航班受GPS干擾導(dǎo)致ADS-B地面站輸出位置異?，F(xiàn)象研究

摘 ?要：ADS-B系統(tǒng)因其具有建設(shè)和維護(hù)成本低，定位精度高，數(shù)據(jù)更新率高等優(yōu)點而在民航監(jiān)視領(lǐng)域中大放異彩，其安全運(yùn)行已經(jīng)成為影響中國民航活動正常開展的重要因素。但ADS-B地面站設(shè)備和機(jī)載設(shè)備易受電磁干擾，且自從ADS-B信號正式接入自動化系統(tǒng)提供監(jiān)視服務(wù)后，ADS-B設(shè)備受到干擾事件屢見不鮮。文章通過研究航班受GPS干擾導(dǎo)致ADS-B地面站輸出位置異?，F(xiàn)象，總結(jié)了相應(yīng)類似異常事件的處理經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：ADS-B;GPS干擾;自動化系統(tǒng);偏航

中圖分類號：TN929.5;V355.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2096-4706（2021）13-0045-06

Study on the Phenomenon of Abnormal Output Position of ADS-B Ground Station Because of the Flight is Being Disturbed by GPS

YI Zhenning

（Guilin Air Traffic Management Station of Civil Aviation of China， Guilin ?541106， China）

Abstract： ADS-B system shines brightly in the field of civil aviation monitoring because of its advantages of low construction and maintenance cost， high positioning accuracy and high data update rate. Its safety operation has become an important factor affecting the normal development of civil aviation activities in China. However， ADS-B ground station equipments and airborne equipments are vulnerable to electromagnetic interference. Since ADS-B signal is officially connected to automation system to provide monitoring service， ADS-B equipment is frequently disturbed. By studying the phenomenon of abnormal output position of ADS-B ground station because of the flight is being disturbed by GPS， this paper summarizes the handling experience of corresponding similar abnormal events.

Keywords： ADS-B; GPS interference; automation system; yawing

0 ?引 ?言

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance Broadcast， ADS-B）系統(tǒng)由于其建設(shè)成本低（地面站成本約為傳統(tǒng)二次雷達(dá)的九分之一），維護(hù)成本低，使用壽命長，定位精度高（可達(dá)10 m量級），數(shù)據(jù)更新周期快（1秒1次）等優(yōu)點，已經(jīng)逐漸在民航監(jiān)視領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。我國把加快完善ADS-B建設(shè)納入民航發(fā)展“十三五”規(guī)劃實施工作中，在“十三五”末期，全國所有航路、終端區(qū)及機(jī)場幾乎都已具備ADS-B運(yùn)行能力[1]。

在2020年中，中國民航已全面啟動全國ADS-B管制運(yùn)行，ADS-B信號正式接入到自動化系統(tǒng)中，為管制及其他用戶提供監(jiān)視服務(wù)。而在中、長期發(fā)展計劃中，我國已確立ADS-B技術(shù)作為中國民航主要的監(jiān)視手段。因此，ADS-B設(shè)備的安全運(yùn)行已經(jīng)成為影響中國民航活動正常開展的重要因素。

而近年來，隨著ADS-B設(shè)備的大面積鋪設(shè)，ADS-B地面設(shè)備和機(jī)載設(shè)備易受干擾的缺點也漸漸凸顯出來，各地ADS-B設(shè)備受到電磁干擾、人為模擬假目標(biāo)干擾、GPS干擾等報告屢現(xiàn)不窮，對各地民航空中交通管理部門技術(shù)保障部門的技術(shù)保障能力提出了更高的要求。本文通過分析近期桂林空管站出現(xiàn)的ADS-B機(jī)載設(shè)備受到地面GPS干擾器干擾導(dǎo)致其下發(fā)位置數(shù)據(jù)異常，最終致使自動化系統(tǒng)融合航跡出現(xiàn)偏航現(xiàn)象的事件，總結(jié)了相應(yīng)類似異常事件的處理經(jīng)驗，期望能為民航技術(shù)保障人員在相關(guān)事件的處理中提供一些參考。

