ACAS X 監(jiān)視特性分析及防欺騙技術(shù)探討

馮 濤，李洪偉，李家蓬

（四川九洲空管科技有限責(zé)任公司，四川 綿陽 621000）

ACAS X 防撞系統(tǒng)兼容了SESAR 和NextGen的未來運行概念，其基于概率模型的特性可以提供未來飛機位置，在考慮系統(tǒng)安全操作目標的同時，實現(xiàn)了邏輯定制特殊程序或空域配置[1]。相比TCAS Ⅱ而言，ACAS X 在降低升級與維護成本的同時，可將碰撞風(fēng)險降低約50%[2]，升級更快速便捷，并且ACAS X 采用擴展混合監(jiān)視技術(shù)，擴充了ADS-B 信息的使用，可以產(chǎn)生交通告警干擾；因此，它是一種必然取代TCAS Ⅱ的新型機載防撞系統(tǒng)[3]。ACAS X 的監(jiān)視可靠性直接影響飛機的飛行安全，因此針對ACAS X 監(jiān)視特性的欺騙[4]與防欺騙技術(shù)[5-6]的研究將持續(xù)拓展。

1 ACAS X 目標監(jiān)視特性

1.1 ACAS X 擴展混合監(jiān)視的工作模式

ACAS X 采用擴展混合監(jiān)視的工作模式，擴展混合監(jiān)視軟件依據(jù)RTCA DO-185B、RTCA DO-260B 和RTCA DO-300A 標準，完成空中目標主動、混合和被動監(jiān)視3 種模式監(jiān)視處理[7]。

1) 主動監(jiān)視模式：通過C 模式呼叫和S 模式點名詢問，對C 模式目標和S 模式目標（包括具備ADS-B OUT 功能的S 模式應(yīng)答機）進行監(jiān)視；其中監(jiān)視詢問周期為1 s，S 模式精簡詢問周期為5 s。

2) 混合監(jiān)視模式：對于具備ADS-B OUT 功能的S 模式應(yīng)答機，采用被動偵聽廣播報文（格式選擇為DF17）接收目標經(jīng)緯度、高度信號的方式，結(jié)合本機相關(guān)信息完成目標監(jiān)視；然后通過動態(tài)主動監(jiān)視的方式進行目標確認，主動監(jiān)視的監(jiān)視周期在10～60 s 動態(tài)變化。

3) 被動監(jiān)視模式：對于具備ADS-B OUT 功能的S 模式應(yīng)答機，采用被動偵聽廣播報文（格式選擇為DF17）接收目標經(jīng)緯度、高度信號的方式，結(jié)合本機相關(guān)信息完成目標監(jiān)視；被動監(jiān)視模式中無需通過主動詢問確認。

擴展混合監(jiān)視是一種增強型被動+主動監(jiān)視模式，這樣的監(jiān)視模式更加合理；為滿足系統(tǒng)監(jiān)視性能和安全性，對該模式的適用條件(接近時間、信號幅度、信號有效情況)進行限定，當滿足條件時，采用全被動監(jiān)視模式，進一步降低頻譜占用；當不滿足條件時，轉(zhuǎn)化為主動監(jiān)視模式或部分被動監(jiān)視模式。擴展混合監(jiān)視狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程如圖1 所示。

圖1 擴展混合監(jiān)視狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

1.2 ACAS X 目標監(jiān)視特性分析

ACAS X 包括監(jiān)視跟蹤模塊（STM）與威脅決斷模塊（TRM）,STM 可實現(xiàn)對目標飛機的空域態(tài)勢感知與監(jiān)視，并提供最優(yōu)數(shù)據(jù)源給TRM 進行威脅評估與決斷告警。ACAS X 對ADS-B 被動監(jiān)視信息的應(yīng)用更為友好與開放，STM 使用主動監(jiān)視數(shù)據(jù)、ADS-B 數(shù)據(jù)和ADS-R 數(shù)據(jù)。STM 為每個數(shù)據(jù)源維護獨立的航跡，這些航跡關(guān)聯(lián)后與具體目標聯(lián)系在一起，然后STM 選擇1 個航跡數(shù)據(jù)源（主動、ADS-B 或ADS-R）供TRM 使用。

