改 GPS 信号以欺骗目标设备或接收器。如上所述，LiDAR 欺骗攻击可以使用处理后的点云数据来引入虚拟障碍物或从场景中移除现实世界的障碍物。当发起拒绝服务攻击时，传感器数据永远不会到达其预期的接收者。

“网络恐怖主义”是指通过网络、计算机及其所含数据实施的非法攻击或威胁攻击，是由“网络”和“恐怖主义”两个词组成的混成词。这些行为的背后动机可能是社会或政治目标，目的是恐吓或向当局或民众施压。利用互联网威胁生命或对基础设施造成物质破坏的恐怖分子被称为“网络恐怖分子”。自新冠肺炎疫情爆发以来，全球海运业在确保全球货物高效配送和运输方面发挥着重要作用[ 42-44 ]。联合国贸易和发展会议 (UNCTAD) 的数据显示，商船运输着世界上的能源、食品、原材料以及所有制成品和零部件，占全球贸易的 80% 以上[ 38 ]。

医疗用品也包括在内，这些用品在各地都供不应求，是稳定当前危机所必需的。海运业呼吁世界各国政府减少商船进港数量并更换全球船舶上的船员，以促进海上贸易的持续流动，这是不容忽视的重要考虑因素。在全球危机期间，维持定期航运和允许跨境运输至关重要 [ 39 ]。另一个关键部分是确保内陆国家能够通过邻国的海港畅通无阻地获得食品和药品。贸易限制可能会对全球经济产生负面影响，导致企业中断并扰乱供应链。各国领导人应该听取海运业在最近举行的 G20 领导人新冠肺炎虚拟峰会上保持海上贸易畅通的呼吁。由于疫情对全球企业的影响巨大，并有可能使供应链部门陷入停顿，因此被称为“黑天鹅”，其后果尚未完全量化。结合数字和物理组件的系统称为“信息物理”系统 (CPS)。当我们谈论“网络维度”时，我们指的是计算机和其他形式的电子通信。物理组件包括有机和无机物质，以及传感器和执行器等人造组件。信息物理系统涉及与现实世界协同运行的计算和通信基础设施。CPS 被定义为“混合网络化网络和工程物理元素，共同设计以生成自适应和预测系统，从而提高性能”，如前所述。安全性、可用性、响应性、稳定性、有效性、效率、寿命和保密性都是绩效指标的例子。[ 45-47 ]发现 CPS 和IoT相似，因为它们采用相同的基本架构，他们还对 CPS 进行了分类，并解释了它们之间的一些区别。在信息物理系统中，物联网的物理部分和计算部分之间存在大量的集成和协调。信息物理系统、物联网和无线传感器网络之间有许多相似之处和区别。它们相互交织，建立在相同的基础层面上。借助互联网，这三者都可以访问网络、通信、安全计算设备、事物和数字机器等技术。凭借新发现的通过网络自动交换数据的能力及其分配的唯一标识符，设备变得越来越有用。

5.3 方法论

本章的数据收集使用了四个平台，数据收集流程图如图 5.5所示。我们使用的关键词是“无人机、隐私和安全问题”。我们之所以选择这些数据库，是因为它们包含许多研究论文、书籍章节和有关众多主题的在线信息。

5.4 无人机网络安全问题与挑战评估

由于技术的进步，现代世界发生了许多革命性的变化。事实证明，这些变化在我们的日常生活中产生了更可靠、更易理解、更经济高效的结果。此外，人们不断想出与朋友和家人互动的新方式。除了广泛的军事用途外，无人机 (UAV) 还在各种民用和商业环境中得到普遍应用。中国无人机产业联盟 (CUAVI) 预测，到 2025 年，中型无人机产业将达到 800 亿元人民币 [ 48 ]，而美国联邦航空管理局估计，目前美国上空有 300 万架无人机。到 2022 年底，这一数字将增长四倍。无人机的多功能性使其对越来越多的行业和用途具有吸引力，包括现场活动直播、航拍和包裹递送。这些无人机经常用于运输，因为它们维护成本低、能够垂直起飞和降落、悬停能力强、机动性强。这些无人机是监视和救援行动的良好选择 [ 49 ]，它们通常配备计算机视觉和物联网 (IoT) 类功能，尤其是用于无人机群。但有几个关键因素与无人机安全问题有关。图 5.6显示了无人机类型。

尽管伊朗军方干扰美国无人机的控制信号的记录在这里，但设计一个牢不可破的无人机安全控制模块仍然具有挑战性。由于当时相机不太先进，因此建议以这种方式使用它们以增加可见度。在阿富汗战争期间，其中几架也被用于追捕恐怖分子。这些无人机曾经只无人机最初用于军事目的，但现在已成为许多民用领域的首选，包括亚马逊的包裹递送。农业、建筑工地检查和紧急救援行动只是无人机应用的几个其他领域。20 世纪 10 年代初，美国开始生产航程约为一公里的无人驾驶飞机。美国在二战期间开始建造高科技无人机项目，如 N2C-2 无人机和 OQ-2 通讯飞机。然而，这些努力成本高昂，而且容易失败。20 世纪 80 年代末，美国开始研发高科技无人机，该国已经拥有几架出色的微型无人机。媒体公司越来越多地使用无人机进行电影和摄影航拍。随着无人机使用的迅速扩大，安全和隐私问题变得更加微妙和紧迫。出于安全原因，被动和主动攻击更有可能在允许无人机飞行的国家领空进行。下面，我们将无人机安全问题分为四类：传感器、硬件、软件和通信。然后，我们来看看迄今为止已经开发的攻击和防御措施。图 5.7显示了网络攻击及其防御措施的概述。

传感器问题对于无人驾驶飞行器的运行至关重要，因为它们允许飞行器收集有关其周围环境的信息。由于其脆弱性，这些记录必须被保护起来以免被窥探。受损的无人机传感器可能导致恶劣环境下的系统故障。然后，我们详细介绍了可能针对无人机发起的各种传感器级威胁、弱点和攻击。