1 ?異?，F(xiàn)象描述

2021年3月3日10點31分左右，在桂林機(jī)場準(zhǔn)備降落的航班號為FZA6559，二次代碼為A0140的航班在萊斯自動化系統(tǒng)顯示終端上顯示的融合航跡出現(xiàn)偏離航路現(xiàn)象，過程持續(xù)約2分鐘，于10點33分左右恢復(fù)正常。由于目標(biāo)跳變的位置處于最低安全高度告警區(qū)且偏離航向道，觸發(fā)了最低安全高度告警和進(jìn)近下滑道監(jiān)視告警。技術(shù)保障人員在自動化系統(tǒng)中通過回放查看單路信號航跡，發(fā)現(xiàn)是由于ADS-B信號位置數(shù)據(jù)異常引起的，萊斯自動化不同監(jiān)視源顯示對比如圖1所示。

2 ?現(xiàn)象分析

2.1 ?融合航跡偏航分析

桂林自動化系統(tǒng)引入了多路雷達(dá)信號和ADS-B信號，形成融合航跡后，顯示于管制員席位終端上。信號路由如圖2所示。

主用自動化系統(tǒng)型號為南京萊斯NUMAN3000，運(yùn)行版本為V3.2。其多監(jiān)視源信號融合算法機(jī)制為：

（1）通過參數(shù)SDP_CREDIBLE_OF_RAD_ADSB來判斷雷達(dá)信號與ADS-B信號的可信度。

（2）假如ADS-B信號的可信度比雷達(dá)信號的高，則融合航跡直接取ADS-B信號數(shù)據(jù)，而拋棄雷達(dá)數(shù)據(jù)信號，反之亦然。

（3）若ADS-B信號的可信度與雷達(dá)信號的可信度一致，系統(tǒng)在設(shè)計時考慮了ADSB的精度對合成航跡的影響，在可信的ADSB信號參與融合下，融合航跡的位置計算優(yōu)先與ADSB報告位置保持一致，沒有調(diào)入濾波程序去計算位置。

事件發(fā)生前，ADS-B信號較穩(wěn)定，為保障低空雷達(dá)盲區(qū)的覆蓋，數(shù)據(jù)站、自動化系統(tǒng)均未設(shè)置過濾低位置精度數(shù)據(jù)，因此低位置精度ADS-B數(shù)據(jù)得以進(jìn)入自動化系統(tǒng)產(chǎn)生融合，又由于ADS-B信號可信，融合航跡直接與ADS-B信號位置保持一致，而又未經(jīng)過濾波，最終導(dǎo)致融合航跡偏航。

2.2 ?ADS-B信號位置數(shù)據(jù)異常分析

進(jìn)入自動化系統(tǒng)的ADS-B信號是由各遠(yuǎn)端地面接收站接收后將各路CAT21報送至數(shù)據(jù)站融合后產(chǎn)生的。在數(shù)據(jù)站QOS終端回放查看有監(jiān)視到相應(yīng)事件發(fā)生地點的單路遠(yuǎn)端接收站信號，發(fā)現(xiàn)豬練塘定向站、豬練塘全向站、堯山全向站三個地面站均有監(jiān)視到該異常目標(biāo)，而且該目標(biāo)在三個單路地面站信號流中均出現(xiàn)相同偏航現(xiàn)象。由此可大致推斷異常現(xiàn)象可能是由于機(jī)組下發(fā)位置數(shù)據(jù)異常導(dǎo)致。

提取上述三個地面站記錄的CAT21目標(biāo)報文數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，定位至異常發(fā)生時間點，發(fā)現(xiàn)報文中的目標(biāo)位置確實向西偏離航線1.6千米左右。進(jìn)一步查看數(shù)據(jù)質(zhì)量指示項（Quality Indicators），發(fā)現(xiàn)在偏航時間段內(nèi)目標(biāo)下發(fā)的導(dǎo)航位置不確定類別（Navigation Uncertainty Category for position， NUCP）的值為0，而其他正常時間段內(nèi)，該值為6或7，偏離航線起始位置與結(jié)束位置如圖3、圖4所示。

