CN108880929A - 一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法，该方法通过芯片识别、芯片通信信号提取等方法中提取了协议的时间、频率、数据信息，通过无线信号捕获等方法提取了协议的数据格式。本发明使用低成本的软件定义的无线电设备，降低了通信协议提取的实现成本，其实现方法简便，手段灵活，且与无人机型号无关，同时对操作者的专业知识及技能要求低。

Description

一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法

技术领域

本发明涉及民用无人机安全技术领域，尤其涉及一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法。

背景技术

民用无人机技术在过去的几年中飞速发展，各类民用无人机在各类民事领域中的应用愈发广泛，在警用、城市管理、农业、地质、气象、电力、抢险救灾、视频拍摄等诸多领域发挥了重要作用。它的广泛普及，促进了民用无人机技术的发展和应用。然而，在民用无人机技术为人们带来诸多便利的同时，它也为人们带来了诸多安全问题。比如，无人机作为一类体积小、灵活性高的飞行器，极有可能被不法分子利用进行人身攻击、非法闯入、偷窥探视、毒品运送等非法行为。同时，当无人机进入混合空域后，其飞行范围难以得到监管的问题也日益凸显，过去的两年内发生了多起黑飞无人机闯入机场空域、扰乱航班正常飞行的事件。

因此，如何有效地对民用无人机进行管制是一个急需解决的问题。传统的无人机反制技术一般基于物理反制，即利用雷达寻找进入敏感区域的无人机，然后通过发射激光等物理手段击落无人机。由于上述传统的管制方法实现成本高，通常难以广泛应用于各类民事场合，且目标无人机坠毁后很可能对地面人员的生命和财产安全造成伤害。

与此同时，目前已出现一种利用伪造遥控信号对无人机控制权限进行窃取的技术。在Black Hat 2016会议上，Nils利用ZigBee无线模块伪造了遥控信号，从而窃取了目标无人机的控制权。在2016年的3.15晚会上，Gmxp实现了对大疆Phantom3S无人机遥控信号伪造，并窃取了目标无人机的控制权。该类技术也可以应用于无人机管制技术中：一旦未知无人机进入敏感区域，我方识别目标无人机机型，然后伪造目标无人机遥控信号，直接获取目标无人机的控制权，继而控制目标降落，对非法闯入的无人机进行管控。

上述技术的实现均需要对目标无人机的遥控通信协议进行解析。目前，无人机遥控通信协议的解析方法研究较少，且大多基于理论推导，缺少具体的实现方法。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法，该方法对硬件性能要求低，成本小，且不受无人机型号限制。具体技术方案如下：

一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：拆解无人机遥控器，获取相关芯片信息；开启无人机遥控器，采集无人机遥控器中主控芯片与射频芯片之间的通信数据，对通信数据进行分析，得到通信协议中时间、频率、数据信息；

步骤二：开启无人机遥控器，使用软件定义的无线电设备对空口中的无人机遥控信号进行采集，对采集得到的遥控信号进行解调，得到遥控信号0/1形式的数据；

步骤三：结合步骤一得到的数据信息，利用协议逆向分析方法对基带数据进行协议逆向，推导通信协议的数据格式。

进一步地，所述步骤一通过以下子步骤来实现：

(1.1)拆卸无人机的遥控器外壳，观察无人机遥控器的电路板并辨识射频芯片区域和微控制器区域。若射频芯片区域和微控制器区域有物理保护，无法直接观察区域内布局，则去除相关物理保护，通过芯片上印刻的芯片标识信息分辨芯片型号，并查询芯片所对应的相关芯片数据手册，得到通信协议中的信号发射频段，信号调制方式，射频层数据格式；所述的射频层数据格式是无人机遥控器中的射频芯片接收到待发射遥控信号后，将其进行封装处理后得到的数据报文的格式；

(1.2)利用芯片数据手册获取射频芯片与微控制器之间的芯片通信方式，以及射频芯片各引脚的功能，根据各引脚的功能得到与微控制器进行通信的各引脚的位置以及数据输入引脚的位置；所述的芯片通信方式是指无人机遥控器中微控制器与射频芯片之间的通信格式；

