判別ADS-B位置信息真偽方法的分析與研究

盧獻宇 張媛媛 高丹鳳

摘 ?要：ADS-B，中文名稱為廣播式自動相關監視，即是飛行器自主廣播包含了位置等信息的報文給用戶，因此可利用該信息作為監視飛行器的前提是報文信息可靠可信，可見ADS-B系統作為獨立監視手段存在脆弱性。在考慮ADS-B作為獨立監視系統的前提下，現提出卡爾曼濾波跟蹤航跡預測法和到達時間差法這兩種方法，利用ADS-B廣播的報文信息來進行目標（飛行器）位置真偽的判別，以此提高航空交通管制系統對ADS-B報文的信任度，有利于ADS-B作為新一代監視系統的廣泛應用。

關鍵詞：廣播式自動相關監視;欺騙式干擾;卡爾曼濾波;到達時間差

中圖分類號：V355.1 ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）14-0049-03

Abstract： ADS-B， the chinese name is broadcast automatic correlation monitoring， that is， the aerocraft autonomously broadcasts a message containing location and other information to the user， therefore， the premise of using this information to monitor aircraft is the message information is reliable， it is clear that ADS-B system is vulnerable as an independent monitoring means. On the premise of considering ADS-B as an independent monitoring system， two methods， Kalman filter tracking track prediction method and arrival time difference method， are proposed to distinguish the authenticity of target （aircraft） position by using ADS-B broadcast message information， so as to improve the air traffic control （ATC） trust in ADS-B information， it is conducive to the wide application of ADS-B as a new generation monitoring system.

Keywords： ADS-B; deceptive jamming; Kalman filter; arrival time difference

0 ?引 ?言

廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveullance- Broadcast， ADS-B）的技術標準是完全開放的，其編碼信息透明、通信鏈路公開、調制方式簡單，這些特點使它以低成本、監視范圍廣等優勢成為重要的民航監視手段，但也是由于這些特點，ADS-B極易受到干擾和攻擊，嚴重影響了監視的準確性和安全性。因此，ADS-B在應用過程中，一般都和其他設備配套（輔助）使用[1]。

隨著中國民航大力推進監視系統技術變革，努力構建天、空、地一體化ADS-B運行體系，到“十四五”末，全面實現高空航路航線、終端（進近）和塔臺管制區域的ADS-B運行及通航活動的ADS-B監視服務，因此，解決ADS-B作為獨立的監視系統的安全問題急不可待。

本文旨在解決在ADS-B作為獨立監視系統的前提下，討論并仿真分析利用卡爾曼濾波預估航跡并判別ADS-B報文信息真偽的方法，以及探討利用真假信號到達地面站時間差不同而判別信息真偽的可行性。

1 ?問題描述與信號模型

1.1 ?問題描述

當ADS-B作為獨立監視系統時，在ADS-B目標位置欺騙方面，主要存在兩種欺騙手段——報文篡改欺騙、仿真目標欺騙。

報文篡改欺騙（中途信息被非法篡改），即干擾臺通過接收空中真實飛機的ADS-B信息，實時獲得空中飛機的地址后，干擾臺仿制具有相同模式地址的報文并對其進行廣播。ADS-B地面站將真實目標廣播的真實參數信息和干擾臺廣播的虛假參數信息一起接收處理，就會導致輸出到用戶終端的航跡狀態異常。該情況一般發生在沿航路飛行的航空器，可利用適合于實時處理和計算機運算的卡爾曼濾波跟蹤航跡并預測來解決。

仿真目標欺騙（發射虛假的飛行信息），是指干擾臺仿制符合協議規定格式的ADS-B報文，廣播虛假的位置信息。地面站將虛假信息接收并解析后，將其作為正常數據和空中真實目標同時顯示或者關聯，并輸出到用戶終端。該情況一般發生在飛機進離場（包括進近和塔臺管制階段），可通過真實信號與虛假信號到達地面臺的時間差比對，判別出真假信號、目標位置的真偽。