STM 為每條航跡標記信息，該信息允許TRM判斷航跡是否可以用來產(chǎn)生RAs 和TAs 或者僅產(chǎn)生TAs。如果ADS-B 數(shù)據(jù)通過了一次STM 主動確認（通過主動的S 模式詢問），它就被標記為有資格產(chǎn)生RA。一般地，一旦STM 對1 條ADS-B 航跡的主動確認失敗，那么這條航跡存續(xù)期間內(nèi)不再提供給TRM。

表1 指出傳遞到TRM 與顯示模塊的航跡類型和保護能力是主動監(jiān)視類型、被動監(jiān)視和STM 主動確認狀態(tài)的函數(shù)，通過滿足使用ADS-B 數(shù)據(jù)用于RA 保護所需的最低值來確定ADS-B 或ADSR 數(shù)據(jù)的質(zhì)量（NIC≥6，NACp≥7，NACv=1，SIL=3，version=2）。由表1 可知，高質(zhì)量的ADS-B 被動監(jiān)視航跡一旦通過主動確認將優(yōu)先傳遞到TRM 用于告警與顯示。這里的主動確認，是指通過TCAS的S 模式主動詢問獲取目標監(jiān)視信息（距離、高度、方位），并將這些信息與ADS-B 被動監(jiān)視航跡進行相關(guān)，如果相關(guān)成功，則判定主動確認狀態(tài)為“通過”，否則為“失敗”。

表1 監(jiān)視目標輸出表

相比TCAS Ⅱ，ACAS X 將更多地應(yīng)用ADSB 被動監(jiān)視[8-9]，并設(shè)置AOTO 工作模式（ADS-B ONLY TA ONLY）。

2 ACAS X 監(jiān)視特性缺陷

ACAS X 作為成熟設(shè)備，其基于二次監(jiān)視雷達原理，采用定向詢問和點航跡處理等技術(shù)，本身就有較強的抗抗干擾能力。但擴展混合監(jiān)視和ADSB 信息的深度應(yīng)用，帶來了潛在的被欺騙干擾問題，可能會被干擾裝置進行技術(shù)手段欺騙[10-13]。

1) ACAS X 通過“主動確認”目標距離、高度是否相關(guān)來判斷ADS-B 目標是否真實存在的監(jiān)視特性，并不能排除通過距離編程改變應(yīng)答延遲時間來“改變”與目標的距離、高度信息的欺騙方式。

2) ACAS X 通過定向天線進行ADS-B 消息的接收得到真實信號的方位角信息的監(jiān)視特性，不能排除通過計算出目標方位并使用定向天線發(fā)送特定角度的干擾信號的欺騙方式。

3) ACAS X 可以將目標信號的幅度信息與距離信息相關(guān)聯(lián)，如果幅度信息與目標距離不匹配，則ACASX 可以通過軟件算法濾除這類假目標的監(jiān)視特性，并不能排除通過調(diào)整自身發(fā)射功率的方式“改變”與目標的距離的欺騙方式。

3 針對ACAS X 監(jiān)視特性的欺騙方式分析

針對ACAS X 的監(jiān)視特性，可以通過靈巧欺騙的方式對ACAS X 進行欺騙，這種欺騙方式的信號處理流程如圖2 所示。

圖2 靈巧欺騙信號處理流程

該欺騙手段可以通過如下處理流程實現(xiàn)對ACAS X 的欺騙：

1) 接收所有目標的ADS-B OUT 信號，解析ADS-B OUT 信號獲取所有目標的24 Bit ICAO 地址、經(jīng)緯度信息和高度信息，并利用經(jīng)緯度信息和高度信息形成被動航跡。

2) 根據(jù)預(yù)先設(shè)置的24 Bit ICAO 地址和所有目標的24 Bit ICAO 地址從所有目標中確認被欺騙目標，并設(shè)定工作模式，其包括靈巧欺騙模式。

