一种无人机非法拍摄的感知定位系统及方法与流程

1.本发明属于无人机安全技术领域，具体涉及一种无人机非法拍摄的感知和定位系统及方法。


背景技术：

2.随着无人机技术的发展和普及，无人机被应用到了生活的方方面面，诸如环境监测、视频拍摄、地形测绘、农药喷洒、快递派送、灾后救援等等。与此同时，无人机在隐私安全领域带来的安全问题也逐渐引起了人们的注意。无人机偷拍行为不论对民众的个人隐私安全，还是国家安全都会带来严峻的挑战。无人机技术进一步向民用外溢，无人机产业步入普及化时代，这种威胁将会被更一步放大。因此，亟需一种高效的手段来反制无人机偷拍。
3.目前，海内外学者在反制无人机方面提出了很多方法，为保障人民群众隐私安全和国家安全做出了巨大贡献，主要包括禁飞区政策和反制技术两方面，反制技术又可以分为探测类技术和对抗类技术，探测类技术主要包括无线电探测技术、雷达、声阵列等等，对抗类技术主要包括致盲激光和无线电干扰技术。然而，目前存在的反制无人机的方法都存在一些不足之处，主要是以下几个方面的问题：
4.(1)需要高昂的硬件设备，如电磁干扰机、雷达、致盲激光、声阵列等；
5.(2)无法区分无人机和其他飞行物，如雷达探测到的无人机和飞鸟的信号类似；
6.(3)会对周围的环境产生不良影响，如致盲激光会引起光污染，无线电干扰会影响其他移动电子设备的使用；
7.(4)无法判断无人机是否在合法使用，如无人机正在派送快递，上述方法将会干扰无人机的正常作业。
8.为了解决上述问题，基于流量分析的检测定位方法应运而生，并且受到了学术界和工业界越来越多的关注。这种方法基于无线局域网传输和视频编码的基本原理，在被监视对象上添加物理水印，然后监听无人机和控制台之间的网络流量，进行相关的流量分析。如果在网络流量中检测出水印，就可以认为无人机正在监视对象，反之，无人机则在合法使用。这种方法不会造成高昂的硬件开销，也不会对周围的环境产生过多不良影响，且可以准确判断无人机是否正在合法使用。通过合理使用物理水印，并且能够达到定位无人机的目的。同时，该方法能够有效地探测到无人机的非法拍摄行为，同时能与现有的对抗类技术进行有机结合，更加有效地对无人机进行反制。


技术实现要素：

9.鉴于以上提及的传统无人机反制方案的弊端，以及考虑到无人机反制方案中辨别无人机使用目的的需求，同时达到降低无人机反制方案硬件开销的目的，本发明基于流量分析的方法，提供了一种硬件开销低的无人机非法拍摄的感知定位系统及方法。
10.本发明的系统所采用的技术方案是：一种无人机非法拍摄的感知定位系统，包括基于可移动嵌入式设备的信息处理模块、基于单片机的水印生成模块、可信环境下的蓝牙
通信模块；
11.所述基于可移动嵌入式设备的信息处理模块，用于无人机的无线局域网内的网络流量侦听、网络流量聚合获得比特率信号、提取并且分析比特率信号特征；该过程中将网络侦听和流量分析的任务集中在一台可移动嵌入式设备上，有效降低了硬件开销。
12.所述基于单片机的水印生成模块，接收信息处理模块的控制信号，根据信息处理模块的控制信号来确定闪烁的开启、关闭、频率和方式，用于控制水印机以特定的频率生成物理刺激，作为水印信号添加到无人机的网络信号中；该过程中无人机如果在进行非法拍摄，视频流量就会存在水印，否则就不会存在水印，通过水印能够有效判断无人机的拍摄目的。
13.所述可信环境下的蓝牙通信模块，用于在用户端和信息处理模块之间进行信息传递，该过程中主要使用了加密算法，该过程中用户端和信息处理模块之间的通信全部采用了加密算法，并且利用了蓝牙协议中的跳频机制来有效防止监听，能够有效防止消息伪造和中间人攻击等恶意行为。
14.本发明的方法所采用的技术方案是：一种无人机非法拍摄的感知定位方法，包括以步骤：
15.步骤1：网络流量侦听；
16.信息处理模块开启网卡的混淆模式，随后将借助开源软件工具获取附近无线接入点的信息，最后将根据无线接入点相关信息来判断该接入点是否是可移动设备；
17.步骤2：网络流量聚合获得比特率信号；
18.信息处理模块将会根据网卡监听到的数据包到达时间和数据包字节数来将数据包聚合成网络流量的比特率信号，网卡监听到的数据包到达时间往往是纳秒级，通过将相近的数据包进行合并，能够得到网络流量毫秒级的比特率信号；
