采用陣列信號(hào)技術(shù)的ADS-B系統(tǒng)抗干擾研究*

李武旭 李君惠 李 宏

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司 綿陽(yáng) 621000）

1 引言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，ADS-B）是一種基于衛(wèi)星定位技術(shù)和空地?cái)?shù)據(jù)鏈技術(shù)的飛機(jī)航行監(jiān)視系統(tǒng)。在實(shí)際運(yùn)行環(huán)境中，系統(tǒng)面對(duì)復(fù)雜的電磁環(huán)境，常會(huì)遭遇一些威脅，例如：欺騙干擾，轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾，信號(hào)交織［1］，ADS-B系統(tǒng)采用全向天線或大角度定向天線接收，當(dāng)空域飛行繁忙時(shí)，信號(hào)時(shí)域交織越發(fā)嚴(yán)重［2］。

通過(guò)對(duì)ADS-B技術(shù)的特點(diǎn)的分析，可以得到ADS-B系統(tǒng)的缺陷以及針對(duì)這些缺陷的攻擊手段，見表1。

表1 ADS-B系統(tǒng)的安全性缺陷

根據(jù)ADS-B系統(tǒng)存在的缺陷，ADS-B系統(tǒng)面臨的威脅形式可以概括為交織干擾和欺騙攻擊兩大類型。

1）交織干擾

由于ADS-B與空管A/C/S模式應(yīng)答信號(hào)共用1090MHz工作頻段，采用相同的ASK調(diào)制方式，但工作方式不同（ADS-B自動(dòng)廣播方式，而空管A/C/S模式為詢問(wèn)應(yīng)答方式）。因此，這些信號(hào)在空間傳輸過(guò)程中，容易受到多徑效應(yīng)影響或與同頻信號(hào)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生交織干擾。由于工作信道的容量有限，隨著飛行器數(shù)量的增加，空間中ADS-B信號(hào)以及空管A/C/S模式應(yīng)答信號(hào)的密度也會(huì)相應(yīng)增大，則這些信號(hào)發(fā)生碰撞的概率也會(huì)增大［9，12］。

ADS-B解碼算法是基于幅度信息來(lái)提取數(shù)據(jù)［16］。在這種解碼機(jī)制下，當(dāng)干擾信號(hào)與被干擾目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度差距較大（大于3dB）時(shí)，能夠在一定程度上解交織并正確解碼報(bào)文；如果干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度差距較?。ㄐ∮?dB）時(shí)，解碼算法將會(huì)產(chǎn)生大量的低置信度數(shù)據(jù)位，超出糾錯(cuò)算法能力，導(dǎo)致解碼失?。?］。

2）欺騙攻擊

利用ADS-B干擾源產(chǎn)生符合協(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)輸出到用戶終端，導(dǎo)致管制員無(wú)法獲取空中真實(shí)空域態(tài)勢(shì)；進(jìn)一步，如果對(duì)仿真目標(biāo)的航跡進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，與真實(shí)目標(biāo)的航跡產(chǎn)生異常接近或者碰撞沖突，會(huì)在空管自動(dòng)化系統(tǒng)上產(chǎn)生告警，導(dǎo)致管制員發(fā)出錯(cuò)誤指令，擾亂正常的飛行秩序［9］。仿真目標(biāo)欺騙攻擊原理如圖1所示。

圖1 仿真目標(biāo)欺騙攻擊原理示意圖

本文研究采用陣列信號(hào)處理方法對(duì)ADS-B系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)健性的提升，針對(duì)交織干擾和欺騙攻擊兩種類型的問(wèn)題，給出解交織和方位一致性驗(yàn)證作為對(duì)應(yīng)解決辦法。對(duì)于交織干擾，干擾源來(lái)自于有限的站點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)覆蓋全方位的干擾攻擊。常規(guī)的ADS-B地面站采用全向天線接收，沒(méi)有天線接收方向選擇能力，當(dāng)交織嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起數(shù)據(jù)丟失，因此，通過(guò)引入陣列天線，將空域分波束覆蓋，以減少信號(hào)交織的概率，當(dāng)某個(gè)方位出現(xiàn)飽和干擾攻擊時(shí)，僅僅影響該方位的空域信號(hào)接收能力，而其余方位的信號(hào)仍能正常接收工作。

仿真目標(biāo)欺騙攻擊存在干擾源發(fā)射的虛假目標(biāo)報(bào)告位置（距離、方位以及俯仰角/高度）與干擾源位置不一致的特點(diǎn)。因此，地面站可以通過(guò)測(cè)量ADS-B信號(hào)發(fā)射源位置，與報(bào)告位置對(duì)比方法來(lái)鑒別目標(biāo)的真?zhèn)?，抵抗仿真目?biāo)欺騙攻擊。

