一种基于解析飞行日志文件的无人机飞行轨迹重构方法与流程

本发明涉及一种无人机领域，具体为一种基于解析飞行日志文件的无人机飞行轨迹重构方法。

背景技术：

无人机(umannedaerialvehicles，uav)即空中机器人，能够替代人类完成空中作业，可通过与成像设备等部件相结合扩展应用场景。近年来，无人机被广泛用于航拍、农林、安防、电力等领域。随着技术成熟、零配件成本降低，以多旋翼无人机为主的小型民用无人机市场成为热点。全球移动互联网第三方数据挖掘和分析机构iimediaresearch于2016年9月8日发布《2016年中国无人机行业研究报告》称2015年我国民用消费级无人机市场规模约为8亿元，预计2016年达到32亿元，2019年中国消费级无人机市场规模或将超过240亿元，未来市场容量十分可观。

随着民用无人机市场的扩张，窥探他人隐私、间谍、侵入国家要害部门、危害航空安全等恶意使用无人机的行为也进一步扩大。

与蓬勃发展的无人机市场相比，国内外无人机相关的立法尚不完善，监管措施滞后。以我国为例，目前航空领域唯一的法律是1995年颁布的《中华人民共和国民用航空法》，2009年中国民用航空局颁布行政法规《民用无人机空中交通管理办法》，2013年又相继颁布了《民用无人驾驶航空器系统驾驶员管理暂行规定》与《通用航空飞行任务审批与管理规定》，2016年颁布《轻小型无人机运行试行规定》等部门规章。当前我国涉及无人机的相关法律法规存在的问题集中体现为：缺乏高位阶立法、缺乏可操作性、管理规定碎片化、管理主体不明确等。由于民用无人机发展历程较短，世界各国目前都处于起步阶段，缺乏成功经验借鉴，因此无人机的执法与取证存在一定困难。

目前利用无人机进行犯罪的事件频发，不仅仅是白宫，在英国议会大厦及白金汉宫附近也发现被遗弃的无人机，媒体还报道称犯罪分子驾驶无人机向贝德福德监狱内运输毒品和刀具等违禁物品。无人机这一新技术带来的威胁还没有被充分认识，随着无人机技术的成熟和无人机功能的增强，其用途将会扩展到令人不可思议的地步。因此，定位无人机曾经飞行过的地点并重构它的飞行轨迹对无人机取证调查非常关键。

graeme对无人机取证分析进行了初步探索，认为目前无人机取证技术主要面临获取数据、重构飞行轨迹、分析无人机拍摄的媒体信息(照片或视频等)以及确定无人机的拥有者等四个方面的挑战。graeme在文献中指出，可以通过telnet或ftp连接的方式访问parrotbebop无人机上的数据，但他没有对无人机的飞行轨迹进行重构。grest建议通过立法强制在每个无人机飞行器上安装gps追踪器以便定位它们的位置，但他的建议很难被全球范围内采用，目前重构无人机飞行轨迹仍然需要通过分析不同型号的无人机存储的飞行数据来实现。

根据著名数据统计门户网站statista的报告，大疆、parrot和3drobotics是目前全球最大的三家无人机制造商。然而，大疆无人机的系统具有封闭性，用户只能通过usb接口访问其拍摄的多媒体信息，无法查看机身存储的飞行轨迹数据。大疆手机端控制软件djigo记录了飞行器的飞行数据，但从手机app中获取数据属于手机取证的范畴，不在本发明讨论的范围内。此外，当非法航拍被发现时，犯罪嫌疑人往往会选择仅把无人机遗弃在现场而不是将无人机连同控制它的手机一起丢弃。因此，考虑无人机系统的开放特性及品牌受欢迎程度等原因，我们选择parrotminidrones无人机作为飞行轨迹重构实验的对象。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于解析飞行日志文件的无人机飞行轨迹重构方法，通过提取无人机中存储的飞行日志文件，分析该日志文件的存储结构，解析并提取其中的地理位置信息，重构飞行轨迹。我们将重构出的飞行轨迹存储为kml格式的文件加载到谷歌地图中，把提取到的轨迹点映射为地理坐标，以期向调查人员提供更直观的展示结果。

