基于GNSS完好性的ADS-B防欺騙

， ， ，

(1.中國(guó)民航大學(xué)國(guó)家空管運(yùn)行安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300300；2.中國(guó)民航大學(xué)電子信息與自動(dòng)化學(xué)院， 天津 300300)

0 引言

廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)系統(tǒng)已成為民用航空一種重要的新監(jiān)視手段，但其開放共享的監(jiān)視架構(gòu)使它面臨易被人為攻擊和遭受虛假欺騙等安全性問題。若虛假的ADS-B系統(tǒng)向周圍鄰近的飛機(jī)或ADS-B地面站發(fā)送虛假ADS-B報(bào)文，則會(huì)造成飛行秩序的混亂，嚴(yán)重的會(huì)造成飛行沖突，釀成災(zāi)難性事故。因此，要實(shí)現(xiàn)ADS-B系統(tǒng)的全面推廣應(yīng)用，必須解決該系統(tǒng)易被人為攻擊和虛假欺騙的安全漏洞。

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者在非信息安全領(lǐng)域解決ADS-B系統(tǒng)防欺騙的方法主要有3種。第一種為采用一次監(jiān)視雷達(dá)/二次監(jiān)視雷達(dá)(PSR/SSR)校驗(yàn)法，通過將雷達(dá)獲得的航跡與ADS-B信號(hào)形成的航跡進(jìn)行比對(duì)來鑒定虛假位置目標(biāo)；第二種為多基站時(shí)差定位校驗(yàn)法，利用機(jī)載ADS-B報(bào)文傳輸?shù)牡竭_(dá)時(shí)間差對(duì)目標(biāo)進(jìn)行位置解算；第三種為多陣列天線校驗(yàn)法，利用多面陣列天線對(duì)ADS-B報(bào)文進(jìn)行空中方位的解算處理，獲得目標(biāo)真實(shí)位置信息，借此識(shí)別虛假欺騙目標(biāo)。

上述3種方法都需要給ADS-B系統(tǒng)加裝額外設(shè)備。本文提出一種基于全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)完好性信息與ADS-B報(bào)文完好性特征屬性參數(shù)進(jìn)行一致性比對(duì)的ADS-B自主式防欺騙方法，只是加裝在ADS-B系統(tǒng)機(jī)載端和/或地面端的一種防欺騙算法，無須增加額外設(shè)備，能大大降低實(shí)現(xiàn)成本。

1 ADS-B報(bào)文完好性特征屬性參數(shù)提取

ADS-B報(bào)文中完好性特征屬性參數(shù)綜合反映了ADS-B報(bào)文所提供定位信息的精度和完好性，因此對(duì)ADS-B報(bào)文的解析和對(duì)報(bào)文中完好性特征屬性參數(shù)的提取是完成ADS-B自主式防欺騙算法的必要內(nèi)容之一。

目前ADS-B報(bào)文中的位置信息都依賴于GNSS接收機(jī)，GNSS接收機(jī)在輸出位置信息的同時(shí)亦輸出水平保護(hù)級(jí)(HPL)來表征定位數(shù)據(jù)的精度。HPL是一個(gè)以計(jì)算出來的位置為圓心的圓的半徑，飛機(jī)真實(shí)位置以1～10-7的概率落在圓圈內(nèi)。為提高ADS-B報(bào)文有限長(zhǎng)度內(nèi)信息利用率，ADS-B機(jī)載設(shè)備將HPL值轉(zhuǎn)化為導(dǎo)航不確定類別(NUC)值，NUC是ADS-B報(bào)文中充分反映GNSS完好性信息的特征屬性參數(shù)，NUC是一個(gè)0～9的整數(shù)。隨著對(duì)監(jiān)視系統(tǒng)定位精度和完好性要求的提高，美國(guó)航空無線電技術(shù)委員會(huì)(RTCA)在2002年頒布的DO-242A《廣播式自動(dòng)相關(guān)監(jiān)視(ADS-B)最低航空系統(tǒng)性能標(biāo)準(zhǔn)》中，提出了導(dǎo)航精度類別(NAC)、導(dǎo)航完好性類別(NIC)和監(jiān)視完好性界別(SIL)的概念，對(duì)定位信息的精度和完好性分別進(jìn)行描述[1]，但目前只有極少數(shù)機(jī)載ADS-B設(shè)備支持該標(biāo)準(zhǔn)，因此，本文只考慮ADS-B報(bào)文中NUC參數(shù)的提取。

