在灾害救援、野外巡检等复杂任务中，无人机往往需要跨区域协同作业。但当多个无人机群组进入通信受限区域，无法连接地面可信机构时，如何完成身份认证、群组融合以及后续安全管理，成为无人机集群应用中的关键问题。

本期阿木实验室万元奖学金论文分享，关注安徽大学甘嫚婷同学参与的研究工作。该论文已被 《IEEE Transactions on Mobile Computing》录用，并凭借优秀研究成果获得阿木实验室校园奖学金一等奖：10000元奖金。

论文提出了一种面向离线环境的无人机群分布式管理方案，使无人机群在缺少中心机构在线支持的情况下，仍能够完成自主融合与证书更新。

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研究背景

无人机已广泛应用于遥感测绘、道路巡检、应急救援等任务。但单机受续航、作业半径和机载算力限制，很难独立覆盖复杂、大范围任务。多架无人机组成群组后，可以通过分布式协同分摊任务、共享感知与计算资源，提升系统的作业效率、鲁棒性和可靠性。

当任务范围继续扩大，不同移动基站管理的无人机群组还需要动态汇合：完成一片区域后，与另一批无人机共享资源、拼接作业范围，再继续向更远区域推进。问题在于，这类任务往往发生在山区、灾区等通信受限环境，群组很可能已经脱离地面可信机构的覆盖范围。

图1 无人机群组融合场景

现有方案技术痛点

现有无人机群组管理方案大致可分为中心化、区块链和多中心三类。它们各有价值，但面对“可信机构离线、群组持续变化”的场景，通常会暴露出四个难点：

• 在线依赖强：群组融合、身份认证或证书更新需要可信机构持续参与；一旦超出通信覆盖范围，流程就可能中断。

• 融合不够灵活：有的方案要求新成员重新向中心申请证书，有的依赖区块链记录身份，还有的依赖簇头节点，难以支持多个群组自主、连续融合。

• 证书难持续更新：群组成员发生变化后，旧证书与新群组身份关系不再完全匹配；若仍依赖中心计算和分发，离线状态下就无法完成更新。

• 资源开销不友好：区块链运维、复杂密码运算或专用防篡改硬件，会增加机载计算、存储与部署成本。

该研究聚焦一个明确目标：当可信机构（TA）无法在线时，仍让多个无人机群组完成安全融合，并让融合后的成员自主更新证书。为此，作者以移动主动秘密共享（MPSS）为核心，构建了一套分布式、轻量化的群组管理方案。

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研究亮点

该研究首次将移动主动秘密共享（MPSS）技术应用于TA离线场景下的无人机群组安全管理，结合门限签名技术构建分布式自主管理架构，减少对可信机构、地面基站的实时依赖。

无中心自主群组融合技术

初始化注册阶段仍由可信机构（TA）和移动基站（MS）参与；进入任务区后，群组认证、密钥更新与融合由无人机节点共同完成。可以把MPSS理解为：系统把关键秘密拆成多份，由不同无人机分别持有；群组融合时，节点交换并更新各自的“秘密份额”，在不恢复完整秘密的前提下生成新群组所需的密钥关系。融合前，门限签名用于批量确认成员身份；只有达到设定数量的合法成员共同参与，认证才成立，从而降低非法节点混入的风险。整个架构不设固定簇头，避免把系统可靠性压在单一节点上。

图2 无人机群组融合系统模型

轻量级证书自更新机制

群组融合后，无人机利用新生成的子密钥更新身份证书，无需等待中心机构重新计算或分发。更新过程主要由模乘、哈希等轻量操作构成，适合机载算力受限的设备。与此同时，方案利用证书链的信任传递关系，把“TA认证移动基站—移动基站认证无人机”的既有信任延续到新群组中，保证证书来源可验证、身份关系可追溯。

高容错、高安全的加密架构

方案采用(t,n)门限签名机制：n个成员中，只要至少t个合法成员参与，就能完成集体签名；因此最多可容忍n-t个节点损坏或失联，而不影响认证、融合和证书更新。论文还在随机预言模型下给出形式化安全分析，并讨论了冒充、篡改和中间人等常见攻击，说明其设计目标不仅是“能融合”，还包括“可验证地安全融合”。动态更新密钥份额也意味着，历史份额泄露不会直接等同于后续会话密钥失守。

