判別ADS-B位置信息真?zhèn)畏椒ǖ姆治雠c研究

盧獻(xiàn)宇 張媛媛 高丹鳳

摘 ?要：ADS-B，中文名稱為廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視，即是飛行器自主廣播包含了位置等信息的報(bào)文給用戶，因此可利用該信息作為監(jiān)視飛行器的前提是報(bào)文信息可靠可信，可見ADS-B系統(tǒng)作為獨(dú)立監(jiān)視手段存在脆弱性。在考慮ADS-B作為獨(dú)立監(jiān)視系統(tǒng)的前提下，現(xiàn)提出卡爾曼濾波跟蹤航跡預(yù)測法和到達(dá)時(shí)間差法這兩種方法，利用ADS-B廣播的報(bào)文信息來進(jìn)行目標(biāo)（飛行器）位置真?zhèn)蔚呐袆e，以此提高航空交通管制系統(tǒng)對(duì)ADS-B報(bào)文的信任度，有利于ADS-B作為新一代監(jiān)視系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視;欺騙式干擾;卡爾曼濾波;到達(dá)時(shí)間差

中圖分類號(hào)：V355.1 ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）14-0049-03

Abstract： ADS-B， the chinese name is broadcast automatic correlation monitoring， that is， the aerocraft autonomously broadcasts a message containing location and other information to the user， therefore， the premise of using this information to monitor aircraft is the message information is reliable， it is clear that ADS-B system is vulnerable as an independent monitoring means. On the premise of considering ADS-B as an independent monitoring system， two methods， Kalman filter tracking track prediction method and arrival time difference method， are proposed to distinguish the authenticity of target （aircraft） position by using ADS-B broadcast message information， so as to improve the air traffic control （ATC） trust in ADS-B information， it is conducive to the wide application of ADS-B as a new generation monitoring system.

Keywords： ADS-B; deceptive jamming; Kalman filter; arrival time difference

0 ?引 ?言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveullance- Broadcast， ADS-B）的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是完全開放的，其編碼信息透明、通信鏈路公開、調(diào)制方式簡單，這些特點(diǎn)使它以低成本、監(jiān)視范圍廣等優(yōu)勢成為重要的民航監(jiān)視手段，但也是由于這些特點(diǎn)，ADS-B極易受到干擾和攻擊，嚴(yán)重影響了監(jiān)視的準(zhǔn)確性和安全性。因此，ADS-B在應(yīng)用過程中，一般都和其他設(shè)備配套（輔助）使用[1]。

隨著中國民航大力推進(jìn)監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)變革，努力構(gòu)建天、空、地一體化ADS-B運(yùn)行體系，到“十四五”末，全面實(shí)現(xiàn)高空航路航線、終端（進(jìn)近）和塔臺(tái)管制區(qū)域的ADS-B運(yùn)行及通航活動(dòng)的ADS-B監(jiān)視服務(wù)，因此，解決ADS-B作為獨(dú)立的監(jiān)視系統(tǒng)的安全問題急不可待。

本文旨在解決在ADS-B作為獨(dú)立監(jiān)視系統(tǒng)的前提下，討論并仿真分析利用卡爾曼濾波預(yù)估航跡并判別ADS-B報(bào)文信息真?zhèn)蔚姆椒?，以及探討利用真假信?hào)到達(dá)地面站時(shí)間差不同而判別信息真?zhèn)蔚目尚行浴?/p>

1 ?問題描述與信號(hào)模型

1.1 ?問題描述

當(dāng)ADS-B作為獨(dú)立監(jiān)視系統(tǒng)時(shí)，在ADS-B目標(biāo)位置欺騙方面，主要存在兩種欺騙手段——報(bào)文篡改欺騙、仿真目標(biāo)欺騙。

報(bào)文篡改欺騙（中途信息被非法篡改），即干擾臺(tái)通過接收空中真實(shí)飛機(jī)的ADS-B信息，實(shí)時(shí)獲得空中飛機(jī)的地址后，干擾臺(tái)仿制具有相同模式地址的報(bào)文并對(duì)其進(jìn)行廣播。ADS-B地面站將真實(shí)目標(biāo)廣播的真實(shí)參數(shù)信息和干擾臺(tái)廣播的虛假參數(shù)信息一起接收處理，就會(huì)導(dǎo)致輸出到用戶終端的航跡狀態(tài)異常。該情況一般發(fā)生在沿航路飛行的航空器，可利用適合于實(shí)時(shí)處理和計(jì)算機(jī)運(yùn)算的卡爾曼濾波跟蹤航跡并預(yù)測來解決。