1.2 ?信號模型

根據美國航空無線電技術委員會制定的標準文件[2]，ADS-B消息的發射空中位置消息、空中速度消息均為每秒2條，假設飛機在較短時間內從A點直線飛到B點，歷時N秒，則共有2N個位置、速度消息，記為L={L1，L2，…，LN}，其中，Ln={lvn1，lvn2，lpn1，lpn2}表示第n秒發送的消息的集合，lvn1表示第n秒發送的第一條空中速度消息，lpn2表示第n秒發送的第二條空中位置消息。根據lpn1和lpn2解碼得到一個空中位置點Sn（xn，yn，hn），x、y、h分別表示經度、緯度、高度。根據lvn1和lvn2解碼得到兩個空中速度vn1和vn2，巡航狀態下vn=vn1=vn2，若vn1≠vn2，令n時刻速度為vn=（vn1+vn2）/2。由此，得到N個時刻的位置序列S={S1，S2，…SN}和速度序列V={V1，V2，…，VN}，其中，第n時刻目標的三維坐標表示為Sn={x（n），y（n），h（n）}，三維速度表示為Vn={vx（n），vy（n），vh（n）};信息采樣周期T為1秒。

2 ?卡爾曼濾波航跡預測法

2.1 ?卡爾曼濾波原理

從接收的ADS-B報文提取了目標的三維位置和速度信息，據此建立卡爾曼濾波模型進行濾波估計航跡預測，分析步驟為：

（1）確定了系統的狀態向量為X （k）=[x （k），y （k），h （k），vx （k），vy （k），vh （k）] T。狀態方程和測量方程分別為式（1）、式（2）：

其中T為采樣周期，若將三個方向的干擾分別記為：wx、wy、wh，對于勻速運動目標，各方向的干擾可視為相應方向的加速度，因此系統過程噪聲W=[wx ?wy ?wh]T;測量矩陣：

狀態轉移矩陣：

過程噪聲矩陣：

量測噪聲W為零均值、方差陣為Q的高斯隨機序列;測量噪聲V為零均值、協方差陣為R的高斯白噪聲，兩個噪聲相互獨立。

（2）卡爾曼濾波算法使用0和1時刻的量測數據（即取位置序列P和速度序列V的前兩個的測量值）進行計算初始化，因此，當k=1時，初始狀態表示為（1∣1）;確定濾波點數M;確定預測協方差矩陣的初始值P（1∣1）。

（3）濾波由時刻2開始，根據初始值和控制量預測當前狀態。狀態的一步預測為：

X（k+1∣k）=ΦX（k∣k）

協方差的一步預測為：

P（k+1∣k）=ΦP（k∣k）Φ'+GQ（k）G'

經過3個步驟的推進，將得到的最新的量測數據進行遞推濾波算法，不斷更新目標的狀態信息，實現對目標的航跡跟蹤預測。

2.2 ?;方法的應用

我們考慮一個真實飛機通過其機載ADS-B發射機正常發送報文信息（包含有速度、位置等），地面ADS-B接收機接收后解析報文，可得到一系列航跡點。干擾設備在報文下發中途截獲正常的報文信息，并對該信息進行篡改，偽造了航班的位置、速度等重要信息，并繼續將該假報文廣播下發到地面。

現假設，航班計劃沿航線同高度地從A點直線飛往B點方向，途中C點時刻，下發的報文信息被中途截獲，報文信息被篡改為從C點轉彎飛往D點方向，如圖1所示。

根據2.1的推理計算，利用1.2的ADS-B信號模型，對飛機從A點飛往B點方向的航跡進行卡爾曼濾波預測。具體計算與仿真過程可詳見作者已發表文獻[3]。

隨著航跡預測的推進，在C點開始，ADS-B報文被篡改，地面站收到的ADS-B位置信息不斷偏離原計劃（真實）航跡，而進行卡爾曼濾波航跡預測，也將不斷偏離新的（虛假）航跡，而呈現預測結果與新的（虛假）航跡不收斂的結果，如圖2所示。原因是，卡爾曼濾波是根據新的（即虛假）位置數據和前一時刻的各個量的預測值，借助于卡爾曼系統的狀態轉移方程，按照2.1的推導公式，算出新的諸量的預測值。

由此，判斷自C點開始后的ADS-B報文信息為虛假。

3 ?到達時間差法

3.1 ?情景假設

如圖3所示，以A點為原點，飛行器的航向為x軸正方向，垂直于x軸且遠離ADS-B地面站的方向為y軸的正方向，垂直于x、y軸的方向為z方向。由此，地面站在y軸負半軸上，設其坐標位置為（0，-yh，0）;飛機的航線在x軸正方向上;干擾臺的坐標位置為（xs，ys，zs）。

