基于FPGA+DSP的ADS-B欺騙干擾檢測優(yōu)化

胡鐵喬，李恒昶

（中國民航大學(xué)天津市智能信號與圖像處理重點實驗室，天津 300300）

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B，automatic dependent surveillance-broadcast）是一種基于機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)與機(jī)載廣播發(fā)射系統(tǒng)的航空器運行監(jiān)視技術(shù)[1]。近年來，在國際民用航空組織ICAO的推動下，ADS-B技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，同時ADS-B也面臨著欺騙式干擾的問題，文獻(xiàn)[2-3]介紹了多種產(chǎn)生欺騙干擾的方式。針對ADS-B欺騙式干擾問題，已提出很多解決方法，如加密技術(shù)[4-6]、多基站多點定位的方法[7-8]、增加時間戳[9]、使用扇形天線的單脈沖技術(shù)[10]、利用MLAT（multilateration）輔助飛行信息系統(tǒng)[11]等。這些方法在其使用條件內(nèi)均各具優(yōu)勢，但從系統(tǒng)實現(xiàn)的角度，有的需修改ADS-B協(xié)議、增加額外的兼容條件，有的需多方協(xié)同工作，實現(xiàn)的復(fù)雜程度較大、成本較高。

文獻(xiàn)[12]提出一種基于空間相關(guān)的ADS-B欺騙干擾檢測方法，通過比較陣列信號的來向變化與ADSB報文中飛機(jī)位置的變化來識別真實目標(biāo)與虛假目標(biāo)，該方法檢測性能較好，且適于工程實現(xiàn)?；谠摲椒ǎ鶕?jù)硬件實現(xiàn)的特點對其進(jìn)行優(yōu)化，降低計算復(fù)雜度，并利用現(xiàn)場可編輯門陣列（FPGA，field programmable gate array）和數(shù)字信號處理器（DSP，digital signal processor）信號處理平臺實現(xiàn)優(yōu)化后的方法，從實際角度驗證了ADS-B欺騙干擾檢測方法的有效性。

1 信號模型

采用十字陣列天線接收信號，共包含5個陣元，如圖1所示，以中心陣元O為參考陣元，外部的4個陣元與O的距離為信號波長。

圖1 十字陣列Fig.1 Cross-antenna array

在不考慮ADS-B信號交織情況下，十字陣列接收到的一條ADS-B信號可表示為

其中：s（t）為源信號；n（t）為高斯白噪聲；a（θ，φ）為十字陣列信號導(dǎo)向矢量，可表示為

其中：θ和φ為信號相對于十字陣列的方位角與俯仰角；β=2πd/λ。

信號到達(dá)十字陣列天線時，其他4個陣元接收到的信號相對于參考陣元信號之間會存在時延，從而會存在一定的相位差，又因a（θ，φ）由信號到達(dá)各陣元的相位差所組成[13]，故導(dǎo)向矢量又可表示為

其中：αi表示其他4個陣元收到的信號相對于參考陣元接收到的信號之間的相位差。

2 算法原理與優(yōu)化

2.1 算法原理

基于空間相關(guān)的ADS-B欺騙干擾檢測方法的算法原理可描述為：接收機(jī)對接收到的ADS-B信號解碼，選擇空中位置類型的ADS-B信號可獲得飛機(jī)的經(jīng)度、緯度和高度，根據(jù)飛機(jī)的ICAO地址為每架飛機(jī)的信號分組，由此可得到一架飛機(jī)的一組ADS-B信號；通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到飛機(jī)在地心地固坐標(biāo)系中的位置，結(jié)合陣列天線在地心地固坐標(biāo)系中的位置，可得到一組表示飛機(jī)相對于陣列天線的方向向量；通過計算陣列信號的協(xié)方差矩陣，又可得到一組表示飛機(jī)來向的特征向量；分別計算方向向量組和特征向量組中相鄰兩個向量的夾角余弦值，得到兩組表示飛機(jī)位置變化的余弦序列；計算兩組余弦序列的皮爾遜相關(guān)系數(shù)，通過設(shè)定合適的相關(guān)系數(shù)門限判別當(dāng)前飛機(jī)是真實飛機(jī)還是欺騙干擾。

