摘  要： 針對(duì)ADS-B技術(shù)存在的抗干擾能力低、容易受到干擾和欺騙的問(wèn)題，在分析傳統(tǒng)的ADS-B信息校驗(yàn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種利用無(wú)線(xiàn)電測(cè)向技術(shù)實(shí)現(xiàn)ADS-B信息校驗(yàn)的新方法。該方法可以實(shí)現(xiàn)ADS-B虛假目標(biāo)的有效識(shí)別。
關(guān)鍵詞： ADS-B；測(cè)向天線(xiàn)；信息校驗(yàn)

    ADS-B[1]技術(shù)是ICAO（國(guó)際民航組織）推薦使用的集衛(wèi)星導(dǎo)航、數(shù)據(jù)通信和航空監(jiān)視應(yīng)用于一體的新一代交通運(yùn)輸系統(tǒng)的先進(jìn)技術(shù)。ADS-B技術(shù)將衛(wèi)星導(dǎo)航、通信鏈路、機(jī)載設(shè)備（IN，OUT）以及地面設(shè)備（IN，OUT）等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合，提供了更加安全、高效的空中交通監(jiān)視手段，能有效提高地面管制人員和空中飛行人員的運(yùn)行態(tài)勢(shì)感知能力，擴(kuò)大航空監(jiān)視的有效覆蓋范圍，提高空中交通安全水平、空域容量與運(yùn)行效率[2]。
    ADS-B系統(tǒng)作為民航ATM系統(tǒng)一個(gè)新興的監(jiān)視技術(shù)，其具有非獨(dú)立和被動(dòng)監(jiān)視的特點(diǎn)，這使得裝備ADS-B機(jī)載發(fā)射設(shè)備的航空器并不一定會(huì)提供有保障的、連續(xù)的飛機(jī)狀態(tài)和意圖信息，在A(yíng)DS-B 系統(tǒng)運(yùn)行期間，報(bào)文丟失、傳輸誤碼、主動(dòng)的電子欺騙以及被動(dòng)的其他信號(hào)干擾都將降低ADS-B數(shù)據(jù)的完整性[3]，使得整個(gè)系統(tǒng)的安全等級(jí)大大降低，為飛行人員的自主飛行和管制人員的有效監(jiān)控造成重大的誤導(dǎo)，帶來(lái)了一定的安全隱患。
    當(dāng)前，信息化技術(shù)已在民航各項(xiàng)業(yè)務(wù)中發(fā)揮著舉足輕重的作用，ADS-B的信息校驗(yàn)方法關(guān)系到ADS-B的信息安全，已成為全球民航業(yè)界專(zhuān)業(yè)人士共同思考和面對(duì)的課題。解決該類(lèi)問(wèn)題，確保ADS-B的信息安全，關(guān)鍵在于對(duì)ADS-B報(bào)文進(jìn)行信息校驗(yàn)，確認(rèn)ADS-B數(shù)據(jù)報(bào)文的完整性，對(duì)ADS-B報(bào)文信息進(jìn)行查錯(cuò)與糾錯(cuò)，識(shí)別ADS-B有效信息，對(duì)于錯(cuò)誤信息進(jìn)行過(guò)濾，防止受到人為欺騙。
1 傳統(tǒng)校驗(yàn)方法
    當(dāng)前常用到的對(duì)ADS-B信息進(jìn)行校驗(yàn)的方法主要有兩類(lèi)：獨(dú)立校驗(yàn)和非獨(dú)立校驗(yàn)[4]。其具體實(shí)現(xiàn)方法為：NIC導(dǎo)航數(shù)據(jù)完好性判斷、Kalman濾波器跟蹤預(yù)測(cè)和多傳感的數(shù)據(jù)融合對(duì)比。
1.1 NIC導(dǎo)航數(shù)據(jù)完好性判斷
    RTCA DO-260/EUROCAE ED-102中規(guī)定，在較低版本(Version 0)中的ADS-B在狀態(tài)矢量報(bào)告報(bào)文信息里用NUC(Navigation Uncertainty Category)來(lái)描述ADS-B的信息可靠性，但是當(dāng)升級(jí)到較高版本(Version 2)，在RTCA DO-260B/EUROCAE ED-129中，ADS-B報(bào)文在狀態(tài)矢量字段中包含了NIC(Navigation Integrity Category)[5-6]，NIC值用于判斷ADS-B報(bào)文報(bào)告的地理位置信息是否可用于監(jiān)視應(yīng)用，可以通過(guò)該數(shù)值來(lái)判斷報(bào)文的完好性。
1.2 Kalman濾波器跟蹤預(yù)測(cè)