圖1為1090ES ADS-B報(bào)文的基本結(jié)構(gòu)[2]，它由4個(gè)前導(dǎo)脈沖報(bào)頭和112個(gè)信息脈沖數(shù)據(jù)構(gòu)成。前導(dǎo)脈沖用來表示該數(shù)據(jù)為S模式數(shù)據(jù)，后112個(gè)信息脈沖數(shù)據(jù)在內(nèi)容上有嚴(yán)格的格式要求，其中前88 bit為消息位，包括5 bit下行鏈路格式(DF)、3 bit設(shè)備能力標(biāo)識(shí)位域(CA/CF/AF)、24 bit飛機(jī)地址(AA)以及56 bit ADS-B數(shù)據(jù)(ME)，最后24 bit則為奇偶校驗(yàn)位(PI)。

ADS-B數(shù)據(jù)體主要存放在56 bit的ME字段中，其中前5 bit為TYPE字段(TYPE Code)，表示不同類型的報(bào)文，取值0～31，但空中位置報(bào)文只能取0, 9～18和20～22之間的整數(shù)?？罩形恢脠?bào)文中的經(jīng)度和緯度采用緊湊位置報(bào)告(CRP)格式進(jìn)行編碼，而高度信息則直接取自于GNSS定位數(shù)據(jù)或氣壓高度表[2-3]。

根據(jù)文獻(xiàn)[2-3]，ADS-B報(bào)文中NUC的值依據(jù)接收機(jī)輸出的HPL值的范圍進(jìn)行編碼，通過解算TYPE Code的值，便可解碼通過查表得到對(duì)應(yīng)的NUC值，NUC對(duì)于位置和速度分別有一個(gè)指標(biāo)，本文只研究表示定位精度和完好性的NUCp，因此文中出現(xiàn)的NUC均代表NUCp。

2 GNSS完好性參數(shù)解算

作為GNSS完好性參數(shù)，水平保護(hù)級(jí)(HPL)直接影響著1090ES ADS-B報(bào)文中位置信息的質(zhì)量和可靠性，同時(shí)HPL也充分反映在ADS-B報(bào)文特征屬性里。雖然目前ADS-B報(bào)文中的NUC參數(shù)都是通過接收機(jī)自主完好性監(jiān)視(RAIM)預(yù)測(cè)的HPL轉(zhuǎn)化來的，但作為RAIM的升級(jí)和擴(kuò)展，本文在遵循DO-260A標(biāo)準(zhǔn)定義的ADS-B報(bào)文前提下，探索利用高級(jí)接收機(jī)自主完好性監(jiān)視(ARAIM)解算的HPL進(jìn)行ADS-B自主式防欺騙，從而將ADS-B報(bào)文自主式防欺騙的過程由航路、非精密進(jìn)近擴(kuò)展到LPV-200進(jìn)近。

2.1 基于RAIM的HPL解算

接收機(jī)自主完好性監(jiān)視(RAIM)是利用全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機(jī)的多余觀測(cè)值，或借助其他機(jī)載輔助信息，來檢測(cè)和識(shí)別故障衛(wèi)星的一種機(jī)載增強(qiáng)系統(tǒng)(SBAS)。RAIM只提供水平完好性監(jiān)視，其監(jiān)視結(jié)果可支持民用航空航路、終端區(qū)和非精密進(jìn)近飛行對(duì)完好性的要求[4]。

在進(jìn)行RAIM增強(qiáng)算法之前，需要根據(jù)當(dāng)前位置下可見星的空間幾何先判斷RAIM的可用性，即根據(jù)接收的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算HPL，并與所在飛行階段要求的水平保護(hù)限值(HAL)相比較，如果HPL

