利用多普勒效應的ADS-B欺騙式干擾檢測方法

陳 蕾 吳仁彪 盧 丹

(中國民航大學天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300)

1 引言

廣播式自動相關監(jiān)視(Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱ADS-B)技術是一種新的監(jiān)視技術，通過結合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)實現(xiàn)精確的定位，將其位置、速度、飛機身份與類型及飛行狀態(tài)等各種信息經(jīng)過擴展斷續(xù)震蕩編碼，形成擴展斷續(xù)震蕩信號，經(jīng)調(diào)制通過射頻數(shù)據(jù)鏈連續(xù)廣播其自身飛行狀態(tài)及位置速度等相關信息，以實現(xiàn)更加可靠的監(jiān)視。但是ADS-B信號格式公開，并且信道不加密，這使得系統(tǒng)的安全性面臨極大風險，非常容易受到欺騙干擾的影響。目前國內(nèi)外已有很多實驗成功對ADS-B系統(tǒng)實施了欺騙[1-2]，隨著ADS-B的進一步推廣應用，ADS-B 的欺騙干擾自然成為威脅空中交通安全的一個亟待解決的問題。

針對此問題，國內(nèi)外已經(jīng)開展了很多研究，具體的解決方案可以歸納為三大類：第一類，基于密碼學的方法[3- 6]，此類方法均需要改變現(xiàn)行的ADS-B協(xié)議，與現(xiàn)有的ADS-B系統(tǒng)不能兼容，導致附加成本非常高，難于實施；第二類，基于多數(shù)據(jù)源的方法，文獻[7- 8]通過傳統(tǒng)監(jiān)視技術中的雷達作為輔助源，協(xié)助ADS-B系統(tǒng)進行監(jiān)視，但這種方法需要多個數(shù)據(jù)源之間進行數(shù)據(jù)融合，復雜度高且在很大程度上依賴于傳統(tǒng)的監(jiān)視技術；文獻[9-11]通過多個基站進行多點定位對目標的真實位置進行驗證，文獻[12]利用接收信號強度對航跡進行驗證，檢測效果較差；文獻[13]利用信號時間間隔驗證航跡的運動，文獻[14-15]利用多普勒效應來檢測干擾，但需要多個基站協(xié)同工作以消除發(fā)射機自身的不確定性頻率偏移，這些方法中，基站之間的相對位置對算法影響都很大，且都需要多個地面站之間的同步，復雜度很高；第三類，基于單一數(shù)據(jù)源的方法[17-19]，此類方法目前都是通過陣列天線對目標信號的來向進行驗證，此類方法復雜度有所降低，但陣列天線本身結構也較為復雜，且難于校準，另外此類方法需要空間搜索測向，計算復雜度高，雖然文獻[20-21]提出了一種不需要空間搜索測向的方法，但是該方法需要已知陣列流形信息，并且對陣列誤差較為敏感，需要陣列校準。

基于此，本文提出了一種基于多普勒頻率的欺騙式干擾檢測方法，此方法僅需要單一數(shù)據(jù)源且不需要陣列天線，復雜度大大降低，方法通過驗證真實信號的多普勒頻移變化與報告的位置計算的多普勒頻移變化是否一致來檢測欺騙式干擾，通過求相關的方法消除了不同發(fā)射機中心頻偏不相同的問題。相比于已有的方法，此方法避免使用多個接收機甚至多個數(shù)據(jù)源協(xié)同工作，且與現(xiàn)有ADS-B系統(tǒng)兼容，因而實用性較強。

2 信號模型和問題陳述

2.1 信號模型

1090ES數(shù)據(jù)鏈是ADS-B 系統(tǒng)中應用的最為廣泛的數(shù)據(jù)鏈，其以1090 MHz作為載頻，采用ASK(Amplitude Shift Keying)調(diào)制，通過不同種類的數(shù)據(jù)幀廣播包括空中位置消息、空中速度消息、地面位置消息、飛機身份與類型消息、事件驅(qū)動消息等多種類別的消息，不同類別的幀格式基本相同，如圖1所示，每幀時長120 μs，包括固定8 μs的前導脈沖和112 μs的數(shù)據(jù)域，數(shù)據(jù)域采用PPM(Pulse Position Modulation)調(diào)制，數(shù)據(jù)速率為1 MHz。在112 bit的數(shù)據(jù)域中，不同種類的數(shù)據(jù)幀的ME(Message Field)字段包含著相應類別的相關數(shù)據(jù)信息。

圖1 ADS-B幀格式Fig.1 ADS-B frame structure

根據(jù)國際民航組織(ICAO)制定的ADS-B標準[22]，飛機上安裝的ADS-B發(fā)射機的射頻中心頻率在1090 MHz±1 MHz，即飛機的ADS-B發(fā)射機中心頻率并不是穩(wěn)定在1090 MHz的中心頻率上，發(fā)射機的中心頻偏為ΔfT。那么接收信號的載波頻率可以表示為：

fc0=f0+fd+ΔfT

(1)