    利用自適應(yīng)的Kalman Filters 算法對(duì)接收到的ADS-B信號(hào)的噪聲進(jìn)行濾波[7-8]，識(shí)別、抑制錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，平滑、補(bǔ)充丟失數(shù)據(jù)，并提供當(dāng)前最優(yōu)狀態(tài)的估計(jì)值，預(yù)測(cè)目標(biāo)飛機(jī)在下一時(shí)刻的位置。當(dāng)接收到的實(shí)際位置和預(yù)測(cè)的位置接近時(shí)，判定數(shù)據(jù)達(dá)到完好性要求，該目標(biāo)為真目標(biāo)；反之，當(dāng)實(shí)際位置和預(yù)測(cè)的位置相差大于某個(gè)門(mén)限時(shí)，則認(rèn)為該目標(biāo)為假目標(biāo)，丟棄該數(shù)據(jù)[9]。該方法在航跡預(yù)推中應(yīng)用較廣。
1.3 多傳感器的數(shù)據(jù)融合對(duì)比
    在同一時(shí)間，針對(duì)同一目標(biāo)使用雷達(dá)和ADS-B兩種監(jiān)視技術(shù)，對(duì)各系統(tǒng)接收到的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合[10]，提供最小位置誤差的系統(tǒng)航跡，對(duì)ADS-B信息進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，確定目標(biāo)的真?zhèn)魏涂煽啃浴?br/>     針對(duì)虛假目標(biāo)模擬靜態(tài)目標(biāo)、線(xiàn)性運(yùn)動(dòng)目標(biāo)以及預(yù)設(shè)航跡單、多目標(biāo)，并通過(guò)便攜式發(fā)射器進(jìn)行發(fā)射，完成了模擬信息對(duì)外廣播的欺騙方法，在A(yíng)DS-B信息接收端，按照上面提到的傳統(tǒng)的ADS-B信息校驗(yàn)方法，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，基本上都能辨別信息的真?zhèn)巍?br/>     但是，當(dāng)來(lái)自虛假目標(biāo)的模擬的ADS-B數(shù)據(jù)完全按照標(biāo)準(zhǔn)ADS-B報(bào)文格式進(jìn)行編碼和處理時(shí)，從報(bào)文傳輸和編碼的角度分析，由于A(yíng)DS-B系統(tǒng)采用了公開(kāi)的頻率，其調(diào)試方式、數(shù)據(jù)格式和通信方式也都有相應(yīng)的技術(shù)文檔對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，并且所有的ADS-B報(bào)文必須遵照這一技術(shù)文檔進(jìn)行編碼和傳輸，因此，有特殊意圖的用戶(hù)完全可以在地面或是在空中模擬空中飛行的飛機(jī)定時(shí)廣播的信息報(bào)文，以及地面基站詢(xún)問(wèn)、其他飛機(jī)詢(xún)問(wèn)、應(yīng)答的數(shù)據(jù)，因而對(duì)其他飛機(jī)和地面基站而言，這個(gè)模擬的飛機(jī)與其他飛機(jī)相比可能沒(méi)有明顯的區(qū)別。針對(duì)此類(lèi)類(lèi)型的電子欺騙，在采用傳統(tǒng)的校驗(yàn)方法時(shí)，就不能有效地辨別信息的真?zhèn)巍?br/>2 測(cè)向天線(xiàn)校驗(yàn)
    對(duì)于完全符合技術(shù)要求的ADS-B欺騙信息報(bào)文，可以利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的傳輸特性，從無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的角度分析，如果只是在地面固定地點(diǎn)模擬ADS-B信號(hào)，則在信號(hào)強(qiáng)度和方向性等方面與實(shí)際的ADS-B信號(hào)應(yīng)該有差別，如果在地面上設(shè)置有方向性的無(wú)線(xiàn)電測(cè)向天線(xiàn)，則很容易跟蹤并發(fā)現(xiàn)該信號(hào)的無(wú)線(xiàn)電波束。此時(shí)，可以利用電磁波傳播特性，采用無(wú)線(xiàn)電測(cè)向設(shè)備測(cè)定無(wú)線(xiàn)電波來(lái)驗(yàn)證信息的真?zhèn)巍?br/>     本文所研究的信息校驗(yàn)方法是采用測(cè)向天線(xiàn)方式對(duì)信息源發(fā)出的無(wú)線(xiàn)電波信號(hào)進(jìn)行方位驗(yàn)證[11]，確保信號(hào)源方位與信息內(nèi)容預(yù)測(cè)方位的一致性，防止虛假目標(biāo)模擬正常的ADS-B信號(hào)來(lái)對(duì)接收方進(jìn)行欺騙。
2.1 測(cè)向天線(xiàn)校驗(yàn)ADS-B信息原理