可用性判定中HPL的具體算法如下:

設(shè)GPS的偽距觀測(cè)模型為

y=Gx+ε

(1)

用戶狀態(tài)的最小二乘解為

(2)

偽距殘差矢量v為

(3)

由上式可知，向量v中包含衛(wèi)星觀測(cè)誤差信息，可以用作判斷有無故障星的依據(jù)。通常距離殘差向量v中的各分量是相互獨(dú)立的服從正態(tài)分布的隨機(jī)誤差。

(4)

式中，SSE是偽距殘差矢量平方和，且SSE=||ν||2=νTν。

在H0假設(shè)下，對(duì)于一定的誤警率Pfa，可以得到[5]

1-Pfa

(5)

在H1假設(shè)下，對(duì)于一定的漏警率Pmd，由[5]

(6)

臨界偏差則為

(7)

令每顆衛(wèi)星的特征斜率為Slope(i)，它是G的相關(guān)函數(shù)，即[6]

(8)

式中，A=(GTG)-1GT，S=I-G(GTG)-1GT。

在位置誤差一定的情況下，衛(wèi)星的斜率越大對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量越小，衛(wèi)星故障也越難檢測(cè)。

因此，HPL為

(9)

式中，Slopemax為Slope(i)的最大值。

2.2 基于ARAIM的HPL解算

高級(jí)接收機(jī)自主完好性監(jiān)視(ARAIM)不僅能提供水平完好性監(jiān)視，還支持具有垂直引導(dǎo)滿足航向信標(biāo)性能(LPV)的進(jìn)近對(duì)完好性的要求，最多可以支持將飛機(jī)以規(guī)定的所需導(dǎo)航性能(RNP)引導(dǎo)至距地面200 ft(60 m)高度的LPV(即LPV-200)[7]。

與RAIM算法流程不同，ARAIM直接根據(jù)具體飛行階段對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)完好性的要求來計(jì)算保護(hù)限值，即通過控制危險(xiǎn)誤導(dǎo)信息概率(PHMI)來滿足某一飛行階段的完好性要求?；诙嗉僭O(shè)分組解(MHSS)的ARAIM算法是GNSS發(fā)展結(jié)構(gòu)研究小組推薦的算法，通過擴(kuò)展傳統(tǒng)分組解法和使用多種假設(shè)法對(duì)完好性風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，考慮到在多個(gè)獨(dú)立和相關(guān)衛(wèi)星故障條件下多星座的偽距測(cè)量值，通過最優(yōu)分配連續(xù)性和完好性風(fēng)險(xiǎn)來計(jì)算水平和垂直保護(hù)級(jí)，在算法上更加嚴(yán)格和靈活[8]。

GPS單星座下線性偽距方程如式(1)所示，多星座時(shí)ARAIM則需統(tǒng)一觀測(cè)量的時(shí)空坐標(biāo)基準(zhǔn)，不同系統(tǒng)之間的鐘差分別進(jìn)行估計(jì)。

(10)

(11)

(12)

(13)

想要計(jì)算HPL，首先必須計(jì)算HPLq(q=1和2)，而HPLq是以下方程的解[9-10]:

(14)

3 基于GNSS完好性ADS-B自主式防欺騙算法

基于GNSS完好性ADS-B自主式防欺騙算法的整體設(shè)計(jì)思路如圖2所示，主要算法流程如下：

1) ADS-B報(bào)文庫(kù)的生成。由于1090ES ADS-B數(shù)據(jù)與SSR數(shù)據(jù)共享傳輸射頻，所以先從ADS-B接收機(jī)接收的原始數(shù)據(jù)中篩選出ADS-B空中報(bào)文，再根據(jù)RTCA DO-260標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的ADS-B報(bào)文格式和報(bào)文中包含的數(shù)據(jù)信息編解碼算法，生成ADS-B虛假空中報(bào)文，將真假報(bào)文混合得到一個(gè)ADS-B報(bào)文庫(kù)。