ADS-B CAT21報文中的位置信息及其質(zhì)量指示均來自GPS系統(tǒng)。而對GPS系統(tǒng)來說，其定位信息的完好性和精度分別通過水平保護(hù)門限（Horizontal Protection Level， HPL）和水平位置質(zhì)量因子（Horizontal Figure of Merit， HFOM）來衡量[2]。其中HPL定義為以GPS定位位置為圓心的圓半徑，可保證在特定概率下（通常定義最大漏檢概率為10-7）機(jī)載GNSS系統(tǒng)的真實位置必定落入該圓中。而HFOM定義為以GPS定位位置為圓心的圓半徑，可保證在特定概率下（通常為95%）機(jī)載GNSS系統(tǒng)的真實位置必定落入該圓中。兩者定義類似，但是用途不同，HPL主要用于確定兩架飛行器之間的安全飛行間隔，與水平告警門限（Horizontal Alarm Limit， HAL）相比可確定接收機(jī)自主完整性檢測（Receiver autonomous integrity monitoring， RAIM）是否可用，而當(dāng)飛行器之間的距離間隔達(dá)到HFOM時，兩者已經(jīng)有一定可能性發(fā)生相撞，HPL和HFOM定義圖解如圖5所示。

圖5 ?HPL和HFOM定義圖解

為壓縮飛機(jī)下發(fā)信息的數(shù)據(jù)量，RTCA DO260標(biāo)準(zhǔn)中定義了導(dǎo)航位置不確定類別NUCP，用于對水平位置數(shù)據(jù)的完好性和精度進(jìn)行編碼。在隨后發(fā)布的DO260A和DO260B標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)被導(dǎo)航完整性類別（Navigation Integrity Category， NIC）、監(jiān)視完好性水平（Surveillance Integrity Level， SIL）及導(dǎo)航精度類別（Navigation Accuracy Category， NAC）所替代[3，4]，以滿足用戶對位置信息精度和完好性更高的要求，但目前并非所有的機(jī)載ADS-B設(shè)備都能支持DO260A或DO260B標(biāo)準(zhǔn)。NUCP編碼標(biāo)準(zhǔn)如表1所示[5]。

《廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）管制運(yùn)行規(guī)程》中明確規(guī)定，ADS-B位置報告數(shù)據(jù)的NUCP值不得低于5，如果低于5，若在管制員人機(jī)界面上顯示ADS-B位置報告時，應(yīng)當(dāng)對管制員給出視覺提示，或者在管制員人機(jī)界面上不顯示其位置報告。

當(dāng)NUCP的值為0時，表明該目標(biāo)下發(fā)的水平位置信息不可用，其位置精度過差因而導(dǎo)致目標(biāo)顯示偏航。

由于異?，F(xiàn)象存在區(qū)域性，考慮該區(qū)域內(nèi)存在GPS干擾源。

3 ?GPS干擾分析

導(dǎo)航星全球定位系統(tǒng)（Navistar Global Positional System，GPS）有21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌的備用衛(wèi)星，它們平均配置在六個軌道上。GPS衛(wèi)星主要發(fā)射用偽隨機(jī)碼調(diào)制的已調(diào)制信號，載波為L波段的兩種頻率信號，L1為1 575.42 MHz，L2為1 227.6 MHz，其中調(diào)制信號為測距碼和導(dǎo)航電文兩種，而測距碼又包括C/A碼和P（Y）碼。目前民用的頻段為L1頻段，而測距碼使用C/A碼。GPS接收機(jī)先通過接收來自衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，利用其中包含的星歷資料計算衛(wèi)星位置;然后利用測距碼測量測者到衛(wèi)星的距離;最后解算導(dǎo)航方程解出測者位置的經(jīng)緯度，計算三維坐標(biāo)加上用戶鐘差，至少需要4顆衛(wèi)星[6]。