其中，f0表示載波的中心頻率，這里表示中頻信號的載波頻率(本文為10 MHz)，fd表示相應與接收信號的多普勒頻移。那么時刻t接收到的一幀消息可以表示為：

(2)

上式中，A表示接收到的信號的功率，D(t)表示基帶信號，φ和fc0分別表示初始相位和中頻載波頻率。e(t)表示復高斯白噪聲。

2.2 問題陳述

我們考慮一個真實飛機和欺騙源同時存在場景，假設真實飛機‘AA’通過其機載ADS-B發(fā)射機正常發(fā)送其速度和位置等消息，可得到一系列航跡點。欺騙干擾機在接收機附近可以保證其干擾信號都能被接收機正常接收到的位置，通過偽造正確格式和編碼內(nèi)容的位置、速度等一系列ADS-B消息，使接收機解碼出虛假飛機目標‘BB’相應的ADS-B報文，并進一步顯示在管制員屏幕上，擾亂空中交通秩序。當然，為了某種目的，干擾機可能不會一直位于同一位置，而是頻繁的改變其位置，甚至可能在運動的同時實施干擾。因此，本文考慮兩種欺騙場景：

1)欺騙干擾機在接收機附近某一固定位置實施干擾；

2)欺騙干擾機在接收機附近運動并實施干擾。

3 欺騙干擾檢測方法

3.1 報文多普勒頻移計算方法

在ADS-B空中速度消息中，包含速度的東西方向分量、南北方向分量和垂直分量，即其速度矢量可以表達在以飛機為坐標原點的東北天坐標系內(nèi)，而ADS-B的空中位置消息中，位置信息通過大地坐標系中的經(jīng)度(λ)、緯度(φ)和高度(h)進行描述，因而計算多普勒頻率時，需要通過將大地坐標系轉(zhuǎn)化為以飛機為坐標原點的東北天坐標系，將位于大地坐標系中的由接收機到飛機的指向向量轉(zhuǎn)化到以飛機為坐標原點的東北天坐標系中，進而計算多普勒頻率。

將大地坐標系轉(zhuǎn)換到以飛機為坐標原點的東北天坐標系需要借助地心地固坐標系，假設ADS-B接收機在大地坐標系中的坐標為(λR,φR,hR)，飛機的空中位置坐標為(λT,φT,hT)，那么二者在地心地固坐標系中可以分別表示為

(3)

(4)

那么進一步可得，在地心地固直角坐標系中，由飛機到接收機的方向向量為

(5)

利用坐標變換矩陣S將觀測向量轉(zhuǎn)換到東北天坐標系中，即

penu=S·pecef

(6)

其中坐標變換矩陣S為

(7)

另外，可從ADS-B的空中速度消息中解碼得出以飛機為坐標原點的東北天坐標系中的速度矢量venu，進一步可計算出接收機接收到ADS-B信號的多普勒頻率：

(8)

其中，λ=c/fc表示載波波長，載波頻率fc≈1090 MHz，c為電磁波傳播速度。

3.2 檢測算法

根據(jù)標準文件[22]，ADS-B消息的發(fā)射頻率約為每秒6.2條，其中空中位置消息、空中速度消息、事件驅(qū)動消息均為每秒2條，身份消息為每秒0.2條。假設飛機從位置A到達位置B，歷時n秒，共發(fā)送空中位置消息2n條，空中速度消息2n條，事件驅(qū)動消息2n條，記為

X={X1,X2,...,Xn}

(9)

其中，Xi表示第i秒發(fā)送的消息的集合，具體包括

Xi={sνi1,sνi2,spi1,spi2,sei1,sei2}

(10)

已知接收機本身的三維位置PR(λR,φR,hR)，可根據(jù)3.1所述方法計算第i秒報文對應的多普勒頻移fdi。

另一方面，利用FFT算法可對Xi中的消息分別進行頻率估計，可得到一組真實信號的頻率估計值：

(11)

(12)

那么，對于式(9)所給出的所有信號組，可由式(8)和式(12)分別計算出一組報文對應的多普勒頻率和一組信號估計頻率：

fd={fd1,fd2,...,fdn}

(13)

(14)

對于真實目標，有

(15)

(16)

ρ≥ε

(17)

則判定為真實目標，否則判定為欺騙式干擾目標。

4 仿真實驗

假設接收機位置為東經(jīng)117.3621，北緯39.1089，高度為20 ft，在接收機附近水平范圍40 km內(nèi)隨機生成500條航跡，高度為30000～34000 ft，位置關系及航跡示意如圖2(a)所示，航跡時間長度為27.5 s，共發(fā)送55條ADS-B空中位置消息，所有飛機都假設在巡航狀態(tài)，速度800 km/h左右。欺騙源位于地面，假設欺騙源靜止不動，欺騙目標與真實目標的發(fā)射機頻偏均在(-10 kHz,10 kHz)范圍內(nèi)隨機分布，結果如圖2(b)所示，真實目標的相關值集中在1附近，而欺騙干擾目標的相關結果集中在0附近，當檢測門限ε∈(0.4,0.6)時，能夠完全區(qū)分欺騙干擾目標和真實目標。