2) ADS-B報(bào)文解析。根據(jù)ADS-B報(bào)文解析方法，對(duì)ADS-B報(bào)文庫(kù)中所有的ADS-B報(bào)文進(jìn)行解析，得到報(bào)文的接收時(shí)間、飛機(jī)的位置信息(經(jīng)緯高)以及NUC值。

3) HPL值解算。下載GNSS衛(wèi)星星歷，獲取衛(wèi)星運(yùn)行軌道的開普勒參數(shù)，設(shè)定衛(wèi)星遮蔽角為5°。由星歷數(shù)據(jù)計(jì)算得到在報(bào)文接收時(shí)刻，飛機(jī)位置處可見星數(shù)目及其位置坐標(biāo)。根據(jù)RAIM或ARAIM中HPL的算法，計(jì)算出ADS-B報(bào)文中時(shí)間和位置信息處預(yù)測(cè)的HPL值。

4) 虛假報(bào)文的剔除。根據(jù)RTCA DO-260標(biāo)準(zhǔn)，將得到的預(yù)測(cè)HPL值轉(zhuǎn)化為預(yù)測(cè)NUC值，對(duì)比預(yù)測(cè)NUC值是否與報(bào)文解析得到的NUC值相等，如果相等則判斷為真實(shí)報(bào)文，否則為虛假報(bào)文。

3.1 基于RAIM的ADS-B自主式防欺騙算法仿真

在Matlab仿真平臺(tái)上對(duì)圖2給出的防欺騙算法流程進(jìn)行仿真實(shí)現(xiàn)。由于目前幾乎所有民航運(yùn)輸飛機(jī)機(jī)載ADS-B設(shè)備的定位和導(dǎo)航信息均來自GPS接收機(jī)，而GPS輸出的完好性信息HPL值是由內(nèi)嵌在GPS接收機(jī)內(nèi)部的RAIM算法計(jì)算得到的，故仿真實(shí)驗(yàn)采用從美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)官網(wǎng)(http://www.navcen.uscg.gov)下載的YUMA格式的GPS歷書數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包含正在運(yùn)行的31顆GPS衛(wèi)星，衛(wèi)星遮蔽角取5°。

本仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要包括三大內(nèi)容板塊：第一部分主要完成ADS-B虛假報(bào)文的生成；第二部分主要完成衛(wèi)星歷書的加載和真假報(bào)文的混合；第三部分則完成對(duì)虛假欺騙的判別，并將結(jié)果直接顯示在界面上。仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的具體功能實(shí)現(xiàn)如下。

首先采用SBS-3系列ADS-B接收機(jī)，以中國(guó)民航大學(xué)北院[N39.1，E117.3，3]為接收點(diǎn)，接收從2015年5月18日6時(shí)51分18秒至2015年5月18日8時(shí)50分54秒之間，近2 h共計(jì)11 853條ADS-B和SSR報(bào)文數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)以十六進(jìn)制保存為dat格式的文件，為便于仿真先轉(zhuǎn)化存放在excel表格中，如圖3所示。機(jī)載設(shè)備發(fā)送的ADS-B報(bào)文中并不包含報(bào)文生成發(fā)送的時(shí)間信息，但接收機(jī)在接收到報(bào)文時(shí)，會(huì)根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠?jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間給報(bào)文加上一個(gè)時(shí)間戳，直接在報(bào)文的最前端加上相應(yīng)的協(xié)調(diào)世界時(shí)(UTC)到達(dá)時(shí)間信息。

然后對(duì)圖3所示的原始報(bào)文數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，篩選出只帶有時(shí)間和ME消息字段的ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)。根據(jù)1090ES數(shù)據(jù)鏈報(bào)文的結(jié)構(gòu)和組成，通過解析篩選得到所有ADS-B報(bào)文數(shù)據(jù)以及發(fā)送報(bào)文的所有飛機(jī)的身份識(shí)別號(hào)(ID)。選取其中接收到廣播報(bào)文比較多的飛機(jī)進(jìn)行仿真，本次仿真選取的飛機(jī)ID為8D780D33，通過篩選得到如圖4所示的總計(jì)279條該架飛機(jī)的ADS-B空中位置報(bào)文。

