izvestswsuИзвестия Юго-Западного государственного университетаProceedings of the Southwest State University2223-15602686-6757ЮЗГУ10.21869/2223-1560-2024-28-2-92-113izvestswsu-1265Research ArticleИнформатика, вычислительная техника и управлениеComputer science, computer engineering and IT managmentОценка уязвимости протоколов обмена данными БПЛА для обеспечения повышения стабильности работы в нагруженных режимахVulnerability assessment of UAV data exchange protocols to ensure increased stability of operation in loaded modesЧерныйС. Г.ChernyS. G.

Черный Сергей Григорьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электрооборудование судов и эксплуатации производства, профессор кафедры КОИБ

ул. Орджоникидзе, д. 82, г. Керчь 298309

ул. Двинская, д. 5/7, г. Санкт-Петербург 198035

Sergey G. Cherny, Cand. of Sci. (Engineering), Associate Professor of Electrical Equipment of Ships and Production Operation Department, Professor of the Department of COIB

82 Ordzhonikidze str., Kerch 298309, Republic of Crimea

5/7 Dvinskaya str., St. Petersburg 198035

sergiiblack@gmail.comЗонтоваТ. В.ZontovaT. V.

Зонтова Татьяна Владимировна, доктор технических наук, профессор кафедры боевого применения радиотехнических средств

ул. Дыбенко, д. 1а, г. Севастополь 299028

Tatyana V. Zontova, Dr. of Sci. (Engineering), Professor of the of Combat Use of Radio-Technical Mean Department

1a, Dybenko str., Sevastopol 299028

zontova_tatyana@mail.ruШапаренкоН. В.ShаparenkoN. V.

Шапаренко Никита Витальевич, студент

ул. Двинская, д. 5/7, г. Санкт-Петербург 198035

Nikita V. Shаparenko, Student

5/7 Dvinskaya str., St. Petersburg 198035

nikita4shap@gmail.comКерченский государственный морской технологический университет; Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. МакароваKerch State Marine Technological University; State University of Marine and River Fleet named after admiral S.O. MakarovЧерноморское высшее военно-морское училище имени П.С. НахимоваBlack Sea Higher Naval School named after P.S. NakhimovГосударственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. МакароваState University of Marine and River Fleet named after admiral S.O. Makarov20242806202428292113Copyright © Черный С.Г., Зонтова Т.В., Шапаренко Н.В., 20242024Черный С.Г., Зонтова Т.В., Шапаренко Н.В.Cherny S.G., Zontova T.V., Shаparenko N.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://izvestswsu.elpub.ru/jour/article/view/1265Цель работы

Цель работы. В настоящее время активно растёт интерес к использованию дронов в различных сферах. Причины связаны с непрерывным ростом технологий, с появлением быстрых микропроцессоров, которые обеспечивают автономное управление несколькими системами связи. Мониторинг, строительство, контроль и слежение – лишь некоторые из областей, в которых использование БПЛА становится обычным явлением. Цель работы заключается в изучении работы нагруженности протоколов обмена информации на различных уровнях взаимодействия и предложить варианты повышения надежности взаимодействия на основе гибридных технологий. Задачами исследования является детализация протоколов обмена данными в БПЛА на различных уровнях, с учетом анализа структуры передаваемой информации и гибридной модели.

Методы

Методы. В статье рассматриваются протоколы, задействованные в работе БПЛА на разных уровнях, их особенности, преимущества и недостатки, а также их сбои восстановление связи. Использование реалистичных технологических особенностей беспилотных летательных аппаратов для тестирования моделей и методов может оказаться весьма актуальным для практических целей в различных отраслях от гражданских до военных.

Результаты

Результаты. В статье представлена детализация протоколов связи и обмена данными, которые используются в системах БПЛА, а также их производительность.

Заключение

Заключение. Для качественной оценки влияния на безопасность информации, предлагается ввести гибридные модели компоненты, которые динамически адаптируют протоколы обмена данными на основе анализа угроз в режиме работы в реальном времени и возможностей системы. Рациональное использование энергии имеет решающее значение для осуществления эффективного и безопасного процесса работы БПЛА. Затронуты и рассмотрены вопросы защищенности канала передачи загруженности протокола с позиции затрат энергетических ресурсов.

Purpose of research

Purpose of research. Currently, interest in the use of drones in various fields is actively growing. The reasons are related to the continuous growth of technology, with the advent of fast microprocessors that provide autonomous control of multiple communication systems. Monitoring, construction, control and surveillance are just some of the areas in which the use of UAVs is becoming commonplace. The purpose of the work is to study the work of loaded information exchange protocols at various levels of interaction and to propose options for increasing the reliability of interaction based on hybrid technologies. The article provides details of the communication and data exchange protocols used in UAV systems, as well as their performance.

