ADS—B地面站抗欺騙系統(tǒng)研究

摘 要：隨著新一代監(jiān)視手段ADS-B系統(tǒng)的不斷發(fā)展，ADS-B系統(tǒng)存在的應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)日益突出，特別是ADS-B應(yīng)答信息安全問題，影響ATC對(duì)ADS-B系統(tǒng)信任，關(guān)系A(chǔ)DS-B系統(tǒng)可用與否。因此，在這種應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)下，亟需提出有效的方案以解決存在的問題，降低應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：ADS-B；應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)；信息安全

針對(duì)ADS-B信息安全方面的問題，不少學(xué)者已提出一些經(jīng)典的ADS-B信息抗欺騙對(duì)策。文章在介紹這些對(duì)策并分析其優(yōu)缺點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從其中對(duì)策之一的ADS-B數(shù)據(jù)獨(dú)立校驗(yàn)和確認(rèn)技術(shù)入手，提出ADS-B地面站抗欺騙系統(tǒng)信息處理方案，討論了該抗欺騙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，詳述了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和工作流程。最后，討論地面站抗欺騙系統(tǒng)的核心技術(shù)，引出作為該系統(tǒng)技術(shù)支撐的單脈沖DOA估計(jì)方法。

1 系統(tǒng)核心技術(shù)介紹

地面站抗欺騙系統(tǒng)是根據(jù)對(duì)目標(biāo)發(fā)送ADS-B信息進(jìn)行DOA估計(jì)而定位目標(biāo)，再與其報(bào)文位置信息對(duì)比，獲知信息的真?zhèn)?，從而?shí)現(xiàn)對(duì)抗應(yīng)答信息的欺騙。從對(duì)系統(tǒng)的分析了解，該系統(tǒng)工作的目的是ADS-B報(bào)文真?zhèn)闻袆e，而其技術(shù)支撐是單脈沖DOA估計(jì)。

2 ADS-B信息抗欺騙經(jīng)典對(duì)策

針對(duì)ADS-B系統(tǒng)存在的風(fēng)險(xiǎn)，特別是ADS-B信息安全方面的問題。對(duì)此，一些學(xué)者提出了以下幾種保障ADS-B信息安全性，以提高ADS-B系統(tǒng)可靠性和保安性的方案。

2.1 建立備份系統(tǒng)

其一，二次雷達(dá)備份系統(tǒng)。

其二，慣性導(dǎo)航備份系統(tǒng)。

其三，多點(diǎn)定位監(jiān)視備份系統(tǒng)。

2.2 ADS-B信息安全管理和數(shù)據(jù)加密傳輸技術(shù)

針對(duì)ADS-B通信方式的安全性不足和特殊包機(jī)活動(dòng)等要求，相關(guān)專家學(xué)者提出，建立ADS-B用戶信息管理體系和ADS-B數(shù)據(jù)安全傳輸系統(tǒng)的方法。但是，這種方式適合我國(guó)航班需要提前申請(qǐng)的飛行活動(dòng)，而不適合國(guó)外普遍采用的低空目視飛行等通用航空飛行，也不符合國(guó)際上提出的自由飛行的理念。

2.3 ADS-B數(shù)據(jù)獨(dú)立校驗(yàn)和確認(rèn)技術(shù)

二次雷達(dá)等備份系統(tǒng)是對(duì)數(shù)據(jù)源的非獨(dú)立校驗(yàn)，但當(dāng)ADS-B作為唯一的監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)，為了確保信息的安全完整有效，必須對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立校驗(yàn)。

一般地，對(duì)于ADS-B報(bào)文的意圖信息的有效性驗(yàn)證可以分為幾何相符驗(yàn)證和目的相符驗(yàn)證兩部分。利用關(guān)聯(lián)函數(shù)來求出飛機(jī)運(yùn)動(dòng)與廣播意圖的關(guān)聯(lián)度，幾何相符驗(yàn)證的是飛機(jī)在轉(zhuǎn)彎點(diǎn)之間的飛行是否符合所需導(dǎo)航性能；目的相符驗(yàn)證飛行員是否按照廣播意圖飛行，將飛機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分解為水平航跡、垂直航跡，得到各自對(duì)于目的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)應(yīng)向量的關(guān)聯(lián)度，然后建立最初目的模型，計(jì)算基于RNP要求的確定性因子來評(píng)估ADS-B意圖信息的完整性。

