一種基于機(jī)會參考源的分布式ADS-B 無源定位防欺騙方法

馬曉東， 袁偉娜， 凌小峰

（華東理工大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200237）

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)是一種新型空中監(jiān)視技術(shù)，采用開放式的數(shù)據(jù)協(xié)議，具有監(jiān)視精度高、數(shù)據(jù)更新速率快、信息完整性強(qiáng)以及終端成本低、便于維護(hù)等特點(diǎn)，在世界各國航空運(yùn)輸系統(tǒng)，特別是空中交通管制中得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而該技術(shù)也存在著很大的安全隱患，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是ADS-B 系統(tǒng)采用公開的數(shù)據(jù)協(xié)議在不加密的信道傳輸，非常容易受到虛假ADS-B 基站的惡意欺騙干擾；二是ADS-B 系統(tǒng)高度依賴全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GNSS）進(jìn)行飛行器位置感知，比較容易受到區(qū)域GNSS 干擾和欺騙從而引發(fā)錯誤的飛行器位置播報(bào)[2-4]。

為了解決ADS-B 系統(tǒng)防欺騙的問題，目前采用的方法主要有雷達(dá)數(shù)據(jù)校驗(yàn)法[5]、多基站時差定位校驗(yàn)法[6-7]和多陣列天線校驗(yàn)法[8-9]，但這些方法都存在系統(tǒng)復(fù)雜、成本高的問題。隨著GNSS 授時精度的提高，有些方法采用了成本較低的基于GNSS 授時的多基站時差定位設(shè)備，但這類設(shè)備嚴(yán)重依賴GNSS 系統(tǒng)，無法適用GNSS 局部干擾的場景。崔鵬泉等[10]提出使用確知飛機(jī)作為參考源進(jìn)行高精度站間同步，以擺脫對GNSS 站間同步的依賴，但其前提是作為參考源的飛機(jī)是已知真實(shí)的，故不適用于存在ADS-B 欺騙源的場景，且其提出的高精度建立在民航飛機(jī)短時間往返飛過同一條航線的基礎(chǔ)上，現(xiàn)實(shí)中難以實(shí)現(xiàn)。近年來國內(nèi)外研究者還提出了一些其他方法，如Lee 等[11]及Baek 等[12]提出的基于密碼學(xué)的方法，但此類方法需要改變現(xiàn)有的ADS-B 協(xié)議，難以實(shí)施。另外，Sun 等[13]提出了基于卡爾曼跟蹤濾波的航跡校驗(yàn)法、呂宗平等[14]提出了基于GNSS 完好性信息校驗(yàn)法、陳蕾等[15]提出了單站多普勒校驗(yàn)法，這些方法都具有成本和復(fù)雜度較低的特點(diǎn)，但都是基于數(shù)據(jù)或者信號波形域的校驗(yàn)，不具有位置和方位信息難以被欺騙的特點(diǎn)，仍然存在被類似“溫水煮青蛙”[16]式的“逼真”目標(biāo)欺騙的可能，而且也無法對欺騙源進(jìn)行定位，不便于采取反制措施。

本文針對ADS-B 系統(tǒng)防欺騙技術(shù)存在的性能、成本和適應(yīng)性方面的問題，提出了一種基于機(jī)會參考源的分布式ADS-B 無源定位防欺騙方法。該方法建立在傳統(tǒng)多基站時差定位校驗(yàn)法的基礎(chǔ)上，具有可對欺騙源精確定位、防騙效果好、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)。同時通過引入基于相對位置吻合度的ADS-B 源可信度分組和動態(tài)選擇可信ADS-B 目標(biāo)源作為機(jī)會參考源的站間同步技術(shù)，僅借助于多個ADS-B 接收基站自身接收ADS-B 信號就可以同時實(shí)現(xiàn)虛假ADS-B報(bào)文的檢測和欺騙源的定位功能，具有檢測性能好、系統(tǒng)成本低且可實(shí)現(xiàn)欺騙源定位的特點(diǎn)。