19.步骤3：提取并且分析比特率信号特征，判断无人机是否存在非法拍摄行为，及确定无人机在空间中的方位；
20.具体实现包括以下子步骤：
21.步骤3.1：当信息处理模块获得网络流量的比特率信号之后，首先对比特率信号进行快速傅里叶变换，观察信号在各个频率上的强度分量，根据其分量强度的分布特征来区分无人机和其他可疑设备；
22.步骤3.2：如果感知到附近存在无人机，信息处理模块向水印机发送信号，令水印机开启，使之产生特定频率的物理刺激；
23.步骤3.3：水印机开启之后，信息处理模块再次获取无人机网络流量的比特率信号，并且通过快速傅里叶变换再次获得信号在各个频率上的强度分布特征，根据信号特征来判断无人机是否存在非法拍摄行为；
24.步骤3.4：基于单片机的水印生成模块，接收信息处理模块的控制信号，根据信息处理模块的控制信号来确定闪烁的开启、关闭、频率和方式；如果发现无人机存在非法拍摄行为，则控制水印机生成两种不同频率的物理刺激作为水印添加到无人机的网络流量中，根据两种物理刺激的频率上信号强度的强弱关系，确定无人机在空间中的方位。
25.本发明相比现有技术，其优点和积极效果主要体现在以下几个方面：
26.(1)本发明首次提出了无人机非法拍摄的感知与定位系统，通过对无人机的流量
分析和水印检测能够有效识别无人机的拍摄意图；
27.(2)本发明提出了一种基于快速傅里叶变换的流量特征分类算法，主要使用快速傅里叶变换，获得信号的频域特征，能够快速甄别无人机的拍摄意图；
28.(3)本发明建立了流量特征与无人机方位的关系模型，利用机器学习回归模型拟合流量特征和无人机方位的关系，大大提升了模型准确性和自适应性。
附图说明
29.图1为本发明实施例的系统整体框架图。
具体实施方式
30.为了便于本领域普遍技术人员的理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作为进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
31.请见图1，本发明提供的一种无人机非法拍摄的感知和定位系统，包括基于可移动嵌入式设备的信息处理模块、基于单片机的水印生成模块、可信环境下的蓝牙通信模块；基于可移动嵌入式设备的信息处理模块用于无线局域网内的网络流量侦听、网络流量聚合获得比特率信号、提取并且分析比特率信号特征，该过程中将网络侦听和流量分析的任务集中在一台可移动嵌入式设备上，有效降低了硬件开销。基于单片机的水印生成模块用于控制水印机以特定的频率生成物理刺激，作为水印信号添加到无人机的网络信号中，该过程中无人机如果在进行非法拍摄，视频流量就会存在水印，否则就不会存在水印，通过水印能够有效判断无人机的拍摄目的。可信环境下的蓝牙通信模块用于在用户端和信息处理模块之间进行信息传递，该过程中主要使用了加密算法，该过程中用户端和信息处理模块之间的通信全部采用了加密算法，并且利用了蓝牙协议中的跳频机制来有效防止监听，能够有效防止消息伪造和中间人攻击等恶意行为。
32.本发明提供的一种无人机非法拍摄的感知和定位方法，具体过程包括以下步骤：
33.步骤1：网络流量侦听；
34.网络流量侦听阶段，包括开启网卡混淆模式，探测无线接入点信息，移动设备判断等步骤。首先信息处理模块会开启网卡的混淆模式monitor mode，随后将借助开源软件工具获取附近无线接入点ap的信息，最后将根据无线接入点ap相关信息来判断该接入点是否是可移动设备。
35.步骤1.1：信息处理模块首先会开启无线网卡的混淆模式monitor mode，使用软件方法改变无线网卡的状态，随后无线网卡会将所有接收到的数据包递交给上层；
36.步骤1.2：上层软件会根据到达数据包报头的各项信息来探测附近存在的无线接入点ap，包括获取无线接入点的mac地址macaddress，所在信道channel，接收信号强度rssi等等信息；
37.步骤1.3：随后信息处理模块会根据无线接入点的接受信号强度rssi来判断该无线接入点ap是否是移动设备，类似无人机、手机等移动无线接入点ap的信号强度是在不断变化的，而类似wi
‑
fi等无线接入点的信号强度是不变的。
38.步骤2：网络流量聚合获得比特率信号；