2.2 算法優(yōu)化

基于FPGA和DSP系統(tǒng)實現(xiàn)的特點，結(jié)合ADS-B信號的固有特性，算法優(yōu)化部分主要集中在以下4個方面。

1）考慮到FPGA和DSP對算法中陣列信號協(xié)方差矩陣的求取、矩陣分解中特征值與特征向量求取的復(fù)雜過程，結(jié)合第1節(jié)內(nèi)容可知：通過計算陣列信號中不同通道信號之間的相位差可得到導(dǎo)向矢量。因此，將對協(xié)方差矩陣做特征值分解求取特征向量的過程優(yōu)化為通過計算陣列信號相位差來獲得導(dǎo)向矢量，由此降低了FPGA和DSP對算法實現(xiàn)的復(fù)雜度。

2）ADS-B 信號采用脈沖位置調(diào)制（PPM，pulse position modulation），一幀信號在其持續(xù)時間內(nèi)并不是所有時刻都存在脈沖，計算相位差只針對脈沖進(jìn)行計算，計算前需要先選擇信號中的脈沖部分。

3）相位差數(shù)值的范圍為[-π，π]，在-π 與 π 附近區(qū)域的相位差可能會出現(xiàn)臨界問題，出現(xiàn)臨界問題的相位差需進(jìn)行相位差校正，將該路相位差加上一個偏移量，使其被搬移到非臨界位置求取均值，之后再將偏移量減掉。

4）根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DO-260B[1]，當(dāng)ADS-B傳輸子系統(tǒng)采用發(fā)射分集時，會使用飛機(jī)的上天線和下天線交替地發(fā)射所要求類型的ADS-B消息。飛機(jī)尾翼對信號的阻礙會影響上天線的性能，上天線的天線方向圖在尾翼的方向會存在增益的減小，信號并不會被完全阻礙，而是被削弱若干分貝。鑒于此特性，算法中計算方向向量組與導(dǎo)向矢量組及后續(xù)的計算過程只針對飛機(jī)單一天線發(fā)射的信號，對每條ADS-B信號求取功率，以信號功率的大小來區(qū)分信號的發(fā)射天線。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)整體實現(xiàn)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

系統(tǒng)工作時，十字陣列天線接收射頻信號，下變頻器將1 090 MHz的ADS-B射頻信號轉(zhuǎn)換為10 MHz中頻信號，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的數(shù)字中頻信號首先進(jìn)入FPGA1對數(shù)據(jù)做預(yù)處理（主要對數(shù)據(jù)做希爾伯特變換并去除直流分量），F(xiàn)PGA1將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳給FPGA2，F(xiàn)PGA2再將該數(shù)據(jù)傳輸給FPGA3。FPGA2和DSP主要承擔(dān)基于空間相關(guān)的ADS-B欺騙干擾檢測方法的具體實現(xiàn)。FPGA3實現(xiàn)ADS-B接收機(jī)功能，當(dāng)檢測到一條ADS-B信號后，會向FPGA2發(fā)出一個幀有效信號和一個脈沖有效信號。幀有效信號是用于確保FPGA2和FPGA3處理的是同一條ADS-B信號，脈沖有效信號是為了幫助FPGA2對ADS-B信號做脈沖選擇。另外，F(xiàn)PGA3還會將處理得到的112位ADSB數(shù)據(jù)通過外部存儲器接口（EMIF，external memory interface）發(fā)送給DSP，DSP將對其做解碼。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 System hardware structure

系統(tǒng)所用3片F(xiàn)PGA均為Xilinx的Virtex5系列FPGA，DSP為TI的TMS320C6713B系列芯片。

3.1 FPGA2功能設(shè)計

ADS-B欺騙干擾檢測系統(tǒng)的FPGA設(shè)計與實現(xiàn)部分主要集中在FPGA2中，圖3為FPGA2的功能設(shè)計圖。

圖3FPGA2功能設(shè)計Fig.3 Function design of FPGA2

FPGA2的輸入信號為來自FPGA1的五路復(fù)信號和FPGA3的幀有效信號和脈沖有效信號。FPGA2主要實現(xiàn)以下功能：選擇ADS-B信號的脈沖部分、計算陣列信號的相位差、對出現(xiàn)臨界問題的相位差數(shù)據(jù)做校正及對信號模值的計算。處理后的四路相位差數(shù)據(jù)和信號的模值通過EMIF傳輸給DSP做進(jìn)一步的處理。