1 多基站時差定位校驗(yàn)法原理

多基站時差定位校驗(yàn)法將ADS-B 接收系統(tǒng)與廣域無源定位系統(tǒng)（WAM）相結(jié)合，通過測量信號發(fā)射源發(fā)射ADS-B 信號到達(dá)各基站的時間差(TDOA)，從而對發(fā)出ADS-B 信號的發(fā)射源進(jìn)行時差無源定位，進(jìn)而確定發(fā)射源的真實(shí)空間位置，此位置僅與發(fā)射源發(fā)射信號到達(dá)各測量基站的時間差有關(guān)，因此難以假冒。其空間結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

設(shè)待測目標(biāo)位置為 ( x ,y,z) ，測量主基站的位置為 ( x0,y0,z0) ，其余各副基站的位置分別為 ( xi,yi,zi) 。r0、 ri(i=1,2,3,···) 分別為待測目標(biāo)到主基站及各副基站的距離； Δ ti為待測目標(biāo)發(fā)出的信號到達(dá)各副基站與主基站的時間差，則可由式(1)對待測目標(biāo)進(jìn)行時差無源定位：

其中c 為光速。由式（1）可知，對待測目標(biāo)進(jìn)行三維定位至少需要4 個及以上的基站，且如何獲得準(zhǔn)確的TDOA 值為本文方法的關(guān)鍵。

根據(jù)時差無源定位的誤差傳遞理論，無源定位系統(tǒng)的定位精度由幾何精度因子（GDOP）表示為[17]其中：為定位誤差；為定位誤差的協(xié)方差矩陣； t race(Pd(X^)) 為相應(yīng)協(xié)方差矩陣的跡。

考慮到站址誤差可控制在厘米級范圍內(nèi)，故忽略站址誤差可得

其中：矩陣B 由定位基站與待測目標(biāo)的空間位置決定；矩陣 d (R) 由信號到達(dá)各定位基站的時間差決定。從理論上講，在待測目標(biāo)位置不變的情況下，參與定位的基站數(shù)量越多，站距越大，測時誤差越小，則待測目標(biāo)的GDOP 值越小，定位精度越高。由此可見，如何在基站數(shù)目增多、站間距離增大且存在ADS-B 欺騙源及GNSS 區(qū)域干擾的復(fù)雜環(huán)境下準(zhǔn)確同步各基站的時鐘是多基站時差定位校驗(yàn)法的關(guān)鍵。

圖 1 基站時差定位校驗(yàn)系統(tǒng)空間結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Spatial structure diagram of multi station passive TDOA location ADS-B anti-spoofing method

2 基于機(jī)會參考源的分布式ADS-B 無源定位防欺騙方法

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出的基于機(jī)會參考源的分布式ADS-B無源定位防欺騙方法借助地理上分布式部署的多個獨(dú)立ADS-B 測量基站收集ADS-B 報(bào)文和相應(yīng)的本地到達(dá)時間（TOA）信息即可實(shí)現(xiàn)對欺騙ADS-B 報(bào)文的準(zhǔn)確識別和欺騙源的準(zhǔn)確定位。具體實(shí)現(xiàn)過程如圖2 所示。

圖 2 基于機(jī)會參考源的分布式ADS-B 無源定位防欺騙方法實(shí)現(xiàn)流程圖Fig. 2 Flow chart of distributed ADS-B passive positioning antispoofing method based on opportunity reference source