有學(xué)者提出利用卡爾曼濾波器對(duì)ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法，將飛機(jī)的ADS-B數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成描述飛機(jī)連續(xù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的信號(hào)，進(jìn)而驗(yàn)證飛機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)。該方案是將經(jīng)過預(yù)處理的信號(hào)輸入卡爾曼濾波器，估計(jì)出飛機(jī)當(dāng)前飛行狀態(tài)，該估計(jì)結(jié)果與歷史數(shù)據(jù)相比較可得到一個(gè)飛行狀態(tài)估計(jì)的可信度，利用這個(gè)可信度值可對(duì)當(dāng)前ADS-B進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。

作者在了解了以上幾種ADS-B信息安全問題對(duì)策的基礎(chǔ)上，著重從第3點(diǎn)的ADS-B數(shù)據(jù)獨(dú)立校驗(yàn)和確認(rèn)技術(shù)方面入手，提出在地面站建立相關(guān)天線陣列的抗欺騙系統(tǒng)，獨(dú)立地檢驗(yàn)ADS-B信號(hào)的真?zhèn)巍?/p>

3 地面站抗欺騙系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章提出的ADS-B地面站抗欺騙系統(tǒng)基本工作原理概述為，在地面設(shè)置相關(guān)天線陣列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)ADS-B信號(hào)進(jìn)行測(cè)角并檢查信號(hào)方位，從而發(fā)現(xiàn)ADS-B報(bào)文中位置信息與其真實(shí)位置相差較大的偽造信號(hào)。下面相繼詳述該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念和工作流程。

3.1 設(shè)計(jì)理念

根據(jù)所提出的地面站抗欺騙系統(tǒng)的基本工作原理可見，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)需完成的任務(wù)包括：首先，地面某一位置的組合線陣作為地面測(cè)向基站。一，完成以該基站為中心的全方位空域的波束覆蓋，確定目標(biāo)信號(hào)走向，定位目標(biāo)；其次，考慮到ADS-B應(yīng)答信息可通過篡改報(bào)文中位置信息，使該地面基站的測(cè)角定位結(jié)果與報(bào)文位置信息一致而誤信，需在不同于地面測(cè)向基站的另一處位置安裝相同硬件設(shè)置的地面測(cè)向基站。二，再次定位目標(biāo)。通過兩處基站的定位信息和報(bào)文位置信息的比較，判別出ADS-B應(yīng)答信息的真?zhèn)巍?/p>

由此可得，地面站抗欺騙系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念可用兩個(gè)方面來概括：一，方位空域的波束覆蓋；二，線陣的組合設(shè)置。

方位空域的波束覆蓋設(shè)計(jì)理念涵蓋線陣多波束全方位覆蓋技術(shù)，其主要思想是根據(jù)單脈沖和差測(cè)角原理，利用線陣形成多個(gè)特定指向的且相互覆蓋的波束，來完成某一角度方位的空域覆蓋。我們知道，對(duì)于一個(gè)相位掃描天線陣，相移加權(quán)不同，則其波束指向也不同。若依次改變陣列的相移加權(quán)，在空間將相繼出現(xiàn)多個(gè)指向不同的波束，則可實(shí)現(xiàn)盡可能地覆蓋[-90°，90°]空域的目的。

波束僅覆蓋某一角度方位的空域，將導(dǎo)致缺漏其他角度方位上的信號(hào)監(jiān)視，因此，需進(jìn)一步討論波束全方位空域覆蓋的問題。定義波束全方位覆蓋為在360°的空域內(nèi)，一個(gè)地面測(cè)向基站的組合線陣所形成的相鄰波束間有一定的重疊，而且，對(duì)落在任兩個(gè)波束重疊部分的角度范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行測(cè)角的結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)差符合閾值限定。