通過(guò)深入分析ADS-B技術(shù)體制的應(yīng)用特點(diǎn)和各類ADS-B干擾欺騙攻擊形式，充分考慮實(shí)際的應(yīng)用需求，地面站采用的抗干擾防欺騙ADS-B技術(shù)手段見表2。

表2 抗干擾防欺騙ADS-B技術(shù)途徑說(shuō)明

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為ADS-B天線、ADS-B接收機(jī)與ADS-B數(shù)據(jù)處理工作站共三大部分，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)示意圖

ADS-B天線為8陣元的均勻線陣，用于接收空間中1090MHz的ADS-B射頻信號(hào)。校準(zhǔn)源為接收通道提供基準(zhǔn)信號(hào)，用于通道校準(zhǔn)參考。ADS-B接收機(jī)通過(guò)接收信道對(duì)8路射頻信號(hào)進(jìn)行超外差下變頻處理，生成70MHz的中頻模擬信號(hào)，然后采樣，形成數(shù)字中頻信號(hào)，對(duì)8路數(shù)字中頻信號(hào)分別進(jìn)行數(shù)字正交下變頻和通道幅相校準(zhǔn)處理，產(chǎn)生幅相一致的數(shù)字基帶IQ信號(hào)，再通過(guò)高速總線送到ADS-B數(shù)據(jù)處理工作站；在ADS-B數(shù)據(jù)處理工作站中，信號(hào)處理過(guò)程包含：非相干信號(hào)檢測(cè)、ADS-B信源方位估計(jì)、空域?yàn)V波、ADS-B解調(diào)譯碼、航跡跟蹤和目標(biāo)方位一致性驗(yàn)證，流程如圖3所示。

圖3 ADS-B抗干擾處理流程

1）非相干信號(hào)檢測(cè)

非相干信號(hào)檢測(cè)處理依據(jù)信號(hào)能量，從基帶IQ信號(hào)中檢測(cè)出能量足夠高的有效信號(hào)［6］。信號(hào)能量的檢測(cè)原理基于信號(hào)能量與幅度成正比關(guān)系，而信號(hào)幅度等于信號(hào)IQ分量的平方和。首先以滑窗方式對(duì)每一路基帶IQ信號(hào)進(jìn)行能量檢測(cè)，然后對(duì)所有通道的能量進(jìn)行求和，再進(jìn)行平滑處理，以減弱噪聲對(duì)能量估計(jì)值的影響，最后采用恒虛警（CFAR）處理方法檢測(cè)出持續(xù)時(shí)間符合ADS-B報(bào)文長(zhǎng)度［16］要求的有效信號(hào)，如圖4所示。

圖4 非相干信號(hào)檢測(cè)處理流程示意圖

2）ADS-B信源方位估計(jì)

ADS-B信源方位估計(jì)采用多重信號(hào)分類（MUSIC）算法［11］檢測(cè)信號(hào)中的ADS-B信號(hào)來(lái)波方位（DOA），首先利用非相干信號(hào)檢測(cè)處理有效信號(hào)的基帶IQ數(shù)據(jù)，進(jìn)行自相關(guān)矩陣估計(jì)；然后通過(guò)相關(guān)矩陣特征分解，獲得相關(guān)矩陣的特征值及其與之一一對(duì)應(yīng)的特征向量［13］；利用文獻(xiàn)［15］中所述方法估計(jì)信源個(gè)數(shù)，并將特征向量分成信號(hào)子空間和噪聲子空間；最后利用噪聲子空間構(gòu)建MUSIC空間功率譜PMUSIC(θ)估計(jì)函數(shù)［6］，即：

其中，a(θ)表示陣列導(dǎo)向向量，θ表示方位角，u為噪聲子空間。在天線空域覆蓋范圍內(nèi)，搜索MUSIC功率譜PMUSIC(θ)的峰值，其峰值對(duì)應(yīng)的方位角θ即為信源方位。

3）空域?yàn)V波處理

空域?yàn)V波處理包含波束權(quán)值生成和波束合成兩個(gè)過(guò)程［3］。

首先，通過(guò)線性約束最小方差準(zhǔn)則算法（LCMV）［14］生成有特定指向的波束權(quán)值ω[c] ；然后，通過(guò)波束合成增強(qiáng)期望方位目標(biāo)信號(hào)，抑制其余方位的信號(hào)，每一路天線的基帶IQ信號(hào)（如圖5中xc[n]，c=0，1…N-1）分別與其對(duì)應(yīng)的波束權(quán)值（見圖5中ω[c]）進(jìn)行相乘，然后將它們?nèi)坷奂蛹吹酶蓴_分離的基帶IQ信號(hào)（即圖中s[n]）。

