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导语：或许很快，天空中就将出现一队队无人机来投送快递了。但是，除了容易被弹弓（在中国）或者猎枪（在美国）轰下天来外，无人机还存在很多安全漏洞，用一些简单的技术就能轻易劫持它们。正常操控无人机需要三个主要通信连接：GPS卫星传入的导航信号；告知其他飞机无人机行踪的一种或多种信号；还有操控无人机的地面控制人员与无人机间的双向连接信号。这三个连接信号中，任何一个被破坏，都将导致无人机被“劫持”。 无人机的“魅力” 美国联邦航空管理局（Federal Aviation Administration，FAA）估计，到2020年，将有超过10 000架无人机飞翔在美国的空中航线上。或许很快，无人机将开始参与搜寻救援、作物喷粉、电力线路巡查、科学研究以及其他各种各样的任务。 无人机的优势显而易见：不需要飞行员，所以也不需要配备驾驶舱以及容纳机组人员和乘客的客舱，无人机能为商业飞行活动节省大量开支。例如，租用有人驾驶飞机来进行一次输电线路检测的开销，都够电力公司购置一整套无人机系统了，公司可以用它在接下来的许多年里完成同样的工作。无人机的“魅力”同样吸引了一些美国最大的公司的注意。例如，美国联邦快递（FedEX）的创始人兼CEO弗雷德里克·W·史密斯（Frederick W. Smith）就已经提到，计划使用无人机来替换公司现有的包裹运送机队。 甚至连美国国会都开始认识到，商用无人机时代必将到来。2012年2月，美国国会通过了《2012年度美国联邦航空管理局现代化及改革法案》，指示美国联邦航空管理局起草“一个综合规划方案，在保证安全的前提下，加速美国国内无人机系统整合入全国空管系统的步伐”，并于2015年之前完成。 不幸的是，对于监管这些从本质来说属于遥控机器人的无人机，美国联邦航空管理局看来很难及时做好准备了。无人机的广泛应用令航空管理局的职责范围扩大，超越了其传统角色（例如确保两架波音737保持彼此之间的距离，或应对糟糕的天气变化）。虽然在9·11之后，航空管理局的职责扩展地相当多，甚至包括了飞机安全问题（例如，负责监督加强型驾驶舱门的安装），但未来成群的无人机在空中穿梭的情景，还是给目前准备不足的航空管理局，带来了更复杂的安全挑战。
无人机的操纵原理 在这些挑战中，最艰巨的任务是确保无人机的无线连接。为了操控无人机爬升、下降、倾斜或者前进，需要三个主要通信连接：GPS卫星传入的导航信号；告知其他飞机无人机行踪的一种或多种信号；还有操控无人机的地面控制人员与无人机间的双向连接信号。这三个连接信号中，任何一个被破坏都会导致灾难。而且在某些情况下，没有能够保障这些连接安全的有效技术手段。 在无人机的导航系统中，GPS是关键，同时还有惯性制导传感器、磁力仪、高度计、甚至摄像机等辅助设备。GPS接收器在导航系统中占主要地位，与其他设备不同，它能在各种天气条件下保证定位的准确性。
“脆弱”的民用GPS 与军用GPS不同，民用版本是自由接入、非加密的。民用GPS非常流行，能够连续不断地为智能手机和运动手表等设备传送信号，但没有任何验证方式，这是一个很危险的漏洞。伪造的GPS信号能轻易地取代真实信号——这一过程被称为“电子欺骗”（spoofing）。 至少在10年前，人们就已经认识到“电子欺骗”的危险性了，美国交通部在2001年的一份报告中就以文件的形式证明了“电子欺骗”的威胁。但政策制定者和GPS生产商基本上都忽视了那份报告中的警告，直到最近才有所关注。原因可能是真正发生攻击的可能性很小，不足以引起重视。不过，要通过技术手段来修补这个漏洞并不容易。利用“加密水印”（cryptographic watermarking，一种用于识别信号的来源，并确认其信息内容的安全数字签名）来保护GPS信号的技术，还需要很多年的时间才能投入使用；而那些可以早点投入使用的非加密技术，其有效性还有待证明。 对于依赖GPS导航的无人机来说，“电子欺骗”并不是它们面临的唯一威胁。阻止无人机接收导航信号也出人意料的容易。GPS信号到达地球表面附近时，已经十分微弱了，其通量密度（衡量信号强度的量值）至多相当于22 000千米外的一个50瓦电灯泡传来的光线。干扰设备可在GPS信号使用的无线电波段中制造噪音来搞破坏。几乎任何的现代电子系统，甚至普通笔记本电脑，都能向附近的GPS接收器发送噪音，无意中就会对GPS信号造成干扰。 专门设计用于干扰的设备，能以更加有效的方式扰乱无人机的导航系统。2012年5月，韩国的一部Camcopter S-100型侦察无人机（重150千克，由西贝尔公司研制）失去控制，最后坠毁于地面控制站内，导致一名工程师死亡，两名操控员受伤。在引起这起灾难的一连串因素中，韩国的GPS受到干扰的可能性最大，当然韩国的无人机操控员也犯了一些错误。 这一事件表明，要想保证无人机安全地飞翔在我们头顶上空，能够抵抗电子欺骗和干扰问题的安全导航系统，是至关重要的。