首先對ADS-B 航跡進(jìn)行處理與初篩，篩除一些航班信息、位置和飛行速度信息存在明顯錯誤的ADS-B 報(bào)文，降低虛假ADS-B 報(bào)文的數(shù)據(jù)流量；而后對剩余的ADS-B 目標(biāo)進(jìn)行基于相對位置吻合度的ADS-B 目標(biāo)可信度分組，并從區(qū)分出的可信組（Trusted group）中優(yōu)選機(jī)會參考源，進(jìn)行基于機(jī)會參考源的多站同步，并對存疑組（Doubtful group）中的所有元素進(jìn)行時差無源定位；最后以無源定位結(jié)果為基礎(chǔ)，將與無源定位結(jié)果差距較大的存疑組元素判別為虛假ADS-B 報(bào)文，并上報(bào)其對應(yīng)的欺騙源位置信息。

2.2 基于相對位置吻合度的ADS-B 目標(biāo)可信度分組及機(jī)會參考源選取

2.2.1 相對位置吻合度驗(yàn)證方法 相對位置吻合度

驗(yàn)證方法基于對任意兩個輻射源的觀測，同組內(nèi)的兩個信號源所發(fā)射ADS-B 報(bào)文信號到達(dá)兩個不同測量基站的TDOA 之差，當(dāng)信號源為非欺騙源時，應(yīng)與利用二者ADS-B 報(bào)文解析出的GNSS 定位坐標(biāo)、所計(jì)算的TDOA 之差吻合，即兩者的誤差在一定門限范圍內(nèi)。通過計(jì)算TDOA 之差，消除了兩個測量基站相對于標(biāo)準(zhǔn)時鐘的誤差。

設(shè)一組中兩個報(bào)文信息的編號分別為0 和1；測量主基站為A，副基站分別為B，C，D，…； T OAA0、TOAA1分別為報(bào)文0、1 到達(dá)主基站A 的時間； T OAX0、TOAX1(X 為B，C，D，…)分別為報(bào)文0、1 到達(dá)各副基站的時間； rA0、 rA1分別為由報(bào)文0、1 解算出的位置信息計(jì)算出的信號源到達(dá)主站A 的距離； rX0、rX1(X 為B，C，D，…)分別為由報(bào)文0、1 解算出的位置計(jì)算出的ADS-B 源到達(dá)各副基站的距離，則相對位置吻合度驗(yàn)證可通過不等式組(5)進(jìn)行。

2.2.2 ADS-B 目標(biāo)可信度分組及機(jī)會參考源選取

ADS-B 目標(biāo)可信度分組是利用各接收站點(diǎn)一定時間段內(nèi)收到的ADS-B 源（含真實(shí)源和欺騙源）的報(bào)文內(nèi)位置信息和相應(yīng)的本地TOA 信息，通過計(jì)算ADSB 源之間的相對位置吻合度將ADS-B 源進(jìn)行分組。目標(biāo)相對位置吻合度高且航跡穩(wěn)定的劃分進(jìn)入可信組，其余的歸入存疑組，并在可信組中挑選可信的ADS-B 目標(biāo)源作為機(jī)會參考源。具體步驟如下:

(1)每隔一段時間（如10 s）截取監(jiān)視空域中所接收到的ADS-B 報(bào)文位置及其到達(dá)各測量站的到達(dá)時間（TOA）信息，并對這些報(bào)文信息進(jìn)行隨機(jī)兩兩分組。

(2)對第1 個分組進(jìn)行相對位置吻合度驗(yàn)證。

(3)按順序?qū)Σ襟E（1）的分組逐個進(jìn)行相對位置吻合度驗(yàn)證，直到找到第1 個可信組。

(4)以第1 個可信組的2 個組員為參考，迅速遍歷所有ADS-B 源，得到包含M 個元素的初始可信組。

(5)對初始可信組集合中的所有元素進(jìn)行兩兩相對吻合度驗(yàn)證，找出符合所有元素間兩兩相對位置均吻合的最大子集，并將該子集確定為可信組，其余元素被劃入存疑組；進(jìn)一步在可信組中挑選較優(yōu)的ADS-B 目標(biāo)源作為機(jī)會參考源。