圖5 波束合成原理示意圖

4）ADS-B解調(diào)譯碼

ADS-B的解調(diào)譯碼處理過(guò)程從干擾分離的基帶IQ信號(hào)中解調(diào)，獲得基帶包絡(luò)，根據(jù)文獻(xiàn)［16］所定義，檢測(cè)ADS-B報(bào)文前導(dǎo)頭，確定ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)起始時(shí)刻，并進(jìn)行數(shù)據(jù)譯碼和CRC校驗(yàn)，產(chǎn)生112位的ADS-B原始報(bào)文數(shù)據(jù)，并記錄數(shù)據(jù)信源方位。

5）航跡跟蹤，根據(jù)文獻(xiàn)［16］對(duì)ADS-B原始報(bào)文進(jìn)行航跡跟蹤，形成完整ADS-B航跡信息。

6）目標(biāo)方位一致性驗(yàn)證，對(duì)ADS-B航跡報(bào)文中的方位，與目標(biāo)信源方位進(jìn)行一致性對(duì)比，當(dāng)兩者不一致，可判定該目標(biāo)是虛假的。

3 幅相誤差對(duì)信源方位估計(jì)的影響分析

實(shí)際工程中，多個(gè)陣元接收通道之間必然存在增益和相位的偏差。通道增益誤差的存在不會(huì)影響MUSIC功率譜的峰譜位置（θ），但整體上會(huì)降低峰值，并且譜峰寬度變寬，降低方位估計(jì)的分辨力；通道間相位差會(huì)使計(jì)算出的峰譜位置（θ）產(chǎn)生偏差［13］。因此，系統(tǒng)通道間的增益一致性與相位一致性，決定了系統(tǒng)的分辨力。

系統(tǒng)多通道經(jīng)校準(zhǔn)后增益誤差可控制在1dB之內(nèi)，相位誤差在5°之內(nèi)，設(shè)定通道間增益誤差±1dB，相位誤差±5°之內(nèi)隨機(jī)分布，對(duì)信源方位間隔5°～ 15°，信噪比0～ 20dB范圍進(jìn)100次行仿真，統(tǒng)計(jì)峰譜位置（θ）與設(shè)定信源位置差值的均方根值（RSME），仿真結(jié)果如圖6所示。從仿真結(jié)果可以看出，信源夾角大于10°時(shí)，在全范圍均可估算出信源方位，RMSE約0.5°；信源夾角小于9°，SNR小于5dB，信源方位的估計(jì)誤差開始急劇上升。

圖6 不同間隔角度下信噪比對(duì)方位估計(jì)誤差的影響

文獻(xiàn)［16］標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定ADS-B系統(tǒng)解碼最低信噪比4dB，基于上述條件，設(shè)定信源信噪比為4dB，兩個(gè)信號(hào)角度差從5°開始到10°，步進(jìn)1°，再次進(jìn)行仿真，以測(cè)算信源分辨力，仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果說(shuō)明，在該條件下，信源間隔約6°以上時(shí)，該算法可估算出兩個(gè)信源，實(shí)現(xiàn)概率95%以上。

圖7 幅相誤差下信源夾角對(duì)信源識(shí)別率影響

4 功能仿真

通過(guò)全過(guò)程功能仿真，驗(yàn)證所提出的方法對(duì)信號(hào)存在干擾時(shí)的分離提取功能。

系統(tǒng)ADS-B陣列天線由8個(gè)陣元組成的均勻線陣（Uniform Linear Array，ULA），陣元的間距為半波長(zhǎng)，模型如圖8所示。

圖8 線陣天線模型

實(shí)際工程中考慮到噪聲，陣列接收信號(hào)模型應(yīng)該為

在仿真場(chǎng)景中依據(jù)模型，設(shè)置高斯噪聲，連續(xù)波干擾信號(hào)和兩個(gè)不同目標(biāo)的ADS-B信號(hào)，連續(xù)波干擾與信號(hào)的幅度相同，連續(xù)波干擾的信源方位為90°（天線法線方向），目標(biāo)1 ADS-B信號(hào)的信源方位為100°，目標(biāo)2 ADS-B信號(hào)的信源方位為106°，時(shí)域波形如圖9所示，該場(chǎng)景模擬了具有ADS-B信號(hào)交織干擾和連續(xù)波干擾的信號(hào)輸入，同時(shí)還可驗(yàn)證算法的多目標(biāo)處理能力。

圖9 天線接收信號(hào)基帶波形

通過(guò)ADS-B信源方位估計(jì)處理結(jié)果如圖10（a）所示，PMUSIC(θ)存在三個(gè)尖峰，即存在3個(gè)信源，對(duì)應(yīng)方位角分別為90.1°、100.3°和105.9°，MUSIC測(cè)向結(jié)果與預(yù)設(shè)相符。