如何避免无人机碰撞事故？ 无人机有可能在空中与其他飞机相撞，这让无人机更加难以被人们认可。在传统飞机上，飞行员利用目测和雷达来查看附近是否有其他飞机并避免相撞。然而，要想让无人机达到这种常规水平的警觉性，还有一段很长的路要走。美国审计总署（Government Accountability Office）在2012年的一份报告中指出：“现在还没有什么合适的技术，可以使无人机具备感知及避让其他飞机或空中物体的能力，”以符合美国联邦航空管理局的规定。 要想使无人机具备避让其他飞机的能力，将是一个非常大的挑战，因为无人机空间狭小，根本无法装载现有的那些非常笨重且高能耗的机载雷达系统。可见光及红外线摄相机是一个廉价且合理有效的替代方式，可惜它们无法穿透云层。 最终，无人机可能会借助“广播式自动相关监视”（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）技术。ADS-B收发器每秒都会发布关于本机位置和速度的信息，并从附近的飞机那里接收类似信息。到2020年，作为全面改革空中交通系统的一部分，美国联邦航空管理局将要求所有具备飞行执照的飞机，无论大小，必须装备ADS-B收发器。只要附近有飞机，无论有人还是无人驾驶，都会通过ADS-B收发器发布自身的位置和速度信息，这样就能协助飞机寻找安全航线，避免相撞。 不过，就像民用GPS一样，ADS-B也有一个致命弱点：其信号传输是未经验证的，因此可以伪造。与有人驾驶飞机相比，虚假ADS-B信息对小型无人机的影响更大。在有人机上，飞行员能够利用机载雷达，迅速地验证是否真的要与其他飞机相撞，但无人机缺乏类似的技术。 美国联邦航空管理局希望，利用多点定位（multilateration）技术来应对虚假ADS-B信息的威胁。这种技术是通过测量传输信号抵达多个地面接收站的时间，从而确定传输源的方位，并将信息反馈给空中的飞机。然而，可靠的多点定位技术依赖于某种非常精确的、可替代GPS的系统，而这种系统的价格，目前还非常高。
“失去联络”怎么办？ 无人机与操控员之间的连接信号是一种被称为“命令—控制”式的无线电连接，无人机完全受这条看不见的无线绳缆控制。乍一看来，无线电连接似乎比GPS或ADS-B安全隐患少一些，因为这些信号有现成的安全通信协议，应该足以抵御电子欺骗设备和其他恶意攻击行为。 然而，这种信号仍可被阻拦。蓄意干扰或者持续故障都可能导致无人机失去控制（用专家的话叫“失连”），对此还没有令人满意的解决方法。通常，操控员会给为无人机设置一个“失连”协议（例如，如果无线电连接中断超过30秒，就会指示飞机返回基地），但这类协议能够生效的基础是，无人机的导航和控制系统都正常工作。然而问题是，导航系统本身就易遭到劫持；控制系统也有可能由于软件故障而失灵。 监管人员面临的另一个难题是，是否能够找到一个无线电波段，专门用于“命令—控制”信号的传输。由于无线电波段资源不足，许多无人机将不得不使用不受保护的波段来传送指令，而这些波段已经用于其他种类的无线电传输。大量合法占用这些波段的电子系统，在发射信号时会造成无意干扰，很容易影响到无人机。 结语：无人机技术广泛应用还存在很多技术和法规上的问题，美国国会听证会上那些立法者忧虑的论调，都可能会使无人机应用的步伐减慢，但却无法阻止。在考虑无人机的安全问题时，也需要将目光放长远一些。长久以来，无人机拥有的弱点，在机长、驾驶员齐全的航空世界里同样存在。飞机仍有可能遭到劫持，飞行员被胁迫，通信连接也可能中断。但我们坚持飞行，不是因为我们对风险一无所知，而是其便捷性远远超过这些风险，对于无人机，我们也会做出同样的妥协让步。
（本文作者：凯尔 · 韦森（Kyle Wesson）?托德 · 汉弗莱斯（Todd Humphreys） 译者：王栋，编者有删改） |
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