3.2 DSP功能設(shè)計

DSP的功能設(shè)計如圖4所示。DSP工作時，首先進(jìn)行初始化，包括初始化片上芯片庫和各類參數(shù)，配置EMIF使其正常工作，通過配置PLL來設(shè)置各模塊的工作時鐘；DSP利用EMIF傳來的數(shù)據(jù)對飛機(jī)信號進(jìn)行檢測。

圖4 DSP功能設(shè)計Fig.4 Function design of DSP

考慮到實際中可能出現(xiàn)的誤判情況，經(jīng)測試分析后，在實際實現(xiàn)時將對一架飛機(jī)連續(xù)檢測5次，每次檢測使用20組信息和數(shù)據(jù)。若5次檢測過程中至少有3次的門限判決結(jié)果顯示該架飛機(jī)為真實飛機(jī)，則認(rèn)定其為真實飛機(jī)，否則為虛假飛機(jī)。通過這種對同一目標(biāo)多次檢測的方式可有效提高系統(tǒng)性能和可靠性。

4 系統(tǒng)測試

利用真實目標(biāo)信號和虛假目標(biāo)信號分別對實現(xiàn)后的系統(tǒng)做測試，外界飛機(jī)所發(fā)射的ADS-B信號為真實目標(biāo)信號，通過ADS-B發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出的信號為虛假目標(biāo)信號。接收天線為5陣元的十字陣列，經(jīng)測試分析后，設(shè)置相關(guān)系數(shù)的門限為0.2。接收真實目標(biāo)信號時，測試系統(tǒng)將真實目標(biāo)判為虛假目標(biāo)的概率，即虛警率；接收虛假目標(biāo)信號時，測試系統(tǒng)將虛假目標(biāo)判為真實目標(biāo)的概率，即漏警率。

首先，測試外界真實目標(biāo)信號，對所接收到的信號不做任何篩選，共檢測200架次飛機(jī)，錯誤識別架次為9架，虛警率大約為0.045。對所出現(xiàn)的錯誤進(jìn)行分析，當(dāng)飛機(jī)飛行高度較低、信號功率較小或飛機(jī)飛行過程中相對于接收天線的角度變化較小時容易出現(xiàn)誤判情況。為進(jìn)一步降低虛警率，防止誤判，對接收到的信號做篩選，排除這3種易錯情況后仍檢測200架次真實飛機(jī)，其中，錯誤檢測架次僅為1架，虛警率為0.005，系統(tǒng)性能得到了明顯提升。

虛假目標(biāo)信號的產(chǎn)生方式如圖5所示，上位機(jī)軟件生成的ADS-B數(shù)據(jù)傳輸?shù)紸DS-B發(fā)射機(jī)，發(fā)射機(jī)根據(jù)上位機(jī)生成的數(shù)據(jù)可產(chǎn)生1 090 MHz的ADS-B信號，這些信號的報文內(nèi)容所表示的都是現(xiàn)實中不存在的飛機(jī)，即虛假目標(biāo)，信號經(jīng)發(fā)射天線向外界發(fā)射出去，由此可產(chǎn)生ADS-B欺騙式干擾。

圖5 欺騙式干擾產(chǎn)生方式Fig.5 Generation of spoofing attack

利用不同功率的虛假目標(biāo)信號，在每種信號功率下檢測200架次的虛假目標(biāo)，測試結(jié)果如表1所示。分析可知，虛假目標(biāo)信號功率的不同對系統(tǒng)的檢測性能并沒有明顯的影響，系統(tǒng)可對虛假目標(biāo)信號進(jìn)行有效檢測。

表1 虛假目標(biāo)測試Tab.1 Spoofing target test

5 結(jié)語

針對ADS-B的欺騙式干擾問題，深入分析了基于空間相關(guān)的ADS-B欺騙干擾檢測方法，根據(jù)FPGA、DSP系統(tǒng)實現(xiàn)的特點對算法進(jìn)行優(yōu)化，降低了實現(xiàn)的復(fù)雜度。系統(tǒng)實現(xiàn)后，分別用真實目標(biāo)信號和虛假目標(biāo)信號對系統(tǒng)進(jìn)行測試，結(jié)果表明：系統(tǒng)可有效檢測出ADS-B系統(tǒng)中的欺騙式干擾，可為未來ADS-B欺騙式干擾檢測的實際應(yīng)用和實施提供參考，具有一定的現(xiàn)實意義。