ADS-D系統(tǒng)中的電磁干擾及抗干擾技術

左明瑞

(中國民用航空華東地區(qū)空中交通管理局江西分局 江西 南昌 330000)

0 引言

隨著民用航空事業(yè)快速發(fā)展,我國民用飛機、機場、飛行航線數(shù)量進一步拓展,截至2020年底,國內(nèi)民用機場數(shù)量超過200個,預計在2025年,我國民用機場數(shù)量將達到300個,民用運輸飛機數(shù)量高于5 000架,通用航空飛機數(shù)量超過6 000架。而隨著民用航空不斷發(fā)展,無形中增加空中交通流量增長,對空中交通管制能力提出更高要求,民用航空急需研發(fā)一種高效空中交通監(jiān)管技術。廣播式自動相關監(jiān)視(automatic dependent surveillance-broadcast,ADS-B)技術作為現(xiàn)代最新型的空中交通監(jiān)管技術,其具有精度高、成本低、能提高空域容量等特征,被廣泛應用到民航空管領域。但是,由于航天電磁環(huán)境越來越復雜,嚴重影響到ADS-B的精度,必要時要關閉航線,給空中交通秩序造成嚴重影響,甚至影響到飛機的安全性[1]。

1 ADS-B系統(tǒng)的基本原理

ADS-B系統(tǒng)工作原理是利用全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)收集自身實時定位信息,且和其他機載設備信息相互結(jié)合,形成完整的ADS-B報文,再利用機載S模式收發(fā)機定期向外傳播自身實際飛行情況。地面站和其他安裝ADS-B機載設備的飛機通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)能自動接收ADS-B報文,科學處理信息數(shù)據(jù),然后將飛機實際狀態(tài)實時呈現(xiàn)在大屏幕上。目前,ADS-B系統(tǒng)功能是由ADS-B OUT和ADS-B IN組成,其中ADS-B OUT表示飛機向地面發(fā)送信息的過程;ADS-B IN表示機載設備接收信息的過程,傳輸信息內(nèi)容是由速度、位置、高度、呼號等信息組成。相關人員要利用ADS-B系統(tǒng)全面掌握區(qū)域中飛機飛行狀態(tài),一旦遇到問題能第一時間做出正確選擇,便于飛行員合理控制飛機距離。同時,ADS-B系統(tǒng)能實現(xiàn)飛行器目標間和地面站間的日常通信工作,即使在惡劣的空域中也能實現(xiàn)更高飛行高度。ADS-B數(shù)據(jù)走向,如圖1所示。

圖1 ADS-B數(shù)據(jù)走向

近年來,專業(yè)人員將ADS-B數(shù)據(jù)鏈分為通過訪問收發(fā)機數(shù)據(jù)鏈、1 090 MHz擴展電文、甚高頻數(shù)據(jù)鏈等類型,只有1 090 MHz擴展電文實現(xiàn)全球民航領域標準化,但和傳統(tǒng)監(jiān)視方法相比,ADS-B系統(tǒng)具有建設效率高、建設成本低等特征,被廣泛應用在民航領域方面。但從目前ADS-B系統(tǒng)發(fā)展情況來看,其遇到了多樣化問題,尤其是電磁干擾問題。雖然ADS-B系統(tǒng)具有可靠監(jiān)視和精準定位性能,但仍然面臨著電磁干擾影響,如通用系統(tǒng)模擬器定位信號受到電磁干擾、ADS-B系統(tǒng)信號傳輸鏈路面臨電磁干擾。

2 ADS-B系統(tǒng)中的通用系統(tǒng)模擬器電磁干擾

ADS-B系統(tǒng)精準定位是以通用系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)為基礎,來確定自身實際位置信息,但由于通用系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)自身具有較強的脆弱性,在現(xiàn)代電力電子設備和自然環(huán)境雙重影響下,通用系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)受到多樣化因素影響,如人為故意作祟、自然因素作祟、人為無意作祟等。目前來看,其隨著空間和時間變化,干擾現(xiàn)場出現(xiàn)不同程度的變化,直到最后完全消失。而人為有意干擾對通用系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)影響程度最高,主要包括壓制干擾、欺騙干擾、2種組合式干擾。