(1.3)对射频芯片与微控制器进行通信的引脚的位置以及数据输入引脚的位置进行数据提取，利用芯片数据手册对数据信号、使能信号、时钟信号进行识别；

(1.4)利用步骤(1.2)中获得的通信方式，得到步骤(1.3)中所述的数据信号的格式，通过查询芯片数据手册，解析所述的数据信号的语义，得到通信协议中的信号发射间隔、信号发射频率和跳频模式；

(1.5)利用步骤(1.1)中得到的射频层数据格式，提取数据信号中的遥控数据。

进一步地，所述步骤二通过以下子步骤来实现：

(2.1)编写在软件定义的无线电设备中运行的信号采集程序，该程序的功能为采集空口中的无人机遥控信号，具体的实现步骤如下：

(2.1.1)将步骤(1.4)中得到的信号发射频率组成数组F，假设共有n个发射频率值，则每个发射频率值为f_x，1<＝x<＝n；

(2.1.2)将软件定义的无线电设备的信号接收频率设置为f_x，采样点个数为M，假设软件定义的无线电设备的采样频率为f_s，步骤(1.4)中得到的信号发射间隔为T，则采样点的个数应保证M>T*n*f_s；

(2.1.3)每隔M个采样点，将采集得到的数据保存至文件中，然后将信号接收频率设置为f_x+1，直至完成n*M个采样点，得到n个数据文件；

(2.2)将步骤(2.1)中编写的信号采集程序烧写至软件定义的无线电设备，将软件定义的无线电设备与天线连接，该天线的频率范围应包含步骤(1.1)中得到的信号发射频段；开启无人机遥控器，打开软件定义的无线电设备，利用信号采集程序对空口中的无人机遥控信号进行采集，得到n个高频遥控信号的数据文件；

(2.3)利用步骤(1.1)中得到的信号调制方式，编写相应的信号解调程序，利用信号解调程序对步骤(2.2)中得到的n个高频遥控信号的数据文件进行解调、数字滤波、减采样，提取有效数据部分，得到n个0/1形式的基带遥控信号的数据文件。

进一步地，所述步骤三通过以下子步骤来实现：

(3.1)以步骤(1.5)中得到的遥控数据作为匹配模板，改变步骤(2.3)得到的0/1形式的基带遥控信号的数据文件中的起始数据位，将0/1形式的基带遥控数据转换为以字节为单位的基带遥控信号，由于1字节＝8位，0/1形式的基带遥控数据最多需要8次位移便可与遥控数据匹配；

(3.2)改变遥控器状态，重复步骤(2.2)和(2.3)，得到不同遥控器状态下的基带遥控数据，利用协议逆向方法获取具体的通信协议数据格式，所述的数据格式是指各字段的起始位置、字段长度以及语义，具体的实现步骤如下：

假设共有N个基带遥控数据，首先找到N个基带遥控数据中数值恒定不变的字段以及它们的起始位置和字段长度，将这些字段定义为固定域字段，根据固定域字段的数值与步骤一中得到的信息推测各固定域字段的语义；其他字段为可变域字段，根据固定域字段的起始位置和字段长度，可推算可变域字段的起始位置和字段长度，将遥控器状态的变化规律与可变域字段的数值变化规律进行匹配，并通过数值分析得到可变域字段的数值与遥控器状态之间的映射关系，推测各可变域字段的语义。

进一步地，所述的芯片通信方式为SPI、I2C、CAN或USRT。

本发明的有益效果是，本发明使用了低成本的软件定义的无线电设备作为信号采集设备，其实现方法简便，手段灵活，对设备性能要求低，成本小，且不受无人机型号限制，同时对操作者的专业知识及技能要求低。

附图说明

图1是拆解得到的大疆精灵2无人机的射频芯片区域与微控制器区域实物图；

图2是大疆精灵2无人机的射频芯片脚采集信号示意图；

图3是大疆精灵2无人机跳频模式示意图；

图4是大疆精灵2无人机基带遥控信号示意图；

图5是大疆精灵2无人机通信协议数据格式示意图。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法，包括以下步骤：