仿真目標(biāo)欺騙（發(fā)射虛假的飛行信息），是指干擾臺(tái)仿制符合協(xié)議規(guī)定格式的ADS-B報(bào)文，廣播虛假的位置信息。地面站將虛假信息接收并解析后，將其作為正常數(shù)據(jù)和空中真實(shí)目標(biāo)同時(shí)顯示或者關(guān)聯(lián)，并輸出到用戶終端。該情況一般發(fā)生在飛機(jī)進(jìn)離場（包括進(jìn)近和塔臺(tái)管制階段），可通過真實(shí)信號(hào)與虛假信號(hào)到達(dá)地面臺(tái)的時(shí)間差比對(duì)，判別出真假信號(hào)、目標(biāo)位置的真?zhèn)巍?/p>

1.2 ?信號(hào)模型

根據(jù)美國航空無線電技術(shù)委員會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)文件[2]，ADS-B消息的發(fā)射空中位置消息、空中速度消息均為每秒2條，假設(shè)飛機(jī)在較短時(shí)間內(nèi)從A點(diǎn)直線飛到B點(diǎn)，歷時(shí)N秒，則共有2N個(gè)位置、速度消息，記為L={L1，L2，…，LN}，其中，Ln={lvn1，lvn2，lpn1，lpn2}表示第n秒發(fā)送的消息的集合，lvn1表示第n秒發(fā)送的第一條空中速度消息，lpn2表示第n秒發(fā)送的第二條空中位置消息。根據(jù)lpn1和lpn2解碼得到一個(gè)空中位置點(diǎn)Sn（xn，yn，hn），x、y、h分別表示經(jīng)度、緯度、高度。根據(jù)lvn1和lvn2解碼得到兩個(gè)空中速度vn1和vn2，巡航狀態(tài)下vn=vn1=vn2，若vn1≠vn2，令n時(shí)刻速度為vn=（vn1+vn2）/2。由此，得到N個(gè)時(shí)刻的位置序列S={S1，S2，…SN}和速度序列V={V1，V2，…，VN}，其中，第n時(shí)刻目標(biāo)的三維坐標(biāo)表示為Sn={x（n），y（n），h（n）}，三維速度表示為Vn={vx（n），vy（n），vh（n）};信息采樣周期T為1秒。

2 ?卡爾曼濾波航跡預(yù)測法

2.1 ?卡爾曼濾波原理

從接收的ADS-B報(bào)文提取了目標(biāo)的三維位置和速度信息，據(jù)此建立卡爾曼濾波模型進(jìn)行濾波估計(jì)航跡預(yù)測，分析步驟為：

（1）確定了系統(tǒng)的狀態(tài)向量為X （k）=[x （k），y （k），h （k），vx （k），vy （k），vh （k）] T。狀態(tài)方程和測量方程分別為式（1）、式（2）：

其中T為采樣周期，若將三個(gè)方向的干擾分別記為：wx、wy、wh，對(duì)于勻速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，各方向的干擾可視為相應(yīng)方向的加速度，因此系統(tǒng)過程噪聲W=[wx ?wy ?wh]T;測量矩陣：

狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣：

過程噪聲矩陣：

量測噪聲W為零均值、方差陣為Q的高斯隨機(jī)序列;測量噪聲V為零均值、協(xié)方差陣為R的高斯白噪聲，兩個(gè)噪聲相互獨(dú)立。

（2）卡爾曼濾波算法使用0和1時(shí)刻的量測數(shù)據(jù)（即取位置序列P和速度序列V的前兩個(gè)的測量值）進(jìn)行計(jì)算初始化，因此，當(dāng)k=1時(shí)，初始狀態(tài)表示為（1∣1）;確定濾波點(diǎn)數(shù)M;確定預(yù)測協(xié)方差矩陣的初始值P（1∣1）。

（3）濾波由時(shí)刻2開始，根據(jù)初始值和控制量預(yù)測當(dāng)前狀態(tài)。狀態(tài)的一步預(yù)測為：

X（k+1∣k）=ΦX（k∣k）

協(xié)方差的一步預(yù)測為：

P（k+1∣k）=ΦP（k∣k）Φ'+GQ（k）G'