圖2 靜止欺騙源仿真實驗結果Fig.2 Static deceptive source simulation results

進一步，我們假設欺騙源在接收機附近運動，考慮實際情況，我們令接收機位置不變?nèi)詾闁|經(jīng)117.3621，北緯39.1089，高度為20 ft。在接收機附近5 km范圍內(nèi)勻速運動，時長仍為27.5 s，欺騙源發(fā)出欺騙干擾消息的時間間隔與真實ADS-B發(fā)射機一致，欺騙源的高度5 ft，接收機位置、欺騙源運動軌跡的經(jīng)緯度相對位置關系如圖3(a)所示，欺騙目標與真實目標的發(fā)射機頻偏均在(-10 kHz,10 kHz)范圍內(nèi)隨機分布。實驗結果如圖3(b)所示，真實目標的相關值仍集中在1附近，虛假目標的相關結果也在0附近，仍能夠較好的區(qū)分真實目標和虛假目標。

考慮到信噪比對頻率估計有一定的影響，下面選取了真實航跡和欺騙航跡各500條在不同信噪比條件下進行實驗，設定判決門限為0.4，當所用ADS-B消息的幀數(shù)量不同時，得到如圖4所示的結果，圖4(a)為不同信號條數(shù)對應的誤檢測概率隨信噪比變化圖，圖4(b)表示不同信號條數(shù)下對應的漏檢測概率隨信噪比變化?？梢姡x用的ADS-B幀數(shù)量越多，真實目標與欺騙干擾目標的區(qū)分度越高，檢測效果越好。

圖4 不同幀個數(shù)下檢測結果隨信噪比變化關系曲線Fig.4 The curve of detection results changing with SNR using different frame number

考慮到多普勒頻率的變化率與接收機和航跡的相對位置有關，下面利用不同位置處的接收機進行實驗，這里分別選取了位于航跡分布范圍的中心點正下方(117.362, 39.1089, 20)和距離航跡分布中心點正下方60 km(116.921, 39.521, 20)、100 km(116.572, 39.748, 20)和150 km(40.109, 116.262, 20)的四個接收機進行實驗，得出不同距離對應的檢測結果隨信噪比變化情況，結果如圖5所示，圖5(a)(b)分別為設定檢測門限為0.4時的誤檢測概率和漏檢測概率。由圖可以看出航跡與接收機的平面距離對真實目標的判定結果基本無影響，而對于虛假目標，欺騙的航跡與接收機距離越近，多普勒頻率的變化也就越明顯，檢測效果越好。

考慮此外，本文將所提方法與文獻[15]中M.Sch?fer所提方法進行粗略比較，M.S所提方法利用兩個以上的接收機，和一組速度、位置消息進行干擾檢測，其思想是利用不同接收機接收頻率的差值來消除發(fā)射機頻率偏移的影響，驗證目標相對于不同接收機的多普勒頻率差值是否與其估計的頻率差值相等。圖6所示為M.S方法與本文所提方法的檢測效果對比，實驗中兩個接收機的位置分別為(117.37, 39.42, 30)和(117.36, 38.77, 30)，航跡與前述實驗中相同，欺騙源靜止，M.S方法所用時長為1 s，本方法所用時長為25 s，M.S 方法所用接收機為2個，本方法所用接收機為1個?？梢?，本方法在利用單個接收機的情況下通過增加判斷時長達到了比M.S方法更好的檢測效果。

圖5 不同距離下檢測結果隨信噪比變化關系曲線Fig.5 The curve of detection results changing with SNR in different distance

圖6 本方法與M.S方法檢測效果比較Fig.6 The comparison of two detection method

5 結論

本文提出了一種基于多普勒頻偏的欺騙式干擾檢測方法，對于飛機目標報告的一組信息，可分別根據(jù)其信號和報文內(nèi)容計算一組頻偏，對于真實目標，根據(jù)其信號估計出的頻偏與報文內(nèi)容計算出的頻偏應為線性關系，而對于欺騙干擾目標，則不存在這種相關性。利用這種相關性，避免了機載的ADS-B發(fā)射機的中心頻率存在頻偏對使用多普勒來判定欺騙干擾目標的影響，使得多普勒效應能夠被應用于欺騙干擾檢測中。在頻率估計過程中，方法充分利用了飛機發(fā)射的各種類型的ADS-B消息，以提高檢測準確率。相比于其他方法，本方法由于充分利用了各種類型的ADS-B消息，減少了對于其他接收機的要求，僅需單天線的單一接收機即可實現(xiàn)判決。實際應用中，由于同頻的二次雷達信號等可能與ADS-B信號產(chǎn)生同頻干擾，會影響到頻偏的估計，所以需要對信號進行篩選。