波束成形反馈帧注入的无人机状态感知防护方法

本发明属于无人机通信安全、无线感知安全与空地链路安全防护，涉及一种面向无人机空地无线链路中波束成形反馈信息被第三方射频感知系统利用时的主动防护方法，主要涉及了一种波束成形反馈帧注入的无人机状态感知防护方法。

背景技术：

1、随着低空经济、无人机巡检、物流投送、应急通信、园区安防和智慧城市监测等应用的发展，无人机需要在复杂低空环境中与地面站、接入点、中继节点或边缘计算节点保持稳定的无线通信。为了提高空地链路容量、覆盖范围和抗多径能力，支持正交频分复用、多输入多输出和波束赋形的无线链路逐渐被用于无人机任务数据、遥测数据和视频回传场景。

2、在波束赋形过程中，发送端通常发送训练字段或探测帧，接收端根据接收到的训练字段估计空地信道，并将压缩后的波束成形反馈信息反馈给发送端。该类波束成形反馈信息原本用于辅助波束选择、链路自适应和空间流调度，但其时间序列变化也与无人机的位置变化、速度、航向、姿态、升降、悬停、转弯以及接近目标区域等飞行动作密切相关。

3、由于部分波束成形反馈帧在实际系统中可被同一无线覆盖范围内的第三方设备被动监听，未授权射频感知方可以在不解密无人机业务载荷数据的情况下，仅根据bfi序列训练轨迹推断模型、任务阶段识别模型或飞行状态分类模型，从而推断无人机的起降点、巡检航线、敏感目标接近行为、任务阶段和关键区域活动。这类侧信道式轨迹感知会带来跟踪、拦截、干扰、诱骗和任务泄露等安全风险。

4、现有无人机通信安全方法主要关注业务数据加密、身份认证、抗干扰传输、跳频扩频或物理层保密等方面。上述方法虽然能够保护数据内容或提高链路抗干扰能力，但对于由波束成形反馈信息时序特征引发的轨迹和任务意图泄露，仍然缺乏针对性。直接关闭波束成形反馈、降低反馈频率或增加随机噪声会影响合法空地链路的自适应能力和可靠性；简单随机干扰缺少面向感知模型判别边界的设计，往往需要较高注入强度，且容易产生异常流量特征而被过滤。

5、因此，亟需一种面向无人机空地通信链路的主动反侦察防护方法，使合法无人机、地面站或授权防护设备能够在保持协议兼容、低通信开销和低链路影响的条件下，通过精确生成和发送少量保护性波束成形反馈帧，改变未授权感知方观测到的bfi时序特征，使其无法正确推断真实飞行轨迹或只能得到预设安全飞行类别。

技术实现思路

1、本发明正是针对现有无人机空地无线链路中的bfi序列可能被第三方监听并用于未授权飞行轨迹推断、任务阶段识别和敏感区域活动识别的问题，同时针对现有随机扰动防护效果不稳定、通用加密或协议改造部署成本高、降低反馈频率易影响合法飞控通信性能的问题，提供一种波束成形反馈帧注入的无人机状态感知防护方法，首先获取合法波束成形反馈信息bfi序列，构建防护参考样本库；根据无人机状态和条件确定飞行安全防护时窗，并划分为多个候选防护时隙；联合优化保护性bfi帧的注入时刻和帧内容，使未授权感知方观测到的bfi序列偏离真实飞行状态或真实航迹对应的判别区域，或被诱导至预设安全飞行类别；最后将优化得到的保护性bfi矩阵编码为保护性反馈帧，并在相应时隙发送。本发明能够通过少量协议兼容的保护性反馈帧对未授权无人机射频感知和轨迹推断结果施加对抗性影响，提高无人机飞行轨迹、任务状态和关键区域活动的安全防护能力。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：波束成形反馈帧注入的无人机状态感知防护方法，包括如下步骤：