通過Matlab模擬生成ID為“8D780D33”飛機(jī)的ADS-B虛假報(bào)文。圖5為ADS-B虛假報(bào)文的模擬生成界面，該界面包括ADS-B報(bào)文模板的輸入、各種時(shí)間和位置等仿真參數(shù)的輸入以及仿真生成的虛假報(bào)文的顯示。其中在飛機(jī)身份標(biāo)簽的文本框中輸入包含飛機(jī)ID信息且滿足RTCA DO-260標(biāo)準(zhǔn)的ADS-B報(bào)文，作為生成虛假報(bào)文的參考模板。虛假報(bào)文可以人為設(shè)定報(bào)文的經(jīng)緯度和時(shí)間信息，高度值和NUC值則采用選取隨機(jī)數(shù)的方式。本次實(shí)驗(yàn)共生成500條ID為“8D780D33”飛機(jī)的虛假ADS-B空中位置報(bào)文。

將接收的279條ID為“8D780D33”飛機(jī)的真實(shí)ADS-B空中位置報(bào)文，與模擬生成的500條虛假ADS-B空中位置報(bào)文相混合，得到含779條ADS-B報(bào)文的報(bào)文庫(kù)。同時(shí)加載GPS歷書文件，得到所有衛(wèi)星的開普勒軌道參數(shù)。

最后解析報(bào)文庫(kù)中的所有報(bào)文，得到對(duì)應(yīng)報(bào)文的到達(dá)時(shí)間、飛機(jī)位置信息(經(jīng)緯高)和NUC值。根據(jù)報(bào)文到達(dá)時(shí)間和位置，利用RAIM便可獲得對(duì)應(yīng)時(shí)間和位置處的HPL預(yù)測(cè)值。依據(jù)RTCA DO-260標(biāo)準(zhǔn)將該預(yù)測(cè)的HPL值轉(zhuǎn)化為預(yù)測(cè)的NUC值，并將其與對(duì)應(yīng)報(bào)文解析得到的NUC值進(jìn)行一致性比對(duì)：如果兩者一致則判斷為真報(bào)文，否則判斷為虛假欺騙。圖6是對(duì)ID為“8D780D33”飛機(jī)的所有ADS-B空中位置報(bào)文的判別結(jié)果。上述處理過程在Matlab仿真平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)間總計(jì)1.065 009 s。

為了獲得本ADS-B自主式防欺騙方法的性能，分別對(duì)接收到的10架飛機(jī)的3 372條原始真實(shí)報(bào)文進(jìn)行解析，并利用本防欺騙方法進(jìn)行報(bào)文的真假判別，結(jié)果顯示由上述3 372條原始報(bào)文通過CPR解碼算法解析得到的578個(gè)位置信息中，有一條被誤判為欺騙報(bào)文，誤警率為0.173%。同樣模擬生成5 000條虛假的ADS-B空中位置報(bào)文，對(duì)這些報(bào)文進(jìn)行解析并利用本防欺騙算法進(jìn)行真假判別，結(jié)果顯示2 500個(gè)位置信息中有1個(gè)被誤判為真實(shí)位置信息，漏警率為0.04%。

3.2 基于ARAIM的ADS-B自主式防欺騙算法仿真

基于ARAIM的ADS-B自主式防欺騙算法原理和流程與圖2所示的一致，只不過由于目前接收到的飛機(jī)廣播的ADS-B真實(shí)報(bào)文，其HPL都是基于RAIM算法而生成的[4]，因此必須仿真生成完好性信息是基于ARAIM的ADS-B空中位置報(bào)文，并把這種報(bào)文作為真實(shí)報(bào)文。圖7為這種報(bào)文的模擬仿真生成界面。