3) 在靈巧欺騙模式下，對被欺騙目標主動詢問來獲取被欺騙目標的主動航跡，并將主動航跡和被動航跡進行融合得到被欺騙目標的距離與方位（見圖3）。

圖3 干擾裝置與被欺騙目標幾何位置示意圖

4) 根據(jù)被欺騙目標的距離與方位模擬一個運動模型，并且設(shè)置一條指向被欺騙目標的運動軌跡，所述運動軌跡由經(jīng)緯度信息和高度信息組成。

5) 根據(jù)當前時刻運動模型與被欺騙目標的距離設(shè)置干擾信號的發(fā)射功率，將當前時刻被欺騙目標的方位設(shè)置為干擾信號的發(fā)送角度，將當前時刻運動模型的經(jīng)緯度信息以及高度信息組成DF 報文，偵收被欺騙目標的UF0 格式的主動詢問信號以確定干擾信號的應(yīng)答時間延遲量，以及計算所得應(yīng)答時間延遲量進行延遲后，以所述發(fā)送角度、發(fā)射功率發(fā)送攜帶DF 報文的干擾信號。

4 ACAS X 增強型防欺騙探討

針對上述ACAS X 監(jiān)視被欺騙的特性，需要對ADS-B 目標進行真實性驗證，識別虛假欺騙信號，具體技術(shù)手段包括基于空域場景、基于信源頭特征、基于數(shù)據(jù)一致性等，可采用單一或組合的方式。

4.1 基于空域場景的驗證技術(shù)

加裝ACAS X 的飛機主要包括民航運輸機、貨運機以及大型軍用運輸機、轟炸機等，其飛行的空域，包括民航專用空域、軍事飛行空域以及其他空域。這些空域中往往有既定的飛行計劃，或者有完善的地面監(jiān)視設(shè)備[14]，為目標真實性驗證提供信息。

1) 民航運輸機或貨運機，通過載入飛行計劃信息，將監(jiān)視到僅ADS-B 航跡，特別是近距離可產(chǎn)生交通告警的航跡，與飛行計劃信息作對比，驗證航跡真實性。

2) 軍用飛機除飛行計劃外，還可采用數(shù)據(jù)鏈等地-空通信技術(shù)實時獲取二次雷達地面站的航跡信息進行航跡真實性驗證。

3) 軍、民用飛機均可采用人機閉環(huán)的方式，采用電臺、衛(wèi)通等技術(shù)通過地面塔臺進行真實性驗證，排除虛假目標。

4) 未來隨著星基ADS-B 技術(shù)的推廣，可通過空-天通信方式，借助星基信息驗證真實性。

4.2 基于幾何相符與數(shù)據(jù)一致性的驗證技術(shù)

幾何相符依賴于數(shù)據(jù)一致性識別。數(shù)據(jù)一致性識別不同于信號的一致性識別之處，是在采集ADS-B 信號并解析ADS-B 數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)發(fā)布信號的目標數(shù)據(jù)內(nèi)容了解該目標的飛行狀態(tài)、運行趨勢和未來動態(tài)，通過一段時間內(nèi)積累的飛機數(shù)據(jù)與飛行器ADS-B 報告中的導(dǎo)航性能作相符性判斷，進而評價數(shù)據(jù)一致性。本文限于篇幅，僅對基于幾何相符的數(shù)據(jù)一致性識別簡要說明，情況如下：

1) 意圖獲?。汉娇掌饕鈭D報告（Target State，TS）/航跡變化（tragectory change，TC）報告獲取。

2) 誤差消除：航跡的卡爾曼濾波，針對不同運動模型，對其運動航跡濾波，得到更接近真實狀態(tài)的飛行運動軌跡，方便與飛行意圖進行比對分析。

3) 幾何相符識別方式：在飛行器廣播ADSB 消息時，會報告導(dǎo)航信息并計算獲得相應(yīng)的所需導(dǎo)航性能能力，即RNP（required navigation performance，所需導(dǎo)航性能）。RNP 類型決定了飛機航跡的最大偏移范圍。在飛機飛行過程中，飛機需在RNP 限定的范圍內(nèi)飛行，若超過這個范圍，其目標可能為虛假目標。

4.3 基于射頻信號特征的驗證技術(shù)

機載S 模式應(yīng)答機進行ADS-B 信號廣播時都具有其特有的射頻信號特征，通過較高準確率識別對應(yīng)S 模式地址的ADS-B 信號輻射源，可以有效地幫助區(qū)分真實目標與虛假目標，從而可以輔助提高ADS-B 抗干擾防欺騙能力。輻射源的個體特征，需滿足可測性、穩(wěn)定性、唯一性、完備性、普遍適應(yīng)性等特點。ADS-B 信號由于采用的是國際民航組織規(guī)定的標準頻段、標準格式，并且具有大量的空中真實航班作為穩(wěn)定可靠的訓(xùn)練數(shù)據(jù)，完全滿足要求。