2.3 基于機(jī)會參考源的多站同步與ADS-B 發(fā)射源精確定位

使用2.2 節(jié)選取的機(jī)會參考源，參考源坐標(biāo)Ci(xi,yi,zi) 可 直 接 由ADS-B 報(bào) 文 得 到,其 在 ti時 刻 發(fā)送ADS-B 報(bào)文，各基站坐標(biāo)分別為 ( xX,yX,zX) （X 為A，B，C，D，…），各基站時鐘與標(biāo)準(zhǔn)時鐘的偏差為 Δ tX，則機(jī)會參考源 Ci發(fā)出的ADS-B 報(bào)文到達(dá)各基站的時間測量值可表示為

對基于信號到達(dá)時間差的分布式多站定位系統(tǒng)來說只需要將系統(tǒng)時間同步到同一個基準(zhǔn)即可，選擇統(tǒng)一同步到主基站A，各副基站與主基站的時間基準(zhǔn)之差為

使用該時間基準(zhǔn)之差修正各副基站的TOA 測量值，即可使其他各基站在該時間點(diǎn)上的TOA 值統(tǒng)一同步到主基站。

在實(shí)現(xiàn)多站同步的前提下，可直接利用各站測量的到達(dá)時間差來對目標(biāo)進(jìn)行定位，4 個或者以上的接收站即可實(shí)現(xiàn)對ADS-B 源的三維時差無源定位。

2.4 機(jī)會參考源的優(yōu)化選取

機(jī)會參考源的優(yōu)選是每隔一段時間重新選取對于多站點(diǎn)同步較為有利的機(jī)會參考源，機(jī)會參考源的選取范圍是2.2 節(jié)劃定的可信組，從中挑選一個或多個空間方位利于多站點(diǎn)同步且TOA 測量精度較高的真實(shí)ADS-B 源。如果規(guī)定的時間段內(nèi)無法獲得較為優(yōu)良的可信組樣本，則仍可繼續(xù)使用前一時段的機(jī)會參考源，但是應(yīng)當(dāng)考慮各站點(diǎn)內(nèi)部時鐘頻率不穩(wěn)定因素引起的額外時鐘同步誤差。具體的機(jī)會參考源優(yōu)化選取方法需要重點(diǎn)考慮其方位及與測量基站的距離對站間同步的影響。

2.4.1 機(jī)會參考源的空間方向?qū)φ鹃g同步的影響考慮四站定位、“Y”形布站、站間距離為16 km 的場景。在距離主基站A 50 km 處，以主基站A 與基站B 基線正北方為起點(diǎn)，順時針方向?yàn)檎较?，每?0°分布一個機(jī)會參考源，機(jī)會參考源高度為10 km。又設(shè)ADS-B 定位水平誤差為100 m，高度誤差為7.5 m。各基站TOA 測量誤差為10 ns,本地時鐘頻率穩(wěn)定度為10-9Hz。為了簡潔起見，在此僅列出主基站A 及副基站B 的同步誤差情況。在1 000 次蒙特卡洛仿真條件下，主基站A 與及副基站B 的同步誤差如圖3所示。

圖 3 基于不同方向機(jī)會參考源的站間同步精度Fig. 3 Time synchronization precision based on different directions of opportunistic reference sources

由圖3 可知，位于兩基站基線方向上的機(jī)會參考源具有較高的同步精度，因此機(jī)會參考源在空間方向上應(yīng)選擇在兩基站基線附近。

2.4.2 機(jī)會參考源距主基站的距離對站間同步的影響 保持參考源所在空間方向不變，在主基站A 與副基站B 基線方向上，以主基站A 為原點(diǎn)，每隔10 km分布一個機(jī)會參考源。在1 000 次蒙特卡洛仿真條件下，主基站A 與副基站B 的同步誤差如圖4 所示。

圖 4 基于不同距離機(jī)會參考源的站間同步精度Fig. 4 Time synchronization precision based on different distances of opportunistic reference sources