39.在这一阶段信息处理模块将会根据数据包到达时间arrivaltime和数据包字节数bytes来将数据包聚合成网络流量的比特率信号bitrate，网卡监听到的数据包packets到达时间往往是纳秒级，通过将相近的数据包进行合并bitrate[i]＝∑
j
packets[j]，能够得到网络流量毫秒级的比特率信号。
[0040]
步骤2.1：信息处理模块发现附近移动无线接入点ap后，会开始获取该接入点内的数据包packet，并且得到数据包的到达时间arrivaltime和数据包的字节数bytes信息；
[0041]
步骤2.2：信息处理模块会确定数据聚合的采样率samplingrate，根据采样率来将相邻的数据包一一合并bitrate[i]＝∑
j
packets[j]，将数据包的字节数大小bitratebytes[i]＝∑
j
packetsbytes[j]一一相加，就获得了网络流量的比特率信号bitrate。
[0042]
步骤3：提取并且分析比特率信号特征，判断无人机是否存在非法拍摄行为，及确定无人机在空间中的大致方位；
[0043]
本实施例提取并分析比特率信号特征阶段包括三个部分：首先，会直接对无人机的比特率信号bitrate进行快速傅里叶变换fft，获得网络流量幅值最大的分量频率frequency，通过频率特征来区分无人机和其他可疑设备；随后，根据水印的频率强度来检测无人机网络流量是否在该频率上存在较强的分量magnitude来判断无人机是否存在非法拍摄行为；最后会通过左右两侧、上下两侧以不同的频率闪烁，来向无人机添加两种不同的水印，根据两种水印的强弱关系，确定无人机在空间中的大致方位。
[0044]
步骤3.1：当信息处理模块获得网络流量的比特率信号bitrate之后，会首先对比特率信号进行快速傅里叶变换fft，观察信号在各个频率frequency上的强度magnitude分量，根据其分量强度的分布特征来感知空间中的无人机；
[0045]
步骤3.2：如果感知到附近存在无人机，信息处理模块会向水印机发送信号，令水印机开启，使之产生特定频率的物理刺激；
[0046]
步骤3.3：当水印机开启之后，再次获取无人机网络流量的比特率信号bitrate，并且通过快速傅里叶变换fft再次获得信号在各个频率frequency上的强度分布特征，根据信号特征来判断无人机是否存在非法拍摄行为；
[0047]
步骤3.4：基于单片机的水印生成模块，接收信息处理模块的控制信号，根据信息处理模块的控制信号来确定闪烁的开启、关闭、频率和方式；如果发现无人机存在非法拍摄行为，则控制水印机生成两种不同频率frequency的物理刺激作为水印添加到无人机的网络流量中，根据两种物理刺激的频率frequency上信号强度magnitude的强弱关系，可以大致确定无人机在空间中的方位；
[0048]
本实施例在系统启动时，水印生成模块会先保持闪烁关闭状态，并且持续等待信息处理模块的控制信号；接收到信息处理模块的开启信号之后，水印生成模块就会开启闪烁，并且根据信号的不同来决定采用单频闪烁还是双频闪烁。
[0049]
其中单频闪烁，水印生成模块会通过gpio接口控制所有led灯珠以一个统一的频率frequency进行闪烁；当接收到信息处理模块的开启单频闪烁信号时，进入单频闪烁状态，在该状态中的第一个阶段，水印生成模块保持闪烁关闭；在水印生成模块保持关闭一段时间后，水印生成模块会开启一定频率闪烁相同的一段时间，此时灯板上所有的led灯珠会以同一个频率frequency闪烁。
[0050]
其中双频闪烁，水印生成模块会通过gpio接口控制左右两侧或是上下两侧的led灯珠以互斥的频率frequency闪烁。当水印生成模块接收到信息处理模块开启双频闪烁模式的信号时，进入双频闪烁模式，在该状态的第一个阶段，水印生成模块会令左右两侧的led灯珠以互斥的频率frequency闪烁一段时间，这会将两种不同的水印添加到无人机的网络流量中；左右闪烁阶段结束后，会进入上下闪烁阶段，水印生成模块会令上下两侧的led灯珠以互斥的频率frequency闪烁相同的一段时间，这同样会将两种不同的水印添加到无人机的网络流量中；如果接收到了信息处理模块的停止闪烁指令，就停止生成物理刺激，停止生成水印。
[0051]