4.4 基于欺騙信號的時間和空間特征

需要指出，航跡持續(xù)時間或運動的距離范圍也是驗證其真?zhèn)蔚闹匾卣鳎凑胀ㄓ脴藴蔛 模式應(yīng)答機應(yīng)答延遲時間最長為128 μs，按照空間電磁波傳播速度，這段時間間隔對應(yīng)目標運動的距離范圍是19.2 km，這一特點結(jié)合其他特征可以更有效地驗證真?zhèn)巍?/p>

5 仿真驗證

本文篇幅所限，只選取第4 章所述的基于幾何相符與數(shù)據(jù)一致性的驗證技術(shù)進行仿真，來驗證該技術(shù)對目標真實性驗證的可行性。

5.1 飛機飛行軌跡、速度仿真

假設(shè)飛機在60 s 內(nèi)，從初始位置（1 000 m，1 000 m，10 000 m）開始，以120、120、0 m/s 的初始速度，5、5、0 m/s2的加速度做勻加速直線運動。系統(tǒng)狀態(tài)噪聲標準差為5 m/s2，位置觀測噪聲標準差為120 m，速度觀測噪聲標準差為6 m/s，采樣時間間隔為1 s。飛機的飛行軌跡仿真如圖4 所示。獨立進行1 500 次仿真實驗，對飛機幾何位置估計的均方根誤差統(tǒng)計結(jié)果如圖5 所示。

圖4 飛機飛行軌跡圖

圖5 飛機幾何位置估計差

由圖5 可知，卡爾曼濾波在一定程度上減小了飛機幾何位置測量值的誤差，可以得到更精確的飛機幾何估計位置。

5.2 飛機幾何位置一致性仿真驗證

RNP 類型選取RNP-1，即RNP 要求飛機在計劃航線周圍1 海里的空域內(nèi)飛行。假設(shè)飛機的飛行計劃為：在60 s 內(nèi)，從設(shè)飛機在60 s 內(nèi)，從初始位置（1 000 m，1 000 m，10 000 m）開始，以100、100、0 m/s 的初始速度，以5、5、0 m/s2的加速度做勻加速直線運動。與此同時，干擾機從初始位置為（5 000 m，0 m，10 000 m）開始，以400、0、0 m/s 的速度勻速直線運動。

當干擾機產(chǎn)生并發(fā)射ADS-B 欺騙性干擾信號時，ADS-B 導(dǎo)航系統(tǒng)檢測到監(jiān)測飛機有兩組完全不同的飛行航跡（航跡1、航跡2）觀測值，此時通過卡爾曼濾波，飛機的飛行航跡如圖6 所示。

圖6 各觀測航跡飛機飛行航跡

因為ADS-B 導(dǎo)航系統(tǒng)可以根據(jù)飛機的ICAO地址獲取飛機的飛行計劃信息，因此可以通過計算獲得航跡1 和航跡2 的幾何位置相關(guān)函數(shù)，計算結(jié)果如圖7 所示。

圖7 各觀測航跡的飛機幾何位置局部相關(guān)函數(shù)

在60 s 的統(tǒng)計時間內(nèi)，航跡1 的幾何位置全局相關(guān)函數(shù)ρ1(N)=1，表明該航跡滿足飛機幾何位置一致性要求。航跡2 的幾何位置全局相關(guān)函數(shù)ρ2(N)=0，表明該航跡不滿足飛機幾何位置一致性要求。

上述仿真表明，基于幾何相符的一致性驗證技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)一段航路中飛行器幾何軌跡與飛機導(dǎo)航性能不符合的目標，并隔離到具體的目標上（S 模式地址），進行虛假目標的濾除。

6 結(jié)束語

本文在新一代防撞系統(tǒng)ACAS X 上，分析其存在的技術(shù)缺陷并指出了在擴展混合監(jiān)視特性下可能被干擾欺騙的方式和手段以及對應(yīng)的優(yōu)化措施，使得最終符合要求的ADS-B 航跡產(chǎn)生準確的交通告警。這為保障未來航空安全提供了一種有效的參考模型。