由圖4 可知,在機(jī)會參考源空間方向確定的情況下，機(jī)會參考源距離主站越遠(yuǎn)，站間同步誤差越小。考慮到基站TOA 測量誤差會隨接收信號功率的衰減及信噪比的上升而增大，即觀測站TOA 測量誤差與機(jī)會參考源和基站的距離成正比，故應(yīng)在基站TOA測量誤差惡化程度不大的范圍內(nèi)選取距主基站最遠(yuǎn)的機(jī)會參考源。

綜合以上分析可知，機(jī)會參考源的選取應(yīng)在空間方向上靠近監(jiān)測站基線；在與測量基站的距離上要綜合考慮基站的TOA 測量誤差，在基站TOA 測量誤差允許的范圍內(nèi)盡量遠(yuǎn)離主基站。進(jìn)一步還可以根據(jù)不同接收基站選定不同機(jī)會參考源從而獲得更高的站間同步精度。此外，ADS-B 系統(tǒng)從定位測量到信號發(fā)射的延時誤差及此時飛機(jī)的飛行狀態(tài)也會對同步產(chǎn)生一定影響，在機(jī)會參考源選取時還應(yīng)避免選擇導(dǎo)航完整性等級較差或處于較大機(jī)動狀態(tài)的目標(biāo)。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)產(chǎn)生

仿真實(shí)驗(yàn)基于四站定位，“Y”形布站，站間距離為16 km。利用Matlab 隨機(jī)產(chǎn)生兩個欺騙源，坐標(biāo)分別為(74,16,0)及（-38,-44,0)，再針對每個欺騙源隨機(jī)產(chǎn)生2 條虛假ADS-B 報(bào)文。此外隨機(jī)產(chǎn)生不同的真實(shí)飛機(jī)所發(fā)ADS-B 報(bào)文若干。虛假ADS-B 報(bào)文、欺騙源、真實(shí)ADS-B 報(bào)文及基站的空間分布如圖5所示。在國際民航組織針對ADS-B 系統(tǒng)提出的最低性能標(biāo)準(zhǔn)《DO-2608》的附件U 中，明確闡述了ADSB 系統(tǒng)從定位測量到信號發(fā)射,在具有補(bǔ)償機(jī)制的情況下系統(tǒng)延時誤差范圍為-200～400 ms[18]，故設(shè)民航飛機(jī)平飛速度為250 m/s，方向隨機(jī)產(chǎn)生，其ADS-B 信號發(fā)射的延時誤差為0.4 s。ADS-B 報(bào)文水平定位誤差為100 m，高度誤差為7.5 m。接收站TOA測量誤差為10 ns，各基站本地時鐘頻率穩(wěn)定度為10-9Hz。

圖 5 仿真源空間分布圖Fig. 5 Spatial distribution of simulation signal

3.2 ADS-B 目標(biāo)可信度分組及機(jī)會參考源優(yōu)選

將3.1 節(jié)生成的虛假ADS-B報(bào)文與真實(shí)ADSB 報(bào)文混合后隨機(jī)兩兩分組，并依據(jù)2.2 節(jié)方法獲得所有元素間兩兩滿足相對位置吻合的最大子集作為可信組，其余報(bào)文歸于存疑組（本仿真取TH=120 ns）。在篩選出的可信組中，依據(jù)2.3 節(jié)機(jī)會參考源優(yōu)化選取方法，選擇位于主基站A 及副基站B 基線附近且距離主基站A 有一定距離的機(jī)會參考源1（3，-90，10）以同步主基站A 與副基站B；同理選擇機(jī)會參考源2（87，50，10）同步主基站A 與副基站C；選擇機(jī)會參考源3（-86，47，10）同步主基站A 與副基站D。進(jìn)行1 000 次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)得到各機(jī)會參考源的時鐘同步誤差如圖6 所示。

