基于干涉儀測向的ADS-B抗欺騙技術(shù)研究

摘要：廣播式自動相關(guān)監(jiān)視技術(shù)（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast，簡稱ADS-B）相比于傳統(tǒng)監(jiān)視系統(tǒng)具有定位精度高、更新速率快和設(shè)備成本低等優(yōu)點，受到國際民航組織的大力推廣。但由于其共享開放式的特點使得系統(tǒng)容易受到各種欺騙式干擾的影響，嚴(yán)重威脅空中交通安全。本文介紹了ADS-B技術(shù)原理，分析了ADS-B技術(shù)缺陷，介紹了干涉儀測向技術(shù)和基于干涉儀測向的ADS-B抗欺騙系統(tǒng)工作流程。本文提出一種基于干涉儀測向的ADS-B抗欺騙技術(shù)，通過干涉儀測向的方法對所接收的ADS-B信號進行方向測定，并與ADS-B報文進行相關(guān)，通過比對ADS-B報文位置和測角結(jié)果，從而發(fā)現(xiàn)ADS-B報文中位置信息與其真實位置相差較大的欺騙信號。

關(guān)鍵詞：民航電信;ADS-B;信號干擾

廣播式自動相關(guān)監(jiān)視因其低成本與硬件設(shè)施簡單等優(yōu)越條件給空中交通管制提供極大的便利而得到廣泛的發(fā)展，目前大部分的商用飛機都配備了ADS-B硬件。ADS-B系統(tǒng)是基于目標(biāo)自主報告位置信息來實現(xiàn)的，通過結(jié)合全球定位系統(tǒng)和其他機載設(shè)備，飛機周期地廣播其位置、速度和識別號等信息，以便其他裝配ADS-B設(shè)備的航空器和空中交通管制地面基站有效實時地掌握當(dāng)前的空域狀況。但其信道不加密、數(shù)據(jù)協(xié)議公開等特點，使系統(tǒng)容易受到各種欺騙干擾的影響。其有效應(yīng)用前提是對目標(biāo)位置報告信息的充分信任，因此，當(dāng)監(jiān)視系統(tǒng)僅依靠ADS-B時，存在信息欺騙問題。

1.ADS-B技術(shù)原理

ADS-B技術(shù)是國際民航組織（ICAO）推薦使用的基于衛(wèi)星的新一代交通運輸輔助技術(shù)，可以將太空中的衛(wèi)星、空中機載設(shè)備、地面基站設(shè)備相結(jié)合，提供更高效、安全的空中交通管理手段。ADS-B系統(tǒng)的技術(shù)原理基本可以概括為民用航空飛機使用機載ADS-B系統(tǒng)通過機載傳感器接收全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GNSS）信號，并綜合機載導(dǎo)航系統(tǒng)信息，獲得飛機的經(jīng)度、緯度和高度信息，通過ADS-B OUT向外部周期性廣播相關(guān)的飛行信息，經(jīng)地面站和其他飛機接收到并解析后即可獲知飛機的空間位置。當(dāng)飛機在無雷達區(qū)域飛行時，ADS-B可作為良好的監(jiān)視信息來源，在雷達區(qū)也可作為監(jiān)視信息的有效補充。

目前民航業(yè)的快速發(fā)展、航線不斷增加都對民用空域利用提出了更高的要求，傳統(tǒng)的雷達問詢方式已經(jīng)無法滿足監(jiān)視性能的需求。根據(jù)我國《全面推進實施廣播式自動相關(guān)監(jiān)視（ADS-B）空管運行工作總體方案》和民航局全面實施ADS-B空管運行要求，自2019年10月10日起，全國各現(xiàn)場應(yīng)當(dāng)具備在8400米（含）以上高空實施ADS-B管制或雷達和ADS-B管制融合運行的能力。這標(biāo)志著ADS-B技術(shù)開始替代傳統(tǒng)雷達監(jiān)視技術(shù)，發(fā)揮重要作用。