3、s1、无人机空地链路bfi序列获取与飞行状态参考样本库构建：获取合法无人机与地面站、接入点或中继节点之间的波束成形反馈信息bfi序列，并对所述bfi序列进行解码、重构、时间对齐和归一化处理，得到与无人机飞行状态、航迹片段或任务阶段对应的防护参考样本库。

4、s2、飞行安全防护时窗与候选防护时隙划分：根据实时bfi流中的飞行状态起始变化或预设飞行安全防护触发条件确定飞行安全防护时窗，将所述飞行安全防护时窗划分为多个候选防护时隙；

5、s3、保护性注入优化问题建立：针对每个候选防护时隙设置注入选择变量和保护性帧内容参数，并建立由保护性帧内容参数到保护性bfi矩阵的生成映射、飞行安全防护损失函数、注入稀疏约束、局部统计偏差约束以及延迟鲁棒增强和多样本鲁棒增强；

6、s4、保护性注入策略联合优化求解：基于未授权感知模型或其替代模型，对步骤s3建立的保护性注入优化问题进行求解，联合确定保护性bfi帧的发送时刻和帧内容，使未授权感知模型对真实无人机飞行状态的识别结果发生非定向混淆或被诱导至预设安全类别；

7、s5、保护性反馈帧编码与合法注入：将优化得到的保护性bfi矩阵编码为符合空地无线链路波束成形反馈格式的保护性反馈帧，并由合法无人机、地面站或授权防护设备在所述候选防护时隙中发送所述保护性反馈帧，使未授权感知方接收到由真实bfi帧和保护性bfi帧共同构成的防护后bfi序列。

8、作为本发明的一种改进，所述步骤s1至少包括空口监听与bfi飞行状态序列重构：

9、授权防护设备监听空口波束成形反馈帧，并解析得到第个反馈帧在第个子载波上的量化反馈角度集合；所述量化反馈角度集合由合法站点无人机对第个子载波的信道矩阵执行奇异值分解、相位调整和givens旋转量化后得到：

10、

11、其中，为第个子载波的信道矩阵，和分别为左奇异矩阵和右奇异矩阵，为奇异值矩阵，为的共轭转置；

12、授权防护设备对进行反量化和逆givens旋转，重构得到对应的bfi矩阵：

13、

14、其中，表示由反馈角度到相位调整波束成形矩阵的重构映射；将同一反馈帧内各子载波的按索引拼接得到单帧bfi表示，并将连续多个按时间顺序排列，得到bfi无人机飞行状态观测序列。

15、作为本发明的一种改进，所述步骤s1中，记原始反馈帧到达时间戳为，在时间区间内构造个均匀采样时刻：

16、

17、其中，为第r个均匀采样时刻，为重采样后的目标帧数；若位于相邻时间戳和之间，即，则采用线性插值得到对应的均匀采样bfi帧：

18、

19、其中，为第个均匀采样时刻对应的bfi信息。由此得到时间均匀化后的bfi动作序列。

20、作为本发明的一种改进，所述步骤s1中，根据整个bfi序列的平均幅度对各bfi元素进行缩放，使不同采集条件下的bfi序列具有一致的幅度范围。

21、作为本发明的一种改进，所述步骤s2中，飞行安全防护时窗被划分为个候选防护时隙，每个候选防护时隙的中心时刻为；针对第个候选防护时隙，设置编码变量，其中为注入选择变量，为保护性帧内容参数。

22、作为本发明的另一种改进，所述步骤s3中，建立由保护性帧内容参数到保护性bfi矩阵的生成映射；所述生成映射具体为：

23、

24、其中，为第个候选防护时隙对应的保护性bfi矩阵，为从防护参考样本库中选取的参考bfi矩阵，为待优化的保护性帧内容参数，和分别为沿子载波维的快速傅里叶变换和逆快速傅里叶变换，为子载波数，为按列归一化操作；所述归一化使满足如下能量约束：