    ADS-B信息的經(jīng)度、緯度、高度等位置信息都包含在A(yíng)DS-B的報(bào)文中，因此ADS-B的發(fā)射設(shè)備在向外廣播ADS-B報(bào)文信息時(shí)，被接收站接收后可以計(jì)算出該目標(biāo)在下一時(shí)刻的預(yù)測(cè)位置，如果實(shí)測(cè)信息源方位和來(lái)自信息的預(yù)測(cè)方位能夠有效匹配，即通過(guò)ADS-B地面站設(shè)備收到的ADS-B信息和通過(guò)測(cè)向天線(xiàn)偵測(cè)到的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)源的位置是一致的，則可以判斷該ADS-B信息是可靠的；反之，則不然。
2.2 測(cè)向天線(xiàn)校驗(yàn)ADS-B信息流程
    圖1為使用測(cè)向天線(xiàn)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行限定范圍搜索的流程。

    對(duì)圖1中的流程分析如下：
    (1)測(cè)向天線(xiàn)系統(tǒng)通過(guò)本地測(cè)向天線(xiàn)系統(tǒng)自帶的GPS設(shè)備獲取測(cè)向天線(xiàn)系統(tǒng)在K時(shí)刻的精確GPS坐標(biāo)，記為經(jīng)度λ0、緯度φ0，高度h0，并將該GPS坐標(biāo)作為本地方位換算的一個(gè)初始點(diǎn)。
    (2)系統(tǒng)控制器通過(guò)讀取ADS-B接收機(jī)接收的目標(biāo)航空器的ADS-B報(bào)文，對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，獲取目標(biāo)航空器在K時(shí)刻自身發(fā)送出來(lái)的GPS坐標(biāo)位置，并利用Kalman濾波預(yù)推計(jì)算出K+1時(shí)刻的目標(biāo)航空器的GPS坐標(biāo)預(yù)測(cè)值，記為經(jīng)度λ、緯度φ、高度h。
    (3)利用(1)和(2)中的GPS坐標(biāo)，根據(jù)式(1)可以計(jì)算出在K+1時(shí)刻目標(biāo)位置與測(cè)向天線(xiàn)之間的方位角理論值β，根據(jù)式(2)計(jì)算出K+1時(shí)刻目標(biāo)位置與測(cè)向天線(xiàn)之間的距離rh，等效地球半徑為R，目標(biāo)投影點(diǎn)的球心角為γ。

    (4)在K+1時(shí)刻，系統(tǒng)計(jì)算出K+1時(shí)刻的方位角β，通過(guò)天線(xiàn)控制的伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)天線(xiàn)調(diào)到方位角β，這時(shí)應(yīng)接收到有效的ADS-B 信息，同時(shí)還可以計(jì)算出目標(biāo)航空器與測(cè)向天線(xiàn)之間的距離為rh。
    (5)在測(cè)向天線(xiàn)預(yù)測(cè)目標(biāo)的方位后，通過(guò)與測(cè)向天線(xiàn)系統(tǒng)連接的ADS-B接收設(shè)備對(duì)接收到的無(wú)線(xiàn)電信號(hào)進(jìn)行解析，如果此時(shí)能夠解析出正確的且與獨(dú)立的ADS-B設(shè)備解析出來(lái)的ADS-B信息一致，則表明測(cè)向天線(xiàn)系統(tǒng)接收到的信號(hào)是真實(shí)飛行目標(biāo)發(fā)送的，因此沒(méi)有欺騙性的虛假模擬信號(hào)；否則，如果測(cè)向天線(xiàn)所連接的接收設(shè)備沒(méi)有接收到ADS-B信息或者是接收到的ADS-B信息與獨(dú)立接收設(shè)備接收到的信息不一致，則該信息為虛假的模擬目標(biāo)。
    上述驗(yàn)證方式是通過(guò)先接收信息，再根據(jù)預(yù)計(jì)目標(biāo)方位與實(shí)際接收到的目標(biāo)位置進(jìn)行對(duì)比；同樣，可以通過(guò)測(cè)向天線(xiàn)有目的地搜索ADS-B信息，通過(guò)本地接收機(jī)解析后，獲取信號(hào)源方位信息，再送到獨(dú)立的ADS-B接收機(jī)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，也可以得出信號(hào)源是否是同一目標(biāo)。