在探究全方位空域覆蓋時(shí)，首先，了解到由于線陣天線具有方向性，單個(gè)波束的有效寬度不足以覆蓋整個(gè)空域，因此需要多個(gè)不同指向的波束相互不完全地重疊覆蓋一定的空域；其次，了解到在一定的測(cè)角精度要求下，單一線陣的同時(shí)多波束覆蓋范圍不能達(dá)到[-90°，90°]，需要合理設(shè)置組合線陣，以達(dá)到360°的全方位覆蓋。

因此，為了達(dá)到360°全空域的波束覆蓋，設(shè)計(jì)在同一地面基站放置三個(gè)線陣，并將這三個(gè)線陣以成等邊三角型的方式放置，表現(xiàn)在xoy坐標(biāo)系如圖1所示。三個(gè)線陣所在直線相交相互可形成60°夾角，三者的分析情況相同，現(xiàn)以線陣1和線陣2為例。假設(shè)波束a

和波束b分別是線陣1和線陣2相鄰端的相同最大波束指向角度下的波束，l1和l2分別表示波束a和波束b最大角度（即？茲max）所在線。若？茲max=60°，則波束a和波束b相切（即兩個(gè)波束間不存在任何重疊），在此情況下，組合線陣能恰好地實(shí)現(xiàn)全方位波束覆蓋。因此，？茲max？叟60°是實(shí)現(xiàn)全方位波束覆蓋的條件。滿足該條件的證明將由第四章的DOA估計(jì)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果獲得。

3.2 工作流程

3.1節(jié)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中，明確了該系統(tǒng)地面基站的設(shè)備需求和分工，據(jù)此設(shè)計(jì)出具體的判斷機(jī)載ADS-B發(fā)送的應(yīng)答信號(hào)中位置信息是否虛假的解決方案。

考慮發(fā)射ADS-B信號(hào)的空間目標(biāo)位置在以地面站點(diǎn)的組合線陣平面中心為坐標(biāo)原點(diǎn)的笛卡爾坐標(biāo)系中，每個(gè)組合線陣中心放置ADS-B應(yīng)答信號(hào)接收機(jī)。地面數(shù)據(jù)處理中心讀取地面測(cè)向基站的ADS-B應(yīng)答信號(hào)接收機(jī)輸出的目標(biāo)標(biāo)識(shí)和四維位置（時(shí)間、經(jīng)緯度、高度）信息，該測(cè)向基站的伺服裝置將有向天線指向目標(biāo)所在的方位，對(duì)來向信號(hào)進(jìn)行DOA估計(jì)，測(cè)向結(jié)果送回?cái)?shù)據(jù)處理中心；數(shù)據(jù)處理中心分析所有測(cè)向基站的結(jié)果，如果兩個(gè)測(cè)向基站對(duì)目標(biāo)的定位結(jié)果與ADS-B接收機(jī)接收來自該目標(biāo)的應(yīng)答信息一致，則表明該目標(biāo)是真實(shí)的；如果僅有一個(gè)基站或者沒有任何基站的定位結(jié)果與ADS-B接收機(jī)解析的位置結(jié)果相同，則表明該目標(biāo)是虛假的。

現(xiàn)詳述設(shè)計(jì)該系統(tǒng)地面基站的工作流程，如圖2所示，流程概括如下：

步驟1：地面基站一的ADS-B應(yīng)答信號(hào)接收機(jī)接收并解析機(jī)載ADS-B報(bào)文，從報(bào)文中獲得歷史航跡，大致確定飛機(jī)位置信息，根據(jù)地面基站一和飛機(jī)分別在笛卡爾坐標(biāo)系的位置關(guān)系，大致確定應(yīng)答信息到達(dá)線陣的入射角。