本发明采用的技术方案如下：一种基于解析飞行日志文件的无人机飞行轨迹重构方法，其特征在于方法步骤如下：

(1)选择一款选择parrotminidrones无人机，用户通过在手机、平板电脑或其相关设备中安装parrotfreeflightapp控制其飞行；

(2)数据提取，用户通过telnet、ftp及mini-usb接口三种方式访问无人机中存储的数据；选取其中mini-usb连接线把minidrones连接到电脑，读取到一个名为airborne_cargo的目录，该目录下包含三个子目录academy、media和thumb，media目录下保存的是用户使用无人机拍摄的多媒体文件，thumb目录下保存的是media中多媒体文件的缩略图；academy目录下保存了一些.pud文件，这些.pud文件的格式是parrot公司定义的，parrotminidrones飞行时都会创建一个对应的.pud文件，这些文件记录了无人机的飞行轨迹数据；

(3)parrotminidrones通过.pud文件记录飞行轨迹，这些.pud文件的文件名包含了某次飞行开始的日期和时间信息；

具体为：使用hexedit查看.pud文件的内容，文件头部包含一串json格式的元信息，记录了无人机飞行时间、无人机序列号、无人机控制器型号及控制软件，元信息中最重要的一个字段是details_headers，它描述了除元信息以外的无人机飞行数据在.pud文件中的组织方式；按照details_headers提供的数据存储模板解析.pud文件的数据，提取无人机所处的经度、纬度以及高度信息，重构它的飞行轨迹；

(4)轨迹重构；parrotminidrones使用.pud文件记录飞行数据，每个.pud文件分为头部元信息区和飞行数据区；头部元信息区记录了包含details_headers字段在内的一些属性；飞行数据区包含了多次采样得到的轨迹数据，它们按照details_headers描述的格式存储；为了更直观地显示轨迹点，把.pud文件中存储的轨迹信息转换为能被地图软件识别的格式；提取到的轨迹数据被转储为kml格式的文件；

(5)在读取parrotminidrones存储的.pud文件后，先依照json格式解析头部元信息区域，提取飞行时间、无人机序列号、控制无人机飞行的设备及details_headers字段信息；然后，识别details_headers字段中描述的飞行数据存储模板；最后，再根据识别到的模板解析飞行数据区，提取轨迹点；

(6)提取到的飞行轨迹存储为kml格式加载到谷歌地图中进行展示。

本发明所述的谷歌地图或是用任何能识别kml文件的地图软件也可。

本发明的设计原理为：首先介绍无人机数据提取及分析领域的相关工作，接着阐述重构无人机飞行轨迹的方法，最后将该方法应用于parrotminidrones无人机中存储的飞行数据，重构飞行轨迹，展示实验结果并得出结论。

本发明的优点是：针对目前无人机“黑飞事件”频发，但对其进行调查取证较为困难这一问题，提出基于解析飞行日志文件的无人机飞行轨迹重构方法。该方法从无人机中提取飞行日志文件，根据该文件的头部元信息提取到飞行时间、控制无人机的设备、无人机序列号等；再通过分析头部元信息相关字段描述的飞行数据存储模板，解析飞行数据区的内容。最后，把提取到的轨迹点转化为kml格式，加载到二维地图软件中显示，为调查人员提供更直观的结果。以真实的parrotminidrones无人机为对象进行的飞行轨迹重构实验证明了方法的有效性。此外，由于.pud文件是parrot公司自定义的飞行日志格式，因此提出的方法同样可应用于parrotjumpingnight、bebop2等其他型号的parrot无人机。

附图说明

图1为本发明的parrotminidrones无人机示意图。

图2为本发明的通过mini-usb接口读取parrotminidrones目录结构示意图。

图3为本发明的academy目录下存储的.pud文件示意图。

图4为本发明的.pud文件的头部元信息示意图。

图5为本发明的一个.pud文件的存储结构示意图。

图6为本发明的轨迹重构算法的流程示意图。

图7为本发明的对.pud文件的解析结果示意图。

图8为本发明的转储为kml格式的轨迹数据示意图。

图9为本发明的kml文件导入到谷歌地图后映射出的无人机飞行路径示意图。

具体实施方式

本发明的具体方案为：

(1)parrotminidrones是parrot的一款入门级无人机，重量约55g，充满电后可续航时间为8分钟，售价约700元人民币。用户通过在手机、平板电脑等设备中安装parrotfreeflightapp控制其飞行。parrotminidrones无人机如图1所示。