    為了將測(cè)向天線(xiàn)系統(tǒng)快速而準(zhǔn)確地指向預(yù)計(jì)目標(biāo)的方位，需要利用解析的ADS-B信息中的目標(biāo)高度、經(jīng)緯度、速度等參數(shù)，采用較好的航跡預(yù)計(jì)算法，對(duì)目標(biāo)的下一次發(fā)送信息的位置進(jìn)行提前預(yù)計(jì)。通過(guò)測(cè)向天線(xiàn)伺服系統(tǒng)跟蹤預(yù)計(jì)飛行器目標(biāo)位置，對(duì)比ADS-B接收機(jī)是否接收到與上一次相關(guān)聯(lián)的目標(biāo)信息，便可以跟蹤測(cè)量預(yù)計(jì)的飛行器，并根據(jù)結(jié)果判斷目標(biāo)的真?zhèn)巍?br/>     本文提出的基于無(wú)線(xiàn)電測(cè)向技術(shù)的ADS-B信息校驗(yàn)技術(shù), 對(duì)比傳統(tǒng)的ADS-B信息校驗(yàn)方法，該校驗(yàn)方法對(duì)于嚴(yán)格按照ADS-B報(bào)文格式編寫(xiě)的偽ADS-B報(bào)文信息，可以實(shí)現(xiàn)有效識(shí)別。該研究成果可以為中國(guó)民航在下一階段對(duì)ADS-B技術(shù)的全面應(yīng)用中，進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證和校驗(yàn)方法的優(yōu)化，可有效地檢測(cè)ADS-B信息的合法性，實(shí)時(shí)地阻止ADS-B虛假目標(biāo)的欺騙事件的發(fā)生，提高航空安全的保障性。
參考文獻(xiàn)
[1] 中國(guó)民用航空局.MH/T 4036-2012，1 090 MHz擴(kuò)展電文廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視地面站（接收）設(shè)備技術(shù)要求[S].北京，2012.
[2] 中國(guó)民用航空局.中國(guó)民用航空ADS-B實(shí)施規(guī)劃[Z].北京，2012.
[3] WALLACE E.Kelly III，Rockwell Collins，Conflict detection and alerting for separation assurance systems[C].1999 Digital Avionics Systems Conference，St.Louis，Mo.USA，1999.
[4] 王彩榮，李曉毅.Hamming Code信息校驗(yàn)方法研究[J].微處理機(jī)，2001(2)：33-34.
[5] SC-186，RTCA DO-260B.Minimum operational performance standards for 1 090 MHz extended squitter automatic dependent surveillance-broadcast(ADS-B) and traffic information services-broadcast(TIS-B)[S].RTCA，Inc.，2009.
[6] SC-186,RTCA DO-282B.Minimum operational performance standards for universal access transceiver(UAT) automatic dependent surveillance broadcast(ADS-B)[S].RTCA，Inc.，2009.
[7] KEMKEMIAN S，NOUVEL-FIANI M，CORNIC P，et al. Radar systems for sense and avoid on UAV[C].International Radar Conference，Bordeaux，F(xiàn)rance，2009.
[8] 吳炯，白存儒.航跡預(yù)測(cè)方法在航路飛行中的應(yīng)用[J].交通與計(jì)算機(jī)，2007，25(1)：57-60.
[9] FRITZ A.Precise position service to satisfy ADS-B out mandate[C].2011 Integrated Communications Navigation and Surveillance(ICNS) Conference，2011.
[10] CORNIC P，GARREC P，KEMKEMIAN S.Sense and avoid radar using data fusion with other sensors[C].IEEE Aerospace Conference，Big Sky，MT，USA，2011.
[10] 陶可妍，靳英衛(wèi)，閆英敏.船載衛(wèi)星天線(xiàn)伺服系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007，23(31)：201-202.
[11] 潘衛(wèi)軍，馮子亮，王洋，等.一種檢測(cè)ADS-B虛假目標(biāo)的方法[P].中國(guó).102323567A.2012-01-18.