2.ADS-B技術(shù)缺陷和欺騙技術(shù)介紹

由于ADS-B廣播式、開放式、明文式的特點，在進行空地通信時均使用明文，對數(shù)據(jù)并不進行加密、解密、認(rèn)證，因此可能會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失、無線電干擾、惡意欺騙等重大漏洞，一旦犯罪分子利用這些漏洞發(fā)送偽造的飛機報文，若地面接收設(shè)備無法將真假報文進行區(qū)分，就很有可能會對一定范圍內(nèi)的空管保障運行產(chǎn)生重大影響，甚至可能造成飛行事故。

ADS-B技術(shù)使用ASK調(diào)制，將信息通過載波的幅度表征，所以信號幅度會隨目標(biāo)的距離增加而降低，易受多徑效應(yīng)影響，同時容易受到同頻干擾也更容易被模仿，更難以被區(qū)分;采用公開的1090MHz點頻收發(fā)，真實目標(biāo)信息容易被監(jiān)測和重放，在頻域上難以區(qū)分真實目標(biāo)信號和干擾欺騙信號;非獨立監(jiān)視，屬于相關(guān)監(jiān)視，需要獲得發(fā)射方目標(biāo)信息開展監(jiān)視，需要發(fā)射-接收協(xié)同完成一次有效監(jiān)視;被動接收根據(jù)外部廣播信息，接收的監(jiān)視信息受制于發(fā)射方，監(jiān)視處理效果極大地依賴信息真假;機載全向天線發(fā)射，地面站全向接收，容易受到干擾且無法獲取信號輻射方向，并且在空間域上難以區(qū)分真實目標(biāo)信號和干擾欺騙信號;明文廣播并使用公開的校驗機制，導(dǎo)致真實目標(biāo)信息容易被監(jiān)測和重放，在信息層面難以區(qū)分真實目標(biāo)和干擾欺騙目標(biāo)。

3.干涉儀測向技術(shù)

干涉儀測向的實質(zhì)是利用無線電波在測向基線上形成的相位差來確定來波方向。干涉儀測向技術(shù)自出現(xiàn)以來，因其測向精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、原理清晰、觀測頻帶寬等優(yōu)點在電磁環(huán)境監(jiān)測、電子對抗、雷達、聲納、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。相關(guān)干涉儀基本原理是將實測信號的相位差矢量與之前建立的樣本庫的相位差矢量依次進行相關(guān)，以得到最大相關(guān)系數(shù)的相位差矢量對應(yīng)的方位角和俯仰角作為實測來波信號的方位角和俯仰角。

4.干涉儀測向結(jié)果與ADS-B數(shù)據(jù)結(jié)合

使用相關(guān)干涉儀與ADS-B地面基站進行數(shù)據(jù)比對可以驗證排除干擾欺騙的目標(biāo)，使用相關(guān)干涉儀測向測得信號發(fā)射位置的方位角和俯仰角，然后通過解析報文信號內(nèi)表明的目標(biāo)位置、高度信息，再與測向儀所在位置的經(jīng)緯度、高度等信息進行比對，得到發(fā)射ADS-B報文航空器的相對位置，將此位置與相關(guān)干涉儀測得的信號發(fā)射位置進行比較，從而發(fā)現(xiàn)ADS-B報文中位置信息與其真實位置接近的目標(biāo)，同時發(fā)現(xiàn)并排除相差較大的欺騙信號。

5.結(jié)論

隨著低空空域的開放和通航的發(fā)展，ADS-B監(jiān)視數(shù)據(jù)鏈因其自身的技術(shù)先進性、低成本、易安裝等優(yōu)勢，將成為未來空中交通監(jiān)控的主要技術(shù)手段?；谙嚓P(guān)干涉儀的測向方法技術(shù)成熟，驗證準(zhǔn)確率高，不需要后端復(fù)雜算法處理，但是需對當(dāng)前ADS-B地面站天線進行改進，適合指定覆蓋范圍內(nèi)的單站驗證場合。

參考文獻：

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中國民用航空ADS-B實施規(guī)劃.中國民用航空局.http：//sqgk.caac.gov.cn/000014170/201302/P020130220413287889496.pdf.2012

作者簡介：姓名（孫偉岸）性別（男）出生年（1994），籍貫到市（遼寧沈陽）民族（漢族）職稱（助理工程師）學(xué)歷（大學(xué)本科）研究方向（通信工程）