(2)parrot无人机系统是开放的，用户可以通过telnet、ftp及mini-usb接口等三种方式访问无人机中存储的数据。在本发明中，我们使用mini-usb连接线把minidrones连接到电脑，读取到一个名为airborne_cargo的目录，该目录下包含三个子目录academy、media和thumb，如图2所示。经分析发现，media目录下保存的是用户使用无人机拍摄的多媒体文件，thumb目录下保存的是media中多媒体文件的缩略图。academy目录下保存了一些.pud文件，这些.pud文件的格式是parrot公司定义的，parrotminidrones每次飞行都会创建一个对应的.pud文件，这些文件记录了无人机的飞行轨迹数据，是我们需要重点分析的对象。图3展示了academy目录下存储的部分.pud文件，.pud文件是parrot无人机用来记录飞行数据的，是本方法的数据来源。

(3)parrotminidrones通过.pud文件记录飞行轨迹，这些.pud文件的文件名包含了某次飞行开始的日期和时间信息。例如：0909_2016-04-12t191618+0000_21640a.pud的文件名记录了无人机的某次飞行开始时刻为2016年4月12日19时16分18秒。

使用hexedit查看.pud文件的内容，能够发现文件头部包含一串json格式的元信息，记录了无人机飞行时间、无人机序列号、无人机控制器型号及控制软件等，这些.pud文件的头部元信息格式如图4所示。元信息中最重要的一个字段是details_headers，它描述了除元信息以外的无人机飞行数据在.pud文件中的组织方式，表1展现了details_headers字段。在一次飞行中，parrotminidrones会对轨迹进行多次采样，并把采样到的轨迹数据按照detaiis_headers描述的格式和长度存储到.pud文件中。因此，我们可以按照details_headers提供的数据存储模板解析.pud文件的数据，提取无人机所处的经度、纬度以及高度等信息，重构它的飞行轨迹。

(4)parrotminidrones使用.pud文件记录飞行数据，每个.pud文件分为头部元信息区和飞行数据区。头部元信息区记录了包含details_headers字段在内的一些属性；飞行数据区包含了多次采样得到的轨迹数据，它们按照details_headers描述的格式存储。图5是一个.pud文件的存储结构示意图。

为了更直观地显示轨迹点，我们需要把.pud文件中存储的轨迹信息转换为能被地图软件识别的格式。在本发明中，提取到的轨迹数据被转储为kml(keyholemarkuplanguage)格式的文件。kml是开放地理空间信息联盟(opengeospatialconsortium，ogc)支持的一种国际标准，它基于xml标注来描述地理位置信息，能够被谷歌地图、奥维互动地图浏览器等web应用加载。

我们的轨迹重构方法在读取parrotminidrones存储的.pud文件后，先依照json格式解析头部元信息区域，提取飞行时间、无人机序列号、控制无人机飞行的设备及details_headers等字段信息；然后，识别details_headers字段中描述的飞行数据存储模板；最后，再根据识别到的模板解析飞行数据区，提取轨迹点。轨迹重构算法的流程如图6所示。

表1details_headers字段信息

(5)为验证本发明提出的无人机飞行轨迹重构方法的有效性，我们以macosx为平台，采用python语言解析parrotminidrones的飞行日志文件，并将提取到的飞行轨迹存储为kml格式加载到谷歌地图中进行展示。

在本实验中，我们提取parrotminidrones中存储的飞行日志文件，按照.pud文件的格式分别解析它的头部元信息及飞行数据。实验结果显示我们的方法成功提取到了无人机的飞行时间(2016年04月12日19时16分18秒)、序列号(pi040351af5l092588)、用户控制无人机飞行的设备(ipad)及应用程序(freeflight3)等；轨迹数据则被写入到一个kml格式的文件中。对.pud文件的解析结果如图7所示。

(6)为了向调查人员提供更加直观的结果，我们把轨迹数据中的地理位置信息转储为kml格式，再将该kml文件导入到谷歌地图中展现无人机飞行过的轨迹。图8展示了kml格式的轨迹数据，其中每行记录的三个数值分别对应该轨迹点的经度、纬度及飞行高度。图9展示了将该kml文件导入到谷歌地图后映射出的无人机飞行路径。

结论：民用无人机市场规模的高速增长带来了无人机滥用的问题，“黑飞”事件频频见诸报端。与此相对的却是国内外民用无人机立法规制不够完善，相关法律法规仍不健全，无人机取证调查技术研究鲜少的现状。介绍目前无人机调查取证技术的研究现状，并提出通过提取无人机中存储的飞行日志文件，分析该日志文件的存储结构并重构无人机飞行轨迹的方法。以parrotminidrones无人机为例的飞行轨迹重构实验结果验证了方法的有效性。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。