2.1 通用系統(tǒng)模擬器壓制干擾

壓制干擾是針對通用系統(tǒng)模擬器信號的壓制干擾的一種非常典型的電磁干擾,它的特點是使接收機前端的有用信號淹沒在噪聲中而不被捕捉和跟蹤,通過大功率的同噪聲來降低信噪比。當前的ADS-B系統(tǒng)主要是利用功率較低,通常為-158 dBW的GPS定位,極易被干擾的GPS信號。打壓擾動的技術成本更低,也更容易做到這一點。有研究顯示,GPS信號的特性使得壓迫性干擾具有一定的優(yōu)勢,是目前民航導航定位系統(tǒng)中威脅最大、干擾方式最多的一種,是所有潛在威脅GPS信號的威脅[2]。GPS壓制干擾的主要類型和典型干擾源見表1。

表1 GPS壓制干擾的主要類型和典型干擾源

通過分析表1,發(fā)現(xiàn)寬帶干擾主要特征是干擾信號頻帶寬度超過信號帶寬,整個目標信號頻帶上可覆蓋干擾能量;窄帶干擾的特點是其頻寬比訊號帶要小。最常用的方向、功率、頻率、帶寬等參數(shù)來分析壓制干擾的信號模型特征,脈沖干擾表示為式(1):

(1)

式(1)中:A為脈沖干擾幅度;t為占空比;Tpi為脈沖干擾周期。

寬帶線性調(diào)頻干擾表示為式(2):

(2)

式(2)中:A為脈沖幅度;T為調(diào)頻信號時寬;f0t為瞬時頻率。

2.2 通用系統(tǒng)模擬器欺騙干擾

欺騙干擾的訊號模型與原始的真實定位訊號接近,如功率等級等參數(shù),欺騙接收者獲取假定位信息,使載具能夠根據(jù)假信號的指引行進。技術成本更高,實現(xiàn)這種干擾的隱蔽性更強。目前,通用系統(tǒng)模擬器在軍事領域多采用欺騙干擾手段,民航領域應用通用系統(tǒng)模擬器欺騙干擾的情況比較少見[3]。

3 ADS-B信號傳輸鏈路中的電磁干擾

ADS-B發(fā)射機功率小,易受電磁干擾,在可能導致定位失真嚴重的情況下,ADS-B發(fā)射鏈路遭受電磁干擾,可引起傳輸鏈路中斷,ADS-B設備宕機。壓制干擾和欺騙干擾也存在于ADS-B數(shù)據(jù)傳輸鏈路上。壓制干擾,即干擾源發(fā)射功率較大的壓制信號干擾ADS-B數(shù)據(jù)鏈,干擾源將S模式1 090 MHz的虛假信息持續(xù)發(fā)送給航空器或地面站,導致ADS-B接收機無法收集到有用的報文信息。欺騙性干擾是指干擾來源截取飛機實際信息,如飛行方向、飛行位置等,并發(fā)出虛假干擾信號,使ADS-B接收機接收并廣播誘使控制員或駕駛員作出錯誤飛行指令的虛假飛機信息。由于ADS-B的廣播信息是公開的、不加密的、不需要身份驗證的,這就使得ADS-B系統(tǒng)在遭受欺騙性攻擊時變得輕而易舉[4]。

同時,民航領域同頻干擾也是ADS-B數(shù)據(jù)鏈一種特殊干擾現(xiàn)象,這種干擾現(xiàn)象對1090ES數(shù)據(jù)鏈具有明顯效果,其通常被應用在民航領域空中防撞、二次監(jiān)視雷達、多點定位等系統(tǒng),加上其他領域電力電子設備干擾現(xiàn)象,該頻段電磁環(huán)境具有較強的復雜性,其中,1090ES數(shù)據(jù)鏈同樣面臨嚴重的同頻干擾,導致鏈路擁堵嚴重,系統(tǒng)接收性能無形中降低,定位精確度也隨之下降。目前主要有竄擾、同步干擾、異步干擾等多種類型的同頻干擾,它的頻率和工作應答信號是一樣的,頻率上升到每秒上千次,這是目前干擾方式中最普遍的一種;不同的應答機在同步竄擾中的反應是一樣的詢問,且脈沖重疊位置相互占用,該種干擾類型很容易丟失信號,且無法用傳統(tǒng)技術進行解決[5]。