步骤一：拆解无人机遥控器，获取相关芯片信息；开启无人机遥控器，采集无人机遥控器中主控芯片与射频芯片之间的通信数据，对通信数据进行分析，得到通信协议中时间、频率、数据信息；

(1.1)拆卸无人机的遥控器外壳，观察无人机遥控器的电路板并辨识射频芯片区域和微控制器区域；若射频芯片区域和微控制器区域有物理保护，无法直接观察区域内布局，则去除相关物理保护，例如利用加热装置融化封胶，或者利用锐器解除保护壳。图1为拆解得到的大疆精灵2无人机的射频芯片区域与微控制器区域实物图。通过对射频芯片区域与微控制器区域内的芯片进行辨识，通过芯片上印刻的芯片标识信息分辨芯片型号，并查询芯片所对应的相关芯片数据手册，得到通信协议中的信号发射频段，信号调制方式，射频层数据格式；通过以上方法得到的射频芯片型号为ML2730，主控芯片型号为LPC1765。信号发射频段为2.400GHz-2.485GHz，信号调制方式为FSK；

(1.2)利用芯片数据手册获取射频芯片与微控制器之间的芯片通信方式，以及射频芯片各引脚的功能，根据各引脚的功能得到与微控制器进行通信的各引脚的位置以及数据输入引脚的位置；

(1.3)对射频芯片的与微控制器进行通信的引脚以及数据输入引脚进行数据提取。通过在上述引脚上焊接杜邦线，使用逻辑分析仪与杜邦线进行连接。开启无人机遥控器，通过逻辑分析仪对各引脚上信号进行分析，利用芯片数据手册对数据信号、使能信号、时钟信号进行识别。通过以上方法从大疆精灵2无人机的射频芯片脚采集得到的信号如图2所示，利用该方法可以对控制信号、功率信号、数据信号进行识别；

(1.4)利用步骤(1.2)中得到的通信方式，得到步骤(1.3)中所述的数据信号的格式，通过查询芯片数据手册，解析数据信号的语义，得到通信协议中的信号发射间隔、信号发射频率、跳频模式。通过以上方法得到的大疆精灵2无人机的信号发射间隔为7ms，信号发射频率共有4个频点，跳频模式如图3所示，共有三组跳频序列，按照图3中的序列组号以此改变发射频率。

(1.5)利用步骤(1.1)中得到的射频层数据格式，提取数据信号中的遥控数据；

其中，无人机遥控器中的射频芯片区域是指负责射频收发、频率合成、功率放大等功能的芯片及其周边电路。

无人机遥控器中的微控制器区域是指负责信号处理、协议处理等功能的芯片及其周边电路。

信号发射频段是指无人机遥控器发射的遥控信号的通讯频率范围。

信号调制方式是指无人机遥控器发射的遥控信号的调制方式。

射频层数据格式是无人机遥控器中的射频芯片接收到待发射遥控信号后，将其进行封装处理后得到的数据报文的格式。

芯片通信方式是指无人机遥控器中微控制器与射频芯片之间的通信格式。常见的通信方式包括SPI、I2C、CAN、USRT等。

信号发射间隔是指无人机遥控器两次发射遥控信号之间的时间间隔。

信号发射频率是指无人机遥控器每次发射遥控信号时的信号频率。

跳频模式是指无人机遥控器的信号发射频率的跳变规律。

步骤二：开启无人机遥控器，使用软件定义的无线电设备对空口中的无人机遥控信号进行采集，对采集得到的遥控信号进行解调，得到遥控信号0/1形式的数据；

(2.1)编写在软件定义的无线电设备中运行的信号采集程序，该程序的功能为采集空口中的无人机遥控信号，具体的实现步骤如下：

(2.1.1)将步骤(1.4)中得到的信号发射频率组成数组F，假设共有n个发射频率值，则每个发射频率值为f_x(1<＝x<＝n)；

(2.1.2)将软件定义的无线电的信号接收频率设置为f_x，采样点个数为M。假设软件定义的无线电设备的采样频率为f_s，步骤(1.4)中得到的信号发射间隔为T，则采样点的个数应保证M>T*n*f_s；