25、

26、其中，为发射天线数，为保护性bfi矩阵在第个发射天线和第个子载波处的元素。

27、作为本发明的另一种改进，所述步骤s3中，保护性注入优化问题的联合优化目标为：

28、

29、其中，为保护性注入策略，为未授权感知方观测到的防护后输入，为飞行安全防护损失，为保护性反馈帧数量，为保护性bfi帧与正常bfi序列之间的局部统计偏差，、和为非负权重系数；其中，所述局部统计偏差具体为：

30、

31、其中，为第个保护性bfi帧，和分别为该保护性bfi帧在时间上相邻的左侧真实bfi帧和右侧真实bfi帧，为frobenius范数。

32、作为本发明的又一种改进，所述步骤s3中还包括延迟鲁棒防护约束，将保护性注入序列延迟个单位的过程记为，对多个可能延迟单位下的未授权感知模型输出进行加权求和：

33、

34、其中，为第类的延迟增强输出分数，为最大延迟单位数，为第个延迟单位对应的权重且，为注入操作，为真实bfi序列，为未授权感知模型或替代模型对第类的输出分数；

35、所述步骤s3中还包括多样本适配机制，将不同无人机或不同环境下采集的多个bfi样本记为，并在所述延迟鲁棒防护约束的基础上，对多个bfi样本及其不同延迟情形下的未授权感知模型输出进行联合加权，得到多样本延迟增强输出分数：

36、

37、其中，为第类的多样本延迟增强输出分数，为参与多样本适配的bfi样本数量，为第个bfi无人机状态观测样本，为第个bfi样本的权重且。

38、基于增强输出分数定义飞行安全防护损失，飞行安全防护损失根据防护模式选取为：

39、

40、其中，用于与保护性注入优化问题中的注入稀疏约束和局部统计偏差约束联立，以共同确定保护性反馈帧的注入时刻和帧内容。

41、作为本发明的又一种改进，所述步骤s4中，采用增强粒子群优化算法epso对所述保护性注入优化问题进行联合求解，具体为：随机生成多个候选保护性注入策略作为初始粒子，每个粒子包括注入选择变量和保护性bfi帧内容参数；根据优化目标计算各粒子的适应度值，并依据粒子的历史最优策略和全局最优策略迭代更新粒子位置；针对注入选择变量的离散特性，引入概率翻转和粒子间交换的交叉变异操作，以提高混合离散-连续搜索空间的求解能力；当满足最大迭代次数、适应度收敛或飞行安全防护效果达到预设要求时，输出最优保护性注入策略。

42、作为本发明的更进一步改进，所述步骤s5中，根据最优保护性注入策略生成并发送保护性反馈帧；根据确定需要注入的候选防护时隙及对应的保护性bfi矩阵，对所述保护性bfi矩阵进行列归一化和givens旋转量化，得到波束成形反馈角度字段；将所述反馈角度字段封装为符合空地无线链路波束成形反馈格式的保护性反馈帧，并由合法无人机端、地面站端或空地链路接收端在对应候选防护时隙发送，使未授权感知方接收到防护后bfi序列。

43、与现有技术相比，本发明至少具有如下有益效果：

44、（1）本发明将防护对象从传统通信数据内容扩展到由bfi时序特征泄露的无人机飞行轨迹、飞行状态和任务阶段，提高了对侧信道式射频感知风险的防护能力；

45、（2）本发明不是简单随机噪声或强干扰，而是基于未授权感知模型或替代模型联合优化保护性bfi帧的注入时刻和帧内容，能够在少量注入条件下实现更强的轨迹混淆或安全类别诱导效果；

46、（3）本发明引入局部统计连续性约束以及注入帧数量约束，使保护性反馈帧在时序统计上更接近正常飞行链路反馈；

47、（4）本发明通过延迟鲁棒增强和多飞行样本鲁棒增强，提高了在无人机移动、环境多径变化、机型差异和任务阶段变化下的防护稳定性。