圖7所示的仿真界面包括ADS-B報(bào)文模板的輸入、各種時(shí)間和位置等仿真參數(shù)的輸入以及仿真生成的真實(shí)ADS-B報(bào)文的顯示。其中在報(bào)文模板標(biāo)簽的文本框中輸入包含飛機(jī)ID信息且滿足RTCA DO-260標(biāo)準(zhǔn)的ADS-B報(bào)文，作為模擬生成真實(shí)報(bào)文的參考模板。設(shè)定報(bào)文的經(jīng)緯度和時(shí)間信息，高度值則采用選取隨機(jī)數(shù)的方式給出。根據(jù)給定的時(shí)間和位置信息，利用基于MHSS的ARAIM算法計(jì)算HPL，并轉(zhuǎn)化為報(bào)文中的NUC。依據(jù)ADS-B報(bào)文的編碼原理，根據(jù)時(shí)間、空中位置信息(經(jīng)緯高)和NUC值，模擬生成500條ID為“8D780D33”的飛機(jī)的真實(shí)報(bào)文，并顯示在界面上。

此處ARAIM算法采用的是“GPS+GLONASS”雙星座，星歷數(shù)據(jù)采取http://celestrak.com網(wǎng)站上下載的兩行軌道數(shù)據(jù)(TLE)，包括正在運(yùn)行的31顆GPS衛(wèi)星和29顆GLONASS衛(wèi)星，衛(wèi)星截止高度角設(shè)為5°。

將仿真生成的ADS-B真實(shí)空中位置報(bào)文與3.1節(jié)仿真生成的虛假空中位置報(bào)文相混合，得到ID為“8D780D33”飛機(jī)廣播的ADS-B報(bào)文庫(kù)。解析所有接收到的報(bào)文，得到對(duì)應(yīng)的報(bào)文到達(dá)時(shí)間、飛機(jī)位置(經(jīng)緯高)以及NUC。根據(jù)時(shí)間和位置信息，利用基于MHSS的ARAIM算法計(jì)算出預(yù)測(cè)的HPL，轉(zhuǎn)化為預(yù)測(cè)的NUC，并將其與解析得到的報(bào)文中的NUC值作一致性比對(duì)。如果二者一致，則判斷為真報(bào)文，否則為虛假報(bào)文，如圖8所示。上述處理過程在Matlab仿真平臺(tái)上運(yùn)行時(shí)間總計(jì)1.813 226 s。

同樣，為了獲得本方法的性能，利用上述模擬產(chǎn)生真實(shí)報(bào)文的方法，生成5 000條ADS-B真實(shí)報(bào)文，并用本方法進(jìn)行報(bào)文的真假識(shí)別，結(jié)果顯示得到的2 500個(gè)位置報(bào)文均為真實(shí)報(bào)文，誤警率為0。同樣模擬生成5 000條虛假ADS-B空中位置報(bào)文，對(duì)這些報(bào)文進(jìn)行真假識(shí)別，結(jié)果有1個(gè)被誤判為真實(shí)位置報(bào)文，漏警率為0.04%。

4 結(jié)束語

本文提出了一種基于GNSS完好性信息的ADS-B自主式防欺騙方法，并基于RAIM對(duì)ADS-B接收機(jī)接收的真實(shí)ADS-B報(bào)文與模擬產(chǎn)生的虛假ADS-B報(bào)文進(jìn)行了相應(yīng)的報(bào)文防欺騙仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明本方法能有效防止不含完好性信息或完好性信息與飛機(jī)位置不關(guān)聯(lián)的虛假ADS-B報(bào)文的惡意欺騙，誤警率和漏警率分別為0.173%和0.04%?？紤]到隨著ADS-B技術(shù)的發(fā)展，其報(bào)文中的完好性信息完全有可能來自其他的GNSS增強(qiáng)技術(shù)，因此本文還同時(shí)研究了基于ARAIM的ADS-B自主式防欺騙算法，并進(jìn)行了相應(yīng)仿真，仿真結(jié)果同樣表明本文提出的防欺騙方法具有良好的防虛假ADS-B報(bào)文欺騙的性能。