(2.1.3)每隔M个采样点，将采集得到的数据保存至文件中。然后将信号接收频率设置为f_x+1，直至完成n*M个采样点，得到n个数据文件；

(2.2)将步骤(2.1)中编写的信号采集程序烧写至软件定义的无线电设备，将软件定义的无线电设备与天线连接，该天线的频率范围应包含步骤(1.1)中得到的信号发射频段。开启无人机遥控器，打开软件定义的无线电，利用信号采集程序对空口中的无人机遥控信号进行采集，得到n个高频遥控信号的数据文件；

(2.3)利用步骤(1.1)中得到的信号调制方式，编写相应的信号解调程序，利用信号解调程序对步骤(2.2)中得到的n个高频遥控信号的数据文件进行解调、数字滤波、减采样，提取有效数据部分，得到n个0/1形式的基带遥控信号的数据文件。通过以上方法得到的大疆精灵2无人机基带遥控信号如图4所示。

其中采样频率是指软件定义的无线电设备中可通过程序修改的数据采样频率。

采样点个数是指软件定义的无线电设备中可通过程序修改的采样点数量。

信号接收频率是指软件定义的无线电设备中可通过程序修改的信号接收频率。

以上第一步和第二步主要用于通信协议的时间、频率信息提取与遥控信号的数据信息提取。

步骤三：结合步骤一得到的数据信息，利用协议逆向分析方法对基带数据进行协议逆向，推导通信协议的数据格式，具体通过以下子步骤来实现：

(3.1)以步骤(1.5)中得到的遥控数据作为匹配模板，改变步骤(2.3)得到的0/1形式的基带遥控信号的数据文件中的起始数据位，将0/1形式的基带遥控数据转换为以字节为单位的基带遥控信号，由于1字节＝8位，0/1形式的基带遥控数据最多需要8次位移便可与遥控数据匹配；

(3.2)改变遥控器状态，重复步骤(2.2)和(2.3)，得到不同遥控器状态下的基带遥控数据，利用协议逆向方法获取具体的通信协议数据格式，所述的数据格式是指各字段的起始位置、字段长度以及语义，具体的实现步骤如下：

假设共有N个基带遥控数据，首先找到N个基带遥控数据中数值恒定不变的字段以及它们的起始位置和字段长度，将这些字段定义为固定域字段，根据固定域字段的数值与步骤一中得到的信息推测各固定域字段的语义；其他字段为可变域字段，根据固定域字段的起始位置和字段长度，可推算可变域字段的起始位置和字段长度，将遥控器状态的变化规律与可变域字段的数值变化规律进行匹配，并通过数值分析得到可变域字段的数值与遥控器状态之间的映射关系，推测各可变域字段的语义。

通过以上方法得到的大疆精灵2无人机通信协议数据格式如图5所示。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种面向微小型民用无人机遥控链路的通信协议提取方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：拆解无人机遥控器，获取相关芯片信息；开启无人机遥控器，采集无人机遥控器中主控芯片与射频芯片之间的通信数据，对通信数据进行分析，得到通信协议中时间、频率、数据信息。

步骤二：开启无人机遥控器，使用软件定义的无线电设备对空口中的无人机遥控信号进行采集，对采集得到的遥控信号进行解调，得到遥控信号0/1形式的数据。

步骤三：结合步骤一得到的数据信息，利用协议逆向分析方法对基带数据进行协议逆向，推导通信协议的数据格式。

2.根据权利要求1所述的通信协议提取方法，其特征在于，所述步骤一通过以下子步骤来实现：

(1.1)拆卸无人机的遥控器外壳，观察无人机遥控器的电路板并辨识射频芯片区域和微控制器区域。若射频芯片区域和微控制器区域有物理保护，无法直接观察区域内布局，则去除相关物理保护，通过芯片上印刻的芯片标识信息分辨芯片型号，并查询芯片所对应的相关芯片数据手册，得到通信协议中的信号发射频段，信号调制方式，射频层数据格式；所述的射频层数据格式是无人机遥控器中的射频芯片接收到待发射遥控信号后，将其进行封装处理后得到的数据报文的格式。