Methods

Methods. The article discusses the protocols involved in the operation of UAVs at different levels, their features, advantages and disadvantages, as well as their failures to restore communication. Using realistic technological features of unmanned aerial vehicles to test models and methods can be very relevant for practical purposes in various industries from civil to military.

Results

Results.The objectives of the study are to detail the data exchange protocols in UAVs at various levels, taking into account the analysis of the structure of the transmitted information and the hybrid model.

Conclusion

Conclusion. To qualitatively assess the impact on information security, it is proposed to introduce hybrid models of components that dynamically adapt data exchange protocols based on real-time threat analysis and system capabilities. Efficient use of energy is critical to efficient and safe UAV operation. The issues of security of the transmission channel of the protocol load from the point of view of the cost of energy resources are touched upon and considered.

БПЛАпротоколуязвимостьреальное времяугрозаинформационная безопасностьзагруженность протоколовUAVprotocolvulnerabilityreal timethreatinformation securityprotocol loadThe authors declare the absence of obvious and potential conflicts of interest related to the publication of this articleReferencesЧерный С. Г., Шипаренко Н., Чупаков М. Оценка нагруженности протоколов обмена данными для БПЛА на базе интеллектуальных компонентов // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2023. Т. 27, №3. С. 128-151. https://doi.org/ 10.21869/2223-1560-2023-27-3-128-151.Cherny S. G., Shiparenko N., Chupakov M. Assessment of Data Exchange Protocol Workload in Uavs on Intelligent Components. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University. 2023; 27(3): 128-151 (In Russ.). https://doi.org/10.21869/2223-1560-2023-27-3-128-151Аблец А. А., Стребков А. Н., Завгородняя Е. В. Опыт создания роя БПЛА в вооруженных силах иностранных государств // Военная мысль. 2022. № 6. С. 137-146. EDN ISYTIR.Ablec A. A., Strebkov A. N., Zavgorodnjaja E. V. Opyt sozdanija roja BPLA v vooruzhennyh silah inostrannyh gosudarstv [The experience of creating a swarm of UAVs in the armed forces of foreign states]. Voennaja mysl', 2022; (6): 137-146. (In Russ.).EDN ISYTIR.Пенской И. С., Рогозин О. В. Нейро-нечеткий ПИД-регулятор в задаче угловой стабилизации мультироторного БПЛА // Новые информационные технологии в автоматизированных системах. 2018. № 21. С. 320-327. EDN XNRSJV.Penskoj I. S., Rogozin O. V. Neuro-fuzzy PID controller in the problem of angular stabilization of a multirotor UAV. Novye informacionnye tehnologii v avtomatizirovannyh sistemah = New information technologies in automated systems, 2018; (2): 320-327. (In Russ.). EDN XNRSJV.Актуальные вопросы управления группой БПЛА / И. Н. Балашенко, Н. А. Горыня, А. С. Гунько, В. И. Никонов // Динамика систем, механизмов и машин. 2022. Т. 10, № 1. С. 14-17. https://doi.org/10.25206/2310-9793-2022-10-1-14-17. EDN XHEHPM.Balashenko I. N., Gorynja N. A., Gun'ko A. S., Nikonov V. I. Topical issues of UAV group management. Dinamika sistem, mehanizmov i mashin = Dynamics of systems, Mechanisms and Machined. 2022; 10 (1): 14-17. (In Russ.). https://doi.org/ 10.25206/2310-9793-2022-10-1-14-17. EDN XHEHPM.Подоплекин Ю. Ф., Толмачев С. Г., Шаров С. Н. Информационно-управляющая система приведения беспилотных летательных аппаратов на движущееся судно // Информационно-управляющие системы. 2012. № 3(58). С. 22-28. EDN OYIGWZ.Podoplekin Ju. F., Tolmachev S. G., Sharov S. N. Information and control system for bringing unmanned aerial vehicles to a moving vessel. Informacionno-upravljajushhie sistemy = Information and Control Systems. 2012; (3):22-28. (In Russ.). EDN OYIGWZ.