經(jīng)過3個(gè)步驟的推進(jìn)，將得到的最新的量測數(shù)據(jù)進(jìn)行遞推濾波算法，不斷更新目標(biāo)的狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的航跡跟蹤預(yù)測。

2.2 ?;方法的應(yīng)用

我們考慮一個(gè)真實(shí)飛機(jī)通過其機(jī)載ADS-B發(fā)射機(jī)正常發(fā)送報(bào)文信息（包含有速度、位置等），地面ADS-B接收機(jī)接收后解析報(bào)文，可得到一系列航跡點(diǎn)。干擾設(shè)備在報(bào)文下發(fā)中途截獲正常的報(bào)文信息，并對(duì)該信息進(jìn)行篡改，偽造了航班的位置、速度等重要信息，并繼續(xù)將該假報(bào)文廣播下發(fā)到地面。

現(xiàn)假設(shè)，航班計(jì)劃沿航線同高度地從A點(diǎn)直線飛往B點(diǎn)方向，途中C點(diǎn)時(shí)刻，下發(fā)的報(bào)文信息被中途截獲，報(bào)文信息被篡改為從C點(diǎn)轉(zhuǎn)彎飛往D點(diǎn)方向，如圖1所示。

根據(jù)2.1的推理計(jì)算，利用1.2的ADS-B信號(hào)模型，對(duì)飛機(jī)從A點(diǎn)飛往B點(diǎn)方向的航跡進(jìn)行卡爾曼濾波預(yù)測。具體計(jì)算與仿真過程可詳見作者已發(fā)表文獻(xiàn)[3]。

隨著航跡預(yù)測的推進(jìn)，在C點(diǎn)開始，ADS-B報(bào)文被篡改，地面站收到的ADS-B位置信息不斷偏離原計(jì)劃（真實(shí)）航跡，而進(jìn)行卡爾曼濾波航跡預(yù)測，也將不斷偏離新的（虛假）航跡，而呈現(xiàn)預(yù)測結(jié)果與新的（虛假）航跡不收斂的結(jié)果，如圖2所示。原因是，卡爾曼濾波是根據(jù)新的（即虛假）位置數(shù)據(jù)和前一時(shí)刻的各個(gè)量的預(yù)測值，借助于卡爾曼系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，按照2.1的推導(dǎo)公式，算出新的諸量的預(yù)測值。

由此，判斷自C點(diǎn)開始后的ADS-B報(bào)文信息為虛假。

3 ?到達(dá)時(shí)間差法

3.1 ?情景假設(shè)

如圖3所示，以A點(diǎn)為原點(diǎn)，飛行器的航向?yàn)閤軸正方向，垂直于x軸且遠(yuǎn)離ADS-B地面站的方向?yàn)閥軸的正方向，垂直于x、y軸的方向?yàn)閦方向。由此，地面站在y軸負(fù)半軸上，設(shè)其坐標(biāo)位置為（0，-yh，0）;飛機(jī)的航線在x軸正方向上;干擾臺(tái)的坐標(biāo)位置為（xs，ys，zs）。

飛機(jī)從A點(diǎn)飛往B點(diǎn)，以固定間隔時(shí)間下發(fā)ADS-B信號(hào)，該信息序列設(shè)為aa，在較短時(shí)間段T內(nèi)，可將航空器的飛行視為沿航線勻速飛行，根據(jù)1.2小節(jié)信號(hào)模型中的分析，aa=L={L1，L2，…，LN}，設(shè)地面站接收第n時(shí)刻發(fā)射的報(bào)文的接收時(shí)刻為tn，則地面站接收信號(hào)的時(shí)刻序列為TN={t1，t2，…，tN}。

為了實(shí)現(xiàn)欺騙地面站，干擾臺(tái)模仿真實(shí)ADS-B信號(hào)的發(fā)射規(guī)律，發(fā)射的信息序列設(shè)為ss=L"={L"1，L"2，…L"N}，設(shè)地面站接收到干擾臺(tái)第n時(shí)刻發(fā)射的報(bào)文的接收時(shí)刻為ts，n，則地面站接收該報(bào)文信號(hào)的時(shí)刻序列為Ts，N ={ts，1，ts，2，…，ts，N}。