步驟2：根據(jù)入射角？茲落在某一波束（設(shè)為波束p）內(nèi)的波束可測(cè)角度范圍R（p）（即∈R（p）），調(diào)整線陣的天線指向?yàn)椴ㄊ鴓的波束最大指向0（p），對(duì)入射信號(hào)進(jìn)行測(cè)角估計(jì)，得到。

步驟3：當(dāng)報(bào)文位置信息不存在欺騙時(shí)，認(rèn)為通過線陣對(duì)目標(biāo)信號(hào)測(cè)角定位的信息與報(bào)文位置信息一致。因此，評(píng)估與是否一致，若不一致，判斷該應(yīng)答信息虛假，任務(wù)結(jié)束；若一致，啟用地面基站二的設(shè)備，重復(fù)地面基站一的應(yīng)答信號(hào)解析、大致確定信號(hào)來向、調(diào)整線陣波束指向、DOA估計(jì)的工作。

步驟4：根據(jù)步驟3中地面基站二的DOA估計(jì)結(jié)果，再次評(píng)估與是否一致，若不一致，判斷該應(yīng)答信息虛假；若一致，則判斷該應(yīng)答信息真實(shí)。任務(wù)結(jié)束。

3.3 ADS-B報(bào)文真?zhèn)闻袆e

常用ADS-B是基于二次雷達(dá)S模式協(xié)議的監(jiān)視系統(tǒng)。不同于常規(guī)二次雷達(dá)系統(tǒng)依靠地面詢問而發(fā)送報(bào)文，機(jī)載ADS-B系統(tǒng)遵循Aloha協(xié)議，使用信號(hào)發(fā)送器無目的性地廣播信號(hào)。ADS-B報(bào)文不僅有高度和標(biāo)識(shí)信息，也包含了該飛機(jī)自身定位系統(tǒng)提供的位置信息。根據(jù)ADS-B領(lǐng)域的研究成果[1]，大部分的ADS-B發(fā)射器是廣播真實(shí)的位置信息，接收機(jī)接收的位置信息的均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）服從雷利分布，平均值大約250。這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一方面說明了在監(jiān)視航跡交通中可接受的差錯(cuò)閾值，另一方面，表明有一些發(fā)射器出現(xiàn)了較大的錯(cuò)誤。導(dǎo)致這些較大錯(cuò)誤的一個(gè)可能的原因，是ADS-B發(fā)射器根據(jù)飛機(jī)上的導(dǎo)航系統(tǒng)或慣性測(cè)量系統(tǒng)（Inertial Measurement Unit，IMU）得到不合理的記錄。同時(shí)，當(dāng)場(chǎng)面監(jiān)視僅依靠ADS-B系統(tǒng)時(shí)，具有相應(yīng)接收機(jī)的非法用戶可以很容易地在消息的傳輸過程中捕獲ADS-B用戶的身份、位置和飛行意圖信息，導(dǎo)致敏感信息泄露；或者，非法用戶可能偽造ADS-B信息，進(jìn)行電子欺騙；非法電臺(tái)記錄合法信號(hào)并播送，干擾正常監(jiān)視系統(tǒng)；篡改正常信息的關(guān)鍵內(nèi)容等。這些均是認(rèn)為在地面沒有有效的抗欺騙技術(shù)的ADS-B應(yīng)答對(duì)ATC不夠可靠的主要原因。

對(duì)此，提出地面站抗欺騙系統(tǒng)的信息處理方案，解決ADS-B報(bào)文真?zhèn)闻袆e問題，提高ATC對(duì)ADS-B信息信任度，有利于ADS-B作為新一代監(jiān)視系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

3.4 單脈沖DOA估計(jì)