多群组连续融合适配能力

融合后的新群组会形成统一的群组公钥。后续再与第三个、第四个群组对接时，可以继续沿用同一套认证与份额更新流程，无需回到可信机构重新注册。对大范围、分阶段执行的任务而言，这种“边执行、边融合”的能力比一次性组网更贴近真实作业需求。

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实验测试

该研究在真实无人机平台与PC仿真环境中实现并测试方案，从计算开销、通信开销和安全属性三个角度验证其可行性。

实验环境与参数配置

硬件环境

无人机端采用阿木实验室P600科研无人机，搭载NVIDIA Carmel 1.4 GHz ARM处理器，运行Ubuntu 18.04；可信机构仿真端采用Intel Core i7-11700处理器、16 GB内存和Windows 10。真实机载平台的引入，使测试更接近资源受限的工程环境。

图3 阿木实验室 Prometheus 600 无人机

加密参数：

实验采用BLS12381椭圆曲线、SHA-384哈希函数和AES对称加密，并基于Miracl Core密码库实现相关密码学运算。

计算开销实验结果

随着群组规模扩大，各阶段的计算开销呈现出不同增长趋势：

• 组内密钥协商、跨组密钥协商和证书更新的计算开销近似线性增长，整体较平缓。

• 群组融合阶段需要多节点交换并重组密钥份额，计算开销随成员数量呈二次增长，是整体成本的主要来源。

• 方案不需要可信机构或地面控制单元在线承担融合运算；计算由无人机节点分布式完成，换来的是离线自主性和更少的中心依赖。与论文选取的相关方案相比，该方案在计算效率和安全功能覆盖上表现出优势。

图4 本方案各阶段计算开销

通信开销实验结果

组内跨组密钥协商阶段的通信开销相对固定，证书更新阶段不需要额外数据交互，通信开销为0。群组融合需要在节点之间传输加密后的密钥份额，因此通信量会随群组规模呈二次增长。

这也是分布式方案需要正视的代价：摆脱中心节点，并不意味着没有成本，而是把成本转移到群组内部交互。论文认为，5G/B5G等高速通信能力可以降低传输时延，但对于更大规模群组，如何进一步减少份额交互仍是值得继续优化的问题。

图4 本方案各阶段通信开销

安全性能验证

• 形式化安全证明：基于随机预言模型与椭圆曲线离散对数难题（ECDLP）完成严格证明，方案可有效抵抗签名伪造攻击，在多项式时间内无攻击者可破解密钥、伪造合法身份。

• 安全属性对比：相较于主流方案，本文方案同时满足双向认证、无中心在线依赖、公平性、高容错、多群组适配、自主融合、证书自更新等全部安全特性，且无需TPD硬件支持，安全功能最全、场景适配性最强。

• 抗攻击能力：可有效抵御无人机冒充攻击、报文篡改攻击、中间人攻击，哈希机制保障消息完整性，阈值签名机制保障身份合法性，全方位覆盖无人机群组通信安全风险。

该研究的核心意义是在“可信机构离线”这一约束下，仍能把身份认证、群组融合和证书更新串成一条可运行的闭环。实验表明，其计算效率具有竞争力；同时也清楚显示，群组规模越大，融合阶段的计算与通信成本越需要优化。

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应用场景

该方案聚焦无中心、离线、动态场景，适配各类无人机群组远距离、大范围、无地面通信保障的协同作业场景，以下三类场景最具代表性：

灾害应急救援

地震、洪水、山体滑坡等灾害可能破坏地面基站和管控中心。来自不同区域、不同批次的救援无人机可以在现场自主认证与融合，持续执行搜救、物资投送和环境监测任务。

远距离野外巡检

在电力线路、油气管道、边境安防和山林防火等超视距任务中，无人机群组会频繁进出地面通信覆盖。方案可支持多个巡检群组在途中合并，并自主完成身份与证书更新，减少因回连中心造成的任务中断。

复杂空域协同作业

在城市测绘、大范围气象监测等动态任务中，不同批次无人机需要根据任务进度重组。连续融合能力可以帮助系统适应拓扑变化，在扩大协作范围的同时维持身份可信和通信安全。

资源速递

论文题目：

Distributed and Autonomous Group Management Supporting Group Fusion for UAVs

论文链接：

https://ieeexplore.ieee.org/document/11397563

发表期刊：

IEEE Transactions on Mobile Computing
DOI：10.1109/TMC.2026.3665690

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