機(jī)載GPS接收機(jī)主要接收L1頻段的C/A碼和導(dǎo)航電文，載波中心頻率為1 575.42 MHz，帶寬為20.46 MHz。下面粗略計算到達(dá)地面的GPS信號強(qiáng)度。

設(shè)衛(wèi)星至地面的平均距離為D=20 000 km，則其L1頻段（F=1 575.42 MHz）已調(diào)制波信號經(jīng)由自由空間傳播的衰減為：

L（dB）=32.44+201lgF+201gD=182.4 dB ? ? ? ? ? ?（1）

按照GPS系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)，L1頻段的C/A碼信號的發(fā)射有效通量密度（Effective Isotropic Radiated Power，EIRP）為P=56.8 dBm[7]，若大氣層衰減為A=2.0 dB，則GPS系統(tǒng)L1頻段C/A碼信號到達(dá)地面的強(qiáng)度為：

Pc/a=P-L-A=56.8-182.4-2=-127.6 dBm ? ? ? ? ? （2）

由此可知，GPS衛(wèi)星發(fā)送的已調(diào)制信號到達(dá)地面時信號微弱，本例中被干擾的飛機(jī)在被干擾區(qū)域已經(jīng)下降至400 m高度，極易受到大功率GPS干擾器的壓制式干擾。

4 ?GPS干擾源處理

聯(lián)系廣州通信網(wǎng)絡(luò)中心相關(guān)技術(shù)人員，使用其研制出的基于ADS-B信號的航空器GPS干擾識別工具，通過提取航空器下發(fā)的ADS-B目標(biāo)報文內(nèi)的質(zhì)量指示數(shù)據(jù)項，對低質(zhì)量的目標(biāo)位置進(jìn)行標(biāo)注，再利用熱力圖技術(shù)和百度地圖API，制作出如圖6所示的GPS干擾源熱力圖，極大地縮小了干擾源排查區(qū)域。

向廣西桂林市無線電監(jiān)測中心發(fā)送GPS干擾投訴后，無線電監(jiān)測中心聯(lián)合機(jī)場公安、桂林空管站等部門人員前往熱力圖定位的干擾地區(qū)進(jìn)行排查。通過使用NARDA Signalshark S3310頻譜儀對干擾源進(jìn)行多點檢測以及交叉定位，最終將干擾源鎖定在一臺大型挖掘機(jī)上，確定干擾源為安放在該挖掘機(jī)上的GPS屏蔽設(shè)備。拆除該屏蔽設(shè)備后，GPS干擾隨之消除。

從圖7中可知，GPS干擾器發(fā)射的干擾信號強(qiáng)度大、頻帶寬，完全覆蓋了L1頻段，并壓制了GPS信號，挖掘機(jī)上安裝的GPS干擾器實物圖如圖8所示。

5 ?空管技保部門應(yīng)對措施

由于在雷達(dá)管制區(qū)域雷達(dá)和ADS-B混合應(yīng)用實施的年限尚淺，設(shè)備生產(chǎn)廠家及空管技術(shù)保障部門對很多潛在的危險源無法有效預(yù)估，需要時間來積累經(jīng)驗并改進(jìn)服務(wù)性能。空管技術(shù)保障部門應(yīng)對航班受GPS干擾危險源進(jìn)行管控，可通過兩方面進(jìn)行：一方面是設(shè)備因素，比如在ADS-B目標(biāo)傳輸鏈路上進(jìn)行過濾設(shè)置，另一方面是管理因素，應(yīng)建立完善的ADS-B故障應(yīng)急處置流程，并應(yīng)組織技術(shù)保障人員對異?，F(xiàn)象進(jìn)行學(xué)習(xí)和積極討論，總結(jié)處理經(jīng)驗。