圖 6 各機(jī)會參考源的時間同步誤差Fig. 6 Time synchronization error of opportunity reference sources

由圖6 可以看出，利用多個空間方位有利于同步的機(jī)會參考源分別同步不同基站，與僅利用單一機(jī)會參考源相比，可顯著提高所有基站間的時鐘同步精度。

3.3 虛假報(bào)文識別及欺騙源定位

利用多機(jī)會參考源進(jìn)行站間同步后,重新計(jì)算存疑組所有元素的TDOA 值，并重新定位，并以分別表示各元素在x、y、z 方向上的定位誤差)表示各元素的重定位誤差，其結(jié)果如表1 所示。存疑組重定位結(jié)果空間分布如圖7 所示。

由表1 及圖7 可知，ADS-B 報(bào)文位置為(53,64,10)及(90,90,10)的重定位結(jié)果為(74.021,15.899,0.365)及(74.018,15.968,0.305)，顯然二者為虛假ADS-B 報(bào)文。ADS-B 報(bào)文位置為（-40，-80，10）及（-100，-0，10）的重定位結(jié)果為(-37.969,-44.031,0.271)及(-37.999,-44.002,0.064)，顯然二者也為虛假ADS-B 報(bào)文。存疑組中其余各點(diǎn)的報(bào)文位置與重定位位置差別不大，因此判定其為真實(shí)ADS-B 報(bào)文。這與仿真當(dāng)初的假設(shè)一致，至此仿真實(shí)驗(yàn)成功分辨出了所有虛假ADS-B 報(bào)文并定位了其欺騙源位置。

3.4 系統(tǒng)性能統(tǒng)計(jì)分析

圖 7 存疑組重定位結(jié)果空間分布圖Fig. 7 Doubtful group relocation result spatial distribution diagram

表 1 存疑組重定位結(jié)果Table 1 Relocation results of doubtful group

應(yīng)用3.1～3.3 節(jié)方法進(jìn)行100 次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)位置都隨機(jī)產(chǎn)生，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與基于GNSS 站間同步的多基站時差定位校驗(yàn)法[7]進(jìn)行對比。為方便性能對照，本文選用了與文獻(xiàn)[7]同樣的布站和目標(biāo)位置，其中GNSS 站間同步精度選取為典型應(yīng)用精度20 ns（GNSS 站間同步受到大氣電離層散射等因素的干擾，實(shí)際應(yīng)用精度很難超過20 ns，且野值較多[19]）。

圖8 和圖9 分別示出了本文方法和文獻(xiàn)[7]方法的站間同步和存疑組定位性能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文方法時鐘同步誤差RMS 值為26.2 ns，存疑組定位精度RMS 值為0.439 km，在不使用GNSS 以避免GNSS 區(qū)域干擾的前提下，取得了與GNSS 站間同步法基本相當(dāng)?shù)臅r鐘同步與定位精度。

4 結(jié)束語

本文針對現(xiàn)有ADS-B 防欺騙方法的不足，結(jié)合多基站時差定位校驗(yàn)法的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種基于機(jī)會參考源的分布式ADS-B 無源定位防欺騙方法。該方法通過動態(tài)選取可信ADS-B 目標(biāo)作為機(jī)會參考源實(shí)現(xiàn)多站同步，僅借助于多個ADS-B 接收機(jī)自身接收ADS-B 信號就可以同時實(shí)現(xiàn)欺騙ADS-B 報(bào)文的檢測和欺騙源的定位功能，具有檢測性能好、可抗GNSS 區(qū)域干擾且可實(shí)現(xiàn)欺騙源定位的特點(diǎn)，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖 8 多機(jī)會參考源與GNSS 的時鐘同步誤差Fig. 8 Time synchronization error of multiple opportunity reference source and GNSS

圖 9 多機(jī)會參考源與GNSS 的定位誤差Fig. 9 Positioning error of multiple opportunity reference source and GNSS