3.2 ?可行性分析

根據(jù)3.1假設(shè)的情景，進(jìn)行使用“到達(dá)時(shí)間差法”來判別ADS-B位置信息真?zhèn)蔚目尚行苑治觥Ｖ饕譃槿齻€(gè)方面：

（1）時(shí)延的修正。由于ADS-B的延遲時(shí)間影響了“到達(dá)時(shí)間差法”的可行性，為了提高ADS-B的監(jiān)視精度，文獻(xiàn)[4]提出一種精確計(jì)算每個(gè)ADS-B報(bào)文延遲時(shí)間的方法。該方法是根據(jù)ADS-B報(bào)文的接收時(shí)間和報(bào)文內(nèi)容，計(jì)算兩相鄰報(bào)文的時(shí)間間隔和對(duì)應(yīng)報(bào)文中飛機(jī)兩相鄰位置的時(shí)間間隔，通過對(duì)兩種時(shí)間間隔求差可得到ADS-B兩相鄰報(bào)文的延遲時(shí)間差，在初始報(bào)文中或者間隔一定時(shí)間發(fā)送飛機(jī)位置測量時(shí)刻的條件下，可計(jì)算其后所有報(bào)文的延遲時(shí)間，從而對(duì)延遲時(shí)間進(jìn)行修正。

（2）干擾臺(tái)近似靜止的探討。民航客機(jī)的起飛爬升速度一般160～200節(jié)/時(shí)（290～370 km/h），下降類同[5]。飛機(jī)進(jìn)近階段通常在高度為機(jī)場上空至6 000米（含）之間的空域內(nèi)，是爬升或下降的階段，客機(jī)要在這里完成航路空域和機(jī)場空域之間的飛行轉(zhuǎn)換。

從飛機(jī)進(jìn)近的速度和高度，可以斷定，干擾臺(tái)可以發(fā)射類似ADS-B格式的信號(hào)，卻無法模仿飛機(jī)進(jìn)離場的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而對(duì)比同期發(fā)射信號(hào)的飛機(jī)狀態(tài)而言，干擾臺(tái)近似靜止。

（3）真實(shí)信號(hào)與虛假信號(hào)到達(dá)地面臺(tái)的時(shí)間差比對(duì)。根據(jù)3.1的情景，在時(shí)間段T內(nèi)，飛機(jī)直線飛行，地面臺(tái)接收其下發(fā)的ADS-B信號(hào)的接收時(shí)刻tn隨著時(shí)間推移呈現(xiàn)增長趨勢，各時(shí)刻的時(shí)間差亦是趨于增加;干擾臺(tái)需模仿真實(shí)ADS-B信號(hào)的發(fā)射間隔，地面臺(tái)接收相對(duì)靜止的干擾臺(tái)發(fā)射的信號(hào)的接收時(shí)刻ts，n不會(huì)隨著時(shí)間推移而增長，即是Ts，N序列中的元素值是相等的。通過比對(duì)各信號(hào)的到達(dá)地面臺(tái)時(shí)間差，而判別出真假信號(hào)、目標(biāo)位置的真?zhèn)巍?/p>

4 ?結(jié) ?論

本文依據(jù)虛假的ADS-B報(bào)文信息出現(xiàn)的情況不同，而提出了兩種利用ADS-B的報(bào)文信息判別目標(biāo)（飛行器）位置信息真?zhèn)蔚姆椒?，一是使用卡爾曼濾波方法預(yù)測航跡是否收斂而判定，二是利用真假報(bào)文信息到達(dá)地面站的時(shí)間差不同而判定。分析與仿真及討論了這兩種方法的可行性，為ADS-B作為獨(dú)立監(jiān)視手段提供有力的支撐。

參考文獻(xiàn)：

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[3] 盧獻(xiàn)宇，張媛媛.基于卡爾曼濾波算法的ADS-B航跡預(yù)測 [J].現(xiàn)代信息科技，2021，5（8）：48-50+53.

[4] 程擎.ADS-B延遲時(shí)間計(jì)算方法的可行性分析 [J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012，32（9）：2664-2666+2671.

[5] 劉星.飛行原理 [M].北京：科學(xué)出版社，2011.

作者簡介：盧獻(xiàn)宇（1988—），女，漢族，廣西玉林人，中級(jí)，碩士研究生，研究方向：信號(hào)處理、導(dǎo)航、監(jiān)視。