【精彩论文】基于FPGA的电力巡线无人机硬件加密通信方法

Original 中国电力中国电力 2023-12-18

戳蓝字“中国电力期刊”关注我们哦！

罗昊，苏盛

长沙理工大学

杨浩

国网江西省电力有限公司电力科学研究院

引文信息

罗昊, 苏盛, 杨浩, 等. 基于FPGA的电力巡线无人机硬件加密通信方法[J]. 中国电力, 2019, 52(7): 11-16.

LUO Hao, SU Sheng, YANG Hao, et al. FPGA-Based hardware encryption of power line patrol drones[J]. Electric Power, 2019, 52(7): 11-16.

研究背景

输电线路跨越荒郊野外，定期进行线路巡检是保障电网安全的重要基础。采用无人机进行输电线路巡查，不但提高了输电线路运维的效率和质量，还可降低劳动强度和成本，保障巡线作业人员人身安全。作为针对特定行业应用的专业级无人机，一方面，配置有完整巡线装备的无人机系统价格可能超过10万元，遭劫持或失控可能直接导致较大的经济损失；另一方面，无人机携带设备从高空失控跌落，将危及周边行人的人身安全。电力巡线无人机作为行业应用专业设备，因价格和内部存储机密信息等因素，不但更容易成为网络攻击的目标对象，同时也放大了遭遇攻击后的损失程度。

论文所解决的问题及意义

目前电力部门采用的电力巡检无人机无线通信主要依赖跳频通信机制予以防护，攻击方可监听单频点获取跳频序列进行破解，夺取无人机控制权。因此本文首先分析了巡线无人机遥控器的跳频通信机制安全缺陷，然后结合无人机巡线中的业务场景讨论了对遥控通信安全保障的要求，参考智能电表对称加密通信方式，提出并设计了在无人机端及遥控器端均采用硬件加/解密的方案，并进行了实时性测试。

论文重点内容

对巡线无人机通信机制及其安全缺陷、通信构成进行了合理分析；针对专业级巡线无人机作业场景下的安全防护需求，提出了基于FPGA的硬件加密通信与认证防护方法，并介绍了相应的实现方式，仿真结果表明，32字节的飞行控制指令数据包分解成2组各16字节，分别加密耗时410ns，能满足对实时性有严格要求的无人机飞行控制应用场景下的网络安全防护需求。

研究结论

针对消费级无人机无线遥控通信链路的跳频通信机制易遭攻击破解、安全防护等级有限的问题，提出了基于对称硬件加密的安全防护方法。该方法在遥控终端侧采用FPGA对飞行控制指令进行硬件加密，在无人机侧则采用ESAM芯片进行硬件解密，每次起飞前可通过配对获得无人机ESAM芯片对应密钥，并设置FPGA进行基于该对称密钥的加密，保障专业级巡线无人机的安全。

主要作者介绍

第一作者：罗昊（1994—），男，硕士研究生，从事电力无人机巡检研究。

E-mail：1017470004@qq.com。

第二作者：苏盛（1975—），男，博士，教授，从事电力系统网络安全防护、电力系统大数据应用、大停电风险分析研究。

E-mail：eessheng@163.com。

团队介绍

长沙理工大学苏盛教授团队主要围绕电力系统的新型应用与网络安全为题及气候变化对电力系统的影响、电力大数据挖掘等领域展开研究。围绕上述工作，获得国家技术发明二等奖、湖南省技术发明一等奖、湖北省技术发明一等奖和湖北省优秀博士学位论文等科研奖励，参与包括国家重点基础研究计划项目、国家自然科学基金重点项目、省杰出青年基金、国家电网公司、南方电网公司、湖南省科技重大专项项目等课题。

往期回顾

◀《中国电力》2020年第5期目录

◀【精彩论文】基于电力客户评估的差异化电价套餐研究

◀【精彩论文】基于随机矩阵和历史场景匹配的配电网无功优化

◀【精彩论文】欧盟火电厂二氧化碳排放在线监测系统质量保证体系对中国的启示

◀【精彩论文】促进新能源消纳的综合能源系统日前市场出清优化

◀【征稿启事】“能源安全新战略路径设计与规划推演关键技术”专栏征稿启事

◀【征稿启事】“电能质量及其治理技术”专栏征稿启事

◀【征稿启事】“电力信息通信新技术在能源互联网中的研究与应用”专题征稿启事

◀【征稿启事】“先进计算与人工智能技术”专题征稿启事

编辑：杨彪

审核：许晓艳