Силкин А. А., Ивановский А. Н., Черный С. Г. Автоматизированная система управления БПЛА в пределах локальной системы позиционирования // Состояние и перспективы развития современной науки по направлению "Робототехника": cборник статей IV Всероссийской научно-технической конференции, Анапа, 20–21 июля 2022 года. Анапа: Федеральное государственное автономное учреждение "Военный инновационный технополис "ЭРА", 2022. С. 224-235. EDN WTLPIU.Silkin A. A., Ivanovskij A. N., Chernyj S. G. Automated UAV control system within the local positioning system. In: Sostojanie i perspektivy razvitija sovremennoj nauki po napravleniju "Robototehnika". Sbornik statej IV Vserossijskoj nauchno-tehnicheskoj konferencii = The state and prospects of development of modern science in the field of Robotics: Collection of articles of the IV All-Russian Scientific and Technical Conference. Anapa: Voennyj innovacionnyj tehnopolis "JeRA"; 2022. P. 224-235. (In Russ.). EDN WTLPIU.Michels M., Wever H., Musshoff O. ‘Drones take flight in forests: Uncovering the ‘tree’-mendous potential and ‘timber’-rific challenges for German forest managers by applying the technology acceptance model’ // Forest Policy and Economics, 2023, № 157. P. 103077. https://doi.org/10.1016/j.forpol.2023.103077.Michels M., Wever H., Musshoff O. Drones take flight in forests: Uncovering the ‘tree’-mendous potential and ‘timber’-rific challenges for German forest managers by applying the technology acceptance model. Forest Policy and Economics. 2023; (157): 103077. https://doi.org/10.1016/j.forpol.2023.103077.Zhu Z., Jeelani I., Gheisari M. ‘Physical risk assessment of drone integration in construction using 4D simulation’ // Automation in Construction. 2023. № 156. P. 105099. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2023.105099.Zhu Z., Jeelani I., Gheisari M. Physical risk assessment of drone integration in construction using 4D simulation. Automation in Construction. 2023; (156): 105099. https://doi.org/10.1016/j.autcon.2023.105099.Garg V. et al. ‘Drones in last-mile delivery: A systematic review on efficiency, accessibility, and Sustainability’ // Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2023. № 123. P. 103831. https://doi.org/10.1016/j.trd.2023.103831.Garg V. et al. Drones in last-mile delivery: A systematic review on efficiency, accessibility, and Sustainability. Transportation Research Part D: Transport and Environment. 2023; (123): 103831. https://doi.org/10.1016/j.trd.2023.103831.Кутахов В. П., Мещеряков Р. В. Управление групповым поведением беспилотных летательных аппаратов: постановка задачи применения технологий искусственного интеллекта // Проблемы управления. 2022. № 1. С. 67-74. https://doi.org/10.25728/ pu.2022.1.5. EDN JLXUXI.Kutahov V. P., Meshherjakov R. V. Management of group behavior of unmanned aerial vehicles: setting the task of applying artificial intelligence technologies. Problemy upravlenija = Problems of Management. 2022; (1): 67-74. (In Russ.). https://doi.org/10.25728/pu.2022.1.5. EDN JLXUXI.Мещеряков Р. В., Илюхин Б. В. Обзор соревновательной робототехники. Состязания спортивных роботов // Робототехника и техническая кибернетика. 2022. Т. 10, № 4. С. 255-260. https://doi.org/10.31776/RTCJ.10402. EDN ISXMEV.Meshherjakov R. V., Iljuhin B. V. Review of competitive robotics. Combinations of sports robots. Robototehnika i tehnicheskaja kibernetika =Robotics and Technical Cybernetics. 2022; 10 (4): 255-260. https://doi.org/10.31776/RTCJ.10402. (In Russ.).EDN ISXMEV.Емельянов С.Г., Бобырь М. В., Бондаренко Б. А. Нечетко-логическая система распознавания цвета с помощью быстродействующего дефаззификатора // Известия Юго-Западного государственного университета. 2022. Т.26, № 4. С. 103-116. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2022-26-4-103-116.Emelianov S. G., Bobyr M. V., Bondarenko B. A. Fuzzy-logic Color Recognition System Using a Fast Defuzzifier. Izvestiya Yugo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University. 2022; 26(4): 103-116 (In Russ.). https://doi.org/10.21869/2223-1560-2022-26-4-103-116.Емельянов С. Г., Бобырь М. В., Крюков А. Г. Исследование свойств алгоритма поиска в ширину для нахождения маршрута передвижения роботов // Известия ЮгоЗападного государственного университета. 