飛機從A點飛往B點，以固定間隔時間下發ADS-B信號，該信息序列設為aa，在較短時間段T內，可將航空器的飛行視為沿航線勻速飛行，根據1.2小節信號模型中的分析，aa=L={L1，L2，…，LN}，設地面站接收第n時刻發射的報文的接收時刻為tn，則地面站接收信號的時刻序列為TN={t1，t2，…，tN}。

為了實現欺騙地面站，干擾臺模仿真實ADS-B信號的發射規律，發射的信息序列設為ss=L"={L"1，L"2，…L"N}，設地面站接收到干擾臺第n時刻發射的報文的接收時刻為ts，n，則地面站接收該報文信號的時刻序列為Ts，N ={ts，1，ts，2，…，ts，N}。

3.2 ?可行性分析

根據3.1假設的情景，進行使用“到達時間差法”來判別ADS-B位置信息真偽的可行性分析。主要分為三個方面：

（1）時延的修正。由于ADS-B的延遲時間影響了“到達時間差法”的可行性，為了提高ADS-B的監視精度，文獻[4]提出一種精確計算每個ADS-B報文延遲時間的方法。該方法是根據ADS-B報文的接收時間和報文內容，計算兩相鄰報文的時間間隔和對應報文中飛機兩相鄰位置的時間間隔，通過對兩種時間間隔求差可得到ADS-B兩相鄰報文的延遲時間差，在初始報文中或者間隔一定時間發送飛機位置測量時刻的條件下，可計算其后所有報文的延遲時間，從而對延遲時間進行修正。

（2）干擾臺近似靜止的探討。民航客機的起飛爬升速度一般160～200節/時（290～370 km/h），下降類同[5]。飛機進近階段通常在高度為機場上空至6 000米（含）之間的空域內，是爬升或下降的階段，客機要在這里完成航路空域和機場空域之間的飛行轉換。

從飛機進近的速度和高度，可以斷定，干擾臺可以發射類似ADS-B格式的信號，卻無法模仿飛機進離場的運動狀態，而對比同期發射信號的飛機狀態而言，干擾臺近似靜止。

（3）真實信號與虛假信號到達地面臺的時間差比對。根據3.1的情景，在時間段T內，飛機直線飛行，地面臺接收其下發的ADS-B信號的接收時刻tn隨著時間推移呈現增長趨勢，各時刻的時間差亦是趨于增加;干擾臺需模仿真實ADS-B信號的發射間隔，地面臺接收相對靜止的干擾臺發射的信號的接收時刻ts，n不會隨著時間推移而增長，即是Ts，N序列中的元素值是相等的。通過比對各信號的到達地面臺時間差，而判別出真假信號、目標位置的真偽。

4 ?結 ?論

本文依據虛假的ADS-B報文信息出現的情況不同，而提出了兩種利用ADS-B的報文信息判別目標（飛行器）位置信息真偽的方法，一是使用卡爾曼濾波方法預測航跡是否收斂而判定，二是利用真假報文信息到達地面站的時間差不同而判定。分析與仿真及討論了這兩種方法的可行性，為ADS-B作為獨立監視手段提供有力的支撐。

參考文獻：

[1] 付磊，安強，李家蓬.ADS-B防欺騙技術研究 [J].電子世界，2020（5）：94-96.

[2] RTCA，DO-260B.MinimumOperationalPerformanceStandardsfor1090MHzExtendedSquitterADS-BandTIS-B [S].WashingtonDC，USA：RTCA，Inc，2011.

[3] 盧獻宇，張媛媛.基于卡爾曼濾波算法的ADS-B航跡預測 [J].現代信息科技，2021，5（8）：48-50+53.

[4] 程擎.ADS-B延遲時間計算方法的可行性分析 [J].計算機應用，2012，32（9）：2664-2666+2671.

[5] 劉星.飛行原理 [M].北京：科學出版社，2011.

作者簡介：盧獻宇（1988—），女，漢族，廣西玉林人，中級，碩士研究生，研究方向：信號處理、導航、監視。