当水印生成模块接收到信息处理模块的关闭信号之后，就会停止闪烁。
[0052]
步骤3.5：最后，将无人机感知和定位的结果通过可信环境下的蓝牙通讯模块呈递给用户；
[0053]
步骤3.5的具体实现过程包括以下步骤：
[0054]
步骤3.5.1：创建连接；蓝牙设备会周期性地广播数据帧，包含自己的蓝牙地址bleaddress、设备名称deviceaddress等信息，根据这些信息就能与其他的蓝牙设备建立连接；
[0055]
步骤3.5.1.1：连接创建，主设备根据从设备广播的蓝牙地址和设备名称去进行设备发现page，发送hci_create_connection命令，同时选择指定的从设备进行连接；
[0056]
步骤3.5.1.2：特征信息交换，选择指定的从设备进行连接之后，链路管理层将会交换双方controller的特征信息fratures。
[0057]
步骤3.5.2：连接请求，蓝牙设备根据其他设备的信息主动发送连接请求request，包含了一系列角色交换roleswitch，跳频交换afh，配对pairing、认证authentication和加密encryption；
[0058]
步骤3.5.2.1：请求发送，主设备的链路管理层lm发送连接请求lmp_host_connection_req给从设备，从设备的链路管理层lm将会确认请求，从设备有可能接受，也有可能拒绝；
[0059]
步骤3.5.2.2：角色交换，这里会根据从设备的不同反应来进行不同的操作，远程设备有可能拒绝连接，连接将会被终止；远程设备也可能接受连接，并且将自己置为从设备；远程设备也可能接受连接，并且请求自己为主设备master；
[0060]
步骤3.5.2.3：跳频交换，主设备将会向远程设备发送自适应跳频码afh，当该码被远程设备确认后，主设备将会发送lmp_set_afh和lmp_channel_classification_req请求，双方的通信将跳频传输，这能够有效抵抗被监听的风险；
[0061]
步骤3.5.2.4：授权加密，设备之间将会首先根据连接密钥link key或者身份识别码pin来进行授权，授权通过后双方会开始协商公钥public key，公钥协商完成之后，就可以开始进行加密连接。
[0062]
其中加密算法优先采用elgamal加密算法，认证算法优先采用sha
‑
256。
[0063]
步骤3.5.3：建立连接，经过c2连接请求之后，设备之间就建立了一条可信环境下的蓝牙通信模块；
[0064]
步骤3.5.3.1：建立连接，双方设备的连接管理层都会向上层报告连接完成事件lmp_setup_complete，上层在接到连接完成事件之后将开始进行数据传输。
[0065]
步骤3.5.3.2：数据传输，双方设备开始进行数据传输，数据传输的过程中将会采用非对称算法加密，同时将根据自适应跳频码不断进行跳频传输。
[0066]
步骤3.5.4：断开连接，主设备或从设备向对方发送断开蓝牙连接请求，随后双方解除连接。
[0067]
本发明能够提供：
[0068]
(1)感知功能：通过获取附近无线局域网ap接入点的信息，同允许用户设定的白名单，快速筛选出可疑移动接入点，并且对可疑接入点的流量进行侦听，利用快速傅里叶变换提取流量在特定频率上的分量特征来判断附近是否存在移动拍摄设备，感知周围是否存在无人机。
[0069]
(2)检测功能：通过开启水印机并以某种特定的频率进行闪烁，同时持续监听无人机流量，使用快速傅里叶变换来对流量进行特征提取和分析，根据特征提取的结果来判断无人机的拍摄内容，进一步确定无人机是否存在非法拍摄行为。
[0070]
(3)定位功能：通过控制水印机的左右部分和上下部分生成不同的频率物理刺激，观察无人机流量在这些频率上的流量特征，利用定位模型进行方位的判断；同时，利用机器学习拟合流量频域特征和无人机空间位置的关系，将无人机的位置信息呈献给用户。
[0071]
本发明能够在居民楼、写字楼外墙、私家车等许多民用领域，以及军队设施、部队车辆、元首府邸、元首座驾等军用场景下，快递发现并且有效反制无人机的非法拍摄行为，为使用者提供可靠、安全的隐私保护。
[0072]
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。