MAVLink是一种应用于无人机（UAV）与地面站（GCS）之间的轻量级通信协议，它定义了一组包括UAV状态和GCS控制命令的UAV与GCS交互的双向消息。针对MAVLink协议缺乏足够的安全机制，存在可能导致严重威胁和隐患的安全漏洞的问题，提出了一种基于MAVLink协议的UAV系统安全通信方案。首先，UAV持续交替广播连接请求。然后，GCS向UAV发送公钥，双方利用DH算法进行密钥协商计算出共享密钥，并使用AES算法对MAVLink消息包进行加密通信，完成身份认证；若UAV在规定时间内未收到GCS发送的公钥或对MAVLink消息包解密错误则主动断开连接，更新公钥后重新广播连接请求。另外，针对UAV系统存在被恶意篡改的安全问题，在启动引导时对UAV系统固件进行了自校验。最后，基于形式化验证工具UPPAAL证明了所提方案具有活性、可连接性以及连接唯一性，并对UAV PX4 1.6.0与GCSQgroundControl3.5.0的通信过程进行抓包测试。结果表明，所提的UAV系统安全通信方案能够防止在UAV与GCS通信过程中存在的恶意窃听、篡改消息、中间人攻击等恶意攻击，并且对UAV性能影响较小，较好地解决了MAVLink协议存在的安全漏洞。