4 ADS-B系統(tǒng)應對電磁干擾的新技術

4.1 天線自適應抗干擾技術

在電子對抗項目上,在非人工干預下自主適應電子對抗環(huán)境的變化。如通過選頻技術測量出對方使用窄帶阻塞干擾的工作頻寬,以及頻寬中最薄的弱點,科學調(diào)整頻率,可測出其工作頻寬與頻寬之間的數(shù)據(jù)。天線自適應抗干擾技術包括單脈沖、窄波束、多波束、相控陣、低副瓣6超低副瓣、副瓣對消等多個波束組成的抗干擾技術,自適應陣列技術自適應波束形成反相位零點、超分辨等、隨機掃描主波束、變速天線掃描、極化分集。在選擇濾波器時,要保證濾波器在標準工作頻段中,能滿足負載要求的衰減特征,如果某種濾波器無法滿足行業(yè)基本要求,工作人員可考慮采用各種濾波器級聯(lián),來掌握實際衰減特征;濾波器可將預期額定電流和實際額定電流調(diào)整到相同標準,一旦電流值過高會提高濾波器重量和體積,電流較低會減少濾波器的穩(wěn)定性。低副瓣天線是最有效的措施之一,對干擾信號起到防止天線副瓣進入和避免反輻射導彈攻擊的作用。副瓣對消和副瓣消隱技術也是為了防止副瓣進入而產(chǎn)生的干擾信號,且副瓣對消和副瓣消隱技術所付出的代價要小。許多相關原理和方法還在研究中,自適應陣列彈性大,抗干擾能力強。

4.2 接收信號解碼校對

也是應對欺騙干擾的重要方法,是接收機分析接收信號的差異和特性,判別目標的真?zhèn)?。在時域方面,透過分析計算訊號強度、多普勒偏頻、收發(fā)訊號時間間隔等參數(shù),或利用多個基地臺,以與報文資訊比對來判定接收訊號真?zhèn)巍⒋_定飛機所在位置,從而作出判別。隨著民用航空不斷發(fā)展,無形中增加空中交通流量增長,對空中交通管制能力提出更高要求,民用航空急需研發(fā)一種高效空中交通監(jiān)管技術。ADS-B技術作為現(xiàn)代最新型的空中交通監(jiān)管技術,其具有精度高、成本低、能提高空域容量等特征,被廣泛應用到民航空管領域。時域運算偵測對時鐘精確度要求較高,對多個時鐘的同步性要求也較高,而對列天線技術精確度要求較高的則是頻域運算偵測[6]。

4.3 分析深度學習算法的檢測精度

在機器學習迅速發(fā)展的同時,在防欺騙干擾的ADS-B系統(tǒng)領域,深度學習(deep learning,DL)也被科研人員所應用。當干擾信號強度在正常檢測范圍時,被干擾雷達的干擾信號趨于多樣化,無形中提高信號處理計算機處理負擔[7]。同時,由于干擾信號的出現(xiàn),會降低雷達作用距離和目標檢測概率,甚至影響到測角精度和測距。針對該種情況,需要工作人員控制干擾信號強度,保證每個干擾信號都能被檢測到[8]。但由于這種干擾并非故意干擾,2個雷達波束交叉的時間較短,通常是一閃而過,干擾信號的強度也較低,不會給雷達正常工作帶來嚴重影響,很難被工作人員發(fā)現(xiàn)。通過AlexNet網(wǎng)絡對樣本數(shù)據(jù)進行訓練和測試并優(yōu)化,利用頻偏數(shù)據(jù)和報文的位置速度信息形成數(shù)據(jù)集;樣本數(shù)據(jù)通過SEQ2SEQ網(wǎng)絡模型進行訓練,該模型包含了飛機的位置和速度等信息。把DL運用到偵測識別騙術干擾中,所有的訓練樣本都是通過仿真的方式產(chǎn)生的[9]。

4.4 信息加密技術

針對ADS-B系統(tǒng)遇到的欺騙性干擾,大部分學者提出了多種加密手段,如透過數(shù)位簽章的方法來判別目標為真正的目標或干擾源、資訊分段加密和密碼學保護等。但信息加密手段的短板在于需要修改ADS-B傳輸協(xié)議,而加密保護ADS-B傳輸鏈如何有效地執(zhí)行還有待學者深入研究[10-11]。

5 總結(jié)

綜上所述,ADS-B系統(tǒng)作為最先進的民航空管監(jiān)視系統(tǒng),在日常應用中面臨嚴重電磁干擾問題,如ADS-B數(shù)據(jù)鏈壓制性干擾、通用系統(tǒng)模擬器系統(tǒng)欺騙干擾等問題,給應用效果帶來不同程度的影響。因此,為了提高ADS-B系統(tǒng)精準定位功能,不僅要加強無線管理作用,還要將無線電干擾領域新技術應用到ADS-B系統(tǒng),全面提高ADS-B系統(tǒng)抗干擾性能。