3.3節(jié)中已明確地面站抗欺騙系統(tǒng)的信息處理方案目標(biāo)是解決ADS-B報(bào)文真?zhèn)闻袆e問題，而文章考慮將單脈沖DOA估計(jì)作為報(bào)文真?zhèn)闻袆e的技術(shù)支撐。因?yàn)樵趯?shí)際應(yīng)用中，安裝一次雷達(dá)、二次雷達(dá)或多點(diǎn)定位系統(tǒng)需花費(fèi)太大而不夠經(jīng)濟(jì)合理。如果ADS-B地面站有能力用一個(gè)不依靠的測(cè)量方法去檢查應(yīng)答信息中的位置信息，情況將會(huì)改變，例如，文章通過使用兩個(gè)能對(duì)信息來向進(jìn)行DOA估計(jì)的ADS-B地面站，更好地證實(shí)了ADS-B發(fā)送的位置信息，即用兩個(gè)位置不同的地面測(cè)向基站定位ADS-B目標(biāo)[2]。

線陣DOA估計(jì)領(lǐng)域的研究，主要分為三大類：一是空域譜峰搜索方法，如MUSIC[3]、ESPRIT[4]等，這些方法關(guān)系到信號(hào)子空間和噪聲子空間，需通過尋找波峰估計(jì)信號(hào)到達(dá)角，在線陣DOA估計(jì)方法中運(yùn)算量最大[5]；二是空域譜峰搜索與離散傅里葉變換的結(jié)合，它們利用FFT快速解決了DOA的預(yù)估計(jì)，再用傳統(tǒng)譜峰搜索法做高精度估計(jì)，相比于第一類方法提高了運(yùn)算速度和估計(jì)精度[6][7]；三是雷達(dá)的角度測(cè)量方法，如相位法、振幅法等，運(yùn)用天線的波束掃描獲得波達(dá)方向角。

第一類DOA估計(jì)方法，運(yùn)算量大、估計(jì)范圍小且精確度一般。文章提出采用基于單脈沖技術(shù)的DOA估計(jì)算法，避免了譜峰搜索，方法簡(jiǎn)易可行，運(yùn)算量小估計(jì)精度高。

3.5 小結(jié)

本章的主要工作是進(jìn)行地面站抗欺騙系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先研究已有的ADS-B信息抗欺騙對(duì)策，如建立備份系統(tǒng)，ADS-B數(shù)據(jù)獨(dú)立校驗(yàn)和確認(rèn)技術(shù)，ADS-B信息安全管理和數(shù)據(jù)加密傳輸技術(shù)等，在此基礎(chǔ)上，提出設(shè)計(jì)地面站抗欺騙系統(tǒng)。然后通過對(duì)方位空域的波束覆蓋討論，進(jìn)行合理地配置地面組合線陣，完成全方位空域波束覆蓋，從而達(dá)到地面測(cè)向基站可從任意角度入射到組合線陣的目標(biāo)信號(hào)定位的目的，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)抗ADS-B信息欺騙。最后指出該系統(tǒng)的核心技術(shù)為單脈沖DOA估計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1]Cedrini V，Zacchei C，Zampognaro V.ADS-B 1090ES implementation：the cristal-med project[C].Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles Proceedings， 2008.

[2]Reck C，Berold U，Schmidt LP.High precision DOA estimation of SSR transponder signals[C].IEEE International Conference on Wireless Technology and Systems，2010.

[3]劉剛，呂新華，等.陣列信號(hào)處理中基于MUSIC算法的空間譜估計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2006，22（43）：302-304.

[4]P Yan，F(xiàn) Yang，Z P Nie.DOA estimation with sub-array divided technique and inerporlated ESPRIT algorithm on a cylindrical conformal array antenna[J].Progress In Electromagnetics Research，PIER103，2010，201-216.

[5]Petre Stoica，Randolph Moses，etc.Spectral Analysis of Signal[M].NJ：Prentice Hall，2005.

[6]Darren B Ward，Zhi Ding，Rodney A Kennedy.Broadban DOA Estimation Using Frequency Invariant Beamforming[J].IEEE Transactions on signal processiong，1998，46（5）：1463-1469.

[7]Lotfi Osman，Imen Sfar，Ali Gharsallash.An overview of DOA estimation using a uniform linear antenna array with four elements[J].Ametican Journal of Applied Sciences，2012，9：1-5.