(1.2)利用芯片数据手册获取射频芯片与微控制器之间的芯片通信方式，以及射频芯片各引脚的功能，根据各引脚的功能得到与微控制器进行通信的各引脚的位置以及数据输入引脚的位置；所述的芯片通信方式是指无人机遥控器中微控制器与射频芯片之间的通信格式；

(1.3)对射频芯片与微控制器进行通信的引脚的位置以及数据输入引脚的位置进行数据提取，利用芯片数据手册对数据信号、使能信号、时钟信号进行识别；

(1.4)利用步骤(1.2)中获得的通信方式，得到步骤(1.3)中所述的数据信号的格式，通过查询芯片数据手册，解析所述的数据信号的语义，得到通信协议中的信号发射间隔、信号发射频率和跳频模式；

(1.5)利用步骤(1.1)中得到的射频层数据格式，提取数据信号中的遥控数据。

3.根据权利要求1或2所述的通信协议提取方法，其特征在于，所述步骤二通过以下子步骤来实现：

(2.1)编写在软件定义的无线电设备中运行的信号采集程序，该程序的功能为采集空口中的无人机遥控信号，具体的实现步骤如下：

(2.1.1)将步骤(1.4)中得到的信号发射频率组成数组F，假设共有n个发射频率值，则每个发射频率值为f_x，1<＝x<＝n；

(2.1.2)将软件定义的无线电设备的信号接收频率设置为f_x，采样点个数为M，假设软件定义的无线电设备的采样频率为f_s，步骤(1.4)中得到的信号发射间隔为T，则采样点的个数应保证M>T*n*f_s；

(2.1.3)每隔M个采样点，将采集得到的数据保存至文件中，然后将信号接收频率设置为f_x+1，直至完成n*M个采样点，得到n个数据文件；

(2.2)将步骤(2.1)中编写的信号采集程序烧写至软件定义的无线电设备，将软件定义的无线电设备与天线连接，该天线的频率范围应包含步骤(1.1)中得到的信号发射频段；开启无人机遥控器，打开软件定义的无线电设备，利用信号采集程序对空口中的无人机遥控信号进行采集，得到n个高频遥控信号的数据文件；

(2.3)利用步骤(1.1)中得到的信号调制方式，编写相应的信号解调程序，利用信号解调程序对步骤(2.2)中得到的n个高频遥控信号的数据文件进行解调、数字滤波、减采样，提取有效数据部分，得到n个0/1形式的基带遥控信号的数据文件。

4.根据权利要求3所述的通信协议提取方法，其特征在于，所述步骤三通过以下子步骤来实现：

(3.1)以步骤(1.5)中得到的遥控数据作为匹配模板，改变步骤(2.3)得到的0/1形式的基带遥控信号的数据文件中的起始数据位，将0/1形式的基带遥控数据转换为以字节为单位的基带遥控信号，由于1字节＝8位，0/1形式的基带遥控数据最多需要8次位移便可与遥控数据匹配；

(3.2)改变遥控器状态，重复步骤(2.2)和(2.3)，得到不同遥控器状态下的基带遥控数据，利用协议逆向方法获取具体的通信协议数据格式，所述的数据格式是指各字段的起始位置、字段长度以及语义，具体的实现步骤如下：

假设共有N个基带遥控数据，首先找到N个基带遥控数据中数值恒定不变的字段以及它们的起始位置和字段长度，将这些字段定义为固定域字段，根据固定域字段的数值与步骤一中得到的信息推测各固定域字段的语义；其他字段为可变域字段，根据固定域字段的起始位置和字段长度，可推算可变域字段的起始位置和字段长度，将遥控器状态的变化规律与可变域字段的数值变化规律进行匹配，并通过数值分析得到可变域字段的数值与遥控器状态之间的映射关系，推测各可变域字段的语义。

5.根据权利要求2所述的通信协议提取方法，其特征在于，所述的芯片通信方式为SPI、I2C、CAN或USRT。