5.1 ?設(shè)備過濾設(shè)置

ADS-B目標(biāo)傳輸鏈路主要有三個環(huán)節(jié)：ADS-B地面站、ADS-B數(shù)據(jù)站、自動化系統(tǒng)。目前桂林地區(qū)使用的地面站為ADS-B地面站，為四川九洲公司生產(chǎn)的JZDAK01RM型號設(shè)備，ADS-B數(shù)據(jù)站為南京萊斯公司生產(chǎn)的NUMAN2000型號設(shè)備，主用自動化系統(tǒng)為南京萊斯公司生產(chǎn)的NUMAN3000型號設(shè)備。

由于不同版本標(biāo)準(zhǔn)下的ADS-B位置報告數(shù)據(jù)精度指標(biāo)不同，建議同時設(shè)置過濾。

5.1.1 ?地面站過濾設(shè)置

目前ADS-B地面站設(shè)備技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)主要有RTCA DO-260系列《1 090 MHz擴(kuò)展電文ADS-B和TIS-B最低運(yùn)行性能標(biāo)準(zhǔn)》，EUROCAE ED-129《1 090 MHz擴(kuò)展電文ADS-B地面站技術(shù)規(guī)范》，MH/T 4036-2012《1 090 MHz擴(kuò)展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備技術(shù)要求》，《1 090 MHz擴(kuò)展電文廣播式自動相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備測試要求》（AC-115-TM-2012-02）等，這些標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)均未要求地面站具備對GNSS完好性和精度不足的目標(biāo)報文進(jìn)行過濾輸出的能力。參照以上技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的現(xiàn)役四川九洲公司JZDAK01RM型號的ADS-B地面站設(shè)備未提供針對GNSS完好性和精度不足的目標(biāo)報文進(jìn)行過濾輸出的功能。

5.1.2 ?數(shù)據(jù)站過濾設(shè)置

目前我國并未發(fā)布針對ADS-B數(shù)據(jù)站設(shè)備技術(shù)要求的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可參照的文件主要有咨詢通告《民用航空ADS-B數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)運(yùn)行最低功能與性能要求》（AC-115-TM-2014-02）、咨詢通告《民用航空ADS-B數(shù)據(jù)處理中心系統(tǒng)配置要求》（AC-115-TM-2014-01）、《廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）管制運(yùn)行規(guī)程》（AC-93-TM-2011-01）、《中南地區(qū)廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）系統(tǒng)監(jiān)視服務(wù)指導(dǎo)原則（初稿）》、《中南地區(qū)空管系統(tǒng)ADS-B管制運(yùn)行指導(dǎo)材料》等。上述文件中有明確要求數(shù)據(jù)站可對GNSS完好性和精度不足的ADS-B信息進(jìn)行過濾，指標(biāo)應(yīng)包括NUCP、NIC&SIL等質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)項，對于不同版本的ADS-B機(jī)載設(shè)備，可應(yīng)用不同的指標(biāo)。

南京萊斯公司生產(chǎn)的NUMAN2000型號三級數(shù)據(jù)站可支持對每一路ADS-B地面站信號進(jìn)行低質(zhì)量信息過濾，為應(yīng)對GPS干擾等影響管制活動正常進(jìn)行的情形，應(yīng)對低質(zhì)量信息設(shè)置過濾，萊斯ADS-B數(shù)據(jù)站過濾設(shè)置如圖9所示。

5.1.3 ?自動化系統(tǒng)過濾設(shè)置

《中南地區(qū)廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）系統(tǒng)監(jiān)視服務(wù)指導(dǎo)原則（初稿）》中明確要求：自動化系統(tǒng)應(yīng)能將多監(jiān)視源信息進(jìn)行融合處理;同時可通過參數(shù)設(shè)置對于ADS-B位置報告數(shù)據(jù)精度指標(biāo)（NUCP、NACP、NIC、SIL）低于運(yùn)行設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)的報文進(jìn)行丟棄，不參與融合計算;若不予以丟棄，針對低質(zhì)量的ADS-B信號，應(yīng)給予明確的視覺提示。