圖10 信源方位估計(jì)結(jié)果和分離后干擾信號(hào)波形

在獲得信源數(shù)量和方位信息后，用LCMV算法，分別求出每個(gè)目標(biāo)對(duì)應(yīng)的波束合成權(quán)向量，并依次對(duì)基帶信號(hào)進(jìn)行波束合成得到對(duì)應(yīng)方位的合成信號(hào)。預(yù)設(shè)的三個(gè)信號(hào)經(jīng)空域?yàn)V波后合成信號(hào)波形分別如圖10（b）所示。空域?yàn)V波分離后的信號(hào)，按照正常的ADS-B譯碼過(guò)程進(jìn)行處理，即可解析出ADS-B原始報(bào)文。

圖11 空域?yàn)V波分離后目標(biāo)1、2信號(hào)波形

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)以下實(shí)際場(chǎng)景，進(jìn)行驗(yàn)證，如圖12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

兩個(gè)模擬器模擬產(chǎn)生有交織的信號(hào)，處理主機(jī)對(duì)陣列信號(hào)進(jìn)行接收、采樣和處理，監(jiān)控終端對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析和展示。設(shè)置兩個(gè)應(yīng)答天線距ADS-B陣列天線約50m，平行于接收天線拉開距離，保持不小于6°的夾角，分別對(duì)兩臺(tái)模擬器進(jìn)行編程，模擬兩個(gè)ADS-B目標(biāo)，通過(guò)應(yīng)答天線發(fā)射，兩臺(tái)模擬器通過(guò)信號(hào)線同步觸發(fā)，以保證所發(fā)射信號(hào)在時(shí)域上同步，且有交織。交織信號(hào)，經(jīng)陣列天線和接收通道處理，生成的8路ADS-B數(shù)字IQ信號(hào)，解調(diào)后的幅度——時(shí)域波形如圖13所示，兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)波形發(fā)生了交織，基于該信號(hào)，不能準(zhǔn)確地提取ADS-B信號(hào)的前導(dǎo)頭，也不能正確地解析波形中的數(shù)據(jù)。

圖13 天線接收的ADS-B信號(hào)時(shí)域波形

該信號(hào)經(jīng)ADS-B信源方位估計(jì)和空域?yàn)V波處理后，提取出兩個(gè)目標(biāo)信號(hào)，如圖14所示，交織的信號(hào)波形被有效分離，對(duì)比波束合成前后噪底水平，噪底降低，信噪比提升，解調(diào)出的信號(hào)中脈沖，分別與兩個(gè)應(yīng)答模擬器的發(fā)射脈沖相符；對(duì)分離后的信號(hào)波形繼續(xù)進(jìn)行ADS-B譯碼處理，能夠準(zhǔn)確地提取ADS-B前導(dǎo)頭，并且解析出的數(shù)據(jù)與模擬器的設(shè)定一致。

圖14 空域解交織后提取的目標(biāo)信號(hào)波形

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，ADS-B系統(tǒng)采用多通道線陣天線接收，利用MUSIC算法進(jìn)行信源方向估計(jì)，能夠區(qū)分方位相差6°以上的多個(gè)目標(biāo)，利用數(shù)字波束合成實(shí)現(xiàn)ADS-B信號(hào)在交織干擾條件下的多目標(biāo)信號(hào)分離和干擾方位的陷零抑制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交織信號(hào)的正確接收、解析，抑制交織干擾、欺騙攻擊，提升ADS-B系統(tǒng)在實(shí)際電磁環(huán)境中運(yùn)行的穩(wěn)健性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了基于陣列信號(hào)處理的方法，闡述了ADS-B信號(hào)信源方位估計(jì)、數(shù)字波束形成，空域?yàn)V波的方法，分析了通道幅相誤差對(duì)分辨力的影響，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法應(yīng)用于ADS-B系統(tǒng)中，系統(tǒng)可在一定的交織干擾和欺騙攻擊情況下，仍然能夠正常穩(wěn)定地工作，提升ADS-B系統(tǒng)在實(shí)際電磁環(huán)境中的穩(wěn)健性能。該方法的局限性在于：1）需要采用陣列天線和陣列接收，增加了系統(tǒng)的設(shè)備復(fù)雜度；2）信號(hào)相關(guān)矩陣估計(jì)、相關(guān)矩陣特征分解、噪聲空間估計(jì)和信源方位搜索處理過(guò)程，均要用到大量的矩陣運(yùn)算，需采用具有高性能并行計(jì)算能力的GPU才能滿足系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性處理要求。陣列信號(hào)處理作為信號(hào)處理的一個(gè)重要分支，在通信、雷達(dá)、聲納、地震勘探和射電天文等領(lǐng)域內(nèi)獲得了廣泛應(yīng)用，為系統(tǒng)帶來(lái)了顯著的效能提升，其理論在工程應(yīng)用還有巨大的價(jià)值空間，值得學(xué)習(xí)和挖掘。