2022. Т.26, №4. С. 39-56. https://doi.org/10.21869/2223-1560-2022-26-4-39-56.Emelianov S. G., Bobyr M. V., Kryukov A. G. Research of the Properties of the Breadth-First Search Algorithm for Finding the Movement Route of Robots. Izvestiya YugoZapadnogo gosudarstvennogo universiteta = Proceedings of the Southwest State University. 2022; 26(4): 39-56 (In Russ.). https://doi.org/10.21869/2223-1560-2022-26-4-39-56.Alwateer M., Loke S. W., Fernando N. Enabling drone services: Drone crowdsourcing and drone scripting // IEEE Access. 2019. Vol. 7. P. 110035-110049. https:// doi.org/10.1109/ACCESS.2019.2933234. EDN ICGTGY.Alwateer M., Loke S. W., Fernando N. Enabling drone services: Drone crowdsourcing and drone scripting. IEEE Access. 2019: (7): 110035-110049. https://doi.org/ 10.1109/ACCESS.2019.2933234. EDN ICGTGY.Hassija V., Saxena V., Chamola V. Scheduling drone charging for multi-drone network based on consensus time-stamp and game theory // Computer Communications. 2020. Vol. 149. P. 51-61. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2019.09.021. EDN WAIQEY.Hassija V., Saxena V., Chamola V. Scheduling drone charging for multi-drone network based on consensus time-stamp and game theory. Computer Communications. 2020; 149:51-61. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2019.09.021. EDN WAIQEY.Hu J., Lanzon A. An innovative tri-rotor drone and associated distributed aerial drone swarm control // Robotics and Autonomous Systems. 2018. Vol. 103. P. 162-174. https://doi.org/10.1016/j.robot.2018.02.019. EDN MEFVVB.Hu J., Lanzon A. An innovative tri-rotor drone and associated distributed aerial drone swarm control. Robotics and Autonomous Systems. 2018; 103: 162-174. https://doi.org/10.1016/j.robot.2018.02.019. EDN MEFVVB.Kim H., Chang W. Intuitive Drone Control using Motion Matching between a Controller and a Drone // Archives of Design Research. 2022. Vol. 35, no. 1. P. 93-113. https://doi.org/ 10.15187/adr.2022.02.35.1.93. EDN RTZJES. 18. Cocoma-Ortega J. A., Martinez-Carranza J. A compact CNN approach for drone localisation in autonomous drone racing // Journal of Real-Time Image Processing. 2022. Vol. 19, no. 1. P. 73-86. https://doi.org/10.1007/s11554-021-01162-3. EDN CFYATS.Kim H., Chang W. Intuitive Drone Control using Motion Matching between a Controller and a Dron. Archives of Design Research. 2022; 35 (1): 93-113. https://doi.org/10.15187/adr.2022.02.35.1.93. EDN RTZJES.An Optimization Approach to Minimize the Expected Loss of Demand Considering Drone Failures in Drone Delivery Scheduling / M. Torabbeigi, G. J. Lim, N. Ahmadian, S. J. Kim // Journal of Intelligent and Robotic Systems. 2021. Vol. 102, no. 1. https://doi.org/10.1007/s10846-021-01370-w. EDN RBLKPP.Cocoma-Ortega J. A., Martinez-Carranza J. A compact CNN approach for drone localisation in autonomous drone racing. Journal of Real-Time Image Processing. 2022; 19 (1): 73-86. https://doi.org/ 10.1007/s11554-021-01162-3. EDN CFYATS.Noise Attenuation on IMU Measurement for Drone Balance by Sensor Fusion / M. L. Hoang, M. Carratu, V. Paciello, A. Pietrosanto // Conference Record - IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference, Virtual, Glasgow, 17–20 May 2021 года. Virtual, Glasgow, 2021. P. 9460041. https://doi.org/10.1109/I2MTC50364.2021. 9460041. EDN HYQCOI.Torabbeigi M., Lim G. J., Ahmadian N., Kim S. J. An Optimization Approach to Minimize the Expected Loss of Demand Considering Drone Failures in Drone Delivery Scheduling. Journal of Intelligent and Robotic Systems. 2021; 102 (1). https://doi.org/10.1007/s10846-021-01370-w. EDN RBLKPP.Hoang M. L., Carratu M., Paciello V., Pietrosanto A. Noise Attenuation on IMU Measurement for Drone Balance by Sensor Fusion. Conference Record - IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. Virtual, Glasgow, 2021. 9460041 p. https://doi.org/10.1109/I2MTC50364.2021.9460041. EDN HYQCOI.Hoang M. L., Carratu M., Paciello V., Pietrosanto A. Noise Attenuation on IMU Measurement for Drone Balance by Sensor Fusion. Conference Record - IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference. Virtual, Glasgow, 2021. 9460041 p. https://doi.org/10.1109/I2MTC50364.2021.9460041. EDN HYQCOI.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.