目前桂林主用萊斯NUMAN3000自動化系統(tǒng)運(yùn)行版本為V3.2，與NUCP相關(guān)的參數(shù)有ADSB_NUCP_CHECK和ADSB_NUCP_LIMIT。ADSB_NUCP_LIMIT設(shè)置過濾門限值。ADSB_NUCP_CHECK可設(shè)置為0、1或2：0表示不過濾;1表示不過濾，但對低質(zhì)量ADS-B數(shù)據(jù)進(jìn)行告警提示;2表示過濾低于門限值的ADS-B數(shù)據(jù)，因此上述兩項參數(shù)應(yīng)分別設(shè)置為5和2。萊斯自動化系統(tǒng)過濾設(shè)置如圖10所示。

5.2 ?與廠家積極溝通

從之前的分析發(fā)現(xiàn)，萊斯自動化的融合機(jī)制存在缺陷，與廠家積極溝通與反饋，考慮優(yōu)化融合機(jī)制，以處理低質(zhì)量的ADS-B數(shù)據(jù)。

5.3 ?制定完備的處置方案

應(yīng)制定ADS-B信號位置報告數(shù)據(jù)精度下降和信號中斷的應(yīng)急處置方案并聯(lián)合管制部門制定在雷達(dá)管制區(qū)域內(nèi)雷達(dá)與ADS-B混合應(yīng)用場景下的ADS-B運(yùn)行方式開啟和退出時設(shè)備保障的聯(lián)動方案。

5.4 ?加強(qiáng)技術(shù)保障力量

可組織技術(shù)保障人員梳理ADS-B信號傳輸鏈路上各相關(guān)設(shè)備的參數(shù)，深入了解并掌握相關(guān)參數(shù)配置操作，熟記應(yīng)急處置流程以提高異常事件反應(yīng)能力及設(shè)備維護(hù)能力。

可定期執(zhí)行相應(yīng)應(yīng)急演練方案，以強(qiáng)化值班人員現(xiàn)場應(yīng)急能力。

6 ?結(jié) ?論

本文仔細(xì)梳理了ADS-B機(jī)載設(shè)備受到GPS干擾事件中的各項環(huán)節(jié)，詳細(xì)整理了ADS-B信號傳輸鏈路上涉及的工作機(jī)制，并提出了幾項空管技術(shù)保障部門可采取的措施，期望能為類似干擾事件提供一些參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 中國民用航空局.中國民用航空發(fā)展第十三個五年規(guī)劃 [EB/OL].（2017-02-05）.http：//www.caac.gov.cn/XXGK/XXGK/ZCFB/201702/t20170215_42525.html.

[2] YAN F，MA Z. Study on Airworthiness Requirement for the Position Quality of ADS-B System [J].Procedia Engineering，2011，17：415–421.

[3] RTCA. Minimum Operational Performance Standards For 1090 Mhz Extended Squitter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast（Ads-B） And Traffic Information Services -Broadcast（Tis-B）：RTCA DO 260A-2003（INC.VolUME2-2003） [S].Washington DC：RTCA，Inc.，2003.

[4] RTCA. Minimum Operational Performance Standards For 1090 Mhz Extended Squatter Automatic Dependent Surveillance-Broadcast（Ads-B） And Traffic Information Services-Broadcast（Tis-B）：RTCA DO-260B-2009（R2011） [S].Washington DC：RTCA，Inc.，2011.

[5] RTCA. RTCA DO-260/EUROCAE ED-102，Minimum operational performance standards for 1090MHz Automatic Dependent Surveillance-Broadcast （ADS-B） [S].Washington DC：RTCA，Inc.，2003.

[6] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[7] NIEUWJAAR P. Lecture Series No.161，The NAVSTAR GPS System：GPS signal structur [R].NATO AGARD，1988.

作者簡介：易振寧（1990.10—），男，漢族，廣西桂林人，工程師，學(xué)士學(xué)位，研究方向：甚高頻和雷達(dá)。